文献综述-长江口水文、泥沙计算分析

长江口水文、泥沙计算分析

文献综述

1研究背景

河口地区是海陆相互作用最为典型的区域，其水动力条件复杂，如径流、潮汐、波浪、沿岸流以及地转科氏力等作用强烈；人类活动也颇为活跃，其作为经济发展的强势地位集中体现在沿江、沿海等地域优势上。众所周知，河流泥沙资料是为防治水土流失、减轻泥沙灾害、合理开发水土资源、维护生态平衡等方面的宏观分析与决策研究，以及流域水利水电工程建设规划、设计和水库运用、调度管理等提供科学依据的重要基础工作。

我国属于多河流、广流域的国家，据统计，在我国长达21000多公里的海岸线上，分布着大小不同、类型各异的河口1800多个，其中河流长度在100公里以上的河口有60多个（沈焕庭等，2001）。长江是我国第一大河，水量丰沛，输沙量大，全长约6300km，流域面积约180万km2，占全国面积的1/5。其河流长度仅次于尼罗河与亚马孙河，入海水量仅次于亚马孙河与刚果河，均居世界第三位。据长江大通站资料(1950~2004)，流域平均每年汇集于河道的径流总量达9.00 X 1011m3，并挟带约3. 78 X 108t泥沙(中华人民共和国泥沙公报，2004)，由长江河口的南槽、北槽、北港和北支等四条汉道输送入海。

根据长江口水流动力性质和形态特征，可分为径流段、过渡段、潮流段和口外海滨段。过渡段是径流与潮流相互消长的河段，它自五峰山镇至徐六径，长约184km。潮流段是潮流势力逐渐增强，径流势力相对减弱，风浪与风暴潮对河道的影响大增的河段，它自徐六径至河口，长约174km。口外海滨段是诸多水动力因素非常活跃的场所，又受到海岸、海底等边界条件的制约，水流动力情况比较复杂。它的大致范围是西起长江口拦门沙前端、东至水下三角洲前缘，南自南汇嘴附近、北达江苏省篙枝港(胡辉，1988；沈焕庭2000，2001；宋兰兰，2002)。每个典型河段都有其固有的且相互影响的悬移质含沙量分布特性，它们在长江口地貌形态、河口演变过程中扮演着重要角色。同时，港口与航道部门也十分关注水体悬移质含沙量分布的变化规律，营养盐和污染物的分布变化也和悬移质泥沙分布息息相关。因此，研究河口地区的悬移质含沙量分布特性具有广阔的科学背景和应用价值。

2研究意义

长江是一条世界级的巨川，巨量的水、沙下泄使长江河口成为高浊度、细颗粒泥沙为主要特征的河口，而且对邻近陆架海域的水文、泥沙、沉积和生态环境等有重大影响。泥沙本身的物理、化学特性复杂，在河口盐淡水交汇中的絮凝机制又处在研究初期，加之复杂动力因子共同作用下的悬浮、沉降、再悬浮过程，

使悬移质泥沙分布具有时空多变和不确定性。因此对河口悬移质含沙量分布及其动力条件的研究有着重要理论意义，有助于港口航运的管理维护，为自然资源的合理使用提供依据。

3国内外河口区域泥沙数值模拟研究现状

潮流与泥沙数值模拟始于20 世纪60 年代, 是一门新兴的综合性模拟技术, 它以流体力学、泥沙动力学以及计算数学等学科为基础, 结合具体工程技术, 通过采用数学模型来模拟某种物理现象, 并利用数值计算进行近似求解以复演某种自然或人工过程。与物理模型相比, 数值模拟具有经济、快速、修改方便等优点, 并且不受比尺的限制, 已广泛应用于解决各种海岸、河口动力问题的研究, 如河口整治工程、环境保护工程等。此外, 还可以用来揭示许多海岸、河口物理现象, 例如: 通过潮流、泥沙数值模拟, 可了解水质点在任意时刻的

流速、流向和水量的输送、湍流的强度以及涡旋、环流状况和泥沙输移以及底床变化等。

近年来国内外潮流、泥沙数值模拟的研究，评价分析了数学模型的多种数值解法，主要有零维、一维、二维、三维和复合泥沙数学模型以及水沙数学模型。在解决二维潮流数值模拟的过程中, 有多种数值解法可供选择。这些数值解法就划分标准的不同, 可以大体分类如下: 从离散方法上分, 有差分法、有限元法和有限体积法; 从适应物理域的复杂几何形状上分, 有贴体坐标变换及R坐标变换; 从时间积分上分, 有显式、隐式、半隐格式; 从求解方法上分, 有ADI 法、迭代法、多重网格法以及并行计算技术; 从干湿、露滩动边界的处理上分, 有固定网格和动态网格技术; 从悬沙输运重力沉降项的处理上分,有源项化和对流化的做法。

3.1 国内泥沙数值模拟

我国经济建设的迅速发展，极大的推动了对泥沙运动的研究。近些年来，泥沙数值模型已经在河流、河口及海岸等区域的工程建设中大量使用。

河流的泥沙研究在我国起步较早，在很多方面已较为成熟，如泥沙的非均匀性，泥沙输运过程中悬移质及床沙级配的变化等。在数值模型方面，以一、二维模型为主。一维模型的研究，如李义天和尚全民(1998)对求解一维不恒定模型控制方程的数值解法进行了研究，并用丹江口水库下游的资料进行了验证；梁国亭等(1999)建立了一维非恒定泥沙数学模型，详细讨论了一些关键技术，对黄河小北干流进行了计算;王双明等(2000)利用复式断面河道一维扩展水流泥沙数值模型，模拟了阳泉治理河段的水流、泥沙情况。二维模型方面，黄金池和万兆惠(1997)建立了适用于多沙河流及河床演变的二维数学模型，可用于河床演变及浑水洪水等的预报：张华庆等(1998)建立了一种能考虑悬沙和床沙交换机理的悬沙输移模式，以拟合坐标适应河道弯曲、狭长的特点，用于长江重庆河段龙滩水沙的计算；于清来和窦国仁(1999)在一定条件下，将高含沙河流的控制方程转化为低含沙的形式，可用于黄河这类水沙变化较大的河流计算。

海岸河口地区一般地形、动力条件多变，泥沙运动相当复杂。由于政府部门

的重视，国家投入的增加，进行大规模的观测成为可能，该地区的泥沙运动的研究正处于一个不断发展的时期，数值方法作为重要手段，已得到广泛应用，模型以二、三维为主。二维模型，如叶锦培等(1986)以涨落潮使用不同挟沙力公式，建立了二维泥沙模型对珠江口磨刀门潮流输沙进行了计算；曹文洪等(2001)利用二维非恒定水流泥沙数学模型，较好地模拟了黄河河口海岸泥沙输移和冲淤变化。三维模型方面，陈虹和李大鸣(1999)采用二坐标变换，三角网格有限差分格式，建立了一个三维潮流泥沙模型，对渤海湾顶典型潮潮流与泥沙运动进行了模拟；李蓓和唐士芳(2000)将一个三维潮流盐度泥沙数值模型应用到伶仃洋航道的整治研究中，模拟计算得出的航道一期工程开挖后的淤积量与实测结果十分接近；为了研究渤海中悬浮物长时间、大范围的输运规律，江文胜和孙文心(2001,2001)研究并改造了德国汉堡大学的粒子追踪悬浮物输运的三维模式，利用粒子追踪方法模拟了由黄河口排放的细颗粒物质的分布和输运的情况。

河口海岸地区波浪的作用不可忽视，曹祖德和王桂芬(1993)较早地在数学模型中引入波浪的作用，波浪幅射应力以及波一流共同作用下的底部切应力，建立了波浪掀沙、潮流输沙海床演变的数学模型；辛文杰(1997)将幅射应力、波流摩阻力、和波流挟沙力归结到控制方程中去，构成潮流、波浪综合作用下河口二维悬沙数学模型计算系统，模拟了珠江口黄茅海悬沙冲淤过程；马福喜和李文新(1999)建立了波一流共同作用下二维非均匀沙数学模型，泥沙颗粒的絮凝沉速考虑了多种因素的影响，同时引入通量概念处理岸滩不规则边界，在黄茅海得到了实测资料和卫星遥感图像的检验；朱志夏等(2002)利用随机波折射绕射数值模式及波浪作用下的二维浅水运动方程和悬沙扩散方程，建立了波一流共同作用下二维悬沙数学模型，对渤海湾北部海域航道疏浚弃土的悬沙扩散、运移以及海床演变进行了数值模拟。曹振轶等(ZOOI)和胡克林等(2002)利用二维全沙数值模式对长江口泥沙在平常和风暴天气下的分布情况进行数值模拟。

由于泥沙组成的非均匀性，一些学者通过分粒径的方法研究河口海岸地区的泥沙运动。许卫忆和苏纪兰(1986)从平衡输沙概念和Bagnold输沙公式出发，通过5组悬沙粒径和3组底沙粒径对杭州湾内泥沙输运趋势和地形冲淤的形势进行了研究。董礼先等(1989)从黄东海潮流模拟入手，计算了不同粒径的悬浮泥沙输送和底推移质输送，通过两者输送场的散度探讨计算海区的冲刷情况。朱玉荣((2001)在渤、黄、东海陆架的M2潮流的合理模拟基础上，计算了8种粒径泥沙的潮平均悬移输沙率、潮平均推移输沙率以及相应的输沙率散度，根据不同粒径泥沙输沙率散度的相对大小，确定出海底的主要底质类型，结果表明，主要底质类型的分布格局与海底的冲淤格局以及与输沙率矢量的发散和聚合状况基本一致。

人们还对泥沙运动中某些特定的区域(如近底边界层)或现象(如异重流等)进行了关注。曹志先(1997, 1997)讨论了平衡和非平衡输沙下泥沙数学模型的近底边界。他对自己提出的，基于湍流碎发的床面泥沙上扬通量函数进行了改进。在平衡输沙下，利用泥沙上扬与有效沉降通量相等，建立了近底含沙量的理论模式，并用上扬通量函数直接构造床面可自由冲刷时近底含沙量Neuman条件(梯度型)，应用扩散理论研究悬移质泥沙的非平衡输移。在泥沙异重流研究方面，王光谦等(2000)结合流体运动方程和泥沙运动特性，导出了平面二维泥沙异重流的运动方程，模拟了水槽试验中异重流的运动;庞重光和杨作升(2001)将广泛应用的一维泥沙异重流控制方程推广到二维，并加入了潮汐影响项，针对黄河口泥沙异重流的发生和演变受潮控制的特殊性进行了数值模拟。对河口最大浑浊带现象，