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，
章华生等(2000)利用平面二维数值模型进行了机制探讨和模拟，比较了不同条件下河口悬沙浓度平面分布特点，并在黄茅海河口进一步得到验证，结果表明河口地形边界和非恒定潮流对最大浑浊带悬沙富集有重要贡献。

除了一般的数值模拟手段外，很多其他的方法与技术也被用于泥沙问题的研究，如使用限元方法的泥沙数值模型(柳海涛等，2001；张细兵等，2002 )，利用一维和二维模型相互嵌套和连接来进行泥沙模拟(张华庆等，1994；张修忠等，2000；张华庆等，2002)，在模型中采用动边界技术(张世奇，1998；陆永军等，1997；孙琪等，2001)等。

朱江等(1998)将一种高效率的敏感性分析方法——伴随算子法应用到水动力泥沙模型中，通过指定适当的指标函数，可以用很少的计算量提供详细的敏感性信息，在工程上有重要的参考价值。

贺松林等(1997)和丁平兴等(1997)采用动力地貌综合分析与数学模型计算相结合的方法，首先分析了湛江湾滩槽演变趋势和影响区域，进而通过建立波一流共同作用下的全沙数学模型，模拟目前湛江湾冲淤变化的基本态势，然后预测沿岸工程可能引起的冲淤强度变化和空间分布，其结果与动力地貌分析的结论互为印证，取得了满意的结果。

吴加学和沈焕庭(1999)以珠江黄茅海河口为例，根据泥沙粒径统计特征值，运用McLaren模型分析河口泥沙输移趋势，并结合水动力及地形综合分析，确定泥沙来源，搬运方向，探讨输移机制。

诸裕良等(2001)建立了一维河网非恒定流及悬沙数学模型，提出了节点悬沙控制法，该模型成功地应用于珠江三角洲流域河网水流及悬沙的数值计算。

3.2 国外泥沙数值模拟
国外对河口泥沙输运的系统研究早在上世纪50年代就已开始，近30年来，随着计算机的飞速发展和观测技术的不断提高，利用数学模型研究泥沙输运已逐渐成为河口泥沙研究中的有力手段，泥沙数学模型经过一维、二维也已进展到三维模型。

一维模型在泥沙输运和大尺度地貌演变的研究中已经被广泛使用，如应用到河流中(Odd, N. V. M.等，1972)、潮汐水道中(De Vries等，1989)以及模拟河口地区泥跃层的形成。

1972年，Odd and Owen (1972)建立了一个一维双层的模型，底下的一个薄层处于恒定水深下，上面一层的厚度会发生变化。

冲刷率和淤积率分别基于Partheniades(1965)和Kron(1962)的公式。

大西洋地球科学中心建立了一个一维模型SEDTRANS92 (1995)用于预测陆架海岸区域在流或波一流共同作用下的泥沙输运。

Fassnacht (1997 )发展了一个一维多河道(河网型)悬沙输运模型用于Maackenzie流域三角洲(加拿大)的研究。

Harris和Bales等(1984)利用对流扩散方程建立了一个考虑泥沙颗粒沉降和底质悬浮影响的一维模型;Dronkers (1986)和Aubrey (1986)分别建立一维泥沙模型来分析潮汐河口细颗粒泥沙的净输运，得到泥沙的净输运主要由涨落潮不对称引起；Uncles和Stephens等(1988)利用一维模型分析一个理想强潮河口的细颗粒泥沙浓度分布的季节性变化和其对污染物的影响。

早期利用一维数学模型和若干简单机理模型来研究泥沙输运特征的泥沙数值模拟工作很多，它们中间各有侧重，主要通过对实际问题进行简化，集中考虑所关心的一个或多个物理过程。

由于忽略了实际河口过程的诸多因素，往往只能反映河口泥沙输运过程的一个或几个侧面，难以全面反映河口泥沙输运的特征。

随着研究的逐步深入，简单的一维数学模型逐渐被二维模型所取代。

水平二维泥
沙数值模型建立在深度平均的基础上，能够模拟区域泥沙场的平面分布，例如De Vriend(1987)，Teisson(1991)、Nairn and Southgate(1993)以及Ziegler and Nisbet (1994)等的工作。

Markofsky和Lang (1986)的等利用正压二维数值模型研究河口悬沙浓度分布，并讨论了数值扩散系数对泥沙计算结果的敏感性。

Wolanski et al. (1995)应用平面二维数值模型讨论了Fly河口(巴布亚新几内亚)最大浑浊带形成的动力机制。

Barros (1996)建立了一个有限元方法的二维泥沙输运模型，模型由两个能够相互藕合的模块构成，一个用来描述对流、扩散、冲刷、淤积等动力过程，一个用来反映底部泥沙固结的机制。

Mead (1999 )同时使用垂向二维和平面二维的泥沙模型研究河口内挖槽区的淤积问题，并做了比较:平面二维可以反映底质供给程度的影响，垂向二维模型则可反映垂向上流场的辐聚和辐散对挟沙力的影响。

垂向二维模型能够反映泥沙剖面的分布，以及泥沙底边界的某些动力过程，如O'Connor(1971), van Rijn (1986)以及Celik and Rodi (1988)等的研究。

Kuo et al. (1978 )用一个侧向平均的二维模型来研究Chesapeake湾(美国)的支流河口所观测到的最大浑浊带，指出盐水楔前缘出现最大浑浊带可能是由于底部余流在那里汇聚的结果。

Fasta和Hansen (1979 )利用垂向二维数学模型，研究一个理想河口的重力余环流以及在它影响下的泥沙浓度变化；Salomon (1981)建立了Seine河口(法国)的垂向二维数值模型来计算河口中泥沙的扩散过程。

二维数值模型在河口泥沙研究应用中显示了良好的前景，但实际的河口过程是三维非恒定的，二维模型仍忽略实际过程的许多因素。

有一类介于二维和三维之间的模型，主体还是在二维平面里计算，垂向给一个泥沙剖面，称为准三维模型，如Galappatti and Vreugdenhil (1985)和Yakirevich et al. (1998 )。

目前三维泥沙数值模型的应用己经展开，类似的文章还有很多，如O'nishi (1981)在三维模型中考虑泥沙和污染物的吸附和解析作用等；Nidiolson等(1986)利用三维泥沙模型对河口细颗粒泥沙的运移进行研究；Wang and Adeff (1986)和Malcherek et al.(1993)发展了基于Petrov-Galerkin方法的有限元模型来计算河流及河口区域的泥沙输运。

Van Rijn (1987, 1990)研究了一些基本物理参数的影响，建立了一个在缓变流下的三维悬沙输运模型，而它的流场部分则由一个深度平均的二维模型与一个对数流速剖面来实现。

O'Connor and Nicholson（1988）建立了一个三维粘性泥沙模型，他们用特征线的方法处理泥沙输运方程中的平流项，并使用实验数据对模型进行验证。

Lang（1989）等利用三维泥沙输运模型研究Weser河口(德国)的泥沙输运，模拟结果与实际观测吻合，较好地体现了Weser河口悬沙涨落潮变化的规律。

Lin and Falconer（1996 )用一个三维悬沙模型来预测Humber河口（英国）的悬沙通量。

Cancino and Neves (1999)建立了一个全三维的考虑斜压效应的水动力和泥沙数值模型，模型中与细颗粒泥沙侵蚀、沉降和絮凝有关的参数通过现场实测数据确定。

近年来，除了传统的数值方法外，还有一些新的方法和技术也被用于泥沙的计算，出现了很多所谓的联合模型。

Lou and Ridd (1997)利用一个模型系统，包括二维和三维流场、波浪传播模型、波一流相互作用的底边界层模型和准三维的悬沙输运模型，较好地模拟了Cleveland湾(澳大利亚)的悬沙过程和自然淤积率。

Keiner and Yan (1998 )利用神经网络的方法并借助卫星图像来预测海面的泥沙及叶绿素分布。

Chen and Dyke (1998)建立了一个多元时间序列模型，利用取自Rufiji三角洲(坦桑尼亚)的实验数据，研究悬沙浓度剖面与流速剖面的关
系，进行悬沙浓度和输运的计算。

Voset al.（2000）将综合数据模拟的方法用于研究局地悬沙分布的季节性变化。

Prandle et al.（2000 )建立了一个考虑波浪、潮流、垂向紊动、泥沙输运的联合模型，并使用多种观测手段，研究海岸线侵蚀非常严重的Holderness海岸(英国)附近动力场和泥沙场的情况。

还有一种复合模型，它由计算机控制，将数学模型与物理模型进行祸合，使两者能相互提供数据，并反馈各自的结果，例如McAnally et al.（1984）建立的哥伦比亚河口综合模拟系统，包括有大比尺河口的物理模型、波浪传播数值模型、计算沿岸流的解析模型以及水流和泥沙输运的二维数值模型，该系统成功地预报了当地航道加深后泥沙的回淤量。

4 潮流、泥沙数值模拟发展展望
目前国内外学者对于潮流及泥沙数学模型的研究虽已取得了丰硕的成果, 但是应该看到, 仍有许多问题没有解决。

就目前而言, 潮流和泥沙数值模拟主要在以下方面有待于进一步的发展。

（1）进一步加强潮流及泥沙数学模型的基本理论的发展和完善：在海岸河口地区，由于波浪和潮流的共同作用，污染物、盐度和泥沙的相互影响，悬沙等物质的运动和输移规律都是非常模糊而又亟待解决的问题。

因此，应进一步加大对紊流运动和悬沙等物质输移规律的理论和试验研究。

（2）开发基于并行计算的高效率高精度的水沙模型：三维模型的结构复杂，计算量远大于二维模型，这就要求三维模型要有较高的效率，而时间步长既受表面浅水重力波快速传播的限制，又受垂向扩散项的制约，如何克服这一矛盾就显得非常重要。

现有数值计算方法无论是模式分裂，还是只对水位梯度和垂向扩散项隐式积分的半隐格式，都不能很好地符合浅水流动的物理本质。

具有较强的地形适应能力的贴体坐标和R坐标变换技术已得到了相当广泛的应用，但是用非结构化网格的离散方法和在真实物理域中求解基本方程尚有待于进一步研究。

（3）数值模拟的可视化和软件化: 数值模拟可视化就是将数值模拟的结果直观化，即利用计算机的图像处理技术将数值模拟结果在屏幕上显示出来。

它将大量计算数据变成在屏幕上的复演的潮流运动，使计算结果显明、直观、生动。

网格的自动生成、初边值条件的自动给定以及与CAD、GIS 等技术相结合是水沙模型发展的一个重要趋势。

数值模拟的可视化与虚拟现实在数值模拟中的应用日益受到重视。

将潮流、泥沙数值模拟的全过程设计成软件包或程序包，利用可视化技术，辅以良好的前、后处理，降低技术门槛，使其通用性大大加强。

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