黄河口悬浮泥沙扩散规律及其数值模拟研究

论文摘要

黄河三角洲处于河流与海洋相互作用的过渡带,其陆海相互作用强烈,是黄河入海物质的主要“汇”,同时还是这些入海物质向渤海扩散的“源”。为了深入系统地研究黄河入海物质（水、沙、营养盐和主要污染物）的输运、转化和归宿,本论文依托于“973”项目“中国典型河口-近海陆海相互作用及其环境效应”第四子课题“黄河三角洲海岸蚀积转换机制和趋势预测”,首先对黄河口2003年两次黄河口海洋环境综合调查数据资料进行详细分析,研究了枯季的水文、泥沙基本特征,重点讨论了淡水扩散、盐淡水混合、盐水入侵过程、泥沙输运、河口密度环流等;在此基础上,将EOMSED数值模型应用到黄河口,根据黄河口的实际岸线和地形,建立了一个基于正交曲线网格的三维黄河口水沙输运数值模型。通过与实测资料对比验证,证明该模型可以较为真实的反映黄河口水沙扩散的基本情况。利用该模型成功的模拟了黄河口不同流量条件下水沙输运的过程,得到了以下几点结论:1. 1996年改道后,黄河口悬浮泥沙通量指向河口西北方,余流对泥沙的净搬运起到了重要影响,致使新河口向河口左侧生长。而原清水沟流路时期河嘴向右侧生长,与现行河嘴生长方向相反。2.本文基于数值模型方法,首次通过计算对黄河口悬浮体锋面出现的时刻、其分布形态以及形成的动力机制进行了详细的探讨。当近岸流场转为涨潮流时,黄河入海泥沙羽状流被海水顶托,扩散范围仅局限于河口东南侧,此处随径流扩散的高浓度含沙羽状流与海水之间形成一条悬浮体锋面;而部分泥沙随羽状流绕过流场切变带后受到远岸端落潮流的影响向西北方向扩散,此处随潮流扩散的羽状流与海水之间形成了另一条悬浮体锋面,其形成机制与近岸端的悬浮体锋面并不相同。当近岸流场转流至落潮流时,入海泥沙随羽状流向河口西北扩散,受流场切变带阻隔,大部分泥沙被阻挡在切变带近岸侧,形成随径流扩散的高浓度含沙羽状流与海水之间的一条悬浮体锋面;而部分泥沙绕过流场切变带后随远岸端涨潮流向东南扩散,形成随潮流扩散的高浓度泥沙羽状流与海水之间的另一条悬浮体锋面。流场切变带的存在阻挡了泥沙向外扩散,使得泥沙沿流场切变带在河口两侧扩散沉积。3.分析了不同流量条件下黄河口淡水扩散规律,指出不同流量状态下黄河淡水都是以异轻羽状流的形式向海扩散。低流量状态下,淡水扩散伴随着盐淡水混合,河口水体总体而言属于部分混合型,仅在河口前缘水体分层较为明显;高流量状态下,淡水扩散范围较大,河口附近海区水体垂向分层明显。4.在低流量状态下,模型模拟结果可以看出整个潮周期内,河口拦门沙附近悬浮泥沙浓度均高于其两侧,然而在涨、落潮交替时发育最为充分。高、低流量状态下,河口最大浑浊带发育位置随盐水楔前端位置不同而有所差别:高流量状态下,盐水楔未能侵入河口,因此最大浑浊带位于河口拦门沙外缘;低流量状态下,盐水楔深入河口最远可达5km,最大浑浊带发育于河口拦门沙附近。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 0 引言
• 0.1 河口海岸冲淤演变研究现状
• 0.2 黄河三角洲研究现状
• 0.3 河口海岸水沙数值模拟研究进展
• 0.3.1 河口海岸潮流数值模拟
• 0.3.2 河口海岸水沙数学模型
• 0.4 本文研究内容和主要任务
• 1 研究区域概况
• 1.1 黄河河口历史变迁
• 1.2 黄河口气象水文特征
• 1.2.1 气象概况
• 1.2.2 水文概况
• 1.3 黄河口海洋动力特征
• 1.3.1 潮汐与潮流
• 1.3.2 余流
• 1.3.3 海浪
• 1.3.4 风暴潮
• 1.4 黄河口沉积物及其分布特征
• 1.4.1 黄河水下三角洲沉积物类型及其分布
• 1.4.2 沉积物中值粒径分布
• 1.5 黄河口泥沙输运及扩散特征
• 2 黄河口动力环境及悬浮泥沙输运
• 2.1 站位布设
• 2.2 低流量状态下黄河口海区水沙扩散规律
• 2.2.1 温盐空间分布特征
• 2.2.2 河口潮汐、潮流分布特征
• 2.2.3 河口区余流估算
• 2.2.4 黄河口淡水扩散及盐水入侵的时空变化特征
• 2.2.5 黄河口悬浮泥沙扩散时空变化特征
• 2.3 高流量状态下黄河口海区水沙扩散规律
• 2.3.1 温盐空间分布特征
• 2.3.2 高流量状态黄河口淡水扩散规律
• 2.3.3 高流量状态黄河口悬浮泥沙扩散规律
• 2.4 小结
• 3 黄河口三维水沙数值模型的建立与验证
• 3.1 黄河口三维水沙数值模型的建立
• 3.1.1 三维水流运动基本方程
• 3.1.2 紊流模型
• 3.1.3 方程的转换
• 3.1.4 模型定解条件
• 3.1.5 泥沙输运模块
• 3.1.6 模型分裂技术
• 3.2 黄河口三维水沙数值模型的设置及验证
• 3.2.1 计算网格
• 3.2.2 模型边界条件
• 4 低流量状态下黄河入海泥沙的输运规律
• 4.1 落潮时河口水沙输运规律
• 4.2 涨潮时水沙扩散特征
• 4.3 河口切变锋
• 4.3.1 内涨-外落型悬浮体锋面
• 4.3.2 内落-外涨型悬浮体锋面
• 4.4 本章小结
• 5 高流量状态下黄河入海水沙的输运规律
• 5.1 落潮时水沙输运规律
• 5.2 内涨-外落时水沙输运规律
• 5.3 涨潮时水沙输运规律
• 5.4 本章小结
• 6 结论与讨论
• 6.1 主要研究进展和创新
• 6.2 问题及展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文