河势变化下河口环流结构及变异研究

发布时间：2020-05-30 20:07

【摘要】：河口三角洲区域不仅是人类生活的高密度聚居地,也是陆海相互作用最为敏感的地区。河口的物质输运是陆海相互作用的关键过程,河口的动力场是物质输运的关键驱动因素。受径流、潮流、波浪及盐淡水相互作用影响,河口的水动力异常复杂。多级分汊河口滩槽相间的地貌形态,进一步强化了河口动力的三维特性。关于河口纵向环流,已有经典的动力解释和科学认识。近年来,针对河口环流结构与横向环流的研究也取得诸多进展,发现横向动力过程在河口分层、环流形成以及物质输运中具有举足轻重的地位。对于长江河口这样的多级分汊河口,受分流分沙比及多级分汊地貌格局的控制,各个汊道河口环流结构不同,频繁的滩槽交换导致不同汊道的水流相互影响。关于这种分汊河口的环流动力,尤其是横向环流结构及其给河口动力带来的影响仍然缺乏认识。以长江河口这类强动力分汊型河口为代表的的大型河口系统,开展三维动力场结构的研究,不仅能丰富河口动力学的研究内容,而且对泥沙输移、污染物输运及地貌演变等方面的研究具有重要意义。本文通过建立长江河口三维水动力数学模型,利用大量实测水位、流速和盐度数据对模型进行验证,使之能够准确的反映长江河口的动力特征。利用模型计算分析刻画了长江口各主要汊道水体分层状态、河口环流结构和变化过程以及控制因子;利用动力平衡分析,论述了横向环流在驱动河口环流中的作用;采用机制分解的方法,阐述了河口环流变化对盐水输运的影响。基于不同年份的河口地形建立数学模型,讨论了人类活动驱动下河口动力场的改变,发现了横向动力差异减小和滩槽水流交换减弱对河口层化、河口环流的影响;分析计算结果还显示,深水航道工程对河口动力场的影响不仅局限于拦门沙河段,甚至会影响水下三角洲前缘的冲淤格局。论文的主要研究成果总结如下:1.揭示长江河口各主要汊道河口环流结构及其转化机制。以往对河口环流的研究,主要集中在沿河槽的方向,而忽略了河口环流的三维结构。水体的层化程度决定了垂向的动量交换,使长江河口各汊道的河口环流展现出不同形态。北港的河口环流结构呈现“垂向梯度型(vertically sheared)”结构,即底层余流向陆,表层余流向海;北槽与南槽的向陆余流出现在河槽北岸并延伸至水体中上层,而向海余流则聚集靠近南侧浅滩的河槽中,河口环流结构为“横向梯度型(laterally sheared)”。受河口河势变化和大型工程影响,长江河口三个主要入海汊道的分层均有所增强,水流紊动被抑制并减弱了上下层水体的动量交换,表底层动力差异增大,底层向陆余流向上层水体的延伸受限;同时河槽束窄,科氏力对潮流动力的横向分异作用趋弱。河口河槽窄深化导致北港河口环流结构的“垂向梯度型”特征进一步明显,南槽河道尚宽浅,仍然保持着“横向梯度型”结构,北槽的环流结构从“横向梯度型”转变为“垂向梯度型”。2.阐明多级分汊河口越滩水流产生的正压力是横向环流产生的主要原因之一,横向环流改变水体层化过程。与差异平流为主的单汊道河口不同,分汊型河口的横向环流主要受横向水位梯度控制。在涨潮期间,潮流越过浅滩,在主槽水体表层产生由南向北的横向环流,横向盐度梯度产生的斜压力驱动底层水体由北向南运动;落潮时,越滩流消失,差异平流的作用使得横向环流形成了从深槽到浅滩的辐散型结构,其量值相比涨潮时大幅减小。关于水体的层化机制研究表明,纵向、横向的潮汐应变和对流作用,都会导致水体分层发生变化,其中纵向潮汐应变和对流占据主导作用。横向环流的垂向梯度与横向的盐度梯度相互作用产生横向潮汐应变,使水体在涨潮后期迅速趋于层化;发现大潮期间,因为横向环流垂向梯度和横向盐度梯度增加,横向潮汐应变的作用超过纵向,成为水体层化的主要控制因子。受河口大型工程和浅滩淤积的影响,横向水流交换受到阻碍,河口横向环流强度在各个河槽均出现不同程度的降低,大潮时,北港、北槽和南槽三个主要河槽,横向环流量值分别减小28%、35%和27%,小潮分别减小22%、29%和26%。此外,盐度的横向梯度减小,横向潮汐应变作用减弱,河口层化主要纵向的物理过程控制增强。3.提出多级分汊河口横向环流产生的非线性对流加速度度是河口环流的重要驱动因子。动力平衡分析表明,非线性对流加速度度的最大值在北港、北槽与南槽三个河槽分别为0.2×10~-44 m/s~2,0.4×10~-44 m/s~2和0.2×10~-44 m/s~2,具有与压力梯度相同的数量级,是河口动力的重要组成部分。涨潮时,横向环流将浅滩的低流速水体输送至高流速的主槽,从而降低河槽南侧的涨潮流流速;在断面北侧,横向环流将深槽的高流速水体输运至浅滩,使涨潮流速增加。落潮期间,横向环流呈现由深槽向两侧浅滩的辐散型结构,横向环流的对流作用将深槽高流速水体输送至两侧浅滩,增加了两侧浅滩的落潮流速。从潮平均的时间尺度分析,由于涨潮期间的横向流速高于落潮,非线性对流加速度项增加了断面北侧的向陆余流与南侧的向海余流,成为河口环流的另一驱动因素。4.河口局地大型水利工程对动力场结构调整是冲淤格局转化的主要驱动力之一。以往对河口水下三角洲前缘的冲淤研究主要聚焦在流域来沙减少的影响,而忽略了河口局地工程对冲淤格局的影响。研究发现长江入海泥沙通量从1986-1997年间的3.48×10~8 t/yr降低至1997-2010年间的2.17×10~8 t/yr,长江口水下三角洲前缘仍然呈现淤积态势,但净淤积强度已经从5.78×10~8 m~3减小至3.74×10~8m~3,相应地,净淤积速率从16.7 mm/yr减小至9.1 mm/yr。在冲淤的空间分布特性上,潮滩在持续淤涨,而口外水下三角洲前缘在近十年形成了南北走向的条带状冲刷区域。研究选用潮流能量耗散与侵蚀速率两个物理指标来衡量水下三角洲前缘的动力场变化程度。结果表明,长江口深水航道工程已经显著改变了其周边水域的水动力场结构,并进而塑造了工程附近区域的地貌冲淤格局。研究证实,深水航道工程导致北槽与南槽出口的侵蚀率较原有自然条件的水平增大了90%,在北港口外的10-20 m等深线水域,侵蚀率增加了近30%。侵蚀率增加区域与1997-2010年间口外出现的冲刷带相一致,深水航道工程导致侵蚀率增加,是造成工程附近水域局地冲刷的主要动力机制。在导堤北侧的横沙浅滩,由于工程对潮波的阻挡作用,侵蚀率显著减小,则出现明显的淤积。
【图文】：

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.1.3 河口环流河口环流是河口研究的基本问题之一。河口的生态健康在很大程度取决的余环流。虽然潮流在短时间内对营养物和污染物的输运起到主要作用，些物质的净输运主要由环流决定(Staceyetal.,2001)。此外，环流还能指示净输移和长周期运动(Codiga andAurin, 2007)。河口环流受径流、潮汐、风、降雨、蒸发以及河口地形等影响，存在着时空变化。一般地，水位梯度产生的正压力与密度梯度产生的斜压力在潮间尺度下产生表层水体向海、底层水体向陆的重力环流(图 1.1)，垂向上，的紊动作用促使表底层之间产生能量交换和盐淡水混合(Pritchard, 1952, 1汐应变导致涨、落潮的混合出现不对称，，影响动力的交换过程，进而产生应变环流”。在混合程度较好的水体中，潮汐应变环流的量值甚至超过重(Burchard and Hetland, 2010)。

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1970; Chen and Sanford, 2009)。以上的驱动因素中，差异平流的产生向环流最为普遍。在涨潮时，由于潮流的空间差异，深槽的盐度高于两侧浅滩成了由深槽指向两侧浅滩的斜压力，并由此产生了底层环流向两侧浅滩的横流，表层的横向环流动向深槽幅聚(图 1.2)。在落潮时期，盐水在深槽中向海运更快，盐度在深槽低于两侧浅滩，形成了与涨潮时期相反的横向环流。值意的是，由于落潮时河口分层增加，横向的斜压力较涨潮时为小，横向环流潮期间小于涨潮期。由于科氏力的存在，在涨潮时，水体受科氏力的影响向北半球)偏转，表层横向环流的幅聚中心也偏向右侧(Lerczak and Geyer，200河口两侧浅滩的斜坡，由于紊动较强，水体混合较好，密度等值线垂直于边坡成了沿两侧边坡向上的横向环流(图 1.3)。与差动平流产生的横向环流不同，层混合产生的横向环流对泥沙输运至关重要：在深槽被侵蚀的泥沙会随着横流输送到右侧浅滩，使河槽形状产生不对称(Chen and Sanford, 2009)。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV148

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