径—潮流作用下长江口能量季节性变化及河势稳定性研究

发布时间：2020-10-31 16:55

　　 长江口江宽水深是世界闻名的“黄金水道”。以长江口为核心的长三角经济区是中国最早和最成熟现代意义上的经济区。近年来,因社会经济发展需要,长江口正经历着有史以来最严峻的人类干预,水沙特征和自然河势发生变化。再加上全球气候变暖导致海平面上升加剧,厄尔尼诺现象导致降水量分布异常,洪水和旱灾频发。这将对长江口沿岸的经济发展和生命财产构成严重威胁。因此需要对长江口洪、枯季的系统平衡状态做研究,实现长江口河势稳定性评估。为此,本文基于GIS技术和水动力数学模型,在径-潮流统一的计算框架下设计了针对地貌、水文和能量等相关物理指标的定量化评估模型,并与经典的最优化流体地貌理论相联系,实现对长江口洪、枯季河势稳定性的全面了解。主要研究内容和结论包括4个方面：(1)水动力模拟在全面收集计算资料基础上实现了长江口及其邻近海域水动力数值模拟和解析模拟的参数率定和结果验证,研究区覆盖整个河口,长度达550km。基础地形资料经过GIS几何校正、基面校正和拼接处理形成可用的水下地形DEM。为方便管理和应用,地貌、水位、水力边界条件和底摩擦系数等图层都采用狄罗尼(Delaunay)三角网法划分和最优插值法做数据同化,建立格式统一的数据库。数值模拟基于TELEMAC6.2数值模式,采用实测地形边界和TPXO7.2全球潮汐模型驱动,反映实际情况,但是局部非线性扰动强烈,难以直观表现规律；解析模拟基于CST解析模式,采用简化的指数型地形边界和对称型潮波驱动,便于表达趋势性变化,但结果简单、抽象。两模型都强调潮波、径流及其交互作用。因此,这两种不同类型水动力模式的比较和联合应用为实现长江口径-潮流交互作用下的洪、枯季情景模拟和全面了解河势的稳定性评估打下坚实基础。(2)情景假设与模拟为保证情景模拟的有效性本研究对一些重要的模拟参数做了敏感性测试,结果表明：河床地形、底摩擦系数、径流和潮汐作用对潮波传播和能量耗散具有较大影响,而长时间序列天文潮(18.61年和4.4年结点潮周期)波动、海平面上升和斯托克斯漂移等因素影响相对较小,可以忽略不计。基于此,本研究设计的情景模拟采用实测地形和分段变化的底摩擦系数,情景假设通过不同的潮汐和径流边界条件组合实现,包括：·平均大潮驱动+洪峰径流作用(60,000 m3/s)；·平均大潮驱动+平均洪季径流作用(35,000m3/s)；·平均大潮驱动+平均枯季径流作用(15,000 m3/s)·平均大潮驱动+无径流作用(象征性输入1,000m3/s)；以及·无潮波驱动+径流作用(15,000m3/s,35,000 m3/s和60,000 m3/s)。结果显示：洪峰径流作用下河流占支配地位,潮波影响范围仅限于河口外部130km处,此时口门处的潮通量(71,322 m3/s)仅占总流量通量的54%。无潮波作用下的情景模拟证明径流通量沿河口分布为常数。其他三种情景模拟处于这两个极端假设之间,为评估洪、枯季变化径流作用下的河势稳定性研究提供了参考依据。(3)定量化评估指标在径流和潮流统一的计算框架下,本研究分别从河口形态、潮流界、潮流界物质迁移、潮流棱柱体、能量、能量通量和能量耗散7个方面认识长江口洪、枯季变化径流作用下的指标系统响应机制。结果表明：①喇叭状长江口表现出“过渡型”地貌形态,洪季地形更具棱柱形特征,枯季更具指数型特征；②潮流界位置大概在河口以上250km处,随洪、枯季发生周期性上下摆动；③潮流界物质在洪季时下行,枯季时上行,但总体趋势为不断下行；④长江口属于大尺度河口(长度400km),其潮流棱柱体在潮流界范围内由涨、落憩潮位差控制,在潮流界以上由高、低潮位差控制,但总的潮流棱柱体不随洪、枯季变化(暗示退潮潮流能量不随洪、枯季变化)；⑤河流和潮流能量(Eh)的空间分布随洪、枯季变化显著,洪季时河流势能主控；⑥潮流能量通量向上游呈指数递减,河流能量通量向下游呈指数递减,整体表现出两端大中间小的空间分布特征；⑦长江口能量的季节性变化主要表现为洪季时潮流做功最小、河口整体能耗率最低,枯季时河口能耗率变大,但仍保持一定受限制条件下的相对较小值,即实现统一能量耗散。(4)洪季平衡态与动态平衡最终本文将指标评估结果与Langbein (1963)年提出的河口最优化流体地貌理论相联系,证明长江口在洪季时(i)局部范围内实现等能量耗散,(ii)全局范围内实现最低能量耗散率,此时河口实现最佳平衡态,河势稳定。洪季时潮流做功最小,河流实现统一能量耗散,系统的能量耗散主要来自河流势能。能量耗散机制分析同样证明洪季时河流净能量通量(RNE)主控,河流引起的不对称能量通量(RJA)与潮汐不对称能量通量(TIA)相平衡。本文计算结果与Langbein(1963)的结论相矛盾,CST解析模型认为枯季时河口运行效率最优,但他们都基于经典的解析理论,采用对称型潮波驱动,Langbein (1963)甚至没有考虑径流影响。本研究考虑了潮汐型河口在径-潮流作用下的动态响应机制,即洪、枯季变化径流影响下长江口出现了潮汐不对称,涨、落潮通量和能量通量发生自动调整,河口形态也出现喇叭型-棱柱型转化的动态响应机制。以上因素体现了潮汐型河口为实现最小功而具备的自动调节能力,即动态平衡过程。这是径流、潮流和地形之间的复杂反馈机制,之前关于这方面的研究较少。长江口作为典型的潮汐型平原河口,本文研究结论可应用于其他同类型河口。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TV148
【部分图文】：

图１－１全球重要河口位置分布??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｔｈｅ?ｄｉｓｔｎｂ川ｉｏｎ?ｏｆ?ｇｌｏｂａｌ?ｉｍｐｏｒｔａｎｔ?ｅ巧ｕａｒｙ?ｌｏｃａｔｉｏｎｓ??１．２径－潮流作用下水动力模拟研究现状??河口的是础。一口

ｓｔａｂｌｅ?ｅｑ山?１化ｈｕｍ?（Ｃ），?ａｎｄ?ｍｅｔａ巧ａｂｌｅ?ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ?（Ｄ）．?Ｔｈｅ?ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｍａｙ?ｂｅ?ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ??化?ｂｅ?ａ?ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?ｅｎｅｒｇｙ?ｓｕｒｆａｃｅ＾］??图１－２Ａ为中性平衡（ｎｅｕｔｒａｌ巧山化ｒｉｕｍ）出现在当球体受到稍微扰动之后??不会产生实质性作用力的情况；图１－２Ｂ为不稳定平衡（ｕｎｓｔａｂｌｅｅｑｕｉ化ｒｉｕｍ）出??现在当球体受到稍微扰动么后产生实质性的作用力，并且产生加速偏离原来状态??的情况，即扰动力的正向反馈作用；与不稳定状态相对应的是相对平衡（巧ａｂｌｅ??ｅｑｕｉｎｂｒｉｕｍ），如图１－２Ｃ，出现在当球体受到稍微扰动之后产生保护性作用力或??恢复性作用力。该作用力可用公式Ｆ?＝?－ｋｘ表示，其中ｋ为常数，Ｘ为距平衡的距??离，负号表示作用力方向与位移方向相反。实践证明恢复性作用力并不是简单的??将小球拉回至原来位置，立刻静止，而往往会经过一段时间震荡，才逐渐恢复平??衡状态。相对平衡状态可理解为系统的负向反馈机制。图１－２Ｄ的动态平衡状态??（ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ?ｅｑｕＨｉｂｒｉｕｍ）出现在当球体受到轻微扰动之后仍保持相对平衡的状??态，但当扰动力超过一定限度之后系统就形成了不稳定状态，但随即会进入下一??个新的相对平衡态。实际上

日地貌的沉积动态、冲澈过程等都会呈现出一定的洪、枯季变化。但上游供沙量??却在不断减少，而且地貌响应本身是缓慢的历史演变过程，无法随着洪枯季立马??做出快速调整，如图１－３所示。因此，河势或地貌如何根据洪枯季做相应调整呢？??Ｗ及在什么情况下系统运行效率实现最优化？到目前为止还没有一个简单的公??’?１６??

本文编号：2864228