长江河口细颗粒泥沙沉降速度研究

发布时间：2017-04-14 22:01

  本文关键词：长江河口细颗粒泥沙沉降速度研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：长江河口盐淡水交汇区广泛存在着黏性细颗粒泥沙,极易发生絮凝现象。絮凝作用引起的沉降速度增大会导致泥沙在一些敏感地区出现大量落淤,引发航道淤积等问题。作为泥沙动力特征的核心物理量,沉降速度已成为研究泥沙运动、计算冲淤变化的重要参量。因此,长江河口黏性细颗粒泥沙絮凝作用下的沉降速度研究具有重要的理论意义和应用价值。泥沙絮凝沉速受粒径、泥沙浓度、盐度、紊动等多种因素影响,现场直接观测的技术手段也较为有限,目前尚未得到统一而权威的、综合考虑多个影响因子的长江河口泥沙沉速公式。本文基于室内试验、理论分析和数值模式研究方法给出了长江河口黏性细颗粒泥沙沉降速度的定量表达。主要成果如下：1.自主设计并搭建了泥沙沉降试验平台,测量长江口细颗粒泥沙在不同泥沙浓度和盐度下的静水沉速。该平台具备时空分辨率高、干扰小、量程广等优点,试验样品来自长江口现场的天然水样泥样,沉速计算方法为物理意义清晰的控制体积法。共完成不同盐度、泥沙浓度条件下约200个批次的沉降试验,测量数据表明长江口细颗粒泥沙最佳絮凝浓度约在4～5 kg/m3,泥沙浓度在4 kg/m3附近的最佳絮凝盐度约为23,泥沙浓度在5 kg/m3附近的最佳絮凝盐度约为12。最终得到静水条件下泥沙浓度和盐度对单颗粒泥沙沉速修正的关系式。2.在室内静水试验研究基础上,结合理论分析,考虑了紊动对沉速的影响。首先,选取垂向扩散系数和絮凝体直径作为紊动影响函数的基本参数,经过理论分析和变量归一化处理构建得到紊动因子影响函数。其次,借鉴多批实测资料得到悬沙粒径空间分布,通过公式计算得到长江河口区域的单颗粒泥沙沉速值。最终,得到综合考虑粒径、盐度、泥沙浓度、紊动重要影响因子的动水沉速表达式。3.基于导师研究组长期开发、应用的三维水动力和泥沙数值模式,引进了本文构建的泥沙沉速公式。该模式在潮滩动边界计算、数值格式求解和泥沙模块计算等方面均已得到提升,并且引进了三重嵌套的WRF大气模型提供风场和SWAN波浪模型提供波浪参数。WRF模型和SWAN模型与实测资料验证效果较好,能为水动力泥沙模型提供可靠的风场和波浪参数。应用三维水动力泥沙数值模型,利用多批实测资料对紊动影响函数的参数进行率定,并对引入多因子沉速公式的模式进行验证。结果表明,应用本文得出的多因子沉速公式模式计算的泥沙浓度与实测资料吻合得更好,可以得到推广使用。4.模拟了洪枯季长江口北槽剖面的泥沙沉速,分析了泥沙沉速的时空分布特征及其与影响因子的关系。
【关键词】：沉降速度 室内试验 絮凝 紊动 数值模拟 长江河口
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV148
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-13
• 第一章 绪论13-27
• 1.1 研究背景和研究意义13-14
• 1.2 研究进展及现状14-25
• 1.2.1 泥沙沉速基本概念和研究方法14-15
• 1.2.2 室内试验研究15-17
• 1.2.3 现场观测17
• 1.2.4 泥沙沉速计算公式17-22
• 1.2.5 长江河口泥沙的絮凝机制及絮凝沉降的影响因子22-25
• 1.3 尚存在问题25
• 1.4 本文工作25-27
• 第二章 长江口细颗粒泥沙静水沉降试验研究27-61
• 2.1 研究技术路线27-28
• 2.2 试验介绍28-39
• 2.2.1 试验平台设计搭建与传感器参数标定28-31
• 2.2.2 试验沙样、水样采集31-34
• 2.2.3 试验组次设计34
• 2.2.4 测量仪器组合与光学参数的标定34-37
• 2.2.5 沉速计算方法37-39
• 2.3 试验步骤39-40
• 2.4 试验结果及分析40-51
• 2.4.1 代表性条件下的泥沙沉降过程分析41-48
• 2.4.2 试验结果分析48-49
• 2.4.3 静水沉降与泥沙浓度和盐度关系49-51
• 2.5 盐度和泥沙浓度影响下沉速表达式的构建51-59
• 2.6 小结59-61
• 第三章 三维数值模式的介绍及设置61-84
• 3.1 水动力模式介绍61-66
• 3.2 泥沙模式介绍66-70
• 3.3 初始条件和边界条件70-73
• 3.3.1 初始条件70-71
• 3.3.2 边界条件71-73
• 3.4 潮滩动边界73
• 3.5 数值求解方法73-75
• 3.5.1 动量方程和连续方程73-74
• 3.5.2 物质输运方程74-75
• 3.5.3 密度方程75
• 3.6 WRF模型与SWAN模型介绍75-76
• 3.6.1 WRF大气模式75
• 3.6.2 SWAN波浪模式75-76
• 3.7 模式计算区域及模式设置76-83
• 3.7.1 水动力和泥沙模式设置76-77
• 3.7.2 WRF模式设置77-79
• 3.7.3 WRF模式的验证79-82
• 3.7.4 SWAN模式设置82
• 3.7.5 SWAN模式的验证82-83
• 3.8 小结83-84
• 第四章 动水泥沙沉降速度和水动力泥沙模式验证84-124
• 4.1 动水泥沙沉速基本表达式的构建84
• 4.2 长江河口悬沙粒径空间分布对沉速的影响84-85
• 4.3 紊动因子引入与影响函数的构建85-89
• 4.3.1 紊动影响因子的引入及机制分析85-86
• 4.3.2 紊动影响函数的构建86-89
• 4.4 紊动影响函数的参数率定和数值模式验证89-122
• 4.4.1 动水沉速公式的构建89-90
• 4.4.2 综合考虑多因子影响的动水沉速计算流程90-91
• 4.4.3 紊动影响函数的参数率定91-95
• 4.4.4 基于多批次资料的模式验证95-122
• 4.5 小结122-124
• 第五章 长江口泥沙沉降速度分布124-160
• 5.1 断面选取与模式设置124
• 5.2 枯季长江口北槽泥沙沉速剖面分布124-141
• 5.2.1 大潮期间泥沙沉速剖面分布125-133
• 5.2.2 小潮期间泥沙沉速剖面分布133-141
• 5.3 洪季长江口北槽泥沙沉速剖面分布141-157
• 5.3.1 大潮期间泥沙沉速剖面分布141-149
• 5.3.2 小潮期间泥沙沉速剖面分布149-157
• 5.4 小结157-160
• 第六章 结论与展望160-164
• 6.1 主要工作及结论160-162
• 6.2 创新之处162-163
• 6.3 不足与展望163-164
• 参考文献164-173
• 致谢173-174

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