长江河口河床泥沙临界起动应力空间分布

发布时间：2017-05-20 04:11

  本文关键词：长江河口河床泥沙临界起动应力空间分布，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：泥沙起动是研究泥沙运动的基本问题。本文着手这个问题,通过对长江河口的水沙运动规律、底质分布特征的分析,基于物理机制以及数值试验,得出长江河口底床临界起动应力空间分布。本文研究可为长江河口泥沙数值模式提供泥沙物理过程关键参数,具有理论意义和应用价值。本文工作和结论如下：1)利用现有长江河口的沉积物粒度、含水量资料,并参考相关文献中沉积物数据和波流底切应力分布特性,对临界起动应力进行分区。应用窦国仁临界起动应力参数化公式,初步给出临界起动应力空间分布。2)建立长江河口三维水动力泥沙数值模式、风场和波浪模型,应用观测风速风向、有效波高验证风场和波浪模型。验证结果表明,风场模型计算的风速风向、波浪模型计算的有效波高与实测资料吻合良好。3)在对水动力模式流速、流向和盐度验证的基础上,通过与实测悬沙浓度的比对,分区率定验证临界起动应力,其量值范围在0.3-1.1 N/m2之间。在洪季,临界起动应力南支、南港的为0.8N/m2,南槽下段和北港下段为0.7 N/m2,北槽为0.5 N/m2,北槽北导堤外浅滩出现1.0 N/m2高值,口外为0.3-0.5 N/m2。在枯季,临界起动应力南支为0.8N/m2,北港上段为0.7 N/m2,北港中段为0.3 N/m2,南港为0.5 N/m2,南槽上段为0.6 N/m2,南槽下段和北港下段为0.7 N/m2,北槽为0.8 N/m2,南北槽口外的值较大,范围在0.8-1.1 N/m2之间,10m等深线外的临界起动应力在0.5-0.8 N/m2之间。北支的临界起动应力洪枯季相同,由上段向下段逐渐增大,上段为0.3 N/m2,中段为0.45N/m2,下段为0.5N/m2,北支口外也是0.5 N/m2。模型率定验证结果与窦国仁公式计算有一定的差异,窦国仁公式高估了长江河口粒级大于19μm以上、含水量小于40%的沉积物的临界起动应力,可能是由于窦国仁公式低估了密实度对临界起动应力的影响。差异的原因也有可能是由于采样误差,本文采样时可能会出现只局限于表层浮沙的情况,导致在粗砂区时,含水量偏大,因此降低了密实度对临界起动应力的影响。对于低于8 μm的极细颗粒区域来说,窦国仁公式计算结果偏大,可能夸大了颗粒间的粘结力对临界起动应力的影响。对于粒级在8-19μm之间、含水量在40-60%之间的沉积物,窦国仁公式计算的结果与模型率定结果较为一致。在率定验证中,发现由于河床的冲淤临界起动应力在时间上并不是定常的。由于河床随大潮和小潮变化发生冲刷和淤积,冲刷导致更密实的河床出露,底部临界起动应力较大；新的淤积导致河床密实度下降,易于被冲刷,临界起动应力下降。因此,本文给出了临界起动应力随底床冲淤变化的公式,经模式验证计算的泥沙浓度与实测值吻合更好。河床泥沙临界起动应力具有洪枯季差异性。南港的临界起动应力洪季为0.8N/m2,枯季为0.5N/m2,洪季大于枯季。这是由于南港洪枯季波流底切应力的差异性,洪季底切应力远大于枯季,因此在洪季该区域底床更多地经受水流的淘洗且强水流分选后的泥沙更加密实,可蚀性降低,导致临界起动应力增大。北槽以及南北槽外的临界起动应力枯季在0.8-1.1 N/m2之间,洪季为0.5-0.6 N/m2,枯季较洪季大,原因是由于一方面表层沉积物洪季粗枯季细,导致洪季底床粘性小,在粒径小于100μm时,粘性力对临界起动应力起决定性作用,而洪枯季该区域沉积物粒径都小于100μm,因此临界起动应力较枯季大；另一方面,该区域枯季的底切应力比洪季大到0.6 N/m2以上,枯季时底床更多地经受水流的淘洗,导致临界起动应力增大。
【关键词】：长江河口 沉积物 泥沙临界起动应力 三维泥沙模型 河床冲淤
【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】：TV142.1
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-14
• 1 绪论14-22
• 1.1 研究背景及意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-21
• 1.2.1 粘性泥沙起动应力研究现状16-19
• 1.2.2 底床可蚀性随时间变化国内外研究现状19-20
• 1.2.3 长江河口临界起动应力分布的研究现状20-21
• 1.3 本文的研究思路21-22
• 2 长江河口临界起动应力分布分区及计算22-33
• 2.1 临界起动应力分区依据22-28
• 2.1.1 底床沉积物资料22-25
• 2.1.2 底部切应力25-27
• 2.1.3 文献27-28
• 2.2 临界起动应力分区28-29
• 2.3 临界起动应力计算29-33
• 3 三维水动力泥沙数值模式、风场模型与波浪模型介绍及验证33-54
• 3.1 模式介绍33-46
• 3.1.1 水动力泥沙模式介绍33-46
• 3.1.1.1 控制方程组33-41
• 3.1.1.2 初始条件41-42
• 3.1.1.3 边界条件42-44
• 3.1.1.4 数值求解方法44-46
• 3.1.2 WRF风场模型46
• 3.1.3 SWAN波浪模型46
• 3.2 模型设置46-50
• 3.2.1 ECOM模式设置46-48
• 3.2.2 WRF模式设置48-49
• 3.2.3 SWAN模式设置49-50
• 3.3 模式的验证50-54
• 3.3.1 WRF模式验证50-52
• 3.3.2 SWAN模式的验证52-54
• 4 河床底部泥沙临界起动应力的率定和验证及结果分析54-147
• 4.1 河床底部泥沙临界起动切应力的率定验证54-133
• 4.1.1 洪季率定验证55-75
• 4.1.1.1 2013年7月56-67
• 4.1.1.2 2011年8月与2010年8月67-75
• 4.1.2 枯季率定验证75-94
• 4.1.2.1 2014年1月75-85
• 4.1.2.2 2012年1月85-94
• 4.1.3 北支率定验证94-108
• 4.1.3.1 2010年3月94-103
• 4.1.3.2 2005年7月103-108
• 4.1.4 临界起动应力随床面高度变化模拟108-125
• 4.1.4.1 常态天气算例模拟108-117
• 4.1.4.2 台风算例模拟117-124
• 4.1.4.3 总结124-125
• 4.1.5 泥沙场验证125-127
• 4.1.6 泥沙场时空分布127-133
• 4.2 河床底部泥沙临界起动应力的空间分布133-141
• 4.2.1 南支137
• 4.2.2 南北港分汉口137-138
• 4.2.3 南港138
• 4.2.4 南槽138
• 4.2.5 北槽138-139
• 4.2.6 北港139-140
• 4.2.7 北支140
• 4.2.8 南北槽外及口外区域140-141
• 4.3 河床底部泥沙临界起动应力的时间分布141-147
• 4.3.1 不同潮型变化142-143
• 4.3.2 洪枯季变化143-147
• 5 结语147-150
• 5.1 主要结论147-148
• 5.2 创新点148-149
• 5.3 不足与展望149-150
• 参考文献150-157
• 致谢157-158

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本文编号：380635