长江入海水沙输运扩散

发布时间：2017-05-20 21:07

  本文关键词：长江入海水沙输运扩散，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：长江是中国径流量最大的河流,输沙量全国第二。大量径流入海,使得长江口外常年存在冲淡水。长江冲淡水有着十分明显的季节性变化规律,夏季冲淡水的扩散最为显著。由于夏季径流量巨大,冲淡水进入外海后浮于水体上层形成羽状锋,在潮流、夏季风等作用下向东北方向扩散可达到济州岛海域。冬季长江径流量在一年中最小,冲淡水沿岸向南扩展,范围也最不显著。长江水体具有一定的含沙量,大量泥沙被输运至口门及外海,输沙量也存在明显的季节性变化,这对长江口的水下地形构造、航道疏浚和围垦工程等产生影响。研究冲淡水的季节性变化特征对研究长江口外物质输运、生物地球化学过程等都具有重要的意义。本文基于多年长江口外大规模走航观测资料,分析长江冲淡水在夏季、冬季及春季常态情况下的空间分布特征,包括冲淡水平面扩散特征及垂向结构特征。同时由于夏季冲淡水特征最为显著,本文着重分析了夏季台风过境,低径流条件和高径流条件下冲淡水分布所受的影响。观测资料表明,夏季、冬季和春季冲淡水主轴方向分别指向东北、东和南；台风过境对冲淡水的平面及垂向分布均造成显著的影响；在较低径流量条件下,冲淡水扩散的路径变化不大,主要表现为扩展的范围明显小于夏季常态情况下的扩散范围;在高径流条件下,长江口门附近淡水分布与常年区别不大,而离岸海区上层水体盐度值比常年偏低。为了对长江口外冲淡水及物质输运的季节性变化从动力学角度进行分析研究,并对极端天气(台风)和径流量突变情况下长江口外冲淡水的响应机制进行定量探讨,本文在ECOM-si基础上建立三维水动力泥沙数值模式,模式计算区域覆盖了长江大通站以下的河道和整个渤海、黄海和东海。模式综合考虑了径流、风、潮汐和陆架环流等作用；采用高阶HSIMT-TVD格式对物质平流项进行求解,保证数值计算无频散；采用CUDA并行计算技术,在不损失计算精度的情况下大幅提高了数值计算的效率;由于长江口地形十分复杂,潮滩众多,模式使用干湿判别法处理潮滩动边界。由于长江口外海域开阔,风程较长,风应力对整个海区的作用较为明显,故对风场计算的精度要求较高,故本文建立WRF风场模型,模型为二重嵌套,第一重覆盖整个西太平洋,第二重嵌套包含了水动力模式。由于长江口及邻近海域水深较浅,波浪作用明显,本文还建立了覆盖渤海、黄海和东海的SWAN波浪模型,为水动力泥沙模型提供波浪参数条件。基于大量实测资料对本文建立的各个数值模型进行验证。对WRF模式的验证包括气象测站的风速、风向验证及台风路径验证。对SWAN模式的验证包括有效波高,波周期。对三维水动力泥沙模型的验证包括整个海区海岸的水位、野外船测定点的流速、流向、盐度、含沙量的随时间变化序列,及东海大规模观测的盐度平面分布及断面分布、断面过水通量及悬沙浓度的平面分布。验证结果表明,建立的模式能够很好地反映出长江口外海域各水文和泥沙要素的分布及变化特征。由于夏季时有台风经过长江口外海域,本文基于2014年8号“浣熊”台风的路径,设计了三组不同台风路径的数值试验,进而对不同台风过境情况下长江冲淡水输运扩散所受影响进行分析讨论。台风中心过境前,台风风圈已经影响到长江口外海域,引起余流场显著变化并导致长江口外冲淡水向北偏转；台风过境时台风引起的强烈混合作用使得冲淡水垂向结构发生显著变化,台风过境后当风况条件恢复至夏季常态情况长江口冲淡水的平面和垂向结构进入重塑阶段,重塑期在一周左右。通过模式径流边界上在短时间内增加长江径流量,进而研究长江口外冲淡水区域盐度对径流量变化的响应过程及响应时间。本文中冲淡水区域盐度对径流变化的响应时间定义为盐度变化达到最大值的10%的时刻与径流开始变化时刻的时间差。在模式中,通过在大潮和小潮期间短时间内增加大通径流量,得到长江口外冲淡水区域对径流变化的响应过程及响应时间。模式结果表明,在夏季长江口门附近表层盐度对径流的响应时间在1天左右,在冲淡水外缘响应时间超过15天,且大小潮变化对响应时间无太大影响。长江口外淡水体积和水体垂向结构对径流变化的响应过程也做了一定的研究。冬季、春季和秋季冲淡水对径流变化的响应过程和响应时间也在文中加以研究。针对溶解的输运扩散问题,通过采用水龄的计算方法分析了溶解物从大通输运至长江口外的时间尺度,数值试验结果表明水龄分布的范围及量值都具有十分明显的季节性变化,其中冬季长江口门水龄在40天左右,夏季长江口门水龄在10天左右。通过设置无风和无潮汐作用的数值试验,探讨了风和潮汐对水龄的平面分布的作用,结果表明风和潮汐对水龄分布的影响都十分显著,在无风的情况下水龄在各个季节分布特征相同,只是由于各个季节流量大小不同导致口外各区域的水龄大小不同；在无潮汐作用下,水龄更多地沿岸分布。针对长江口及邻近海域悬浮泥沙分布的季节性变化,本文基于近十几年来的观测资料对长江口外悬沙浓度的平面及垂向分布进行描述；基于1998年至2014年逐年平均的表层含沙量的卫星遥感数据分析了长江口及邻近海域表层悬沙分布的年际变化特征,同时利用经验正交函数(EOF)对2003年至2014年各个季节表层悬沙分布的变化进行分解,进而得到长江口及邻近海域表层悬沙分布的季节性变化特征。利用三维水动力泥沙模型计算了气候态情况下长江口外悬沙浓度的季节性分布特征。通过设置单因子数值试验分析了风浪和陆架环流对长江入海泥沙输运的影响,得出波浪的作用在冬季更为明显,陆架环流作用在夏季更为明显。
【关键词】：长江河口 径流量 冲淡水 数值模拟 响应时间 悬浮泥沙 季节性变化
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV148
【目录】：

• 论文摘要7-10
• Abstract10-16
• 图目录16-20
• 表目录20-21
• 第一章 绪论21-30
• 1.1 研究背景和意义21-24
• 1.2 国内外研究现状24-28
• 1.2.1 国内外入海水沙的研究现状24-25
• 1.2.2 数学模型的研究现状25-28
• 1.2.2.1 水动力和泥沙模型25-27
• 1.2.2.2 波浪模型27
• 1.2.2.3 风场模型27-28
• 1.3 尚存在的问题28
• 1.4 本文的工作28-30
• 第二章 三维水动力泥沙数值模式介绍及验证30-79
• 2.1 水动力泥沙模式介绍30-44
• 2.1.1 控制方程组30-38
• 2.1.1.1 水动力模块30-34
• 2.1.1.2 泥沙模块34-38
• 2.1.2 初始条件38
• 2.1.3 边界条件38-41
• 2.1.4 数值求解方法41-43
• 2.1.5 CUDA并行计算43-44
• 2.2 WRF风场模式44-45
• 2.3 SWAN波浪模式45
• 2.4 模型设置45-52
• 2.4.1 ECOM模式设置45-51
• 2.4.2 WRF模式设置51-52
• 2.4.3 SWAN模式设置52
• 2.5 模式的验证52-77
• 2.5.1 WRF模式验证53-57
• 2.5.2 SWAN模式的验证57-59
• 2.5.3 水动力泥沙模式验证59-77
• 2.5.3.1 水位59-66
• 2.5.3.2 长江口门流速、流向、盐度及悬沙浓度66-70
• 2.5.3.3 长江口外流速流向70-74
• 2.5.3.4 长江口外盐度分布74-76
• 2.5.3.5 长江口外悬沙浓度76-77
• 2.6 小结77-79
• 第三章 长江冲淡水季节性变化特征79-90
• 3.1 夏季冲淡水79-86
• 3.1.1 夏季气候态79-81
• 3.1.2 台风过境81-84
• 3.1.3 低径流量84-85
• 3.1.4 高径流量85-86
• 3.2 冬季冲淡水86-88
• 3.3 春季冲淡水88
• 3.4 小结88-90
• 第四章 台风对长江冲淡水扩散的影响90-107
• 4.1 数值试验设置90-93
• 4.2 台风对冲淡水扩散的影响93-105
• 4.2.1 对表层流场及垂向湍能混合的影响93-95
• 4.2.2 对表层冲淡水平面分布影响95-99
• 4.2.3 对垂向分层的影响99-105
• 4.2.3.1 垂向分层空间变化100-104
• 4.2.3.2 垂向分层时间变化104-105
• 4.3 小结105-107
• 第五章 长江冲淡水对上游径流的响应时间107-142
• 5.1 研究背景和意义107-109
• 5.2 数值试验设置109-111
• 5.3 冲淡水对径流变化的响应过程及响应时间111-136
• 5.3.1 夏季冲淡水对径流变化的响应过程及响应时间111-124
• 5.3.1.1 夏季控制试验111-113
• 5.3.1.2 口外表层盐度对径流变化的响应113-119
• 5.3.1.3 口外冲淡水垂向结构对径流变化的响应119-121
• 5.3.1.4 口外咸淡水体积对径流变化的响应121-122
• 5.3.1.5 大通径流量变化量对响应时间的影响122-124
• 5.3.2 冬季冲淡水对径流变化的响应过程及响应时间124-128
• 5.3.2.1 冬季控制试验124-125
• 5.3.2.2 口外表层盐度对径流变化的响应及响应时间125-128
• 5.3.3 春季冲淡水对径流变化的响应过程及响应时间128-132
• 5.3.3.1 春季控制试验128-129
• 5.3.3.2 口外表层盐度对径流变化的响应及响应时间129-132
• 5.3.4 秋季冲淡水对径流变化的响应过程及响应时间132-136
• 5.3.4.1 秋季控制试验132-133
• 5.3.4.2 口外表层盐度对径流变化的响应及响应时间133-136
• 5.4 水体溶解物(示踪剂)输运时间尺度136-141
• 5.4.1 长江口外水龄分布的季节性变化136-138
• 5.4.2 口外风场对水龄分布的影响138-139
• 5.4.3 潮汐对水龄分布的影响139-141
• 5.5 小结141-142
• 第六章 长江口外悬浮泥沙时空分布特征142-169
• 6.1 长江口外悬浮泥沙时空分布特征142-167
• 6.1.1 基于野外观测资料142-147
• 6.1.2 基于卫星资料147-160
• 6.1.3 基于数学模型160-167
• 6.1.3.1 悬浮泥沙平面分布161-163
• 6.1.3.2 悬浮泥沙垂向分布163-164
• 6.1.3.3 无波浪情况164-166
• 6.1.3.4 无陆架环流情况166-167
• 6.2 小结167-169
• 第七章 总结169-172
• 7.1 主要结论169-170
• 7.2 创新之处170-171
• 7.3 不足与展望171-172
• 附录172-174
• 参考文献174-181
• 后记181-18

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1 袁瑞;长江入海水沙输运扩散[D];华东师范大学;2015年

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本文编号：382794