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《华东师范大学》 2011年
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长江口水沙运动及三维泥沙模型研究

刘高峰  
【摘要】:河口的泥沙运动是河口最复杂的问题,物理模型、数学模型和原型观测是研究河口泥沙运动最重要研究手段,近几十年来,这三种研究手段都得到了长足的发展。河工物理模型试验仍然是现在河口工程中越来越重要的研究手段,能用来研究目前许多无法使用数学表达来准确描述泥沙运动过程的问题,如底沙运动、建筑物稳定性等问题。数学模型正成为研究泥沙问题的重要手段,由于自然界中,泥沙的对流、扩散、沉降、再悬浮,这些现象都是三维的物理过程,所以要准确描述泥沙运动过程,三维泥沙数值模型必然是泥沙研究的发展方向。原型观测是研究泥沙运动规律的最直接、最有说服力的研究手段,原型观测往往能够观测一些尚未被认识的水流泥沙运动规律。本文主要采用这三个研究手段研究长江口泥沙运动的一些规律。 长江口滩槽交替,河势极为复杂。沙头冲刷后退、沙尾淤积下移是长江口沙体运动的普遍形式,底沙运动在此过程中扮演重要角色。通过现场取样,获得长江口南支、南北港的底沙资料,并且通过水槽试验选择合适模型沙,在完成水流验证的物理模型上系统地研究了长江口南支、南北港分汉口各沙体头部和主要河槽泥沙输移路径和淤积位置。结果表明南北港分汉口三个沙体冲刷下泄的泥沙,大部分进入南港,只有中央沙北侧和新浏河沙北侧少部分泥沙进入北港。沙体冲刷下泄泥沙对南港影响比对北港影响大。新浏河沙冲刷下泄泥沙对南港影响最大,接下来依次为中央沙和新浏河沙包。南北港分汉口的六条分流通道:宝山南、北水道、南沙头通道冲刷下泄泥沙进入南港,另外三条通道冲刷下泄泥沙进入北港。南沙头通道下泄泥沙对南港影响最大,接下来依次为宝山北水道、宝山南水道,分流北港的三条通道基本不对南港造成影响。 中子活化示踪是一种高灵敏度、适用范围广、对环境无污染、能真实模拟天然沙运动的一种泥沙运动观测方法。通过中子活化示踪沙技术对拟选抛泥区的泥沙运移扩散规律进行现场试验研究,研究发现在北槽S7-S8丁坝之间航道南侧拟选抛泥区示踪砂的运移扩散方向在导堤内基本上与航道平行,近似呈长带形分布,出导堤后示踪沙向东南方向运移。示踪砂主要在与航道平行的区域内运移和沉积,在导堤内进入和越过航道的量很少,进入外航道的量亦很少,出导堤后泥沙主要向东南方向运动,而外航道向东方向伸展。 长江口深水航道遇到了回淤强度大,回淤分布集中的问题。在深水航道回淤严重的W3节点上下游布置了4个座底式近底观测系统观测了水沙盐度过程,研究发现W3节点上下游近底层余流出现相反方向并且W3节点附近出现了一个富集区域。实测数据揭示了W3节点下游测站出现了经典的河口环流结构,并且余流的垂直剖面存在螺旋结构。上下游测站在涨急时刻存在最大的盐度梯度,证明了存在强锋面的存在,从而导致了泥沙捕集的发生。在W3节点附近的四个站点的近底层泥沙余通量产生一个富聚环流。近底悬沙通量的富集区域的出现说明了泥沙不能立即直接输移到海域。 通过在南导堤和南滩地上开展一系列观测,研究结果表明在南导堤被淹没期间,除S3-S4丁坝段有微弱的由北槽指向九段沙的泥沙净输移运动外,其余区段均有较强的由九段沙指向北槽的泥沙净输移运动,从整个南导堤来看,指向北槽的净输沙运动占绝对优势。越堤进坝田的相对高含沙水流并不能直接输向航道。 本文在ECOM-si模型的水动力和盐度模块的基础上,并建立了三维泥沙输移模块,采用TVD格式来计算泥沙沉降过程,从而更加准确地刻画了泥沙的沉降过程,并考虑了盐度和含沙量对絮凝沉降速度的影响,构造了便于计算使用的絮凝沉降公式,考虑了波浪对紊动的作用和对底部切应力的作用影响。采用现场座底式三角架近底观测系统观测的含沙量、流速剖面和河床冲淤变化资料计算了北槽临界起动切应力、临界淤积切应力、侵蚀率和沉积率,为计算泥沙场提供了关键性参数,通过这些工作,本泥沙模型计算的含沙量验证结果良好,可以用来进一步研究长江口泥沙运动过程。 采用建立并验证的泥沙模型系统研究了长江口泥沙输移机制。研究结果表明长江口主槽的泥沙Eular输移通量主要指向海域,而滩地上的泥沙Eular输移通量主要指向上游或者滩面。Stocks输移在主槽削弱指向口外泥沙Eular输移,而在滩地上增强泥沙向滩面输移。Lagrange输送通量主要和泥沙Eular输移的模式相似。以长江口拦门沙以界,拦门沙以上泥沙潮泵输送主要指向河口上游,而拦门沙以外,泥沙潮泵输送主要指向东南方向。也就是说在拦门沙附近泥沙潮泵输移出现辐散的现象,这条辐散带呈现由西北往东南方向分布。垂向切变输送仅在拦门沙区域较大,其他区域要远小于Lagrange余流输送和潮泵输送。
【学位授予单位】:华东师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TV142

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前5条
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中国重要会议论文全文数据库 前1条
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【参考文献】
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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1 丁磊;陈黎明;高祥宇;缴健;胡静;;长江口水源地取水口盐度对径潮动力的响应[J];水利水运工程学报;2018年05期
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中国硕士学位论文全文数据库 前3条
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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【相似文献】
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8 徐锡荣;唐洪武;王志良;肖洋;;吹填泥沙落淤特性试验[A];中国水力发电工程学会水文泥沙专业委员会第四届学术讨论会论文集[C];2003年
9 左卫广;李小平;郑艳爽;;细泥沙对粗泥沙输移能力影响认识[A];第十届中国科协年会黄河中下游水资源综合利用专题论坛文集[C];2008年
10 ;第2章 泥沙淤积对水利水电工程的影响[A];水利水电工程泥沙设计[C];2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 特约记者 曾长新 通讯员 陈从跃;长江泥沙给瓯江“添堵”?[N];中国水运报;2012年
2 程义峰;事关下游堤岸安全,三峡泥沙问题应关注[N];新华每日电讯;2007年
3 记者 杨希伟;长江泥沙少了[N];人民日报;2005年
4 秦延安;国内专家研讨泥沙治理[N];黄河报;2008年
5 记者 张隽;努力推进泥沙治理事业不断发展[N];中国水利报;2011年
6 ;防止泥沙进入水库的方法[N];中国水利报;2001年
7 刘纪录;怎样保护摩托车链条[N];农民日报;2000年
8 记者 李建新;每年减少入黄泥沙4000万吨[N];宁夏日报;2012年
9 记者 李永桃 通讯员 张 君;准格尔旗每年让黄河少“吃”800多万吨泥沙[N];内蒙古日报(汉);2010年
10 李永桃 张君;准旗每年让黄河少“吃”800多万吨泥沙[N];鄂尔多斯日报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘高峰;长江口水沙运动及三维泥沙模型研究[D];华东师范大学;2011年
2 吴伦宇;基于FVCOM的浪、流、泥沙模型耦合及应用[D];中国海洋大学;2010年
3 文岑;平面二维水沙运动与船舶运动的数值模拟研究及其应用[D];重庆大学;2012年
4 许丹;钱塘江河口物质输移与能量数值研究[D];浙江大学;2010年
5 杨闻宇;剪切载荷作用下高浓度粘性泥沙流变特性的实验研究[D];上海交通大学;2014年
6 蒋磊;淤积固结后粘性泥沙冲刷运动规律试验研究[D];武汉大学;2012年
7 汪求顺;近岸海床细泥沙输移及冲刷防护研究[D];大连理工大学;2015年
8 胡日军;舟山群岛海域泥沙运移及动力机制分析[D];中国海洋大学;2009年
9 樊辉;黄河口泥沙输移及三角洲的近期演变[D];中国科学院研究生院(海洋研究所);2005年
10 程伟;生物膜泥沙床面阻力和紊动特性的实验研究[D];清华大学;2016年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 嵇海祥;水库泥沙模型研究[D];河海大学;2005年
2 匡良;三维泥沙模型及其在港口航道工程建设中的应用[D];中国海洋大学;2008年
3 李龙龙;岛礁潮流泥沙数值模拟研究[D];大连理工大学;2017年
4 刘路赢;舟山群岛浑浊海域水沙数值模拟与清海方案数值研究[D];浙江大学;2017年
5 刘旭阳;悬沙输移的三维有限元模型[D];天津大学;2009年
6 易翱;鸭绿江河口水流泥沙分析研究[D];大连理工大学;2001年
7 崔贺;河口粘性泥沙基本特性的研究[D];天津大学;2007年
8 邹山;近岸水流和泥沙的数值模拟及其应用[D];南京水利科学研究院;2000年
9 霍洪江;紫色土侵蚀泥沙磷素释放特征[D];西南大学;2013年
10 向渝;基于过滤的泥沙级配的测定方法探索[D];西北农林科技大学;2016年
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