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椒江口二维潮流泥沙数学模型研究及其应用

孙平锋  
【摘要】:入海航道由于局部浅段的存在,致使航道水深严重不足,制约了港口的发展。而浚深航道以提高通航能力,需要研究海域水动力变化并预测疏浚槽的回淤。采用数值模拟进行挖槽试验较物理模型和现场试挖槽试验具有周期短、费用少的优势,因而用潮流泥沙数学模型研究挖槽后床面变形及水动力场变化具有重要的应用价值。水流挟沙能力是泥沙数学模型的关键参数,而潮汐河口悬沙运动极其复杂,至今对河口挟沙能力的研究十分有限,进一步研究潮流挟沙能力具有重要的理论意义。 本文根据椒江口实测水文地形资料,从平面二维水流泥沙基本方程和基本理论出发,采用三角单元有限差分法对水流泥沙方程显示求解,对椒江口潮流泥沙进行了数值模拟,模型简单实用,较好地再现了具有旋转潮波性质的椒江河口水流运动特征,含沙量场也得到了基本正确的反映。 现有水流挟沙能力公式建立在潮段平均的概念之上,不能反映其随潮变化的特性。本文从水流挟沙能力的基本概念出发,认为在潮流加速过程中水流挟沙能力大于实际含沙量,而在减速过程中水流挟沙能力小于实际含沙量,故宜采用最大或最小含沙量及相应水动力参数来建立潮汐河口水流挟沙能力关系。由此确定水流挟沙能力一般结构式中的参数,得到椒江河口与时变参数有关的水流挟沙能力公式。计算结果表明,该公式较好地反映椒江河口的水流挟沙规律。 将本文所建立的模型应用于椒江河口航道局部浅段试挖槽研究,通过计算分析发现,工程后挖槽上、下游涨落潮流速均有所增加,这有利于上游浅段的刷深和下游水深的维护。而槽内及其两侧浅滩水域流速都有不同程度的减小,挖槽回淤是必然的,流速变化以挖槽两端最为明显。 对挖槽前后槽内及附近床面冲淤变化分析表明,挖槽上下游普遍冲刷,冲刷分布形似贝壳,槽滩交界处也略有冲刷,冲刷强度以近槽两端的航道区域最大。淤积主要分布在疏浚槽内及槽两侧浅滩区域,淤积强度以挖槽上游端为最大。 不论是流场还是泥沙冲淤,不同挖槽方案下的变化趋势基本相同,而变化幅度主要受疏浚深度影响,疏浚越深,变化幅度也越大。


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