黃河入海泥沙輸運(yùn)及沉積過程的數(shù)值模擬

陳本中

【摘 要】論文主要對(duì)黃河入海泥沙輸運(yùn)以及沉積過程進(jìn)行數(shù)值模擬，首先進(jìn)行了數(shù)值模擬方法的概述，而后模擬計(jì)算了黃河入海泥沙懸移輸砂率和懸移輸運(yùn)沉積效應(yīng)。

【Abstract】The paper mainly carries on the numerical simulation to the transportation and the deposition process of the sediment from Yellow River. First， a numerical simulation method is presented， then the suspedded sedimet discharqe and the sedimentation effect of the suspended sediment transport were calculated.

【關(guān)鍵詞】泥沙輸運(yùn)；泥沙沉積；數(shù)值模擬

【Keywords】sediment transport； sediment deposition； numerical simulation

【中圖分類號(hào)】U212.23 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）07-0162-02

1 引言

黃河發(fā)于青藏高原，流域面積達(dá)到了7.52×105km2，干流全長則達(dá)到了近5500km，為我國第二長的河流[1]。對(duì)黃河入海泥沙輸運(yùn)以及沉積過程進(jìn)行科學(xué)的數(shù)值模擬，在一定程度上可以明確侵蝕/沉積效應(yīng)，豐富相關(guān)研究理論，為發(fā)展沿海經(jīng)濟(jì)作出積極貢獻(xiàn)。

2 數(shù)值模擬方法概述

2.1 模式基本方程

本文在對(duì)黃河入海泥沙輸運(yùn)及沉積過程展開數(shù)值模擬時(shí)，采用了可以專門對(duì)不同水體流體動(dòng)力，以及輸運(yùn)過程進(jìn)行模擬的ECOMSED模式，并且將其作為了數(shù)值模擬的初始模型。該模式主要包括了ECON和SED兩個(gè)部分，其中，ECON能夠設(shè)置湍流和自由水位、溫度、密度、研讀、三方向速度分量兩個(gè)主要特征，將二者作為預(yù)報(bào)變量，SED這一物質(zhì)輸送數(shù)值模擬系統(tǒng)，融合了沉積動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，能夠?qū)Ψ钦承院驼承缘某练e物輸運(yùn)、沉積、再懸浮整個(gè)過程進(jìn)行顯示，而后可以對(duì)分層深度內(nèi)的懸浮泥沙度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

根據(jù)上述理論形成的黃河入海泥沙輸運(yùn)控制公式主要為三維輸運(yùn)控制方程：

在該公式當(dāng)中，C表示黃河入海泥沙的顆粒濃度、U表示x方向上水體流速、V表示y方向上水體流速、W表示z方向上水體流速、AH表示水平渦擴(kuò)散率、KH表示垂向渦擴(kuò)散率、WS表示黃河入海泥沙顆粒沉降速度[2]。

2.2 初始和邊界條件

本文在對(duì)黃河入海泥沙懸移輸砂率及通量進(jìn)行數(shù)值模擬前，需要對(duì)數(shù)值模擬的初始條件與邊界條件進(jìn)行劃分和明確。在此方面，本次數(shù)值模擬計(jì)算的網(wǎng)格由萊州灣南岸起，東至渤海海峽，西至渤海西岸，北至遼東灣頂。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)最初的計(jì)算時(shí)間設(shè)定為2013年1月1日，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)間為2014年12月12日。初始流的場(chǎng)設(shè)為靜止?fàn)顟B(tài)，鑒于本次實(shí)驗(yàn)主要進(jìn)行數(shù)值模擬診斷計(jì)算，因而將溫鹽場(chǎng)設(shè)為定值，并在實(shí)驗(yàn)中將黃河入海徑流與初始的泥沙濃度確定為邊界條件。除此以外，本文的相關(guān)研究當(dāng)中在渤海海峽邊界，并未按照實(shí)際自然邊界進(jìn)行設(shè)定，采用了理想化的水平海岸線與122.25°E經(jīng)線之間的部分當(dāng)做開邊界進(jìn)行了處理。開邊界潮高、幅角均由分潮參數(shù)進(jìn)行計(jì)算獲得，且得出結(jié)果后根據(jù)具體需要作出調(diào)整。

3 黃河入海泥沙懸移輸運(yùn)過程時(shí)空特征

研究的過程中為了對(duì)黃河入海泥沙長期的懸浮輸運(yùn)情況作出清晰的了解，根據(jù)上述模式基本方程、初始條件和邊界條件進(jìn)行了2013—2014年全年的黃河入海泥沙濃度變化情況數(shù)值模擬。此處以2013年的數(shù)值模擬結(jié)果分析為例：①黃河入海泥沙輸運(yùn)擴(kuò)散過程在忽略懸浮作用的情況下，會(huì)受到季節(jié)變化的明顯影響。②2013年1月1日至1月15日的黃河入口泥沙投放當(dāng)中，主要集中地區(qū)為黃河口、萊州灣，并且隨著時(shí)間的變化逐漸運(yùn)輸至渤海海峽。③2013年1月15日至4月15日期間，黃河入海泥沙逐漸并且繼續(xù)擴(kuò)散至萊州灣方向，并且發(fā)生少量泥沙流入黃海北部的情況，亦出現(xiàn)一部分泥沙流入渤海灣南岸的情況。④2013年4月15日至7月15日，黃河入海口的泥沙經(jīng)過渤海灣開始逐漸向渤海西海岸以及北海岸進(jìn)行擴(kuò)散輸運(yùn)。⑤2013年7月15日至9月15日，黃河入海泥沙在遼東灣地區(qū)的濃度變化并不十分明顯，但是泥沙濃度高值區(qū)卻出現(xiàn)在了渤海中部海盆地區(qū)，由此形成了渤海海盆、黃河口兩個(gè)主要泥沙擴(kuò)散中心。

4 黃河入海泥沙懸移輸運(yùn)沉積效應(yīng)

對(duì)黃河入海泥沙懸移輸運(yùn)沉積效應(yīng)進(jìn)行分析的主要目的在于，更加充分且詳細(xì)的了解黃河泥沙進(jìn)入到渤海以后，不同輸運(yùn)擴(kuò)散輕度和季節(jié)變化之間的關(guān)系。本文主要選取了6個(gè)短片進(jìn)行懸移泥沙輸送量的分析，確定北向與動(dòng)向通量為正矢量方向，南向和西向?yàn)樨?fù)矢量方向：？準(zhǔn)=CVS=CVH×H1

注：C表示泥沙濃度；V表示水平速度；S表示側(cè)面積；H和H1表示垂直深度與水平寬度。

表1為忽略再懸浮作用的情況下，2014年渤海各個(gè)斷面的黃河入海泥沙輸送通量情況，據(jù)此可以分析黃河口附近各個(gè)斷面泥沙輸運(yùn)沉積情況：

由上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不計(jì)算再懸浮作用的情況下，斷面1-3泥沙懸浮輸運(yùn)沉積分別出現(xiàn)了39.26%、54.21%和6.53%的輸送，而斷面4-6泥沙懸浮輸運(yùn)沉積則分別出現(xiàn)了8.12%、22.33%和69.55%的輸送。整體上堆積在黃河水下三角洲外。若按照季節(jié)進(jìn)行分析則可以發(fā)現(xiàn)，夏季和秋季的泥沙運(yùn)輸量相對(duì)比較大，冬季的泥沙運(yùn)輸量比較小，與黃河徑流存在密切關(guān)聯(lián)。

5 結(jié)論

綜上所述，黃河入海口泥沙懸移擴(kuò)散的過程與季節(jié)存在著密切的關(guān)聯(lián)，每年各個(gè)月份的泥沙懸浮輸運(yùn)濃度基本上分布在具有較強(qiáng)潮流能量的海域，且流速越大的情況下泥沙濃度越高，產(chǎn)生的泥沙沉積越嚴(yán)重。根據(jù)該結(jié)果可以制定黃河入?？谀嗌齿斶\(yùn)管理與控制措施，在加以合理利用的情況下促使該區(qū)域經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

【1】邢國攀，宋振杰，張勇，等.黃河釣口河口行水期泥沙輸運(yùn)過程的三維數(shù)值模擬[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2016，05（06）：21-34.

【2】曾明，孫效功，范德江.黃河調(diào)水調(diào)沙期間入海泥沙沉積動(dòng)力過程的數(shù)值模擬[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，04（10）：81-92.