波流共同作用下河口泥沙運動及地形演變數(shù)值模擬研究進展

呂曉瑩+文藝+陳昌亮+林偉龍

【摘 要】河口區(qū)域動力環(huán)境復(fù)雜，河流動力、海洋動力在此交匯。波浪、潮流是泥沙運動的主要動力，河口區(qū)域泥沙活動劇烈，長期來看影響河口地形發(fā)育演變，因此對波流耦合作用下河口泥沙運動及地形演變進行數(shù)值模擬具有重要的實用價值及工程意義。本文介紹了在河口區(qū)域波流共同作用數(shù)值模擬、在波流共同作用下泥沙運動及地形演變模擬方面的研究進展。

【關(guān)鍵詞】波流共同作用；泥沙運動；數(shù)值模擬；地形演變

河口區(qū)域動力環(huán)境復(fù)雜，河流動力、海洋動力在此交匯，泥沙活動劇烈。波浪、潮流是泥沙運動的主要動力，“波浪掀沙、潮流輸沙”是波流共同作用下的河口泥沙運動的重要機制，在波流作用下泥沙起動、輸運、沉積、再懸浮，長期來看影響著河口地形的發(fā)育演變。目前國內(nèi)外許多地區(qū)已開展關(guān)于波流共同作用對河口演變影響的研究。

一、國外研究進展

Wright（1977，1980）描述并分析了波浪作用下的河口地貌特征及河口沉積過程[1-2]。Howard N. Southgate（1995）研究了波浪對中到長周期（幾周到幾十年）地貌演變產(chǎn)生的影響，為分析波序列以及波浪對海床和海灘平面發(fā)育演變的影響提供了方法[3]。Bernabeuet al.（2003）將波浪與潮流耦合，建立了一個模擬海灘剖面地貌變化的模型[4]。Matthieuet al.（2013）以印度海的馬約特島（Mayotte Islands）為例，關(guān)注了無河流注入的海岸的泥沙運移過程和地貌演變特征。他們通過分析波浪在近岸處能量衰減的特征，研究了地貌對波浪作用的響應(yīng)[5]。Saruwatariet al.（2013）在奧克尼群島（Orkney Islands）應(yīng)用SWAN模型對波流共同作用下海洋能與電能轉(zhuǎn)化進行研究。通過改變流的強度，以及相應(yīng)的波向，分析不同波氣候時潮能和波能的變化[6]。Bola?os et al.（2014）結(jié)合實測數(shù)據(jù)，使用先進的模型對潮控河口進行了對波流共同作用下波場和流場特征的模擬。水動力模型建立時考慮了潮流、徑流以及氣壓引起的正壓力與斜壓力，并與波譜模型和湍流模型耦合。模擬結(jié)果表明河口處潮流對波浪的改變明顯，有效波高和波周期主要由隨時間變化的水深控制，同時波周期還受到流產(chǎn)生的多普勒頻移影響[7]。

二、國內(nèi)研究進展

國內(nèi)對波流共同作用的研究主要集中在黃河、南渡江、長江等大河河口。朱大奎（1997）應(yīng)用大量實測波浪資料，從波浪動力的角度揭示了波浪作用對黃河三角洲地形演變的影響[8]。虞志英等（2002）調(diào)查分析了廢黃河河口水下三角洲的水動力及泥沙特征，對水下三角洲的平坦海床、水下斜坡和近岸淺灘三個地貌單元分別計算波流和潮流作用下底部泥沙的橫向沖刷率，并預(yù)測了水下三角洲的地貌演變模式。龔文平、王寶燦（1998）；陳沈良（1998）；戴志軍、陳子粲、歐素英（2000）；羅憲林，李春初，羅章仁（2000）等從不同方面分析研究了南渡江三角洲海岸的波浪動力過程，及其引起的沿岸泥沙運移，探討了泥沙在波浪作用下的沿岸運動狀態(tài)與地貌發(fā)育演變規(guī)律[9-[16][17][18]13]。劉紅，何青，吉曉強等（2008）通過對海灘剖面、懸沙粒度與表層沉積物的實測資料分析，研究了長江口崇明東灘在波流共同作用下潮灘剖面沉積物以及地貌的分異規(guī)律，并分析了沉積物的運移機制。他們認(rèn)為隨波浪的分選作用由破波帶向兩側(cè)逐漸變差，表層沉積物中值粒徑隨之變細(xì)。破波帶內(nèi)泥沙以“波浪掀沙”機制引起的分選運移為主，破波帶兩側(cè)處泥沙以潮流的“平流輸沙”機制為主[14]。苗麗敏、楊世倫、朱琴等（2016）以長江口與杭州灣兩大水系交匯處的南匯潮灘為例，探討了波流聯(lián)合剪切應(yīng)力作用下潮灘懸沙濃度和懸沙輸運對風(fēng)暴事件的響應(yīng)過程及其動力機制[15]。

三、波流耦合數(shù)學(xué)模型研究進展

自20世紀(jì)60年代起，潮流的研究開始以數(shù)值模擬為主[16]，在Longuet-Higgins等（1960，1962）提出輻射應(yīng)力理論后[17-18]，波浪對潮流驅(qū)動作用的研究取得突破性的進展，為波流共同作用的研究提供了理論基礎(chǔ)。近年來，波流耦合數(shù)學(xué)模型蓬勃發(fā)展，在河口研究方面得到了廣泛的應(yīng)用。河口海岸泥沙運動的機理為“波浪掀沙、潮流輸沙”。由于波浪的周期較潮汐周期小，數(shù)學(xué)模型對波流共同作用通常使用兩種不同的方法對波或流加以概化處理。其一是將周期變化的潮流概化為具有某一特征的恒定流，與波浪運動方程疊加來模擬波流運動結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)發(fā)生的變化；另一種方法是把波浪過程概化為一個潮周期中具有平均意義的波浪流要素，與潮流運動方程疊加，計算長時段的水流及泥沙運動的變化。后者能更好地體現(xiàn)懸沙濃度變化和地形沖淤過程的周期性規(guī)律。王厚杰，李瑞杰（1999）在前人研究的基礎(chǔ)上考慮了波生流場對波浪場的影響，建立了一個討論近岸波流耦合作用的二維數(shù)學(xué)模型，并采用Dingemans的地形對模型進行驗證分析，結(jié)果表明近岸處波流隨時耦合，在研究近岸泥沙運移、岸灘演變和近岸工程設(shè)計時， 應(yīng)予以充分的考慮[19]。Prandle et al（2000）以Holderness海岸為例，建立了波流耦合的二維懸沙模型，分析了近岸處潮流和波浪的相互作用及二者的基本特性[20]。王彪等（2012）考慮了波浪和潮流對泥沙運動的共同作用，概化波浪運動為潮周期中時均的波浪流分布場，耦合潮流運動方程、泥沙運動方程與波浪摩阻力和波浪挾沙力等要素，建立了一套波流共同作用下的泥沙運動模型[21]。孫麗等（2014）將波浪的輻射應(yīng)力和底切應(yīng)力同潮流運動方程和懸沙輸運方程耦合，在大連灣建立波流共同作用的二維懸沙數(shù)學(xué)模型，并在純潮流、常浪和極端天氣三種狀況下分析對比波浪對流場、懸沙濃度和底床沖淤演變的影響[22]。何用等（2014）對珠江口泥沙的起動、絮凝以及波浪作用下的挾沙力等問題進行探討，建立了珠江口波浪、潮流、鹽度、泥沙的耦合模型，除了增加波浪作用下泥沙的起動判別外，還考慮了鹽度對泥沙絮凝的影響[23]。李大鳴等（2014）考慮了潮流、波浪和泥沙的相互作用機制，將浪場產(chǎn)生的“波浪輻射應(yīng)力”和“波流挾沙能力”作為對潮流場和泥沙運動的重要影響因子，構(gòu)建了一套考慮波浪動力的潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用于對錦州港港區(qū)潮流場和地形沖淤變化的模擬，取得了良好的結(jié)果[16]。許婷等（2015）采用波流共同作用下二維水沙模型模擬了韓江河口附近大型離岸人工島群工程建設(shè)后潮流和泥沙的運動及海床沖淤變化規(guī)律[24]。張心鳳（2017）以為例，利用波流耦合作用下三維懸沙數(shù)學(xué)模型模擬珠海高欄港區(qū)深水航道在大風(fēng)天的泥沙運動和驟淤規(guī)律，并預(yù)測了50年一遇情況下航道的驟淤情況[25]。endprint

為滿足河口研究的需求，許多成熟的數(shù)學(xué)模型被開發(fā)為軟件的形式，已被應(yīng)用到實際的研究和工程中去，如DELFT3D（劉曙光，2010[26]），MIKE21（許婷，2010[27]），SWAN（王殿志，2004[28]；郝宇馳，陶建華，2007[29]；王道龍，華鋒，江志輝，2010[30]）等。TELEMAC數(shù)值模擬系統(tǒng)基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用有限元方法，對地形復(fù)雜的河口海岸區(qū)域十分適用。Andreas Malcherek（2000）將TELEMAC-2D模型用于Weser河口潮能耗散的模擬[31]；R.Kopmann， M. Markofsky（2000）利用TELEMAC-3D建立了三維水質(zhì)模型[32]；J. Eric Jones， Alan M. Davies（2005）通過對英國西海岸潮汐的模擬，對比了有限差和有限元（TELEMAC）方法模擬結(jié)果的不同[33]。J. Eric Jones， Alan M. Davies（2006）利用TELEMAC模擬了愛爾蘭海的風(fēng)生環(huán)流[34]； Samaras et al.（2013）以意大利南部的布林迪西口岸為研究區(qū)域，對比TELEMAC和MIKE-21兩種數(shù)學(xué)模型對波流共同作用和波浪傳播的模擬，發(fā)現(xiàn)在破波帶處對波高模擬的差異最為明顯[35]。范平易（2010）利用TELEMAC-2D模型建立了長江河口的二維水動力模型，并以蘇通大橋為研究對象，模擬建橋后對橋區(qū)河段通航的影響[36]。

波流共同作用下泥沙運動及地形發(fā)育演變數(shù)值模擬是前沿課題之一，由于河口區(qū)域人類活動劇烈、動力環(huán)境復(fù)雜，且泥沙運動受波流耦合作用顯著，因此更要加強對河口區(qū)域波流及泥沙運動的數(shù)值模擬研究，為河口海岸工程提供重要指導(dǎo)。

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