台风对淤泥质潮滩冲淤影响研究——基于无人机测量与现场水动力观测

台风等极端天气会使淤泥质潮滩发生数十厘米的冲淤变化.在全球变暖导致台风强度及频率增大的背景下,厘清台风影响下潮滩冲淤变化及其机制,对潮滩保护与生态系统完整性维持具有重要意义.本文借助基于运动恢复结构算法的无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)摄影测量方法,于2021年7月“烟花”台风前后对崇明东滩典型样地进行滩面高程测量,并在盐沼-光滩过渡带现场采集水动力泥沙数据.结果表明:无人机摄影测量精度为4.1 cm;台风影响下光滩区域侵蚀、盐沼区域淤积,变幅达±32 cm.其原因是:台风影响下,光滩区域在天文大潮时波高及水深增大,达到波浪破碎条件后表层沉积物被侵蚀并被强潮流搬运;涨潮流携带悬浮泥沙进入盐沼后,因盐沼缓流消浪作用导致水体挟沙能力下降,泥沙在盐沼区域沉积.因此,盐沼-光滩过渡带呈现光滩区域侵蚀、盐沼区域沉积的冲淤分带性.本文将无人机摄影测量与同步水动力泥沙现场观测结合,为深刻认识台风事件对潮滩冲淤的影响提供了新视角.

开孔率与布置间距对透空型双丁坝水动力与冲淤特性的影响

采用三维水动力和泥沙数值模型,模拟分析了不同开孔率和不同布置间距的透空型双丁坝局部三维水动力特性和冲淤特性以及对水生生物生境的影响。结果表明:透空型双丁坝周围流场结构丰富,形成了上丁坝坝内环流区、坝间主副环流区以及下丁坝坝后缓流区,有利于有机质富集;开孔率15%时透空型双丁坝坝间主环流区和坝间涡量最大,坝间涡量以及紊动能随布置间距的增大而增大,控制开孔率大小并适当增大布置间距有利于底栖生物索饵洄游;最大切应力与上游切应力的比值随着开孔率和布置间距的增大逐渐降低,适当增大布置间距并选择较大的开孔率可减轻下泄水流对坝后河床的冲刷;坝内及坝后淤积范围和高度随开孔率增大而减小,随布置间距增大而增大,实际工程中适当提高开孔率和布置间距有利于透空丁坝减速促淤,为底栖生物提供丰富的饵料。

基于APSO和SVM的滨海河网冲淤需水量预测模型研究——以斗龙港为例

滨海河网淤积是严重的水安全问题,引水保流平衡淤积是水资源生态调度的重要措施。以江苏里下河地区斗龙港为研究对象,基于该地区的冲淤特点,对冲淤需水量进行新的定义,以反映实际监测到的泥沙净变化量的需水量。通过分析斗龙港下游河道2001—2018年的原位监测数据,提取了初始河床容积、冲淤量、时间长度、降雨量以及开闸次数等关键变量,构建了一套冲淤需水量预测模型,该模型结合了自适应粒子群优化算法(Adaptive Particle Swarm Optimizaticn,APSO)与支持向量机(Support Vector Machine,SVM),并通过APSO算法对SVM模型参数的自我优化,提高了APSO-SVM模型的预测精度。此外,Sobol敏感性分析表明,冲淤量、初始河床容积和开闸次数是影响冲淤需水量的主要变量,而降雨量和时间段长度则显示出重要的交互效应。为水资源管理和港道维护提供了理论基础和实践指导,有助于提高入海河道引水效率和港道安全。

桥墩冲淤检测中多波束测深系统结合三维图像声呐的应用

东海大桥是我国第一座真正意义上的跨海大桥,东海大桥桥墩冲淤研究对类似海上风电、杭州湾大桥等跨海大桥冲刷防护等工程提供借鉴。多波束测深系统结合三维图像声呐在东海大桥水下地形测量的成熟运用为后期桥墩回填工程提供重要依据。冲淤变化直接影响桥墩桩基的桩基承载能力,桥墩基础局部冲刷深度是确定基础埋深和保证桥梁运行安全的重要参数,通过对多年东海大桥桥墩冲淤分析,为东海大桥整体冲淤评估提供可靠的数据依据。

黄河下游河道冲淤分布模式及冲淤特征

为揭示黄河下游河道的沿程冲淤分布模式及分布特征,对黄河下游1952—2021年间共70年的河段实测冲淤量数据进行了系列统计分析。研究表明:(1)黄河下游河道存在7种沿程冲淤分布模式,其中全线冲刷、全线淤积、上冲下淤、上淤下冲等4种为基本模式。上淤下冲模式的冲淤临界位置在孙口附近,上冲下淤模式的冲淤临界位置在游荡性河段。各模式对河道整体冲淤的贡献率存在较大差异,两边冲中间淤模式对冲刷量的贡献率最大,全线淤积模式对淤积量的贡献率最大;(2)1952年以来,黄河下游河道沿程冲淤分布模式的变化过程可分为1952—1959年、1960—1985年、1986—1999年、2000年后共4个阶段;(3)各河段冲淤量大小以0点为中心近似呈偏态分布,冲淤量在多年尺度下具有沿程减小的趋势性特征以及“冲久必淤、淤久必冲”的周期性特征;(4)各河段整体冲淤发生年数差别不大,反映了河道冲淤的平衡趋向性;70年内淤积于黄河下游河床底部的泥沙有一半左右被冲走,花园口到孙口河段的累计冲淤量接近下游总冲淤量的8成,孙口以下河段很小;(5)全线冲刷模式为小浪底水库运用后下游河道的主要冲淤模式,小花段前期淤积的泥沙基本被冲完,夹高段、高孙段及孙艾段仅冲走了前期淤积泥沙的二到三成。研究结果总结了黄河下游河道的沿程冲淤分布模式,分析了冲淤分布特征,有助于深化对下游河道冲淤现象的整体认识。

1998年以来黄河下游河道冲淤变化分析

依据黄河下游来水来沙和断面冲淤实测资料 ,分析了 1998年 6月～ 2 0 0 0年 5月下游河道冲淤特性以及加密测验断面后对计算冲淤量的影响。结果表明 :这一时期枯水少沙 ,洪峰流量不大 ,下游河道汛期淤积 ,非汛期冲刷 ,主槽淤积加剧 ;汛期淤积集中于孙口以上河段 ,非汛期冲刷主要在夹河滩以上河段 ;测验断面加密后提高了计算冲淤量的精度 ,河段冲淤定性上也趋于更加准确。

三沙湾潮滩涨落潮和大小潮冲淤特征及其动力机制

潮滩不同尺度的变化规律一直是地表过程研究的核心之一。利用声学多普勒流速仪(ADV)、温盐深(CTD)、光学后向散射浊度计(OBS)对三沙湾潮滩涨落潮和大小潮冲淤及动力变化进行了高精度的观测。结果发现,潮周期内,潮滩冲淤呈现涨潮初期冲刷-落潮末期淤积-中间时段稳定的特征,涨潮初期水深<1 m的30 min内平均冲刷4.05 mm,落潮末期水深<1 m的30 min内平均淤积3.72 mm,中间时段动态稳定;大小潮周期内,呈现中潮到小潮平均淤积3.4 mm,小潮到大潮平均冲刷8.2 mm的特征。通过流速、紊动能、水深、悬沙浓度等因子与冲淤的相关性分析发现,潮周期内,流速和紊动能的增减决定涨潮初期冲刷和落潮末期淤积的变化;大小潮周期内,涨潮冲刷大于落潮淤积的特性决定了大潮到小潮阶段的冲刷,涨潮冲刷小于落潮淤积决定了小潮到大潮阶段的淤积。涨落潮周期和大小潮潮周期的冲淤机制为潮滩动力地貌和动力沉积学研究提供了一定的参考。

黄河下游高村-孙口段冲淤变化及影响因素定量分析

为探究黄河过渡段河道滩槽演变规律,采用实测水沙和大断面数据,分析近年来高孙段河床冲淤、水沙条件和河床形态的演变,以年和汛期为时间尺度,用灰色关联度分析河槽冲淤量与水沙条件及河床形态的关联程度。结果表明,近年来高孙段以冲刷为主,汛期是年内输沙的主要时期;高村断面来沙系数可以分为波动减小(2002~2017年)和快速增加(2018~2019年)两大阶段,而河床形态中水力半径和宽深比变化趋势完全相反,糙率存在增大趋势;高村断面的水沙条件及河床形态与高孙段河道冲淤具有较高的关联程度,河床形态比水沙条件具有更高的相关性。

上游来水来沙与洞庭湖入汇顶托对荆江河段冲淤的影响

三峡工程运用后荆江河段处于持续冲刷状态,分析上游来水来沙与洞庭湖入汇顶托对荆江河段冲淤的影响,对掌握坝下游河道演变规律具有重要意义。本研究基于2003—2020年荆江河段实测水沙及冲淤量资料,建立河段累计冲淤量与河段上下游边界条件之间的函数关系,并重点分析顶托作用对荆江河段冲淤的影响。结果表明:(1)荆江河段累计冲淤量与河段进口水流冲刷强度呈正相关,与进出口水位落差呈负相关,河段冲淤过程是二者共同作用的结果;(2)建立进口水流冲刷强度、进出口水位落差与荆江河段累计冲淤量的函数关系,能较好反映上下游边界条件对河段冲淤过程的影响(R^(2)>0.92);(3) 2003—2020年荆江河段累计冲刷量为12.3亿m^(3),在假设无洞庭湖入汇顶托的情况下比实测值增加0.67亿m^(3),即入汇顶托能使荆江河段冲刷量减少约5%;同期上、下荆江累计冲刷量分别为7.3亿和5.0亿m^(3),入汇顶托能使冲刷量分别减少约1%和16%。洞庭湖入汇顶托会导致荆江河段的冲刷量减少,对下荆江冲淤影响更显著。

长江口横沙浅滩冲淤演变特征分析

横沙浅滩作为长江口前沿滩涂湿地的重要组成部分,是“上海市长远发展战略空间”的预留区,掌握其滩涂演变规律对该地区的资源保护及合理开发具有重要的参考价值。基于2005—2021年长江口实测水下地形数据,定量分析研究了横沙浅滩地形演变过程,及其对周边河口工程建设和水沙条件变化的响应。研究结果表明:横沙浅滩近年来整体呈现“长高长不大”的演化格局,中、东部区域明显淤高,沙体向海延伸与河口泥沙滞流点的向外海移动关系紧密。流域输沙量锐减是横沙浅滩滞涨的重要原因,滩面北沿和深水航道北侧冲刷明显,造成N23堤顶冲坑的扩大与滩面潮水沟的贯通。深水航道工程与横沙东滩促淤圈围工程的建设是潮水沟与N23堤顶冲坑迅速发育的主要原因。

高桩码头区域波流耦合泥沙冲淤模拟及动力特性分析——以宁波穿山港为例

建立了水沙床全耦合的波流耦合数学模型,以探究近海码头区域波流共同作用下动力地貌演变。根据码头区域和码头附近海域实测数据对模型进行了潮位、流速和淤积速率/含沙量验证,验证结果较吻合。分析了码头区域的水动力和泥沙输移特性,揭示了常态条件下码头的群桩阻流特性及后方回淤机理,探究了极端条件下码头的冲淤演变规律。模拟结果表明:码头区域潮汐动力作用显著,在常态天气下是码头冲淤的主要控制因素,冲刷主要发生于涨潮期,淤积主要受落潮期控制;台风天气下,强波流相互作用可能导致码头区域短期内剧烈冲淤,台风期间,码头下方强烈冲刷,后方轻微冲刷,台风后,码头逐渐回淤;码头群桩显著影响码头区域的水沙动力及地形冲淤过程,群桩阻力降低潮流动力强度,码头区域淤积增强。

潼关河段冲淤对渭河下游冲淤变化的影响

三门峡水库控制运用以来,潼关高程持续抬升,渭河下游仍在淤积发展,究竟是潼关高程抬升引起渭河下游淤积发展,还是渭河下游淤积发展造成潼关高程的缓慢上升,一直是三门峡问题的焦点。在实测资料的基础上,对渭河下游与潼关断面两者间水位变化和河段冲淤变化的相关性分析发现,渭河下游与潼关河段水力泥沙要素具有良好的相关性及一致性。潼关河段(或潼关断面)若发生冲淤,通常会引起华阴以下河段发生沿程冲淤,并随之引起华阴以上河段发生较大范围的溯源冲淤;此外,潼关高程与渭河下游泥沙累计淤积量及河床比降减缓密切相关。

基于FLOW3D的集成式水下基盘泥沙冲淤三维数值模拟

泥面下集成式水下基盘是为开采渤海通航区等海域油气资源而提出的新型基盘,其基坑周围局部冲淤是工程实践关注的问题之一。基于不可压缩粘性流体运动的Navier-Stokes方程建立泥面下集成式水下基盘基坑周围三维水动力数学模型,对不同粒径和不同流速情况下的局部冲淤进行了模拟。结果表明:泥沙粒径为0.005 mm时,由于泥沙较难起动,基坑附近局部冲淤较小。粒径分别为0.05 mm和0.1 mm时,在典型流速作用下,基盘附近可分别形成1 m左右和4 m左右的淤积。

钢圆筒防护装置周围海床冲淤试验研究

通航区内水下油气生产系统需安装在海床下的钢圆筒防护装置内,以避免往来船舶抛锚、渔业活动等对油气开发设备产生破坏。为揭示海床下钢圆筒防护装置局部冲淤特性,同时验证工程设计方案的可靠性,基于通航区海床下水下生产系统钢圆筒防护装置,对周围土体冲淤特性开展试验研究。根据工程区域现场土样的级配资料配制现场土样,并对不同回填土质的水动力特性进行敏感性分析,得到不同回填土质临界起动流速,为工程回填材料选择提供参考。同时针对平整海床、凸出式和齐平式防护装置类型,开展模型试验研究。结果表明,基于工程场址土壤条件,在安装钢圆筒防护装置、设置回填材料等各种情况下冲淤量很小,均不会发生明显的冲淤现象。现场实测验证了设计方案冲淤试验结果的可靠性。研究结果可为海床下防护结构的设计提供参考。

2022年长江中下游干流河道输沙与冲淤变化特点

2022年长江流域遭遇了汛期反枯的极端水文气象条件,导致长江中下游的水位降至有实测资料记录以来的同期最低,该极端水文情势使长江中下游河道冲淤变化出现了新特征。基于详细实测水沙监测及固定断面资料,对2022年极端水文气象条件下长江中下游干流河道输沙的冲淤变化特点进行深入分析。结果表明:1—6月份长江中下游各测站输沙量有增有减,总体上输沙量保持相对稳定;7—12月份各测站输沙量均出现了大幅下降,宜昌至九江河段通过输沙量法计算得知冲刷的泥沙总量为2391万t,通过断面法计算得知湖口至江阴河段泥沙淤积量为4657万m^(3)(湖口至大通冲刷量为1211万m^(3),大通至江阴淤积量为5868万m^(3)),江阴以下河段冲刷量为6335万m^(3)。上游来流减少和长江口潮位的影响是造成湖口至江阴河段淤积的主要原因。研究结果可为进一步探索长江中下游河道冲淤变化规律、预测未来的冲淤趋势提供重要参考。

基于MIKE21的黄河三角洲泥沙冲淤数值模拟预测

在人类活动影响与全球气候变化等因素持续影响下,黄河三角洲海岸始终处于动态调整状态。探究三角洲海岸线调整规律以及未来发展趋势,对三角洲地区经济发展和生态环境保护具有重要工程意义。本文基于MIKE21数学模型,建立2015年和2023年两个年份岸线条件下的泥沙冲淤模型,对比验证了刁口附近海域2015—2023年冲淤变化,验证了黄河泥沙模型设置的准确性;并在此基础上,设置了3组径流和泥沙工况,预测了现行河口附近海域2023—2030年的冲淤变化。结果显示:在2015—2023年间黄河2016年最小径流量下的输沙量工况下,现行河口处有少量冲刷,孤东近岸海域基本冲淤平衡,废黄河口处少量冲刷;在2015—2023多年平均径流量和输沙量工况下,孤东近岸海域东岸向有3 m左右淤积,现行河口和废弃河口处持续冲刷,最严重处达3 m左右;在黄河多年平均径流和输沙量的85%工况下,现行河口和废弃河口处持续冲刷,最严重处达3 m左右,孤东近岸海域东岸淤积可以达到1.5 m。研究结果可以更好地理解黄河三角洲海岸线的变化,为未来黄河口海岸带开发治理和可持续发展提供科学指导。

2018年~2022年三门峡水库运用与河道冲淤分析

2018年11月~2022年10月,三门峡水库来水来沙,洪水情况,水库冲淤情况及潼关高程发生新的变化。①来水较丰,潼关站年均径流量为393.74亿m^(3),沙量主要来源于汛期,约占全年88%。②共发生21次洪水,洪水期年均来水量134.4亿m^(3),占汛期来水量的62%。③各年汛期累计敞泄天数分别为19天、23天、28天、18天和13天。④潼关以下河段发生了累积性的冲刷,冲刷量达0.874亿m^(3)。2020年与2022年由于水库过早结束汛期运用向非汛期过度发生淤积外,其余各年均冲刷。⑤潼关高程从2017年汛后到2022年汛后累积下降0.21m,2020年和2021年黄淤41断面上下断面发生冲刷,汛后潼关高程分别较前一年降低0.51m和0.49m,2022年非汛期潼关高程有较大幅度回淤抬升,汛后潼关高程较上一年抬升0.58m。

塔里木河干流阿拉尔河段冲淤变化研究

近年来,人类活动成为影响河道冲淤变化的主要因素,使得塔里木河干流呈现出新的冲淤演变格局。采用塔里木河干流阿拉尔站多年的水沙量资料,结合河势变化图,对1958—2017年阿拉尔河段特性、断面变化、同流量水位及水位流量关系进行变化分析,归纳塔里干流阿拉尔河段冲淤演变特性,对影响塔里木河干流冲淤演变的驱动因素进行分析。结果表明:(1)水沙关系。从1960—2017年阿拉尔水量呈减小趋势,减小数值为9.61亿m^(3),年际水沙变化幅度大且年内水沙分布不均,1960—1999年沙量较大集中,其他时间段较稳定。(2)河道特性。阿拉尔附近是游荡型河道,河床宽且浅,河心滩及沙洲多且河床冲淤不定。(3)阿拉尔断面总体表现为大水冲刷、小水淤积、长时段内冲淤变化不大。(4)2005—2009年该断面总体冲淤变化不大,2009—2010年该断面发生冲刷,2010—2017年该断面总体表现为淤积,结合阿拉尔断面套绘,2005年该断面主槽滩唇高程为10.1 m,平滩流量为1600 m^(3)/s, 2010年该断面主槽滩高程为9.93 m,平滩流量增至1750 m^(3)/s左右。

滨海电厂新建码头港池及取排水口对海域冲淤演变影响分析

海域冲淤演变是影响电厂取排水口安全运行的关键因素。基于工程所在海域水沙运动规律、地貌演变规律,采用二维潮流泥沙数学模型计算分析了某滨海电厂与码头一体建设的取排水口所在海域水动力条件变化和冲淤演变规律,研究结果表明:工程建设后,码头南北两侧水域流速减小,西南区域靠近潮汐水道主槽位置流速增大。受流速变化影响,码头南北两侧海域淤积增强,码头西南区域海域以冲刷为主,取水口位于码头港池内,工程后冲淤幅度为0.026 m/a,对取水口取水影响有限。研究结果可为码头和取水口工程布置提供理论依据和技术支撑。

华南岬湾海滩冲淤演变特征及其机制分析——以南澳岛前江湾为例

岬湾海滩在华南地区普遍分布,众多海滩面临侵蚀退化问题,对其海滩冲淤演变特征及机制的研究具有重要的现实意义。本文以粤东重要的旅游海岛南澳岛南部的前江湾为研究区,利用滩面调查、遥感影像数据与历史海图和实测水深数据,研究1970—2022年海滩冲淤特征,并从水动力、沿岸输沙、稳定岸线形态等方面,探讨人类活动对海滩冲淤演变的影响机制。结果表明:前江湾海滩蚀淤演变在东南沿岸码头防波堤海岸工程建设前后呈现不同的空间变化特征,切线岸段前期侵蚀、后期侵蚀加剧,弧形岸段前期淤积、后期侵蚀;人类海岸工程造成的岬角位置变化和沿岸输沙受阻是影响海滩蚀淤演变的主要机制,导致岬湾岸线平面形态变为不稳定状态,区域沉积物的亏损也加剧了海岸失衡;自东向西的沿岸输沙的不均衡对其海岸线演变的空间特征起控制作用。