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.

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。

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。

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。

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。

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。

深圳小漠湾填海工程对潮流水动力及冲淤影响研究

基于长序列潮位资料,使用MIKE21建立大范围二维潮流数学模型,以深圳小漠湾国际物流港口与华润电厂等大型工程为研究对象,研究人类活动影响下的小漠湾及附近海域水动力变化特征。研究表明,围填海工程致使小漠湾海域潮流场有不同程度的变化,流速方面大多呈现减小状态,流向方面有一定局部改变,但总体变化不大。基本上是越靠近工程区,潮流场变化越为明显。通过数值模型计算工程实施后工程区周边泥沙冲淤强度分布显示,受工程建设影响,在潮流作用下工程区附近海域均有不同程度的冲刷和淤积,最大淤积量在0.08 m,最大冲刷量在−0.18 m。

入海水沙变化背景下黄河三角洲岸线冲淤研究

受黄河入海流路变迁和入海泥沙锐减的影响,近年来黄河三角洲岸线冲淤变化复杂。本研究基于Landsat遥感影像,提取2000—2020年黄河三角洲的年平均岸线,分析其岸线冲淤变化。结果显示,北部岸段和原清水沟入海水道岸段岸线呈现蚀退作用,现清八汊入海水道岸线呈现淤积作用。

沿江引排水航道冲淤规律分析

杨林塘航道为长江下游支流河道,入江口门处建有船闸及节制闸,发挥着通航、防洪排涝、调节水环境的综合效益。本文依托杨林塘航道,开展了2020年5月-2021年4月逐月的地形监测,分析了杨林节制闸利用潮差间歇性引排水带来的航道冲刷淤积过程,建立了航道冲淤与引排水之间的关系。结果表明:季节上杨林节制闸冬季引水为主,夏季排水为主,不同季节杨林节制闸引排调度方式存在很大差异。杨林塘航道运行以来,床面调整基本稳定;现状排水调度作用下,杨林节制闸上游有所冲刷;引水调度作用下,杨林节制闸上游有所淤积;引水量与淤积量、排水量与冲刷量之间呈现正相关关系。

小浪底水库调控后黄河下游冲淤规律与水沙调控指标

为科学指导黄河调水调沙调度实践,根据小浪底水库调控后黄河下游冲淤规律对水沙调控指标进行优化。选取2011—2022年黄河下游实测121场不同含沙量级水沙过程,分析黄河下游水沙特点及其冲淤效率与水沙条件的响应关系,以黄河下游不淤积以及主槽过流能力不降低为总体目标提出水沙调控指标。结果表明:①小浪底水库对黄河下游水沙过程具有两极分化的调控作用,高含沙量水流(平均含沙量S av>10 kg/m^(3))的沙量全年占比为94%,清水水流(S av<1 kg/m^(3))的水量全年占比为85%。②高含沙量水流的淤积效率与平均含沙量呈正相关线性关系。③清水水流的冲刷效率与平均流量呈正相关对数关系。④对于高含沙量水流,丰水年调控水量为80亿m^(3),平均流量为2000~4600 m^(3)/s,平均含沙量为50 kg/m^(3);平水年调控水量为10亿m^(3),平均流量为2000~4600 m^(3)/s,平均含沙量为150 kg/m^(3);枯水年水库不排沙。对于清水水流,需要避免下泄平均流量在800~1800 m^(3)/s范围内的水流过程。

洪枯季内伶仃洋河口湾径潮动力作用规律解析及冲淤响应

基于内伶仃洋水域4座浮标站洪、枯季半月时长实测水文气象数据,应用主潮通量断面算法和二元线性回归法探讨了内伶仃洋河口湾潮汐动力、径流动力及其他动力对潮周期平均流速的作用规律。研究显示,内伶仃洋水域半月洪、枯季水深平均流速在25~45 cm/s之间,除西滩水域水深平均流速洪季显著大于枯季,其他水域洪、枯季相差不大。潮汐动力作用系数a始终为正显示其是伶仃洋河口湾潮流往复运动的主要驱动力;径流动力作用系数b在洪季涨潮阶段为负、落潮阶段为正显示洪季东四口门进入伶仃洋河口湾的洪水具有较大初始动量,枯季涨潮和落潮阶段b均为负值,显示枯季径流动力弱并以随潮运动为主;其他动力因子作用系数c在洪、枯季的差异主要与季风和咸潮入侵引起的密度斜压梯度力等有关,与径流动力作用系数b存在较好的线性负相关,且洪季较枯季更明显。应用伶仃洋河口湾泥沙启动流速,结合二元线性回归法得到的潮周期平均流速拟合公式,提出了临界径流量的概念,揭示了当前伶仃洋水域存在的“滩冲槽淤”现象;枯季,伶仃洋水域整体处于淤积状态,涨潮阶段更显著。

近10年长江中游重点险工段近岸河床冲淤演变特点分析

险工段是河道岸坡易崩段,是长江防洪体系的薄弱环节,险工段近岸河床演变直接关乎沿江堤防稳定和防洪安全。根据近10 a来长江中游重点险工段观测成果,研究了险工段近岸河床冲淤演变特点及水沙条件、整治工程、土体组成等对险工段河床演变的影响。结果表明,整治工程实施对保障险工段近岸河床稳定具有显著作用,岸坡趋于稳定是长江中游重点险工段演变的总体规律。受局部河势调整影响,仍有1/3左右的险工段近岸河床存在冲刷趋陡的现象,需加强观测并采取相应守护措施。研究成果对研判长江中游重点险工段岸坡稳定发展趋势、优化险工段观测位置布设具有重要意义。

小流域拦砂坝上下游冲淤特征调查分析

极端降水诱发的泥石流具有规模大、沿程侵蚀严重、淤埋范围大等特点,需要在小流域内修建梯级拦砂坝工程进行调控。在汶川地震影响区域内选取33条典型泥石流沟道进行调查,获取了105座拦砂坝特征参数以及梯级拦砂坝作用下的沟道冲淤形态变化,总结了拦砂坝的类型及判别方式,提出了实体坝与透过性坝的4种坝型组合模式、梯级坝的坝间距下2种回淤模式。进一步分析了梯级坝的特征模式(坝型组合模式、回淤模式)对沟道的冲淤形态(回淤坡降折减系数、冲刷深度相对系数)的影响。结果表明实体坝与透过性坝的组合模式(SO、OS模式)对沟道回淤形态影响明显,两种回淤模式中的互馈式运行模式对淤积形态影响显著,回淤相互不影响的独立运行模式下的冲刷作用更强烈。研究结果可为小流域内梯级坝的坝型选择、坝间距优化提供参考。

和田河河道冲淤特性分析

通过介绍和田河的流域概况、分析其河流特性,根据上游来沙量、典型水文站断面冲淤厚度、长时段河道演变特征等,分析了玉龙喀什河、喀拉喀什河两渠首以下沿程河道冲淤特性,结果表明:两河渠首以上河床呈冲刷状态或者冲淤基本平衡;玉龙喀什河渠首至两河汇合口,年均淤积厚度约为0.03 m;在玉龙喀什枢纽建成后的10 a内,即2030—2040年渠首—两河汇合口年均淤积厚度为0.01 m。喀拉喀什河渠首—两支流交汇口冲淤基本平衡;干流沙漠河道,河床以堆积为主,年均淤积厚度约为0.02 m。