岱山—洋山跨海通道水沙环境影响数值模拟研究

杭州湾是世界闻名的强潮河口,具有不规则的岸线边界、独特的地形地貌特征和复杂的水动力泥沙环境。岱山—洋山跨海通道位于杭州湾湾口水域,将岱山与洋山近35km连通,实现了上海—洋山—岱山—舟山—宁波跨海通道的全线贯通,其建设具有非常重要的意义。基于考虑波浪作用的潮流泥沙数值模型,讨论了岱山—洋山跨海通道几种工况对杭州湾大范围海域水沙环境的影响。研究结果表明:跨海通道实施后潮位变化在大桥轴线附近较为敏感,远离则基本没有影响,高低潮位变化幅度大多在2 cm以内。杭州湾涨落潮量减小小于0.6%。水流流态和水下地形仅在大桥附近水域存在明显变化。从对杭州湾水沙环境影响角度考虑,岱山—洋山跨海通道几种工况均可行,建议关注桥墩和人工岛附近的局部冲刷问题。

舟山LNG取水泵站泥沙减淤清淤试验研究

LNG接收站取水流道内水流形态复杂,泥沙淤积问题往往难以避免,特别是在含沙量较高水域,流道内泥沙淤积可能威胁接收站的正常运营。为实现LNG取水泵站不停机条件下清淤,开展取水泵站射流冲刷物理模型试验,模拟了射流冲沙装置开启后吸水间射流水流特征及冲刷效果,探究了射流冲刷设置的喷嘴与翼墙夹角、射流流量、冲刷时间等因素影响下流道内减淤清淤效果。试验结果表明,在理想状态下吸水间射流冲沙装置连续作用12h基本可达到较为理想的清淤效果;一次大风浪过后,装置连续作用0.5h基本可达到较为理想的清淤效果。清淤效果视射流流量、喷嘴与翼墙夹角以及冲刷时间不同而有差别。结合取水泵站泥沙淤积物理模型试验研究成果,取水泵站淤积区主要发生在前池、过滤池末端、吸水间和消防泵附近,建议在这些区域安装射流冲沙装置,实现不停机状态下的减淤清淤,提高取水安全保证率,从而提高运营效益。

珊瑚礁海岸沉积物输运及珊瑚砂岛演变研究综述

珊瑚礁海岸沉积物的输运及珊瑚砂岛的演变研究在我国起步较晚,同时南中国海的珊瑚砂岛是我国重要的海洋空间资源,涉及国家领土主权的核心利益,开展这方面研究具有重要的学术价值和现实意义。综合分析了推移质和悬移质碳酸盐沉积物输运过程及其影响因素,重点介绍了短波、低频长波和海流对沉积物输运的驱动机制,以及粗糙珊瑚对沉积物的遮蔽效应。总结分析了珊瑚砂岛的动态演变规律及其影响因素,并重点介绍了珊瑚砂岛在长期海平面上升和短期风暴潮增强时的演变规律,并提出了今后研究需要关注的方向。

台阶式沉井等效墩宽计算方法探究

桥梁工程中存在形状各异的桥墩,在研究不同截面桥墩的局部冲刷特性时,桥墩尺寸的定量描述非常重要。以台阶式沉井结构为研究对象,梳理并分析了国内外相关等效桥墩宽度计算方法,发现各类公式本质上为计算不同条件下的桥墩平均阻水宽度。开展了台阶式沉井局部冲刷试验研究,基于试验数据对比分析了各类等效墩宽计算方法的计算结果,发现Melville和Raudkivi的等效墩宽计算公式能够较好地估算考虑动床条件下台阶式沉井的平均阻水宽度;进一步收集了国内外193组台阶式沉井类结构的局部冲刷试验数据,数据集统计分析结果显示Melville和Randkivi的等效墩宽计算公式能够较为准确且保守地量化大多数台阶式沉井类结构的截面非均匀性;最后基于数据集冲深墩宽比统计结果对该公式近似方法的合理性进行了讨论。

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。

典型大洪水下珠江磨刀门河口拦门沙演变模式研究

磨刀门是珠江八大口门中输水、输沙量最大的口门,也是珠江最重要的泄洪通道,在珠江三角洲水系中占有极其重要的地位,研究其拦门沙冲淤演变模式对磨刀门河口地貌演变趋势分析及未来治理开发工程规划具有指导意义。以2005年6月典型大洪水过程为例,建立二维波流耦合的泥沙数学模型,分析磨刀门河口拦门沙冲淤演变特征。结果显示,典型大洪水条件下,上游来水来沙丰富,波浪对泥沙的转运作用相对被弱化,能够在较短时间内促进浅滩等沙体发育,形成新的地貌单元,并促进两侧沙体以沙嘴的形态快速向前淤进,伴随发育河口次级分汊地貌单元。研究表明,影响河口冲淤演变特征的因素包括河道地形、流场、余流余沙场及水流挟沙力等,上游来水来沙量、潮汐、波浪等因素则主导河口拦门沙演变模式。

紊动与盐度共同作用的黄河口黏性泥沙絮凝沉降试验研究

为研究多因素共同作用对黄河口黏性泥沙絮凝沉降的影响,利用盐度、温度和紊动剪切率同时可控的沉降桶,开展黄河口黏性泥沙絮凝沉降系列试验,分析并厘清了盐度和紊动剪切率共同作用对黄河口黏性泥沙絮凝沉降的影响机制;基于正态分布的多元非线性回归模型,建立了絮凝体沉降速度与紊动剪切率、盐度间的关系式,揭示出絮凝体沉降速度和粒径均随着紊动剪切率和盐度的增大呈现先增后减的规律。试验研究发现,黄河口泥沙最佳絮凝条件为紊动剪切率13~15/s、盐度7‰~10‰。研究结果有助于更好认识黄河口黏性泥沙颗粒的絮团发育和沉降过程。

台风天气下通州湾港区附近海域风暴增水分布研究

为规划通州湾港区建设,考虑极端天气下海域风暴增水的影响。以Holland台风模型和ERA5再分析气象资料作为驱动,基于Delft3D模型与ADCIRC模型构建大小嵌套的风暴潮数学模型。根据移行路径对1945—2021年间影响通州湾海域的台风进行科学分类,包括北侧掠过型、东侧掠过型、南侧掠过型、西侧掠过型和直接穿过型,每类选取3场典型台风,复演选取的15场典型台风过程,计算分析极端天气下通州湾港区海域的风暴增水分布特征。研究结果表明:通州湾港区附近海域在台风风暴极端天气下最大增水为0.5~1.0 m,以大洋港深槽、冷家沙外侧水道为中心往外海逐渐减小,南侧掠过型台风期间出现风暴增水极大值。通州湾增水大小与台风风场引起的风暴流场时空变化直接相关。

咸潮影响下长江口水源地优化布局及白茆沙水库建设可行性分析

为提升远期上海原水水量、水质供应能力和应对突发咸潮入侵和水污染风险,在分析长江口水源现状和咸水入侵形势基础上,论证了长江口水源地优化布局的必要性,结合咸水入侵监测数据及反演成果提出在白茆沙新建水库方案及原水系统优化调度方案,并分析了白茆沙水库建设对河势变化、行洪、通航、渔业资源及生态环境等方面的影响。结果表明:在白茆沙新建水库是较可行的方案,可对上海境内的长江口水源地进行优化布局,扩大供水规模并上移取水口;拟建的白茆沙水库位于白茆沙整治工程内侧,既可确保围堤安全稳定,也不影响行洪、通航,对河势变化、渔业资源及生态环境影响微小;布置于水库南侧微弯水道处的取水口,既可避免淤积对取水口的影响,也可避免北支咸潮倒灌的影响;上岸后的输水管与崇明岛原水复线共建,增强了崇明岛原水的供水安全,与现有长江口和黄浦江水源地的原水系统互联互通,可实现上海原水系统“双源供水、一网调度”的目标。

钦州湾波流耦合作用泥沙输运特性研究

为定量评估钦州湾三墩公路东侧海域清淤对当地水动力环境以及泥沙输运特性的影响,基于平面二维数学模型开展波流耦合作用泥沙输运特性研究,在验证计算结果可信的条件下,探讨了工程海域疏浚对水流特性分布、纳潮量变化以及工程后年回淤量的影响。分析结果表明:清淤将导致工程海域的海流流速平均降低4~8 cm/s,局部流速降低达到30 cm/s,但是对该区域纳潮量增加贡献幅度有限,仅微幅增加0.065%;由于清淤导致流速降低,使得工程海域大部分区域呈淤积状态,平均回淤强度达2~4 cm/a,近岸区域回淤强度达8~10 cm/a,局部区域由于流速增大,冲刷强度达到每年1~2 cm。

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。

岛礁地形上斜坡堤前破碎波流场数值模拟研究

基于SPH方法建立波浪数值水槽,对岛礁地形上的波浪传播变形进行了数值模拟,分析了岛礁地形上波浪破碎过程的波高和水质点波动流速分布,并采用波浪水槽物理模型试验数据进行对比验证。结果表明,该模型可以较准确地模拟岛礁地形上波浪破碎引起的波高和波动流场沿程变化。在此基础上模拟了礁坪上建设斜坡堤后的波动流场,分析了斜坡堤对礁坪上流场形态、沿程波高、波动流速垂向分布及近底流速的影响。结果表明:在建设斜坡堤后,礁坪上波浪破碎更加猛烈,波浪破碎点前移;沿程波高与波动流速受反射波影响明显,沿程波高变化呈现为先增大、再减小、再增大,最后在防波堤堤脚处减小,近底流速变化趋势则与之相反;在堤前半倍波长范围内反向近底流速峰值较非岛礁地形上规范公式计算值增幅较大。

强潮河口进港航道水深保证率分析——以上虞液体化工码头为例

钱塘江河口潮强流急,河床大冲大淤,主流摆动频繁,航线不固定,难以采用常规方法分析确定进港航道通航水深保证率。以上虞液体化工码头工程为例,利用长系列水文地形实测资料,分析工程河段水文、河床演变特征及航道条件,据此计算进港航道通航水深保证率,提出码头通航所需条件及优化建议。

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。

荆江河段泥沙冲淤对三峡水库汛期排沙的响应

三峡水库汛期排沙研究大多关注库区的减淤效应,对坝下游河道的冲淤影响尚需进一步研究,对优化水库调度和河道保护利用具有重要意义。以三峡水库下游荆江河段为对象,建立了荆江长河段二维水沙数学模型,并结合实测资料分析,基于三峡水库2018年7月排沙调度,通过设置不同的排沙比(7%~100%),计算分析了荆江河段冲淤对三峡水库排沙比的响应。结果表明:虽然荆江河段全年总体冲刷,但排沙比较大时汛期仍可能淤积,上荆江河段受排沙调度影响相对较大;总体而言,2018年汛期水沙条件下,30%左右的排沙比是荆江河段洪季冲淤的临界点;排沙比提高后,汛期淤积部位大部分为边滩等缓流区,以及弯曲河段凹岸等,主槽仍冲刷,对维护滩槽高差具有积极意义。

西北江径流量变化对感潮河口咸潮上溯的影响

近年来,珠江三角洲地区咸潮灾害频发,区域供水安全受到威胁,快速、准确地预测咸潮上溯距离对潮汐影响河段取水口优化布置具有重要意义。基于盐度对流扩散方程,推求河口咸潮上溯距离与径流的理论关系并通过构建珠江口水动力-盐度模型,分析咸潮上溯对径流变化的响应特征,提出磨刀门咸潮上溯距离与径流响应模型,继而比较不同咸潮上溯半经验模型在相同水文条件下的应用差异性,评估不同预测模型在磨刀门的适用性。结果表明:在不同的流量动力组合下,珠江口咸界均呈现S形分布特征。咸潮上溯距离L与上游径流量Q在理论上呈现幂指函数关系,利用半经验模型预测磨刀门的咸潮上溯距离是可行的。Savenije模型和L-Q响应模型较好地考虑了实际地形和动力特征的影响,并且模型的计算精度和效率高,可实现磨刀门咸潮上溯距离的快速预测。

岛礁水沙动力学研究综述

珊瑚礁广泛分布于热带和亚热带浅水海域,是保护海岸带的天然屏障。近年来,受全球气候变化和人类活动的影响,全球的珊瑚礁持续出现了大规模白化现象进而发生退化。充分了解珊瑚礁海岸水沙动力过程是进一步认识珊瑚礁环境中各种物理、化学和生物过程的基础。南海岛礁是我国宝贵的陆地资源,也是建设“海上丝绸之路”和维护海洋权益的关键节点,关乎国家主权核心利益。当前,南海岛礁的防浪设施在台风等极端天气作用下的安全保障也亟须相关的水沙动力学理论作为支撑。本文基于当前国内外珊瑚礁海岸水沙动力学的研究进展,从珊瑚礁海岸波、流作用下的水动力特性与生态健康、珊瑚礁海岸低频长波运动与海岸防灾减灾、珊瑚砂运动与珊瑚砂岛演变、波浪与防浪建筑物相互作用及岛礁防护4个方面进行了分析和总结,并针对这4个方面提出了研究展望,旨在为今后岛礁水沙动力学的研究提供一定的借鉴和参考。

护滩软体排对潮滩碱蓬湿地修复的影响研究——以江苏条子泥为例

河口海岸潮滩湿地具有重要的生态服务功能,是近年来国家海岸带保护修复重大工程的重点关注区域。江苏条子泥潮滩湿地是中国黄(渤)海候鸟栖息地(第一期)的重要组成部分,面临着潮滩湿地保护修复和海堤工程维护的统筹协调等问题。护岸工程软体排是河口海岸工程常用的维护措施,但其对潮滩湿地保护和修复的影响尚不清楚。通过野外调查、碱蓬移栽和播种试验,分析了护滩软体排工程临近区域的高程、水动力、沉积物等环境参数对盐地碱蓬(Suaeda salsa)湿地修复的影响。结果表明:1)软体排对潮滩地貌影响明显,软体排内滩面稳定,软体排外亦有掩护效果,两月内促进盐沼植被区高程增量达29 cm,软体排外光滩高程变化剧烈;软体排建造后,海堤附近滩面地形有助于碱蓬植被定植,形成的高滩上移栽碱蓬存活率达55%,而在低处潮滩无法存活。2)碱蓬植被密度和株高受到盐度、高程、中值粒径环境因子的显著影响(P<0.05,P为显著性水平),高程与碱蓬植被密度、株高正相关;盐度和中值粒径与碱蓬植被密度负相关;流速与碱蓬植被密度负相关;有效波高与碱蓬株高负相关。研究结果可为潮滩软体排护滩工程的实施、碱蓬盐沼植被定植机理和生态修复提供科学参考。

波浪作用下粉沙临底输沙特征的试验研究

风暴潮及大风天等极端天气下易出现临底高强度输沙,对动力地貌过程、港口航道设施、生态保护等产生深刻影响,开展临底泥沙运动机理研究具有重要的理论价值和工程指导意义。本研究以波浪作用下的粉沙为研究对象,开展波浪水槽输沙试验,构建底部高浓度测沙系统,实现从不动床面到悬沙层的精细测量,观测不同动力环境下的输沙现象。研究结果表明:相对较弱动力条件下的床面存在沙纹,随着动力条件增强,沙纹被冲蚀并出现层移输沙现象;通过不同床面高度含沙量过程的分析,随着波浪的周期性运动,粉沙底部层移运动特征表现为泥面呈现横向摆动的周期性运动,深度越大的泥层摆动幅度越小,并开始出现相位滞后现象;引入移动数和密实度系数,建立了粉沙-沙宽级配范围的层移临界条件下波浪可移动数的计算公式。本研究初步提出了细颗粒泥沙底部运动机制,对进一步研究骤冲骤淤机理具有参考意义。

钱塘江河口盐官段混合式丁坝修建对水沙及河床影响的实测研究

钱塘江北岸古海塘堤脚加固工程中,辅助围堰施工的临时性管袋黏土混合式丁坝对工程的顺利进行、提高施工效率起着至关重要的作用,然而目前对其周围水沙运动的研究较少,且缺乏相关实测资料。考虑混合式丁坝修建的动态过程,利用无人机拍摄水流视频结合LSPIV(粒子图像测速)处理技术对丁坝修建前、中、后期周围的流场进行分析,并对丁坝附近的地形进行跟踪测量,同时对不同潮差的水流含沙量进行现场测定。结果表明,丁坝具有改变水流方向,减少水流对河岸冲刷的作用,且丁坝越长,挑流作用越明显,为围堰施工提供了较为平缓的水流条件;混合式丁坝对坝后处的促淤效果明显,且坝后地形变化与含沙量密切相关,潮差越大,水体含沙量越高,丁坝后河床淤积幅度越大,有利于提高围堰的施工效率。研究成果对之后相关物理模型和数值模拟的研究提供数据支持。