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。

港珠澳大桥人工岛对水沙动力环境的影响

为了评估港珠澳大桥人工岛建设对周边海区水沙动力环境的影响,针对人工岛设计及工程海区水沙特性,建立了整体潮流泥沙物理模型,系统研究了人工岛建设引起的动力地貌演变效应。试验结果表明,受岛体阻水影响,潮流在人工岛两端分别形成双向绕流,流速明显增大,并在岛桥结合部与岛隧结合部发育局部冲刷坑;人工岛背水面同时存在多个大小不一的强紊动小尺度回流,并具有不断形成、发育、发展到消亡的周期性变化过程。受人工岛自身位置、形态、尺度以及工程海区地形、水流、泥沙等因素影响,港珠澳大桥东、西两个人工岛引起的动力地貌演变效应,既在变化规律上具有较好的一致性,又在影响形式与程度上存在明显的差异性。

岛屿海岸工程作用下的水沙动力过程研究

岛屿海岸所处的水动力泥沙环境以及工程实施后引起的相关变化都具有自身的独特性和复杂性。根据历史资料，在对嵊泗中心渔港海区已建工程影响下的水沙动力过程变化深入分析的基础上，利用波浪和潮流共同作用下的二维泥沙数学模型，对拟建工程引起的潮流场、含沙量场以及海床冲淤变化进行了分析和预测。研究表明，已建与拟建防波堤工程会引起港区水动力减弱，海床演变以淤积作用为主，年淤积强度0．1—0．3m；已围与拟围海造地工程则会柬窄潮流通道，导致水动力增强，海床以轻微冲刷为主。拟建工程与已建工程作用下的水沙动力过程具有良好的类比性。

现行黄河口区的水沙动力与汊道演变

近年来黄河入海水沙量持续减少,河口水沙动力和地貌演变出现了新的情势。基于黄河口区实测水文泥沙和利津站水沙数据等,阐述目前黄河口的水沙动力与汊道演变。研究发现,现行黄河口区潮汐存在“潮位一升一降,潮流二次往复,流速四峰四谷”的特征,形成了涨潮北流、涨潮南流、落潮北流和落潮南流4种流动形式,以及近岸与远岸对峙的余流场;河口径流量减少,潮流界和潮区界有所上溯;口门东、北两汊涨落时刻不同步,形成了短时汊道环流。剪切应力计算结果显示,口外悬沙含沙量主要取决于床面的泥沙动态,悬沙含沙量主要受泥沙的沉降和再悬浮控制。口门进出潮水量计算结果显示,口门进潮量北汊大于东汊,而入海水量北汊小于东汊,表明目前北汊趋于衰退,而东汊将逐渐成为径流入海的主汊。

空心块体水沙动力及泥沙淤积特性研究

空心块体具有良好的阻水和促淤功能,近年来被广泛用于生态修复工程。本文结合水槽试验及Flow-3D数值模拟,分析了开敞型和半封闭型空心块体的阻水效应和泥沙淤积特性。结果表明:空心块体的开孔率对内部水流流速、紊动强度起主导作用,开孔率较小的半开敞型空心块体减速、制紊效果更强;开敞型和半封闭型空心块体近底层悬沙浓度分别增大56%和75%,两者均有利于促进泥沙在块体内部淤积,近底层水流紊动越强,泥沙淤积形态差异越大;空心块体所营造的低流速、泥沙微淤、内外连通的水沙环境是大型底栖生物的生境需求,半封闭型空心块体内部的低紊动水流结构更有利于大型底栖生物的栖息、繁衍。

生态空心块体水沙动力效应研究

生态空心块体是一种兼有调控水流与生态修复功能的工程结构物,在海堤、丁坝等近海工程中被广泛应用。通过室内水槽试验,设计多种来水来沙工况,研究生态空心块体与柔性植被共同影响下的水沙动力特性,重点探究生态空心块体内的水沙动力效应。结果表明:生态空心块体组成的坝体结构缓流效果显著,坝体内外侧水流流速分布差异明显,坝体内部的水流流速远小于外侧水流流速;生态空心块体内紊动强度、雷诺应力在空心块体上方出现拐点,空心块体内紊动强度、雷诺应力均小于外侧;近底层水流在受壁面阻水作用下产生回流,易出现小范围旋涡;由于生态空心块体内水流流速、紊动强度的减小,内部悬沙浓度由表至底逐渐增大;柔性植被的冠层部分对水流减速、促淤效果最为明显,柔性植被会减缓前后相邻侧空心块体的水流流速,增大悬沙浓度。

河口海岸水沙动力环境多尺度时空耦合数值模拟研究进展

河口海岸是陆海相互作用的地带,潮流、波浪及泥沙等各种物理过程耦合多变,演变机制复杂。如实地考虑不同物理场的时空尺度差异,准确模拟各物理场间的耦合作用,是河口海岸资源开发利用及其环境生态文明建设的重要前提。高精度数值模拟是未来河口海岸水沙动力耦合作用机理及环境影响效应评估等研究的主要手段和发展趋势。文章回顾了河口海岸潮流、波浪、泥沙等多物理场间的相互耦合作用以及同一物理场下的多尺度空间、时间耦合作用的相关数值模拟研究进展,指出多尺度时空作用过程中的耦合模拟技术等关键难题是当前河口海岸水沙动力环境高精度数值模拟的研究重点与难点,急需深入开展系统的学术研究和工程实践。

人类活动驱动下伶仃洋洪季大潮水沙异变

针对大规模人类活动对伶仃洋水动力的干预,基于1978年、2003年、2011年洪季大潮实测资料,对比分析伶仃洋东西两槽及东四口门在不同阶段人类活动作用下的潮流及悬沙特征变化。结果表明:由于受伶仃水道浚深影响,与1978年相比,2003年和2011年伶仃水道及东四口门洪季大潮的涨潮动力增强,落潮动力减弱;受伶仃水道浚深产生的"吸流"作用及东滩围垦影响,矾石水道潮流动力减弱;东四口门及矾石水道洪季大潮的悬沙含量降低,伶仃水道悬沙垂向分层加强,且伶仃水道中南段净输沙由1978年的向海方向于2003年后逆转变为向陆方向,平均流输沙贡献剧减,斯托克斯漂流输沙、潮汐捕集输沙和垂向净环流输沙贡献增加。

冲积河流推移质输沙最优河道形态影响因素理论分析

为从理论上确定水沙动力、阻力和边界条件对冲积河流推移质输沙最优河道形态和最小比降的影响,基于水力半径分割方法将河床整体糙率划分为河岸糙率和河底糙率;采用河道形态自动调整变分方法,以等腰梯形为河道过水断面,推导推移质输沙率与河道形态的关系,分析河岸与河底相对糙率、河岸坡角、流量、输沙率、中值粒径和河底糙率对最优河道形态和最小比降的影响。结果表明:最优河道形态和最小比降随河岸与河底相对糙率的增大而减小,随河岸坡角的增大而增大。流量或者河底糙率的增加将使最小比降减小,同时造成最优河道形态趋向窄深。输沙率或者中值粒径的增加将使最小比降增大,但两者对最优河道形态演变的影响不同,输沙率增大将使最优河道形态向宽浅发展,而中值粒径增加将使最优河道形态向窄深发展。

舟山马岙峡道的水文泥沙特性和峡道效应

根据舟山本岛北部马岙峡道实测水文泥沙资料和沉积物采样分析结果以及对马岙岸段岸滩的现场踏勘结果，分析了马岙峡道的水文泥沙特性及其峡道效应．文章认为，受峡道地形限制，马岙岸段水流呈现显著的往复流特性，潮流流速较强，水体含沙量较低，泥沙淤积较弱，岸滩处于冲淤平衡状态；受峡道内涨落潮流分流和汇流的共同作用，马岙小泥糊礁附近发育水下沙嘴，该沙嘴是以落潮流作用为主形成的浅滩，受涨潮流改造而形成的，并将在涨落潮流作用下逐渐增长，形成连岛沙嘴，使小泥糊礁附近岸线发展成弧形岸线，并达成新的平衡．

长江中下游河道崩岸研究现状及展望

基于长江中下游河道崩岸研究现有成果,从崩岸形态学、水沙动力过程及岸坡稳定性三个角度对现有崩岸研究中的基本观点和需要进一步深入研究的科学问题进行探讨。提出后续研究可以从河势条件和土体自身性质与崩岸形态之间的关系、崩岸区段的复杂水流结构、坡脚处的冲刷过程以及崩塌土体的堆积与分解形式等方面展开。

泾河东庄水库排沙试验研究

泾河东庄水库是拟建在典型的高含沙河流上的水利枢纽。本文运用河工动床模型相似理论和异重流运动相似条件的最新研究成果进行了模型设计和制作 ,并进行了典型组次的排沙试验 ,研究不同水沙条件、河床边界条件及库区蓄水条件下的排沙情况 ,得出了排沙比及排沙量与进出库流量、沙量。

水库坝前冲刷漏斗的三维数值模拟

本文采用三维水沙数学模型计算水库坝前冲刷漏斗,运用随机游动理论统计方法分析泥沙运动及淤积特性。针对冲刷漏斗和河床地形的几何形态比较复杂的特点,采用三维泊松方程对求解区域进行曲线贴体坐标变换,使曲线网格边界可以完全贴合在物理边界上,从而提高了计算精度。计算结果与大量实测结果相吻合,对工程实际有一定参考价值,为优选建筑物布置最佳方案提供设计依据。

珠江河口三角洲数值模拟技术研究进展

综述了珠江河口三角洲水域近5年来的数值模拟技术研究成果。分析表明,目前数值模拟技术正朝着水系整体模拟、多要素耦合模拟、多方法有机集成、系统框架下局部水域重点深入研究的方向发展。建立珠江河口水域的数值化研究平台,集成各种信息和分学科技术,支持区域水资源综合开发、利用、保护和管理,是今后数值模拟技术研发和应用的趋势。

三峡工程引航道布置方案与泥沙研究

本文介绍了三峡工程上、下引航道布置方案与引航道内泥沙淤积及清淤措施的研究情况。通过对三峡工程上、下游引航道不同布置方案水流条件及泥沙淤积的研究 ,最终选择的全包隔流堤方案基本满足了各种工况下通航水流条件 ;采用适当流量动水冲沙和机械清淤相结合的措施 ,可以取得较好的清淤效果 ,从而保证航道的通畅。

时间变态对悬移质动床模型河床变形相似影响的研究

河工动床模型时间变态常影响试验结果与原型的偏离程度。本文在前人研究基础上,首先分析了产生时间变态的原因及对悬移质动床模型相似的影响。然后通过长江上荆江河段悬移质动床模型,分别开展了三组时间比尺对河床变形相似影响的试验。其结果表明,时间变态程度对河床冲淤变形相似有直接影响。

生产堤溃口展宽与洪水演进过程数值模拟

为保护黄河下游滩区群众的生命财产安全修建了大量的生产堤,由于生产堤防护标准很低,极有可能发生溃决,由此引发的漫滩洪水不仅危及滩区的生命财产安全,还将直接威胁黄河大堤安全。生产堤溃决过程中,横向展宽过程比垂向下切过程的发展历时更长,是影响滩区淹没范围及其程度的关键因素。为精细模拟生产堤溃决洪水演进过程,在二维水沙动力学模型的基础上,耦合了生产堤溃口展宽模块,采用基于非结构三角形网格的有限体积法求解二维水沙动力学模块,补充生产堤溃口水流对堤身下层土体的横向冲刷作用及溃口两侧上层悬臂土体发生绕轴崩塌的力学条件。采用模型试验算例检验增添了生产堤溃口展宽模块和新扩展的二维水沙动力学模型,结果表明模型具有较高的计算精度。以黄河下游兰考东明滩区为研究区域,计算了生产堤溃口的横向展宽过程及滩区洪水演进过程。研究结果可为黄河下游滩区治理方案的分析与决策及滩区洪水风险管理提供参考依据。

整治工程对概化分汊河口分流和分沙影响分析

河口是连接河流和海洋的纽带,也是海上运输的启程点和目的地。河口航道的自然水深难以满足航运的需求,因此需要对航道进行整治和疏浚,但整治工程对分汊河口的影响机制并不明确。以明渠均匀流为验证基础,建立分汊河口不同整治工程概化水沙数学模型,探讨均匀流和正规半日潮作用下一汊开挖航道和建设丁坝群后对另一汊河道的水沙动力影响。研究结果表明,断面泥沙通量与断面流量变化不一致,存在最优丁坝长度,通过回归性分析得到优良相对长度0.62和极限长度0.78使得断面流量和泥沙通量受丁坝影响较小。此计算模式仅能得出航道的开挖对分汊河道的分流和分沙有较大的影响。均匀流和潮流作用下周期内断面的分流比存在一致性,分沙比在0.5左右时各工况潮流影响略有不同,潮流对汇流处分沙比的影响值得进一步的深入研究。研究结果为减少航道维护和整治分汊河口提供参考,也为分汊河口物理模型试验提供理论依据。

黄河下游水沙突变特征分析

河流水文序列存在着时空变异性,变化趋势发生变化前后河流水文样本总体分布显著不同。掌握黄河下游来水来沙变化趋势及变异成因是黄河下游水资源合理开发利用及水沙调节关键。本文使用非参数统计方法 Mann-Kendall趋势检验方法和Pettitt变点检测方法对黄河下游5个水文站的年来水量和年来沙量系列分别进行了趋势检测和变异点检测。研究结果显示黄河下游年来水量和年输沙量一级变点均出现在1985年,变异成因主要为气候变化及龙羊峡等水利工程建设运行。年来水量和年输沙量二级变点出现的年份不完全一致,5个水文站年输沙量系列的二级突变点均在1996年,年输沙量系列突变时间晚于年来水量序列突变的时间,并且年输沙量系列的突变规律性较好,三门峡、刘家峡及小浪底水库的建设运行是二级变点出现的主要因素。

基于水沙关系系数法确定黄河下游造床流量

在分析评价已有造床流量确定方法的基础上,指出了平滩流量法、输沙率法、输沙能力法、水沙综合频率法四种常见方法在计算黄河下游造床流量中的不足。引入水沙关系系数频率,提出了一种适用于黄河下游水沙变异特点的造床流量确定方法。采用新方法与传统四种方法对黄河下游造床流量进行了计算分析比较,结果表明在一般情况各方法均较接近;而在水沙变异期,水沙关系系数频率法显示出能正确反映造床特性、合理确定造床流量的特点,充分体现了中常流量在造床作用中的重要性。经比较认为,水沙关系系数频率法更具适用性与合理性,能为黄河下游河道管理提供科学的技术参数。