河势变化下河口环流结构及变异研究

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1、2018届研究生博士学位论文分类号：学校代码：10269密级：学号：52102601014EastChinaNormalUniversity博士学位论文DOCTORALDISSERTATION河势变化下河口环流结构及变异研究院系：河口海岸学国家重点实验室专业：河口海岸学研究方向：水沙运动规律和工程应用指导教师：何青教授学位申请人：朱磊2018年6月Dissertationfordoctoraldegreein2018StudentID:52102601014Universitycode:10269EastChinaNormalUniversityAlteratio

2、nofestuarinecirculationundertheinfluenceofmorphologicalevolutionDepartment:StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalReseachMajor:EstuarineandCoastalScienceResearchdirection:SedimenttransportdynamicsandEngineeringApplicationSupervisor:Prof.QingHeCandidate:LeiZhuJun,2018摘要河口三角洲区域不仅是人类生活的高

3、密度聚居地，也是陆海相互作用最为敏感的地区。河口的物质输运是陆海相互作用的关键过程，河口的动力场是物质输运的关键驱动因素。受径流、潮流、波浪及盐淡水相互作用影响，河口的水动力异常复杂。多级分汊河口滩槽相间的地貌形态，进一步强化了河口动力的三维特性。关于河口纵向环流，已有经典的动力解释和科学认识。近年来，针对河口环流结构与横向环流的研究也取得诸多进展，发现横向动力过程在河口分层、环流形成以及物质输运中具有举足轻重的地位。对于长江河口这样的多级分汊河口，受分流分沙比及多级分汊地貌格局的控制，各个汊道河口环流结构不同，频繁的滩槽交换导致不同汊道的水流相互影响。关于这种分

4、汊河口的环流动力，尤其是横向环流结构及其给河口动力带来的影响仍然缺乏认识。以长江河口这类强动力分汊型河口为代表的的大型河口系统，开展三维动力场结构的研究，不仅能丰富河口动力学的研究内容，而且对泥沙输移、污染物输运及地貌演变等方面的研究具有重要意义。本文通过建立长江河口三维水动力数学模型，利用大量实测水位、流速和盐度数据对模型进行验证，使之能够准确的反映长江河口的动力特征。利用模型计算分析刻画了长江口各主要汊道水体分层状态、河口环流结构和变化过程以及控制因子；利用动力平衡分析，论述了横向环流在驱动河口环流中的作用；采用机制分解的方法，阐述了河口环流变化对盐水输运的影

5、响。基于不同年份的河口地形建立数学模型，讨论了人类活动驱动下河口动力场的改变，发现了横向动力差异减小和滩槽水流交换减弱对河口层化、河口环流的影响；分析计算结果还显示，深水航道工程对河口动力场的影响不仅局限于拦门沙河段，甚至会影响水下三角洲前缘的冲淤格局。论文的主要研究成果总结如下：1.揭示长江河口各主要汊道河口环流结构及其转化机制。以往对河口环流的研究，主要集中在沿河槽的方向，而忽略了河口环流的三维结构。水体的层化程度决定了垂向的动量交换，使长江河口各汊道的河口环流展现出不同形态。北港的河口环流结构呈现“垂向梯度型(verticallysheared)”结构，即底

6、层余流向陆，表I层余流向海；北槽与南槽的向陆余流出现在河槽北岸并延伸至水体中上层，而向海余流则聚集靠近南侧浅滩的河槽中，河口环流结构为“横向梯度型(laterallysheared)”。受河口河势变化和大型工程影响，长江河口三个主要入海汊道的分层均有所增强，水流紊动被抑制并减弱了上下层水体的动量交换，表底层动力差异增大，底层向陆余流向上层水体的延伸受限；同时河槽束窄，科氏力对潮流动力的横向分异作用趋弱。河口河槽窄深化导致北港河口环流结构的“垂向梯度型”特征进一步明显，南槽河道尚宽浅，仍然保持着“横向梯度型”结构，北槽的环流结构从“横向梯度型”转变为“垂向梯度型”。

7、2.阐明多级分汊河口越滩水流产生的正压力是横向环流产生的主要原因之一，横向环流改变水体层化过程。与差异平流为主的单汊道河口不同，分汊型河口的横向环流主要受横向水位梯度控制。在涨潮期间，潮流越过浅滩，在主槽水体表层产生由南向北的横向环流，横向盐度梯度产生的斜压力驱动底层水体由北向南运动；落潮时，越滩流消失，差异平流的作用使得横向环流形成了从深槽到浅滩的辐散型结构，其量值相比涨潮时大幅减小。关于水体的层化机制研究表明，纵向、横向的潮汐应变和对流作用，都会导致水体分层发生变化，其中纵向潮汐应变和对流占据主导作用。横向环流的垂向梯度与横向的盐度梯度相互作用产生横向潮汐应变

8、，使水体在