泻湖潮汐通道地形演变数值模拟研究

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1、泻湖潮汐通道地形演变数值模拟研究----水利工程论文-->第一章绪论1.1选题背景和意义汊道是把开敞海面和被陆地包围的海峡、溺谷、泻湖或者河口湾等水域连接起来的水道，美国陆军工程兵团Rice[1]曾给汊道做过一个解释，他认为汊道是连接海洋与泻湖、海湾或者河口湾的水道，而在有潮海岸上，这种汊道便是潮汐汊道，又称潮汐通道[2]。根据被包围水域形状的不同，可以将潮汐通道分为泻湖型、溺谷湾型或者河口湾型这三类，本文主要研究对象是泻湖型潮汐通道。泻湖型潮汐通道主要由沙坝、泻湖、涨落潮三角洲、潮汐通道等地貌单元组成，泻湖由沙坝与外海隔开，海水只能通过潮汐通道流进流出，泻湖是这个系统的纳潮水域，潮汐通道

2、则是泻湖的生命线，一旦通道闭合，泻湖将无法与外界进行水体交换，就会变成一潭死水[3]。泻湖潮汐通道遍布全球，在国外主要分布在美国东部沿岸和墨西哥湾、南美和印度东海岸、波罗的海、地中海等，在我国主要分布在河北、山东、海南、广东、台湾等地[4]，由于潮汐通道口门水道往往是天然航道，而纳潮的海湾、泻湖为港口提供了所需要的停泊和避风条件，因此很多重要的海港都依托潮汐通道的环境来建设，在我国来说青岛港、洋浦港、博鳌游艇码头就是典型实例[5]。由于潮汐通道在航运与海港建设上的巨大价值，关于潮汐通道的研究自然与海港建设密切相连，其中很重要的一个问题就是潮汐通道的稳定性近年来随着全球海平面的上升以及人类活

3、动的影响，这一问题越来越受到人们的重视。潮汐通道的闭合现象就是潮汐通道稳定性的一个重要表现，发生闭合的潮汐通道有很多，比如澳大利亚的Murray河口处的潮汐通道[6]、荷兰的Haringvliet和Grevelingen河口处的潮汐通道[7]等，潮汐通道闭合具有两方面的坏处[8]，首先由于纳潮水域大多建港所以潮汐通道闭合导致无法通航，其次泻湖内水质由于缺少与外界水体交换而降低。为保持潮汐通道畅通，我们需要认识导致潮汐通道闭合的主要机制，才能通过有效合理的工程措施取解决这一问题。为了获取更多认识，本文将通过潮汐通道地形演变数学模型来分析影响潮汐通道闭合的因素。...........1.2研究

4、现状近百年来由于人类大规模地围绕潮汐通道进行开发，这些活动强烈地影响了潮汐通道系统的动态平衡体系，因而国内外研究的重点集中在潮汐通道的稳定性。由于潮汐通道对于航运业的重要性，对于潮汐通道过水断面稳定性研究，特别是潮汐通道口门处过水面积与纳潮量的经验关系，受到了工程界的重视。对于潮汐通道来说，存在着一个临界的断面面积，当潮汐通道断面面积大于临界值时，断面面积的减小导致口门的束窄，会增大断面的平均最大流速，从而使断面趋于扩大，而当断面面积持续增大到一定程度后，流速会降低，因为纳潮量的限制，过水断面面积增大势必会导致流速的降低；而当断面面积小于该临界面积时，底部以及边批的摩阻效应显现，横截面面积

5、的持续减小，会造成底部与边坡对水流摩阻增大，导致流速的降低，加速闭合的过程[9]。更多学者开始从均衡性角度分析潮汐通道各种指标之间的平衡关系来判断潮汐通道稳定性。Escoffier[18]绘制了一条封闭曲线来阐述潮汐通道口门稳定性，如图1-1所示，该曲线通过分析潮汐通道横截面面积与流速的关系来说明要达到稳定状态所需要的流速：交点代表着稳定状态的临界流速，即该流速下潮流足够冲走落淤在潮汐通道内的泥沙，b点表示自然条件下潮汐通道稳定的情形，大多数的稳定潮汐通道都在b点附近，而c点则为稳定与否的分界点，如果位于c点左侧，说明该潮汐通道趋向于闭合，如果位于c点右侧，则说明该潮汐通道稳定，且会向b点

6、逐演变。O’Brien等证明了上、述结论是合理的。.......第二章模型介绍2.1概述本章采用的海岸地形演变数学模型由波浪传播、近岸流、泥沙输运以及地形更新四个模块组成[83]，模型结构如图2-1所示。其中波浪模型计算波高、周期、波向、波能耗散率等参数，近岸流模块提供流速和水位，模型考虑了波浪和水流的相互作用。泥沙输运模块基于水动力模型的结果分别计算推移质输沙率和悬移质输沙率。地形更新模块则依据泥沙质量守恒计算水深的变化，更新后的地形反馈给另外三个模块。.........2.2波浪模型采用Delft理工大学开发的第三代风浪模式SWAN，模拟近岸地区波浪的传播，模型建立在波作用谱方程的基础

7、上[62]，SWAN模型能考虑波浪折射、绕射、浅水变形、三波相互作用和四波相互作用等物理过程，也能描述风能输入、底摩阻和波浪破碎引起的波能损耗，发展比较成熟，已经被大量的现场与实验室观测数据证实其适用性。当地形坡度超过设定的临界坡度时，对该单元及其邻近三个单元的水深进行光滑，直至计算区域内所有单元坡度均小于临界坡度时，开始下一个时间步的计算。模型为模拟海岸地区长期地形演变，往往需要在目标区域进行加密，所以需要大量的计算资