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1、DOI:10.16239/j.cnki.0468-155x.2003.06.013泥沙研究2003年12月JournalofSedimentResearch第6期河口泥沙研究的进展1231周济福,曹文洪,杨淑慧,刘青泉(1.中国科学院力学研究所,北京100080;2.中国水利水电科学研究院,北京100044;3.北京市水利科学研究所,北京100044)摘要:作者通过大量的文献调研,评述了国内外学者在河口泥沙运动的基本理论、数值模型等方面的研究工作和成果,结合近年来作者关于河口水流结构、盐淡水混合以及泥沙输运的研究工作,提出加强对河口泥沙非恒定运动过程、河口最大浑
2、浊带形成机理及其与河口拦门沙演化关系研究的必要性,并指出河口泥沙运动与河口地区湿地演变和浮游生物生长环境的关系是当前河口泥沙运动研究的两大热点。关键词:河口;非恒定泥沙运动;盐淡水混合;最大浑浊带;湿地;生态环境中图分类号:TV148文献标识码:A文章编号:0468-155X(2003)06-0075-07[1～5]河口泥沙运动是河口地区可持续发展中的重要科学问题之一。如:长江口的航道整治、黄河口[6,7][8]造陆过程和湿地演变、海河口的河道萎缩等等,尤其是近年来关于河口生态环境与泥沙输运过程的关系问题,都需要对河口泥沙输运的基本规律进行深入的研究。河口地区,
3、径流、潮流、风浪共存,水[9]流、泥沙运动均具有很强的非恒定性,非恒定输沙也正是未来泥沙科学发展的主要生长点之一。归纳起来,泥沙研究的对象主要分为推移质和悬移质两大类,而在大多数实际问题中,悬移质泥沙更为重要。悬移质运动的研究内容主要包括:边界层内的水流行为、泥沙沉降的机制、泥沙扩散的规律、泥沙起动以及底沙与悬沙交换的机理等。本文主要就河口泥沙运动所涉及的这些基本理论问题的研究现状及进展作一简要评述。1河口边界层[10]受潮汐、波浪作用,河口边界层具有波动特征,波或振荡边界层理论认为,边界层中的速度剖面可表达为iΨtu(z,t)=AΨ[1-D(z)]e(1)pz
4、D(z)=exp-(1+i)(2)z12其中A为水质点摆幅,Ψ为圆频率,z1和p是相对粗糙度r/A和波雷诺数AΨ/ν的函数,ν为水的运动粘性系数,r为粗糙度。从光滑到粗糙边界层,p从1/3增加到1。实际的河口边界层要复杂得多,只有完整的三维模型才能准确模拟它的运动,但对实际问题,三维模型的计算量十分庞大。因此,应用中仍普遍采用二维或准三维模式。然而,对河口泥沙和盐度的输运来说,流动的垂向结构不容忽视,如表底水流的异向运动,虽然历时较短,但对于河口海岸地区的泥沙输[12][2,3]运却是至关重要的。周济福等(1999)运用波流分解方法,获得了精确描述河口水流垂直结
5、构的理论模式收稿日期:2002-07-03基金项目:国家自然科学面上基金(10002023);国家自然科学重点基金(10332050);水资源与水电工程科学重点实验室开放研究基金(2003B003)作者简介:周济福(1965-),男,湖北麻城人,博士,中国科学院力学研究所副研究员,主要从事环境流体力学研究。751hUc1-16lnuc(z)=κhz(3)ng1+1+16ngκhppzzuw(z)=Acos-Aexp-cos-(4)δδUwA+α其中,=arcsin-arctan,u、U分别表示流速剖面和平均流速,下标c、w分别表示22β(A+α)+β径流和潮流分
6、量,A为水面流速潮流分量的幅值,α,β为水深h和Stokes长度δ的解析函数。κ为卡门[1]常数,n为糙率系数,g为重力加速度。周济福(1998)据此建立了物理机理清晰、且可以大大节约计算时间的准三维模型。2近床区泥沙运动机理2.1泥沙起动泥沙起动是泥沙输运最重要的动力学过程之一,传统的研究是从床面泥沙的受力平衡出发,推导泥沙的临界起动剪应力或流速。[13,14]近期的研究将泥沙起动的间歇性与湍流的猝发现象联系起来。尤其是,NinoY.,etal.[15](1996)采用天然沙进行的实验研究进一步证明了泥沙起动与湍流猝发的喷发事件密切相关的事实:一方面,泥沙颗粒
7、集中在低速条纹附近,这显然与湍流边界层中反向旋转的成对流向涡结构有关,这些泥沙积聚所形成的条纹的几何尺寸与湍流猝发的条纹特征一致;另一方面,泥沙颗粒喷射的角度10°～20°,与低速条纹抬升形成由集中展向涡构成的剪切层的倾角14°极其相似。这充分说明了泥沙起动与湍流喷发事件的密切关系。河口区近底泥沙运动还具有波流场中泥沙运动的特征。波浪对泥沙运动有重要影响。原则上讲,一旦波流场中床面的剪应力得以确定,单向流中很多关于泥沙运动与床面剪切力关系的理论和经验都[16]可直接移植到波流场中泥沙运动的研究中来。然而,由于波运动存在着流速和压力的周期性振荡,泥沙颗粒的惯性作用
8、相对地显著起来,其运动不
