A three-dimensional mathematical transport model for suspended sediment by waves and currents

Based on the equations of mo mentum and continuity, a general three-dimensional transport model for suspended sediment by waves and currents is developed by respectively decomposing the instantaneous velocities and concentrations into three different time-scale components. The model is composed of two submode ls. One is a three-dimensional flow field submodel including the influence of waves, and the other is a three-dimensional diffusion submodel for suspended sediment due to waves and currents. The purpose of this study is to provide a theoretical model for further investigating sediment transport by waves and currents in estuarial and coastal areas.     

洋山深水港海域悬沙浓度时空变化及其动力原因

洋山港海域是多岛屿、多汊道,由大、小洋山两条岛链围成的喇叭口型的海域,是以落潮流为主、含沙量高、潮流强的潮汐水道,泥沙运动主要以悬沙为主.通道内潮流基本为WNW ESE向往复流,潮流平均流速在1.0 m/s,最大流速都在2.0 m/s以上,含沙量在1.0 kg/m3以上.根据该海域不同时期实测含沙量资料,分析了洋山港海域悬沙浓度的时空分布格局,并讨论了其分布变化的原因,包括长江口和杭州湾泥沙扩散对洋山港海域泥沙环境的影响、潮差的影响以及“峡道效应”对洋山港高含沙量的形成.     

利用沙波运动估算推移质输沙率的误差分析

通过沙波运动估算推移质输沙率的方程分析,论证误差的主要来源不是推移质泥沙和悬移质泥沙之间的交换,而是由波谷附近涡流区的逆向推移造成的。涡流区的长度决定着误差的大小和正负。因此误差的大小和沉积物粒度没有直接的关系,但是和流速有关。     

二维均匀流悬沙垂向扩散系数的实验研究

利用波-流-泥沙实验水槽,进行二维均匀流输沙实验,研究悬沙浓度垂向分布、悬沙扩散系数及其垂向分布.结果表明,悬沙浓度沿垂线分布与Rouse公式吻合良好;悬沙垂向扩散系数与水流紊动垂向扩散系数成正比;悬沙垂向扩散系数的垂向分布可用抛物线描述,其最大值与水动力和泥沙条件紧密相关.     

明渠水流泥沙含量垂线分布规律的研究

在分析泥沙颗粒含量分布特性的基础上,指出扩散理论能较好地描述主流区的泥沙含量分布规律,但在近底流区由于泥沙碰撞切应力的存在,使得扩散理论不能解释此区域的泥沙含量分布规律.进而在引入颗粒碰撞扩散的基础上,对泥沙颗粒扩散理论进行修正,从而在理论上得到了挟沙水流泥沙含量分布规律的公式.与实测资料对比表明,该公式能更好地描述包含主流区与近底流区在内的泥沙含量分布规律.     

波浪及水流共同作用下的泥沙运动

本文首先简单讨论了波浪及水流共同作用下床面剪应力的表达形式;然后对波浪及水流共同作用下泥沙运动的各种理论和研究现状作了评述;指出了根据河流输沙理论用剪应力替换方法推导波浪、水流共同作用时输沙公式的困难:当水流作用占主导地位时,结果是合理的,但当波浪的作用与水流的作用相当或波浪作用为主时,其结果是不可靠的.文中同时简单介绍了理论与现场和实验室观测资料的验证情况,提出了有待进一步研究的课题.     

Suspended particulate matter in Jiaozhou Bay： Properties and variations in response to hydrodynamics and pollution

Based on water samples collected and observations of currents, tidal levels as well as turbidities taken, respectively over a period of 15 and 7 d, in southwestern Jiaozhou Bay on August, 2001, it was found that: ( i ) the average content of non mineral component amounted to 87% of the suspended sediment matter (SPM) in Jiaozhou Bay,much higher than in estuaries and bays where turbidity is high and mineral particulates dominates; (ii) in contrast to high turbid bays, SPM was generally coarser than bed deposits and in upper water column than in lower water column in Jiaozhou Bay; (iii) in fair weathers, suspended sediment concentration (SPC) varied regularly within tidal cycles and neap-spring cycles, but the regularity was deformed in storms; and (iv) SPC was controlled by settling/resuspension near the bed and by advection at the surface at the study site with a depth of 20 m, suggesting weak vertical exchanges. It was concluded that SPM property of a low turbid bay is sensitive to pollution, and that the maintenance of low turbidity in the bay depends on less SPM supply, low waves and currents, and controlling on discharge of particulate pollutants.     

大风江典型工程流场变化特征及悬浮泥沙扩散数值模拟

悬浮泥沙扩散会导致局部海域悬浮物增加,对区域海洋生态环境造成一定影响。本研究以大风江大桥为例,基于MIKE21模型分析了大风江潮流场变化和悬浮泥沙扩散特征。结果表明,大风江以往复流为主,涨急时最大流速为0.80m/s,落急时最大流速为0.89m/s,落急流速(平均流速为0.42m/s)大于涨急流速(平均流速为0.28m/s)。大桥建设对大风江的流场影响有限,主要影响范围为桥的东北端海域。当悬浮泥沙在低潮释放时,落潮期间浓度10mg/L的包络面积(10.11km²)远大于涨潮期间的包络面积(1.10km²)。同时落潮时最远扩散距离为7.15km,涨潮时最远扩散距离为2.69km。悬浮泥沙的扩散会对周边海域的水质造成一定影响,因此建议控制施工规模并采取防污帘等措施来减少悬浮泥沙扩散。     

没冒沙水域水沙运动特性及筑库工程对其影响

以多年数据资料,特别是最新的2003年9月,12月洪枯季和2004年1月枯季南槽没冒沙水域以及邻近水域各定点观测水沙数据资料为基础,采用水文学、泥沙运动力学和数理统计的方法对没冒沙水域的水沙特性进行了分析.结果表明,该水域落潮流速大于涨潮流速,落潮历时比涨潮历时长;净水量向外海,呈落潮流优势;含沙量普遍较高,大潮平均含沙量1.40 kg/m3,小潮平均含沙量0.60 kg/m3,洪季含沙量比枯季高,洪季大潮涨潮含沙量比落潮高,小潮则相反;枯季不论大小潮,一般都是落潮含沙量大于涨潮含沙量;含沙量垂向梯度的大小潮变化、洪枯季变化和涨落潮变化明显.并且用水流连续方程和拟合挟沙力公式推算了水库工程建设后水流流速和含沙量的变化,估计将对南槽产生一定影响.      

Dynamics of sediment resuspension and the conceptual schema of nutrient release in the large shallow Lake Taihu,China

On the basis of investigations in situ, it was found that mass exchange on the water-sediment interface occurred chiefly on the superficial sediment within 5-10 cm. The spatial physicochemical character of sediment was distributed uniformly. The observation of lake currents and waves indicated that the dynamic sources, which act on the interface of water and sediment, came mainly from waves under strong wind forcing, while the critical shear stresses     

悬移质泥沙运动过程模拟分析

为了实现悬移质泥沙运动过程的模拟分析,应用联合k-ε紊流方程和悬沙输运方程的单流体模型,采用有限体积数值方法对其离散求解,分别对净冲刷和净淤积试验算例进行了计算模拟,计算结果与试验结果吻合良好,说明该模型是正确有效的,可以用来模拟悬移质泥沙的运动问题.分别对两个试验中泥沙上扬和沉降的运动过程进行数值模拟,结果表明:净冲刷和净淤积试验中泥沙开始上扬和沉降直至稳定状态分别运行24 s和35 s.采用单流体模型可以有效地对悬移质泥沙运动过程进行数值模拟,为河流海岸工程中的水沙研究提供可靠的参考和依据.     

基于对数线性流速分布的含沙量垂线分布

为解决河口海岸地区非恒定流条件下的流速剖面常偏离传统的对数流速分布问题,以对数线性流速分布为基础,推导出动量交换系数,并基于扩散理论得出含沙量垂线分布公式。利用长江口及杭州湾金山海域各层含沙量实测资料对含沙量垂线分布公式进行验证,结果表明,该公式不仅克服了Rouse公式表面水体含沙量为零的缺点,而且在整个水深上与实测含沙量吻合得更好,能够较好地反映河口海岸地区含沙量垂线分布特征。     

三亚河入海口和外海水体悬浮物分布特征的比较

为了研究三亚河入海口水体悬浮物的特征,在2005年4月和2007年4月大潮期间连续26 h对三亚河入海口水体悬浮物进行了监测,分析了入海口水体悬浮物与潮位、风速、沉积物组分的关系.结果表明:三亚河入海口及附近海域水体悬浮物的浓度为底层高于表层,河流入海口水体悬浮物的浓度与潮高呈显著负相关(P0.01),外海水体悬浮物的浓度与潮高的相关性不明显(P0.05);同时发现,悬浮物的浓度与风速的相关性不明显(P0.05),悬浮物特征与沉积物组分有关.     

非定常对流扩散方程的高阶差分格式

对流扩散方程主要包含对流和扩散两项。在数值计算中,方程中的扩散项一般采用具有优良物理特性和计算精度的中心差分离散格式,而对对流项的处理就稍显困难,处理不当便会产生数值震荡或数值弥散,给数值计算带来困难。针对对流扩散方程,通过引入指数变换将对流扩散方程变为扩散方程,避免对对流项的直接处理。利用四阶紧致差分格式,首先建立三类特殊方程的高精度差分格式,在此基础上建立一维非定常含源对流扩散方程的高阶格式,并进行稳定性分析,所得格式精度高且绝对稳定。数值算例表明了该格式的有效性。     

河口海岸区悬沙输运量的声学多谱勒流速剖面（ADCP）观测技术的初步研究

基于ADCP的观测原理,推导出ADCP声学信息与水体中悬沙浓度的关系,从而提出用走航式ADCP在河口海岸区域进行悬沙输运量观测的方法。通过分析长江口的观测数据表明,在高悬沙浓度的河口区,用ADCP后向散射强度与采水样得到的悬沙浓度之间具有良好的数学关系。     

波浪作用下悬沙垂向扩散特性的实验研究

采集长江口潮滩的天然沙,利用华东师范大学河口海岸学国家重点实验室的波、流水槽,进行了波浪作用下悬沙垂向扩散特性的实验研究.根据实验数据,分别获得规则波和随机波作用下悬沙浓度垂线分布,并确定了在不同波浪作用条件下的悬沙垂向扩散系数以及其它垂向分布.     

随机波波生流的数值模拟

为了更合适地反映实际海浪的随机性,作者采用随机波折射－绕射模型和波生流模型对近岸海域中的波生流进行数值模拟,探讨不同条件下随机波波生流的流场结构。通过计算发现除地形对随机波波生流有明显影响外,波生流的大小同入射波高及波浪破碎关系密切,其流向特别是离岸流的位置与入射波向有关。     

Surface wave propagation over slowly varying media of topography and non-uniform three-dimensional currents

The influence of ambient current fields on the mild-slope approximation is reassessed using the Hamiltonian variational principle. Considering the slowly modulated non-uniform currents which may possess both vertical and horizontal variations, the extended mild-slope equation for surface waves propagating over slowly varying topography is derived. It is found that for large current velocities comparable to the wave celerity and the group velocity, the extended mild-slope equation is valid. For the validity of the geometric optics-approximation, additional conditions concerning current fields should be satisfied.     

扩散方程边界条件及恢复饱和系数

依据泥沙交换的统计理论，建立了非均匀沙扩散方程在床面的边界条件，它对一维、二维以至三维方程都是必须的，它将决定泥沙的冲淤．在此基础上积分二维扩散方程，得到了恢复饱和系数，阐述了它的特性，进而导出了在强平衡条件下的恢复饱和系数的理论表达式和相应的数字结果．最后给出了不平衡条件下恢复饱和系数的近似值和综合恢复饱和系数的数值．     

河口航道边抛弃土运动的计算

简述边抛疏浚原理和边抛施工的水动力依据，将边抛泥沙作为点源，边抛弃土分为悬沙和浮泥两部分．介绍了悬沙运动基本方程，得到悬沙浓度、水体中悬沙含量随时间、运动距离的变化；对边抛浮泥运动基本方程进行简化处理得到边抛浮泥运动速度、厚度在上层水流、重力、底部摩擦等因素作用下的运动规律．对长江口北槽下段挖槽边抛弃土中悬沙和浮泥进行模拟计算并进行分析，以提高边抛成槽率．