台风暴潮对钱塘江涌潮的影响和作用机理

The Qiantang bore is the most spectacular scene while the damage on wading engineering is significantly intensified during the typhoon surge. Presently, there is little research on this issue. To reveal the response mechanism of tidal bores under typhoon surge, this project intends to study the effect of air pressure, wind speed and wind direction, etc. on tidal bores during the typhoon period. The approaches of field observation, statistical analysis, multi-scale numerical simulation and theoretical analysis are employed to solve the issue. A three-dimensional tidal bore model in the σ coordinate will be established based on the finite volume method with KFVS, and a vertical two-dimensional two-phase flow of air-water model will be developed on the basis of SPH. The evolution law of tidal bores under the different typhoons will be investigated. The response of propagation law and hydraulic structure of tidal bores to the typhoon surge, such as the height, steepness, shape, propagation speed, temporal and spatial distributions, turbulence characteristics, will be resolved. It aims to establish the semi theoretical-empirical formula about the height of tidal bores, the propagation speed and tidal currents, and to reveal the unique mechanism of one-line bore and back-flow bore. Research results will be significant for the protection of tidal bores and disaster prevention, estuarine governance and the construction of wading engineering. Meanwhile, it will promote the integrated and interdisciplinary development of the hydrodynamics, estuarine science and tidology, etc.

台风暴潮期间，钱塘江涌潮最为壮观，同时对涉水工程的破坏也最为严重，但相关研究极少。为揭示钱塘江涌潮对台风暴潮响应的机理，本项目拟通过现场观测、实测资料数理统计分析、大中小三种尺度的数值模拟以及理论分析等多种研究手段，分析台风期气压、风速风向等因子对涌潮的影响，研制开发σ坐标系下基于KFVS格式-有限体积法三维涌潮数学模型和考虑风场的基于SPH方法的立面二维水气两相流涌潮数学模型，探讨不同台风作用下钱塘江涌潮的演变规律，得到包括涌潮高度、潮头陡度、涌潮形态、涌潮传播速度、涌潮流速时空分布、湍流特征等涌潮传播规律、涌潮水力学结构对台风暴潮的响应，力求建立涌潮高度、涌潮传播速度和涌潮流速的半理论半经验关系式，揭示台风暴潮对一线潮、回头潮等涌潮潮景作用机理的差异。研究成果对涌潮保护和防灾、河口治理以及涉水工程建设均具有重要意义，并且对水动力学、河口学、潮汐学等学科的交叉和总体发展亦有一定促进作用。

台风暴潮期间，钱塘江涌潮最为壮观，同时对涉水工程的破坏也最为严重，但相关研究极少。为揭示钱塘江涌潮对台风暴潮响应的机理，本项目通过现场观测、实测资料数理统计分析、大中小三种尺度的数值模拟以及理论分析等多种研究手段，分析台风对钱塘江涌潮的影响。建立了三维台风暴潮-涌潮数学模型和考虑风场的基于SPH方法的立面二维水气两相流涌潮数学模型。台风对涌潮的作用可分为直接影响和间接影响两个方面，前者是台风期间较大的局地风场直接造成涌潮特征变化；后者是台风引起涌潮起潮点下游河段潮汐变化，间接影响涌潮特征。主要研究结果：（1）揭示了台风对涌潮的间接影响大小和机理。台风引起涌潮起潮点下游潮汐变化，间接影响涌潮，造成涌潮高度、陡度、传播速度、到达时间和涌潮流速等变化。（2）揭示了台风对涌潮的直接影响。顺风作用导致涌潮高度、流速和传播速度均增大，风速愈大，增加幅度愈大，涌潮流速沿水深分布愈不均匀；逆风作用与顺风作用相反。（3）揭示了烟花台风对钱塘江涌潮的直接和间接影响。烟花台风登陆期间，涌潮高度增大，传播速度加快，间接影响大于直接影响。（4）得到了涌潮起潮点下游杭州湾潮汐变化趋势及其原因。此外，在雷达监测涌潮传播过程、钱塘江河床地形变化和海平面上升对涌潮的影响、涌潮作用下的泥沙输移、涌潮潮灾分析等方面取得了不少创新性成果。研究成果对涌潮保护和防灾、河口治理以及涉水工程建设均具有重要意义，并且对水动力学、河口学、潮汐学等学科的发展亦有一定促进作用。