涌潮底边界层动力过程与泥沙输移研究

The bottom boundary layer (BBL) process and sediment transport in tidal bore have unique features. Its dynamic is affected by a variety of processes such as free surface fluctuation and rotating, the convective mixing induced by hydraulic jump, the near-bed large scale eddies, the drastic increase of barotropic pressure gradient and so on. This made the mechanisms of sediment suspension and transport relative complicated. At present, the understanding of the turbulent mixing process, sediment resuspension and horizontal transport in the bottom layer of the tidal bore still needs to be further deepened. Especially, the field observations on tidal bore bottom boundary layer and sediment transport are still rare, and it becomes the bottleneck restricting the study of the tidal bore bottom boundary layer. Based on the high resolution in-situ observations, the project will take the Qiantang River as an example to investigate the dynamic structures of BBL and the sediment characteristics under undular and breaking tidal bore. Combined with theoretical analysis and numerical simulation, we will explore the influence of surface wave and hydraulic jump on the mean flow structure and turbulent mixing of BBL. Furthermore, the mechanisms of sediment suspension and transport will be thoroughly investigated to get a better understanding of the pattern of sediment transport under tidal bore. This research may deepen our knowledge on the characteristic of geomorphological evolution in Hangzhou Bay, and can provide scientific support to estuarine managements and engineering practices.

涌潮底边界层与泥沙输运过程独具特色，其水动力过程受到自由表面波动与翻转、水跃引起的垂向混合、近底层大尺度涡动以及正压梯度突变等过程的影响，导致复杂的泥沙再悬浮和输运过程。目前对涌潮底边界层湍流混合过程、泥沙再悬浮和水平输运的认识仍然需要进一步加深，尤其针对涌潮底边界层与泥沙输运的现场观测还比较匮乏，基于高时空分辨率实测数据的分析与探讨较为稀少，成为制约涌潮底边界层研究的瓶颈。本项目以钱塘江涌潮为例，通过高时空分辨率的现场观测，从平均流和湍流两个尺度，把握波状和翻滚涌潮下底边界层的动力结构和泥沙特征；结合理论分析与数值模拟，探究涌潮波流耦合、水跃等过程对底边界层平均流与湍流混合的影响，阐述泥沙再悬浮和水平输运的动力机制，从而揭示涌潮过程下泥沙输运的基本模式。该研究有助于理解钱塘江“大冲大淤”的地貌变化特点，也可为河口治理规划和工程实践提供技术支持。

杭州湾钱塘江河口属强潮河口，自口门向陆岸线逐渐束窄，河床逐渐抬升，是举世闻名的钱塘江涌潮的形成地。前人借助物理模型实验和数值模拟，主要研究聚焦在涌潮生成机制、涌潮平均流结构特征以及涌潮数值模拟再现与预测等方面，依靠实测数据分析探讨涌潮湍流发育机制以及涌潮平均流演变仍然较为匮乏。.本研究依据实测数据分析了弯曲河道涌潮作用下的平均流和湍流过程，主要研究发现有：1）弯曲河道下，涌潮侧向流动多变且复杂。涌潮锋面处出现指向凸岸的侧向流动，随后侧向流动演化为表层指向凹岸底层指向凸岸的双层结构，在涨潮末期呈现指向凹岸的侧向流动。侧向动量平衡显示，该侧向流主要受到逐渐减弱的侧向正压梯度和逐渐增强的科氏力以及离心加速度控制，蜿蜒河道的滩槽地形是诱发侧向流动的重要因素。2）涌潮余流受到径流大小的直接控制，除去径流后，余流呈现出底层向陆表层向海的垂向结构。这一结构主要由涨落潮混合不对称所造成，涌潮湍流混合强，流速剖面均一，落潮湍流混合较弱，表底层流速垂向差异较大，从而造成底层流速向岸，表层流速向海的垂向余流结构。3）底边界层流速剪切、侧向流速剪切以及海表破碎与振荡是造成涌潮湍流发育的三个主要动力机制，侧向流动极大提升了水体流速剪切，促进了湍流的生成。海表破碎后激发的波浪通过波生湍流机制，持续维持着涌潮锋面附近的高湍动能。底切应力系数与底层流速直接存在负幂指数关系，可通过近底层雷诺数来描述。4）涌潮引起剧烈的底切应力，造成床面泥沙大量再悬浮，伴随涌潮而来的剧烈湍流混合和明显的垂向速度是底层泥沙向水体中上层输运的重要动力因素，造成涌潮中上层水体的高含沙量。本项目较为细致的探讨了涌潮平均流、湍流结构以及泥沙输移过程，所得发现可为涌潮河段能量耗散、物质输运以及涌潮河段地形演变提供新的认识。基于底边界层雷诺数的底切应力参数化方案在涌潮数值模拟中得到了较为成功的实践，提升了数值模拟效果，改进了计算底切应力的物理基础。