河口水道地形变化对悬浮泥沙净输运机制影响研究

Topographic distribution and variation of channel depth，channel bend, hydro-structure all have direct and significant effect on flow dynamic structure，circulation motion and the corresponding sediment transport in estuaries channel. After the three phase of construction of the Yangtze River Estuary deepwater channel, the Artificial guide levee and spur dike are lengthened and increased. Significant changes have taken place in channel depth and topography. However, the process and mechanism of the influence of the topographic distribution and variation of channel depth on the channel sediment transport is not clear, which require further investigation and research. For this, according to the collection and measurement data of the Yangtze River Estuary such as topography, water flow, sediment, salinity, turbulence and meteorological data, we would use velocity mechanism decomposition method, residual current mechanism decomposition method, suspended sediment transport decomposition mechanism method, orthogonal grid with equal area mechanism method, multiple response analysis and other analytical methods to analyze these data, while a three-dimensional current-sediment coupled numerical model with wetting and drying process will be developed to understand hydrodynamics and sediment transport dynamics under the influence of the channel bathymetric variation in the Deep water Navigation. These studies are of positive significance to the operation and maintenance of waterway, the regulation of waterway and the development of estuarine dynamics.

河口水道水深地形分布及其变化、河道弯曲、水工结构对水道水流动力结构、环流运动以及相应的泥沙输运都有直接而显著的影响。长江口深水航道经过三期工程建设，人工导堤和丁坝都有所加长、加高，水深地形发生了明显的变化，而北槽水深地形变化对水道泥沙输运的作用过程和影响机制还不甚清楚，需要做进一步深化研究。为此，本研究将根据收集和测量得到的长江口历年水深地形、水流、泥沙、盐度、湍流、气象资料等相关数据，拟采用流速机制分解法、余流机制分解法、悬浮泥沙输运机制分解法、等面积时变正交网格输沙通量计算方法、多重响应分析等有效分析方法和三维水流-沉积物耦合数值模型模拟技术，分析研究北槽水道水深地形变化对水流结构、环流运动和潮不对称性过程的影响和作用机制，进而研究水深地形变化对航道泥沙输运影响的动力作用机制。这些研究对航道的运营维护、航道整治和河口动力学的丰富发展都具有积极意义。

河口水道水深地形分布及其变化、河道弯曲对水道水流动力结构、环流运动以及泥沙输运都有直接的影响。而长江口北槽地形及其变化对水道泥沙输运的作用过程和影响机制还不甚清楚。本研究根据系列测验数据，综合采用多种有效研究方法，系统研究了水道地形及其变化对水流动力结构、层化混合、环流运动和潮不对称性过程的影响，进而研究水深地形变化对航道泥沙输运影响作用机制。首先利用资料数据系统分析给出了水动力结构及其响应关系；推导给出了沿水道向包含水温、盐度、含沙量、流速作用因子的水体密度梯度的求法，给出了由于盐度引起的水体稳定性判别指标，并根据数学模型的结果分析了长江口北槽水体分层稳定性的沿程变化及关键位置（弯道区）周期变化，表明弯道区水体在混合型与分层型变化，垂向平均流速与水体表、底层差速呈良好的负相关关系；数模结果显示长江口的滞流点随洪枯季及大小潮的变化而变化，枯季时弯道区出现较大范围的滞流区；利用悬沙通量机制分解法研究表明长江口北槽主要的悬沙输移动力为拉格朗日余流、潮泵作用、垂向和侧向相互作用产生的剪切扩散输移；利用位能异常方程，研究了水体层化与混合的变化过程和作用机制；利用涡度方程以一致的方式研究了河道经向和横向环流的形成机制及他们之间的相互依赖性；利用SVD奇异值分解方法，计算给出了北槽含沙量前三个分解模态系数分布，利用三个模态对应的时间系数，分析得到了含沙量场各模态时间系数与水深、风速、径流、潮流等要素具有相应的动力响应关系；利用所建泥沙数值模型系统模拟研究发现河道地形变化对河道水流运动、悬沙输移、水体层化混合、环流运动有着规律性影响，水体含沙量与水体剪切应力、紊动强度动力因子之间具有延迟1至2小时的较强相关性；分析了挖槽开挖尺度与淤积量的关系，探究了挖槽开挖深宽比和淤积比例的关系，给出了动力关系式。研究结果对航道的运营维护、航道整治和河口动力学的丰富发展具有积极科学意义和工程应用价值。