江湖交汇区含沙量梯度对水流空间结构的作用机制

In the intersection area of river-lake, there exist complicated spatial structure and obvious sediment concentration gradient. In terms of the effect of gradient of sediment concentration on density and spatial structure of the flow, by means of combination of field observation, flume experiment and numerical simulation, density and velocity distribution of the numerical model are revised for the real reflection of the 3D distrbution of water velocity and suspended sediment. Flow and suspended sediment in the different conditions of incoming water and sediment are simulated to reveal the mechanism of action of sediment concentration gradient on the spatial structure of flow in intersection area of river-lake. The achievements can supply the basis for the matter and energy exchange between the river and lake, and enrich the connotation of the river-lake relation and theories and methods of river sediment development.

本项目针对江湖交汇区水流空间结构复杂、含沙量梯度显著这一特点，采取现场观测、环形水槽试验和数值模拟相结合的方法，从含沙量梯度影响挟沙水流的密度及流速分布方面考虑，修正水动力模型中的密度项及流速分布参数，以期真实反映泥沙影响下江湖交汇区三维水流及悬沙浓度分布，并通过不同来水来沙条件的水流及悬沙场模拟，揭示江湖交汇区含沙量梯度对水流空间结构的作用机制。这一成果可为研究江湖物质、能量交换等方面提供动力基础，在丰富江湖作用内涵、发展河流泥沙理论与方法方面具有科学意义。

本项目针对大型通江湖泊—鄱阳湖，建立大尺度的二维精细水动力数学模型，探明了多种动力驱动条件下鄱阳湖水动力时空分布特征，并针对近年来的季节性低水位现象，从水动力角度首次量化了流域五河、长江以及地形变化对低水位的影响。本项目研究成果和科学贡献主要体现在以下五方面：（1）组织了不同季节的多次鄱阳湖野外观测，获取了鄱阳湖和长江交汇区6个断面的流速、流量、地形剖面和含沙量数据，以及丰水期东部湖湾的水流示踪数据，丰富了现场观测数据。（2）构建了鄱阳湖二维精细水动力模型，经验证模型精度较高，能反映季节性水位变化及由此引起的大面积洲滩干湿交替情况，基于此模型，模拟分析了重力型吞吐流作用下江湖交汇区及其他湖区的水动力特点及时空变化过程。（3）针对风场驱动力，探明了鄱阳湖风场敏感区为东部湖湾和中部开阔湖区，受影响时段为高水位时期，刻画了NE向和SSW向两种常风向影响下的环流形式，揭示了风生流的时空异质性特点。（4）针对近年来鄱阳湖季节性低水频发问题，选取典型春季、秋季低水年1963和2006年，从水动力角度量化五河和长江对季节性低水的影响，结果表明1963年春季低水中，五河和长江的影响比重分别为70%和30%，而在2006年秋季该比例为5%和95%。（5）针对低水位的另一影响因素—地形变化，以典型低水位年2006年为例，量化地形下切对水位、流量的影响，结果表明水位越低，受地形影响越明显；低水位最大降幅1-2 m，而高水位最大不超过0.4 m；受影响程度都昌＞星子＞棠荫＞康山；全年出湖总流量增加了6%；地形变化对2006年秋季低水贡献约占14.4%。本项研究量化了鄱阳湖季节低水位的主要影响因素，可为缓解低水提供理论支撑，同时丰富了湖泊水文学的研究内容，研究方法可供其它类似通江湖泊系统提供借鉴。