泥沙研究
2006年4月Journal of Sediment Research第2期黄河口泥沙输运三维数值模拟Ⅰ
———黄河口切变锋
王厚杰,杨作升,毕乃双
(中国海洋大学河口海岸带研究所,山东青岛 266003)
摘要:采用三维数学模型研究黄河口泥沙输运过程,并利用实测资料对模型进行了检验。数值模拟结果揭示了黄河口切变锋的时空运动过程及其对河口泥沙传输的作用。黄河口切变锋在涨、落潮时段存在两种不同的形态,分别历时2小时左右。切变锋在浅水区域产生,向深水区移动,经历2小时左右消失,它的产生是由于近岸区域与10m深线以外区域的潮汐相位差所导致。切变锋对河口泥沙的向海传输有重要的阻隔作用,导致河口泥沙集中在切变锋的向岸一侧随落潮流向北侧传输,在涨潮时河口向海排沙量降低,少量泥沙随涨潮流沿岸向南传输。长期的地貌演化表明切变锋对河口的淤积和侵蚀分区有重要的控制作用,导致河口泥沙在其向岸一侧沉积,是长时间尺度的河口地貌演化对短时间尺度河口沉积动力过程的重要响应。
关键词:黄河口;泥沙输运;数学模型;切变锋;地貌响应
中图分类号:T V147 文献标识码:A 文章编号:04682155X(2006)022*******
1 引言
河口是河流沉积物向海传输的通道,动力环境和盐淡水混合,使得河口泥沙传输过程相当复杂。全球河流每年向海洋输送的泥沙约为100～200亿t[1],主要部分沉积在河口三角洲区域,同时河流沉积物是诸多化学物质的输运载体。因此河口泥沙输运过程不仅是河口陆海相互作用的重要研究内容,对研究河口和近岸生物地球化学循环也有很好的参考意义。黄河多年平均输沙量约为1018亿t[2],主要来自中游的黄土高原。自1855年以来,形成了以宁海为顶点、陆地面积约5000余平方公里的扇形现代黄河三角洲,平均淤进速率约为25km2/yr[3]。超过80%的黄河入海泥沙沉积在河口三角洲区域[4],而河口动力过程则是形成这种三角洲沉积格局的重要原因。除了河流动能快速耗散所引起的河口泥沙快速落淤外,河口切变锋是黄河入海泥沙在河口区域快速沉积的一个控制性动力因子[5,6]。
切变锋是由于锋面两侧水动力特征差异显著而导致的水流剪切界面,在锋面附近水流速度、含沙量以及温度盐度等存在很强的梯度,是一种瞬时的且与河口地形和局地动力环境密切关联的动力现象[7],在河口沉积及演变过程中有重要作用。Ingram[8]根据圣劳伦斯河口的观测资料,首次提出切变锋问题,随后在其它河口也有相关研究报道[5,9-12]。黄河口切变锋在一个潮周期内存在两种不同形态,对河口泥沙有重要的捕获作用[5]。然而,目前对于切变锋运动特征的结论与实际观测不一致,也缺乏对切变锋区附近泥沙输运特征的深入了解。Wang et al.[6]根据1995年多船同步观测资料分析了黄河口切变锋的运动过程,首次提出了锋区泥沙输运的基本概念模式,但是由于实测资料在时空尺度上的局限性,该模式还需要更为深入的检验。
河口数学模型是研究河口沉积动力过程的有效手段之一,可以在一定程度上克服现场观测的时空限制。黄河口泥沙输运数学模型研究已经取得了很多成果[13—17],但是黄河口切变锋并没有在上述数学
收稿日期:2005203214
基金项目:国家自然科学基金项目(40306008);国家“973”基础研究计划(2002C B412404)
作者简介:王厚杰(1972-),男,山东高密人,博士,副教授,主要从事河口海岸沉积动力学研究。
1
模型研究结果中得到反映,关于切变锋对河口悬浮泥沙捕集效应的研究鲜有报道。本文采用三维数学模型对黄河口的水动力场和泥沙输运过程进行数值模拟,力图揭示河口切变锋的特征,分析切变锋对河口泥沙的捕集效应,讨论其对河口演变的影响。
图1 现代黄河三角洲地理位置图(a ),数学模型研究区域和观测站位、计算结果输出断面设置(b )Fig.1 Index map of the m odern Y ellow River
delta (a ),study area and settings of the stations and cross sections for m odel results (b )2 研究区域
研究区域为1996年5月黄河现行清水沟流路改
道清8汊河的入海河口,河口走向为东北方向(图1)。
黄河口的潮汐为不规则半日潮,涨潮流为东南方向,落
潮流为西北方向,基本上为与岸线平行的往复流(图
1)。在河口附近,平均潮差为0173-1177m ,在五号桩
附近存在一个M 2分潮无潮点,潮差小,流速大(图1),
潮差沿三角洲海岸大致呈马鞍型分布[18]
。河口区域的
表层余流约为20-30cm/s ,在冬季为南向,在夏季为北
向;底层余流基本为向河口方向的补偿流,流速约为5
-15cm/s [19,20]。黄河口为弱潮河口,感潮河段仅有10
-20km 左右,随径流和潮汐的强弱变化稍有波动。黄河口区域的波浪特征要素有明显的季节性变化,与季
风活动密切相关。夏季波浪较弱,冬季受西伯利亚气
旋影响盛行东北向波浪,对河口三角洲海岸及水下底
坡的季节性演化有重要作用[21,22]。超过60%的黄河径
流和泥沙集中在洪季(7-10月)入海,在河口附近受到平行于海岸的潮流限制,高含沙量的河口羽状流主要沿海岸向西北方向传输[23],其中大部分泥沙在河口前
缘底坡上落淤沉积,使得河口快速向海推进。河口泥沙在垂向上的扩散方式受入海泥沙浓度和外海水
动力作用控制。Wright [24]指出当黄河径流密度低于海水密度时,河流径流以羽状流(plume )形式在表层
运动;当悬沙含量较高,淡水混合体的密度高于海水密度时,羽状流下潜形成异重流(Hyperpycnal flow )在底坡上运动。随着黄河入海水沙通量不断减少
[25,26],河口异重流的出现几率已经很低,羽状流成为河
口泥沙传输的主要方式。3 数学模型
311 数学模型简介
HE M -3D 模型是由美国佛吉尼亚海洋研究所(VI MS )开发的三维数学模型,在结构上可分解为水动力模块、泥沙输运模块、毒质污染物输运模块和波浪导致的近岸泥沙输运模块。在海底边界上考虑泥沙沉降和再悬浮过程、絮凝及悬沙浓度对泥沙沉速的影响,在水平边界上考虑随时间变化的物质输入和输出过程。
312 模型方程
潮流模型 模型控制方程是基于平面上曲线—正交坐标变换和垂向上Sigma 坐标变换而导出。动量守恒方程
9t (mHu )+9x (m y Huu )+9y (m x Hvu )+9z (mwu )-(mf e +v 9x m y -u 9y m x )Hv
=-m y H 9x (g
ζ+p )-m y (9x h -z 9x H )9z p +9z (mH -1A v 9z u )+9x m y m x H A H 9x u +9y m x m y
H A H 9y u +Q u (1)9t (mHv )+9x (m y Huv )+9y (m x Hvv )+9z (mwv )-(mf e +v 9x m y -u 9y m x )Hu =-m x H 9y (g
ζ+p )-m x (9y h -z 9y H )9z p +9z (mH -1A v 9z v )2
+9x m y
m x
H A H9x v+9y
m x
m y
H A H9y v+Q v(2)
静压方程
9z p=-gH(ρ-ρ0)ρ-10=-gHb(3) 连续方程
9t(mζ)+9x(m y Hu)+9y(m x Hv)+9z(mw)=Q H(4)
9t(mζ)+9x(m y H∫10udz)+9y(m x H∫10vdz)= Q H(5) 对连续方程(4)在垂向区间(0～1)内积分,并考虑运动学边界条件(在自由表面处和海底边界上的垂向速度分量为0),有
9x m y H(u-∫10udz)+9y m x H(v-∫10vdz+9z(mw)=Q H- Q H(6) 经过坐标变换后的垂直方向的速度分量w与坐标变换前的流速分量w3存在如下关系
w=w3-z(9tζ+um-1x9xζ+vm-1y9yζ)+(1-z)(um-1x9x h+vm-1y9y h)(7) 盐度方程
9t(mHS)+9x(m y HuS)+9y(m x HvS)+9z(mwS)
=9x m y
m x
HK H9x S+9y
m x
m y
HK H9y S+9z(mH-1A b9z S)+Q S
(8)
上述方程中,u,v分别为x,y方向上的水平流速分量;m
x和m y分别为x,y方向上的尺度变换因
子,m=m
x
m y;全水深定义为水下深度h与自由表面位移ζ的代数和,即:H=h+ζ;g为重力加速度;p
为余压力项。A
v 为垂向湍流粘性系数;A
H
为水平湍流粘性系数;Q
u
,Q v为动量源汇项;Q H为体积源汇
项,包括降雨、蒸发以及边界入流和出流等物理过程; Q
H为体积源汇项沿水深的积分平均。f e=
(=f-
u m 9y m x+v
m
9x m y)为有效柯氏力系数,ρ和ρ0为水体实际密度和参考密度,b(=
ρ-ρ
ρ
)为浮力项。
在湍流粘性系数A
v
,A H和扩散系数A b(采用Mellor&Y amada[27]提出的湍流封闭模型)以及源汇项
确定的情况下,上述方程构成了一个求解变量u,v,w,p,ζ,ρ,S和T的封闭方程组。
泥沙输运模型 HE M-3D模型对输运方程的对流项的求解采用了高阶迎风差分格式,尽管对数值耗散问题进行了考虑,但是水平耗散仍然存在。因此在泥沙输运方程中忽略了水平扩散项
9t(mHC)+9x(m y HuC)+9y(m x HvC)+9z(mwC)-9z(mW s C)
=9z(m A b
H
9z C)+Q E s+Q I s(9)
其中,C为悬沙浓度,泥沙的源汇项分为两个部分,外部源汇项Q E
s
(包括点源或非点源的泥沙源汇)和内
部源汇项Q I
s (主要包括有机悬浮物的分解、絮凝或解絮过程),W
s为泥沙的沉降速度。
垂直边界条件:
在自由表面z=0处:-A b
H
9z C-W s C=J o(10)
在海底边界z=1处:-A b
H
9z C-W s C=0(11)
313 模型求解
模型求解采用模态分离方法(M ode2splitting procedure),将含自由面的三维流动问题分成表面波的传播问题(外模态)和内波的传播问题(内模态),外模态求解采用半隐式差分格式,而内模态求解采用隐式格式,提高了计算效率。具体差分格式和计算方法可参见Hamrick[28]。模型边界条件设置如下:
①外海开边界条件:在开边界上采用M
2
,S2,K1,O1四个主要分潮的调和常数来确定水位的变化,开边界上四个主要分潮的调和常数由渤海潮汐模型预测结果插值得到。
3
②河流边界的设置:考虑河流入海径流量、含沙量的时间序列。
③海面边界条件(z =1):
运动学边界条件:w |z =1=0
动力学边界条件:ρ
A v H 9z u z =1=τsx ,ρA v H 9z v z =1=τsy ,其中海面风应力项τsx 和τsy 由下式确定:τxz =τsx =c s U 2w +V 2w U w τyz =τsy =c s U 2w +V 2w V w ,U w 和V w 分别为海面10m 高度上的风速在x ,y 方向上的分量,风应力系数由下式确定
c s =01001ρa ρw (018+01065U 2w +V 2
w ) ρa 和ρw 分别为空气和水体的密度。
④海底边界条件(z =0):
运动学边界条件:w |
z =0=0动力学边界条件:ρA v H 9z U z =0=τbx ,
ρA v H 9z v z =0
=τby
⑤海岸边界条件:采用滑动边界条件,边界处的法向流速为零,盐度、泥沙不存在通量,即
V →?n →=0; 9S 9n =0; 9C 9n
=0n →
为在海岸边界处的外法线方向单位矢量。
314 模型设置
模型网格采用了矩形网格和曲线—正交网格结合的复合网格。河口外的区域采用矩形网格,在临近岸线的区域采用三角形网格,网格尺度为500m ×500m ;在河流段采用曲线—正交网格,最小网格的宽度为180m 。在垂直方向采用Sigma 坐标变换。
考虑到黄河口含沙量高的特点,对海水状态方程进行修正,引入含沙量对水体密度的影响,即
ρC =ρ+C (1-ρρs
)式中,C 为悬浮泥沙浓度,ρs 为悬浮泥沙的干容重,一般取值为ρs =2165×
103kgm -3。ρ为由国际海水状态方程确定的温度、盐度和压力条件下的水体密度。
泥沙沉降速度的确定采用了Shrestha et al.[29]的经验关系
W s =C αexp (-4121+01147G )
式中参数α=0111+01039G ,G =(9z u )2+(9z v )2,9z u 和9z v 分别为水平速度的垂向剪切梯度。
根据黄河口区域的实测资料分析结果和相关研究文献[16,30],黄河入海悬浮泥沙的中值粒径大致为
D 50=0102mm ,海底泥沙的临界冲刷速度和临界淤积速度分别取u 3e =01026m/s ,u 3d =0101m Πs 。315 模型检验
利用1998年6月黄河口三站位连续同步观测资料对模型结果进行初步验证(站位布设如图1所示)。由于缺乏相应时段的水位观测,仅对流速和含沙量进行验证。各站位流速的东分量(U )和北分量(V )与模型计算结果基本吻合(图2),在量值上有偏差,尤其是N3站计算结果与实测流速北分量有较大偏差,这可能与地形资料的精度有关,计算结果反映了观测时段河口水动力的基本形态。实测含沙量与模型计算结果在趋势上吻合,大致描述了河口泥沙入海后的输运过程,同时也显示河口区域的含沙量在不同潮时变化幅度较大(图3)。由于在河流开边界处缺少入海泥沙通量的时间序列,在计算时仅采用观测期间的日平均入海沙量作为边界条件,导致计算结果有较大偏差。
4 黄河口切变锋
Li et al.
[5]和Wang et al.[6]通过河口现场观测分析了黄河口切变锋的运动过程及其对河口泥沙输送
4
Fig.2 Verification of the calculated currents at the three stations shown in Fig.1
图3 各站位悬沙含量验证
Fig.3 Verification of the calculated suspended sediment concentration at the three stations
的重要影响。黄河口三维数值模拟结果也显示了河口切变锋的存在,据此对潮周期内切变锋的运动及其泥沙捕集效应进行分析。
411 黄河口切变锋的时空运动
从一个潮周期内河口区域流场变化可以发现,在涨潮和落潮时段河口前缘分别存在两种不同形态切变锋,即内涨外落型(图4(a)和内落外涨型(图4(b)),呈弧带状分布,与海岸近似平行,这与现场观测结果是一致的[5,6]。每种形态的切变锋均出现在河口涨落潮相互转换的时段,锋面两侧的水流流向相反
5
图4 涨落潮时刻两种不同形态的切变锋:内涨外落型(a )和内落外涨型(b )
Fig.4 T w o pattern of the shear front generated at flood and ebb tide phases :
inner 2flood 2outer 2ebb (a )and inner 2ebb 2outer 2flood (b )
图5 断面A -B 上A 点(靠近河口)和B 点(远离河口)
的流矢时间序列,显示了不同形态切变锋的产生和消失过程Fig.5 T ime 2series of current vectors at location A and B in Fig.1illustrating the generation and disappearing of different patterns of the shear front 导致剪切而形成的。周长江等[31]认为黄河口10m 等
深线内即近岸区域的转流时刻要比10m 等深线外转流
时刻要早,至全区完全转流共需2个小时左右。因此
在近岸区域由落潮流开始转流为涨潮流时,10m 等深
线外依然为落潮流控制,流向相反的水体剪切运动导
致了内涨外落型切变锋产生(图4(a ));同样地,但近岸
区域开始转流为落潮流时,10m 等深线外为涨潮流,产
生了内落外涨型切变锋(图4(b ))。
对比近河口和远离河口位置上的流矢可清楚地看
到黄河口切变锋的生消过程。取河口断面上两个端点A (靠近河口)和B (远离河口)(如图1所示),分析其流
矢的变化过程。如图5所示,在一个潮周期内出现两
次切变现象,分别对应不同形态的切变锋(图4)。每种
形态的切变锋历时2小时左右,这与周长江等[31]的结
果吻合。切变锋在一个潮流周期内存在4-5小时,约
1/3潮周期,对河口泥沙输运有重要控制作用。
Wang et al.[6]的现场观测结果和本文的数值模拟结果均表明黄河口切变锋在近岸区域产生并向深水方向运动,这与传统认识不同。由于近岸区域的转流时刻早于10m 等深线外,且在转流开始时刻近岸流速很小,而外海流速较大,因此外海高流速水体压迫导致切变锋在浅水区域产生,随着近岸流速增加,10m 等深线外流速衰减,切变锋离岸向深水方向移动,2小时后全区完全转流,水流流向一致,切变锋消失(图5)。
412 切变锋对河口泥沙输运的影响
由于水流剪切作用,切变锋附近是一个低流速带,有效阻挡了河口物质向海传输,是河口泥沙的“捕获器”,导致河口泥沙传输局限在切变锋向陆一侧。潮周期内河口含沙量的分布形态清晰地显示了切变锋对河口泥沙输运的阻隔作用。图6表明,在涨潮时段,由于水位的顶托作用,河口向海排放泥沙量较低,泥沙随涨潮流向南输送,受内涨外落型切变锋阻挡,主要集中在切变锋的向岸一侧(图6(a ))。在落潮时段,河口含沙量增大,随落潮流向北输运,同样受内落外涨型切变锋阻挡,在切变锋向海一侧含沙量急剧降低(图6(b ))。切变锋历时1/3潮周期,对河口泥沙输运及河口演化具有重要的控制作用。6
图6 不同形态切变锋存在时河口泥沙浓度分布形态:(a)内涨外落型切变锋;
(b)内落外涨型切变锋,显示切变锋对河口泥沙输送的阻隔作用
Fig.6 Distributions of the suspended sediment concentration in the Y ellow River m outh for different
patterns of the shear front:(a)inner2flood2outer2ebb and(b)inner2ebb2outer2flood,
illustrating the barrage effect of the shear front on the sediment transport
图7 不同形态切变锋存在时断面A-B上悬浮泥沙通量:(a)内涨外落型切变锋;(b)内落外涨型切变锋,
显示河口泥沙主要在落潮时段向海排放,受切变锋影响而集中在近岸的区域
Fig.7 Sediment flux of the transect A2B for different patterns of shear front:(a)inner2flood2outer2ebb and
(b)inner2ebb2outer2flood,suggesting that the river sediment are mainly released during the ebb tide phase,
and are retained in the shallow area owing to the barrage effect of the shear front
断面A—B上瞬时泥沙通量表明,落潮时段河口泥沙通量明显高于涨潮时段,这是由于落潮时河口外部水位降低,有利于河口泥沙向海排放,泥沙随落潮流向北输送,这与Wiseman et al.[23]的结论是吻合的。切变锋从水体表层到底层有效地阻挡了泥沙的向海传输,是河口泥沙向海传输的外边界,导致泥沙通量的高值区集中在近岸狭窄的范围内(图7)。
413 切变锋对黄河口地貌演化的影响
Wiseman et al.[23]认为90%的黄河泥沙沉积在渤海区域,其中的主要部分贡献给快速增长的黄河三角洲。黄河口切变锋及其对河口泥沙传输的阻隔作用是导致河口泥沙快速沉积的一个重要控制因子。图8为1998年至1999年河口区域冲淤变化,从中可以看出,在河口前缘形成了一个沿岸分布的弯月状沉积区,口门附近的最大沉积厚度约为4m。沉积区向北侧扩展的范围较大,沉积量也较高;向南扩展的范围较小,这是由于河口泥沙集中在落潮时段随落潮流向北传输的结果(图6,图8)。沉积区向海快速消失,在其外侧形成侵蚀区,侵蚀厚度从015m到115m不等,表明河口泥沙难以输送到这一区域。泥沙沉积区与侵蚀区的分界与河口切变锋的位置和形态基本吻合,表明了河口切变锋对河口泥沙向海输送的阻隔作用,是长时间尺度上的河口地貌对短时间尺度的河口沉积动力过程的重要响应。
7
图8 1998-1999河口冲淤分布(m ),表明切变锋对河口的演化有控制作用Fig.8 Erosion and deposition of the river m outh from 1998to 1999,indicating the shear front plays critical role in the geom orphological ev olution of the river m outh
5 结论
黄河口切变锋对于河口泥沙传输以及河口地貌演
化有重要控制作用,模型结果表明:
(1)切变锋的产生是由于近岸区域与10m 等深线
以外区域的潮汐相位差所导致,切变锋在浅水区域产
生,向深水区移动,经历2小时左右消失;
(2)切变锋对河口泥沙向海传输有重要阻隔作用,
导致河口泥沙集中在切变锋向岸一侧随落潮流向北侧
传输,在涨潮时河口向海排沙量降低,少量泥沙随涨潮
流沿岸向南传输;
(3)切变锋对河口淤积和侵蚀分区有重要控制作
用,泥沙主要沉积在切变锋向岸一侧呈弯月状分布,在
其向海一侧为侵蚀区,是长时间尺度河口地貌演化对
短时间尺度河口沉积动力过程的重要响应。
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32D simulation of the suspended sediment transport in the
Yellow River mouthⅠ:Shear front off the Yellow River mouth
W ANG H ou2jie,Y ANG Zuo2sheng,BI Nai-shuang
(Institute o f E stuarine and Coastal Studies,Ocean Univer sity o f China,Qingdao266003)
Abstract:A32D numerical m odel was used to simulate the suspended sediment transport in the Y ellow River m outh and verified by the in2situ measurements.The tem poral2spatial variation of the shear front was revealed from the numerical results,as well as its effects on the suspended sediment transport.T w o patterns of the shear front,each of which lasts for2hours,were identified at the flood and ebb tide phases,respectively.The results suggested that the shear front be generated in the shallow area,then m oved seaward and finally disappeared2hours later.It seemed that the generation of the shear front was resulted from the phase leading of the tides in the shallow area to that in the deep area by about2hours.It was interestingly indicated that the shear front acted as a barrage to the seaward transport of the suspended sediment,retaining the river sediment transport inside the shear front along the northward ebb current.The bathymetric data indicated that a deposition zone was formed in the landward side of the shear front together with erosion zone in its seaward side,which can be regarded as an im portant geom orphological response of the shear front to the long2term geom orphological ev olution of the Y ellow River m outh.
K ey w ords:the Y ellow River m outh;suspended sediment transport;32D numerical m odel;shear front; geom orphological response
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泥沙研究 2006年4月Journal of Sediment Research第2期黄河口泥沙输运三维数值模拟Ⅰ ———黄河口切变锋 王厚杰,杨作升,毕乃双 (中国海洋大学河口海岸带研究所,山东青岛 266003) 摘要:采用三维数学模型研究黄河口泥沙输运过程,并利用实测资料对模型进行了检验。数值模拟结果揭示了黄河口切变锋的时空运动过程及其对河口泥沙传输的作用。黄河口切变锋在涨、落潮时段存在两种不同的形态,分别历时2小时左右。切变锋在浅水区域产生,向深水区移动,经历2小时左右消失,它的产生是由于近岸区域与10m深线以外区域的潮汐相位差所导致。切变锋对河口泥沙的向海传输有重要的阻隔作用,导致河口泥沙集中在切变锋的向岸一侧随落潮流向北侧传输,在涨潮时河口向海排沙量降低,少量泥沙随涨潮流沿岸向南传输。长期的地貌演化表明切变锋对河口的淤积和侵蚀分区有重要的控制作用,导致河口泥沙在其向岸一侧沉积,是长时间尺度的河口地貌演化对短时间尺度河口沉积动力过程的重要响应。 关键词:黄河口;泥沙输运;数学模型;切变锋;地貌响应 中图分类号:T V147 文献标识码:A 文章编号:04682155X(2006)022******* 1 引言 河口是河流沉积物向海传输的通道,动力环境和盐淡水混合,使得河口泥沙传输过程相当复杂。全球河流每年向海洋输送的泥沙约为100～200亿t[1],主要部分沉积在河口三角洲区域,同时河流沉积物是诸多化学物质的输运载体。因此河口泥沙输运过程不仅是河口陆海相互作用的重要研究内容,对研究河口和近岸生物地球化学循环也有很好的参考意义。黄河多年平均输沙量约为1018亿t[2],主要来自中游的黄土高原。自1855年以来,形成了以宁海为顶点、陆地面积约5000余平方公里的扇形现代黄河三角洲,平均淤进速率约为25km2/yr[3]。超过80%的黄河入海泥沙沉积在河口三角洲区域[4],而河口动力过程则是形成这种三角洲沉积格局的重要原因。除了河流动能快速耗散所引起的河口泥沙快速落淤外,河口切变锋是黄河入海泥沙在河口区域快速沉积的一个控制性动力因子[5,6]。 切变锋是由于锋面两侧水动力特征差异显著而导致的水流剪切界面,在锋面附近水流速度、含沙量以及温度盐度等存在很强的梯度,是一种瞬时的且与河口地形和局地动力环境密切关联的动力现象[7],在河口沉积及演变过程中有重要作用。Ingram[8]根据圣劳伦斯河口的观测资料,首次提出切变锋问题,随后在其它河口也有相关研究报道[5,9-12]。黄河口切变锋在一个潮周期内存在两种不同形态,对河口泥沙有重要的捕获作用[5]。然而,目前对于切变锋运动特征的结论与实际观测不一致,也缺乏对切变锋区附近泥沙输运特征的深入了解。Wang et al.[6]根据1995年多船同步观测资料分析了黄河口切变锋的运动过程,首次提出了锋区泥沙输运的基本概念模式,但是由于实测资料在时空尺度上的局限性,该模式还需要更为深入的检验。 河口数学模型是研究河口沉积动力过程的有效手段之一,可以在一定程度上克服现场观测的时空限制。黄河口泥沙输运数学模型研究已经取得了很多成果[13—17],但是黄河口切变锋并没有在上述数学 收稿日期:2005203214 基金项目:国家自然科学基金项目(40306008);国家“973”基础研究计划(2002C B412404) 作者简介:王厚杰(1972-),男,山东高密人,博士,副教授,主要从事河口海岸沉积动力学研究。 1
黄河泥沙减少的原因和今后泥沙状况分析（李文家） 一、实测水沙状况及问题提出 实测水量和沙量情况见下表和以下两图。龙门、华县、河津状头4站多年平均输沙量，1919～59年和1956～99年两个系列分别为16.5亿t和12.7亿t，相应的利津入海水量分别为484.7亿立方米和318.3亿立方米。在1956～99年系列中的1960～69年、1970～79年、1980～89年、1990～91年和1995～2004年分别为17.1亿t、13.5亿t、8.0亿t、8.8亿t和6.3亿t，与此相应的利津入海水量分别为512.9亿立方米、304.2亿立方米、290.7亿立方米、131.7 亿立方米和105.2亿立方米。上述数据对比看出，进入黄河的泥沙和利津入海水量，与相当于自然状况下的1919～59年系列相比，1960年以后发生了较大差异，其变化的原因是什么和今后如何变化，关系到黄河防洪减淤工程体系的总体布局、规划减淤工程的建设时机，本文对泥沙变化的原因和今后变化的情况进行初步分析。
二、泥沙减少的主要因素
泥沙减少的主要因素有水利、水保措施减沙和降雨变化两项。 对于水利、水保措施减少入黄泥沙，在水沙基金(一)、水沙基金(二)、水保基金综合、水保基金、“八五”攻关、自然科学基金和防洪规划等7项工作中进行了研究，这7项工作有些还采用水保法和水文法两种方法进行了计算。由于各项成果之间差异较大，现将水保法的平均成果列入下表。 二、泥沙减少的主要因素 泥沙减少的主要因素有水利、水保措施减沙和降雨变化两项。 对于水利、水保措施减少入黄泥沙，在水沙基金(一)、水沙基金(二)、水保基金综合、水保基金、“八五”攻关、自然科学基金和防洪规划等7项工作中进行了研究，这7项工作有些还采用水保法和水文法两种方法进行了计算。由于各项成果之间差异较大，现将水保法的平均成果列入下表。 鉴于降雨变化统计分析工作量巨大，而河龙间区间多年平均来沙量约占4站沙量60％，本文利用了水利部黄河水利委员会水文局有关同志对河龙区间历年降雨的变化研究成果，来分析降雨变化情况。又由于河龙区间汛期来沙约占全年的90%，引起有效产沙的降雨为日暴雨量大于25mm的大雨和暴雨、以及它们的笼罩面积和落区，本文在水文局同志研究成果中摘出了历年日降雨量大于 25mm的累计笼罩面积，历年变化情况见下图和下表。
粘性流体运动的基本性质包括：运动的有旋性，旋涡的扩散性，能量的耗散性。 1、粘性流体运动的涡量输运方程 为了讨论旋涡在粘性流体流动中的性质和规律，推导涡量输运方程是必要的。推导过程如下： 其Lamb型方程是： 引入广义牛顿内摩擦定理： Lamb型方程变为： 对上式两边取旋度，得到： 整理后得到： 这是最一般的涡量输运方程。该式清楚地表明：流体的粘性、非正压性和质量力无势，是破坏旋涡守恒的根源。在这三者中，最常见的是粘性作用。由于：
（1）如果质量力有势、流体正压、且无粘性，则涡量方程简化为： 这个方程即为Helmholtz涡量守恒方程。 （2）如果质量力有势，流体为不可压缩粘性流体，则涡量输运方程变为： 张量形式为。 （3）对于二维流动，上式简化为： 2、粘性流体运动的有旋性 理想流体运动可以是无旋的，也可以是有旋的。但粘性流体运动一般总是有旋的。用反证法可说明这一点。对于不可压缩粘性流体，其运动方程组为： 根据场论知识，有：
代入上式，得到： 如果流动无旋，则： 这与不可压缩理想流体的方程组完全相同，粘性力的作用消失，说明粘性流体流动与理想流体流动完全相同，且原方程的数学性质也发生了变化，由原来的二阶偏微分方程组变成一阶偏微分方程组。但问题出在固壁边界上。在粘性流体中，固壁面的边界条件是：不穿透条件和不滑移条件，即：。要求降阶后的方程组同时满足这两个边界条件一般是不可能的。这说明粘性流体流动一般总是有旋的。 但也有特例。如果固壁的切向速度正好等于固壁面处理想流体的速度，也就是固壁面与理想流体质点不存在相对滑移，这时不滑移条件自动满足，这样理想流体方程自动满足固壁面边界条件。说明在这种情况下，粘性流体流动可以是无涡的。但一般情况下，固壁面与理想流体质点总是存在相对滑移的，受流体粘性的作用，必然要产生旋涡。由此可得出结论：粘性流体旋涡是由存在相对运动的固壁面与流体的粘性相互作用产生的。 3、粘性流体旋涡的扩散性 粘性流体中，旋涡的大小不仅可以随时间产生、发展、衰减、消失，而且还会扩散，涡量从强度大的地方向强度小的地方扩散，直至旋涡强度均衡为止。 以一空间孤立涡线的扩散规律为例说明之。涡线强度的定解问题为：
引黄灌区泥沙处理与利用技术发展现状及 分析 【摘要】引黄工程对灌区的经济农业带来巨大发展的同时，黄河水中带来的大量泥沙也给当地带来了不小的难题。本文对引黄灌区的泥沙处理技术进行了分析总结，并阐述了黄河泥沙在农业、能源和建筑方面的利用。笔者认为在黄河泥沙处理和利用中，应该遵循全面协调可持续的原则，坚持“以黄养黄，以沙养沙”的思路。论文关键词：引黄灌区,泥沙处理,泥沙利用 从1951年3月人民胜利渠开工建设到现在，经过60多年的快速发展，黄河流域地区的引黄灌溉工程对当地的经济农业发展做出了巨大的贡献。然而由于黄河中下游水中泥沙含量很高，当地在引水的同时把大量的泥沙也引到了灌区中，这给当地带来了一系列的生态环境问题，严重的阻碍了当地经济的发展[1]。因此，如何将引水中的泥沙进行有效的处理和利用，变废为宝，变害为利，成为影响灌区经济能否长期稳定健康发展的关键问题。 1 泥沙处理的几种方案 引黄灌区在泥沙的处理方面做了大量的工作，但泥沙处理是一个比较复杂的问题。单一的措施很难取得明显效果，必须因地制宜，综合治理，采取科学的管理办法，才能够达到少引、少淤的目的。引黄灌区泥沙处理主要工作是要通过各种措施减少渠首入沙和渠间淤沙。 1.1 渠首防沙 1）合理的引水口选择：对于合理的引入口选择，弯道凹岸水深最深、
水流速度最大、弯道横比降最大的断面处是引水口的最佳选择[1-3]，弯道强环流能大大减少入渠的泥沙[4]。 2）引水口防沙措施：采用防沙闸、拦沙潜堰、拦沙坎、导沙坎、悬板分层、活动叠梁和橡胶坝引水防沙工程等引水口防沙措施[5]，可有效减少入闸泥沙量，减少渠道淤积。 3）沉沙池沉沙：黄河下游多数采用在靠近渠首位置设置沉沙池，使部分粒径较大的泥沙在泥沙池中淤积下来。沉沙池多建于低洼地和土质差的地方。该方案有施工简单，用工少，土建费用低等优点。在我国水利工程中，采用的沉沙池按照平面布置分主要有直线形、曲线形、条渠形和混合形等。沉沙池多采用以新代旧和以挖待沉两种方式运行[6]。 4）排沙漏斗排沙：主要由溢流侧堰、进水涵洞、进水闸、圆形漏斗室、水平悬板、排沙廊道等建筑物组成[7]，是利用立轴型螺旋流排沙完成水沙分离，可排除推移质粗颗粒和悬移质细颗粒两种类型泥沙，且结构简单、排沙耗水量少等优点[8]，其综合性能优于条渠和复合型厢形沉沙池等排沙设施。 1.2 渠道的减淤处理 目前较普遍采用的渠道减淤技术主要有：（1）通过选用可靠的设计参数，进行合理的渠道设计，使用渠道、渡槽、涵管等多种输水输沙工程形式，改善输水输沙线路，避免发生渠道淤堵；（2）利用水沙调度，集中大水量对渠道进行冲洗；（3）人工除淤或利用挖泥船等机械措施进行辅助清淤；（4）通过对现有渠道进行工程改造，包括加高进口段
黄河泥沙资源的可持续利用 【摘要】黄河泥沙具有二重性，寄存在有害的一面，也存在有利的一面。文章简述了泥沙的危害，从泥沙的资源性、天然造地功能、加固两岸堤防、改良土壤、发展第三产业、引水淤滩等多方面分析了泥沙资源的利用。采取多种措施积极防治泥沙的危害，合理利用泥沙资源，趋利避害，实现泥沙资源的可持续利用。 【关键词】黄河下游；泥沙资源；可持续利用 1、概况 黄河是著名的多泥沙河流，黄河水少沙多，水沙不平衡，泥沙的不断淤积，使黄河下游河床不断抬高，二级悬河的不利局面进一步加剧，对黄河下游的防汛极为不利。因此，减少泥沙入黄，采取多种途径治理黄河泥沙，确保黄河岁岁安澜。在治理黄河泥沙的同时，也应看到泥沙具有的二重性，既有有害的一面，也有有利的一面，根据泥沙的成因，正确处理和利用泥沙，将泥沙的防治与防洪工程建设相结合，与防洪兴利相协调，防、治结合，实现泥沙资源的可持续利用。 2、泥沙的危害 黄河泥沙灾害是指因土壤侵蚀形成的泥沙在河道中年复一年的淤积使河床抬高，泄洪能力降低，在洪量不大的情况下，引发的漫滩、偎堤、溃决等灾害。河道中泥沙累积淤积达到一定程度，会显著抬高水位，加剧洪涝灾害的发生。人民治黄60年，黄河堤防经历了四次帮宽加高，险工、病险涵闸得到了加固改建，确保了黄河的安全度汛，但泥沙问题仍是黄河治理的难题，因泥沙持续淤积形成的地上悬河的不利局面依然长期存在。有效地治理黄河黄河泥沙，充分利用泥沙资源，趋利避害，对黄河的治理开发具有极其重要的意义。 3、泥沙的利用 3.1泥沙的资源性 泥沙作为一种物质，具有二重性，其有害的一面为泥沙灾害，有利的一面称之为泥沙资源。近年来，黄河水量持续偏枯，断流现象时有发生，水量的减少，使水流挟沙能力降低，水沙比例严重失调，引起河段沙量过多，部分泥沙沉积造成河床萎缩，采取一些积极措施，如进行淤背区加固、挖河、疏浚等，减少黄河淤积沙量，将部分泥沙加以利用，无疑是泥沙治理的积极而有效地措施。 3.2天然造地功能 黄河通过水流每年将9.12亿t的泥沙带入河口，黄河三角洲自1855年以来以26km2/a的速度扩大。黄河2002年-2004年，进行3次调水调沙，分别把0.664亿t、1.207亿t和0.6071亿t泥沙输送入海，2005年又进行了调水调沙生产运行，
黄河泥沙分布特点及合理治理问题的研究 中国黄河的含泥沙量居世界首位，其中分布在黄土高原的流域约占黄河流域总面积的70%，它的表面主要是十米至数百米的黄土层，且特点是土质疏松，植被少，黄土高原虽然降水较少，但是降水较为集中，且黄土层抗水冲击力小，遇水非常容易崩解。数千年来由于各种原因导致泥沙增多致使黄河泛滥，给两岸百姓带来极大的生命和财产损失。因此，科学合理的治理黄河泥沙显得尤为迫切，文章根据黄河泥沙分布特点，对于治理黄河泥沙和科学合理利用泥沙，提出切实行之有效的方法。 标签：黄河；泥沙来源及分布；治理措施；泥沙利用 Abstract：The sediment content of the Yellow River in China ranks first in the world，of which the basin distributed on the Loess Plateau accounts for about 70 percent of the total area of the Yellow River basin. Its surface is mainly composed of ten to hundreds of meters of loess soil，which is characterized by loose soil and less vegetation. Although the Loess Plateau has less precipitation，the precipitation is more concentrated，and the loess layer has less water impact resistance，so it is easy to collapse when it meets water. For thousands of years，due to various reasons，the increase of sediment caused the Yellow River to flood，bringing great loss of life and property to the people on both sides of the river. Therefore，the scientific and reasonable control of the Yellow River sediment is particularly urgent. According to the characteristics of the Yellow River sediment distribution，this paper puts forward a practical and effective method for the control of Yellow River sediment and the scientific and reasonable use of sediment. Keywords：Yellow River；sediment source and distribution；control measures；sediment utilization 引言 黃河含沙量居世界河流首位，同时也是华夏文化的重要发源地，被称为中华“母亲河”黄河流域的自然地理位置分布相差较大[1，2]，上游是黄河水的来源，而中部则是泥沙来源且分布不均，以黄土高原最为显著。黄河中游流经黄土高原总面积约为62万km2，而由于自然灾害以及人为等因素，导致其土壤流失的面积达45.4万km2，水土流失率高达73.2%。而每年平均流入黄河的泥沙约为16亿吨，使黄河沿岸的水土面积流失非常严重，给农业带来巨大损失，致使黄河下游流道淤积严重，造就了一个“地上悬河”长期给两岸人民带来不可忽略的经济财产损失。所以对于治理黄河泥沙迫在眉睫，也给政府带来很大压力。近年以来，在政府有效领导下，团结广大劳动人形成了一个基于“拦、排、放、调、挖”的治理黄河泥沙的办法[3]。新时期我们党和国家非常重视黄河泥沙治理与防护，逐步提出“科学、合理、高效”为准则的治沙理念。其中合理治理黄河泥沙，就要首先分析其来源以及分布的特点。
泥沙对河道的影响分析作者姓名：徐伟 专业名称：水利水电工程 指导教师：李源讲师
成都理工大学工程技术学院 学位论文诚信承诺书 本人慎重承诺和声明： 1.本人已认真学习《学位论文作假行为处理办法》（中华人民共和国教育部第34号令）、《成都理工大学工程技术学院学位论文作假行为处理实施细则（试行）》（成理工教发〔2013〕30号）文件并已知晓教育部、学院对论文作假行为处理的有关规定，知晓论文作假可能导致作假者被取消学位申请资格、注销学位证书、开除学籍甚至被追究法律责任等后果。 2.本人已认真学习《成都理工大学工程技术学院毕业设计指导手册》，已知晓学院对论文撰写的内容和格式要求。 3.本人所提交的学位论文（题目：泥沙淤积对河道影），是在指导教师指导下独立完成，本人对该论文的真实性、原创性负责。若论文按有关程序调查后被认定存在作假行为，本人自行承担相应的后果。 承诺人（学生签名）：徐伟 2016 年 1 月 23日 注：学位论文指向我校申请学士学位所提交的本科学生毕业实习 报告、毕业论文和毕业设计报告。
摘要 泥沙在天然河道中的存在是普遍的。当水流的重力势能转化为动能时，在泥沙的某些特性及相对速度的作用下，必然会对河道产生一定的影响，其中包括生物的多样性、坡岸的稳定性和河床的冲刷淤积问题产生一定的影响。 关键词：泥沙河道生态 Abstract The sediment widely exists in natural rivers. When the gravitational potential energy is transformed into kinetic energy, the fluid will inevitably have some impack on downstream river because of the relative velocity and certain characteristics of sediment. Those effects can be remarkable to the bank slope stability, the biological diversity and the siltation of riverbed. Keyword: sediment river ecology 绪论 中国河流众多，其中有5万多条流域面积大于100km2，有1500多条流域面积在1000km2以上的河流。我国水资源丰富，水能蕴藏量为5.8亿kW，正常年径流量大27115亿m3。 在我国江河治理中，有一个十分突出的问题那就是泥沙问题，在大江大河流域内水土流失严重，引起大量泥沙输入问题，江河治理的复杂性更严重，并带来危害。根据20世纪80年代初期统计，我国水土流失面积为120余万km2，占全
地理学报 第卷第期 年月黄河入海泥沙输运及沉积过程的数值模拟李国胜王海龙董超中国科学院地理科学与资源研究所,北京 ;中国科学院研究生院,北京 摘要:以利津站代表的黄河入海径流和泥沙数据驱动模型,对黄河入海泥沙悬移 输运过程的逐月时空变化、输送通量以及海底沉积效应进行了数值模拟实验。分析结果表明, 在忽略再悬浮作用条件下,黄河入海泥沙的输运扩散过程具有明显的季节变化规律,且这种 变化具有年际相似性。黄河泥沙入渤海后总体朝向辽东湾西侧海岸扩散,而主要沉降区域是 黄河口附近,且随着距离的增大,沉积通量迅速降低。模拟沉积速率一般在年左 右,与实际调查结果非常接近。海底地形等高线向渤海海盆西部、渤海湾南部,以及渤海海 峡方向突出,也反映了泥沙通量的输送方向。从黄河入海泥沙悬移扩散过程的季节变化特征 及其海底沉积效应来看,渤海海域泥沙悬移输运过程受潮汐动力、余流和和底层流场等因子
的制约。除了黄河河口地区以外,各月悬浮泥沙高浓度区基本一致,集中分布在潮流能量最 强的海域,潮流水平动能的大小与悬沙浓度大小分布基本一致。泥沙悬移输运方向与模拟获 得的渤海三维风驱?潮致余流的方向具有明显的相关关系,泥沙扩散的方向和强度 明显受余流方向和强度的控制。 关键词:黄河;入海泥沙;悬移输运;沉积效应;数值模拟 引言 黄河为季节性多泥沙河流,以利津站年为代表的年平均入海输沙量高达亿以上。据统计,黄河年至今走清水沟流路入渤海以来,利津站年年平均来沙量达亿,其中约占堆积在三角洲陆上部分外 ,约 有输送到了滨海区和渤海海盆。据中科院海洋所年调查估算,进入滨海区和渤 海海盆的泥沙约近沉积在近河口范围的水下三角洲内,只有大约相当于黄 河入海通量的悬沙经渤海海峡南侧输入到黄海 ,成为渤海海峡和黄海等处泥质沉积区的物源之一 ,其余绝大部分细颗粒悬浮物在环流作用和混合扩散作用的影响下 ,在 渤海海域形成长周期和大尺度的悬移输运,对渤海海底及海岸地貌的发育演化及其相关
关于加强黄河泥沙资源化利用的提案 摘要：全国政协十二届一次会议提案第0985号 _________________________________________________________________________ _ 案由:关于加强黄河泥沙资源化利用的提案 审查意见：建议国务院交由主办单位水利部会同国土资源部办理 提案人：张亚忠 主题词：水利,资源 提案形式：个人提案 内容： 黄河是世界上输沙量最大、含沙量最高的河流。黄河多年平均输沙量高达16亿吨，主要源于黄河中游黄土高原严重的水土流失。高含沙水流流经黄河下游河道并不断淤积，逐渐使其成为高悬于黄淮海大平原之上的“千里悬河”。 泥沙作为一种物质具有二重性，既有有害的一面，也有有利的一面，即资源化的一面。历史上，黄河泥沙长期被作为有害物质加以治理，未得到合理开发利用。黄河泥沙资源化利用是指将淤积在黄河河道、水库（闸）中的泥沙，经过重置或再造，变害为利，合理地发挥其功效，使泥沙资源为人类所利用，充分发挥其社会效益、生态效益和经济效益。 黄河泥沙资源化利用是一个复杂的系统工程，不但要考虑其社会需求、经济技术的可行性，还要充分考虑其对黄河安全、河流河势、河道输沙能力的近期和长期影响问题，以及黄河滩区群众的民生问题。随着对社会环境需求和水沙资源化认识的不断提高，泥沙资源将进一步被人们所认识，并广泛应用到生产和实践之中。但是，由于受到制度、经济、技术等因素的制约，黄河泥沙资源化利用的健康发展仍然任重而道远。 一、开展黄河泥沙资源化利用的必要性 首先，黄河泥沙资源化利用是维持黄河健康生命的要求。在黄河下游河道，采取挖河疏浚主槽、引洪放淤等方法利用黄河泥沙，淤高堤河、串沟、村台、坑塘洼地等，可达到降槽与淤滩相结合、主槽与滩地同步治理的目的，从而改善“二级悬河”现状，提高河道行洪能力，降低漫滩洪水顺堤行洪对堤防的威胁，保障滩区群众生命安全。 其次，黄河泥沙资源化利用是经济社会发展的要求。随着国家土地、矿产等资源的日益匮乏，泥沙资源的市场潜力越发凸显，利用黄河泥沙制砖、制瓦、制作生态建材和人工石材、填充煤炭矿山采空区等具有广阔的市场前景，对于开发循环经济、建设节约型社会，具有重要的现实意义。 再次，黄河泥沙资源化利用是生态文明的要求。目前国家大力提倡保护生态环境，保护农田耕地，利用黄河泥沙淤滩改土，以减少对基本农田的占用和侵蚀，塑造黄河两岸良好的生态环境，支持经济社会的可持续发展，已成为历史必然。 二、开展黄河泥沙资源化利用的可行性 1、淤改黄河下游土地的客观需要。我国人口多、耕地少，耕地后备资源不足，维护国家粮食安全，保持社会稳定，始终是我国发展中面临的重大问题。目前，我国正实施
THYBOR?N港口—波浪扰动和泥沙淤积研究 Sanne L. Niemann11 (sln@https://www.doczj.com/doc/0c11151250.html,), Peter Sloth1(prs@https://www.doczj.com/doc/0c11151250.html,), J?rgen Buhl2(jb@thyboronport.dk), Rolf Deigaard1(rd@https://www.doczj.com/doc/0c11151250.html,) and Ida Br?ker1(ibh@https://www.doczj.com/doc/0c11151250.html,) Thybor?n港口是丹麦最繁忙的渔港之一，该港口近年来经常遭受高波浪和泥沙淤积的影响。造成这些现象的原因尚不清楚，所以对此开展了广泛的研究，目的是找出原因和可行的解决方法。本文将介绍该方法及其结果。 关键字：潮汐汊道；泥沙输运模型；波浪扰动；波浪模型 1 背景介绍 Thybor?n港口位于Thybor?n航道上，Thybor?n航道是由北海通向Limfjord的入口，那里包含了所有穿越日德兰半岛到东海岸的汊道，见图1。航道中的水流受潮汐作用，进出内陆峡湾系统的水流主要受气象条件驱动。该港口在入口通道的西侧，南部沙洲的近岸区域，所以它被认为得到了很好的保护，免受来自北海的西向波浪的作用。该地理位置对于港口的发展十分重要，使其成为丹麦最繁忙的渔港之一，并成为丹麦北海岸第三大吨位商业港口。随着船只规模和港口吞吐量的增加，加强了对航道水深和波浪干扰等问题的重视。 图1 Thybor?n港口的位置 该地区的自然条件十分活跃。1862年的一场严重的大风破坏了沙洲，并形成了目前Limfjord到北海的出口。在这之后，大量的泥沙通过航道输运至峡湾并落淤在浅滩 1DHI, Agern Allé 5, DK-2970 Horsholm, Denmark 2Thybor?n Havn, Tankskibsvej 4, DK-7680 Thybor?n, Denmark
长江口水动力学及其泥沙运输规律 一、长江口概况： 长江河口地处我国东部沿海，受到来自流域径流、泥沙和外海潮流、成水入侵、风、波浪及河口科氏力和复杂地形等绪多园了的影响，动力条件多变，泥沙输运复杂。从陆海相互作用的角度看，长江河口至少存在几个水沙特性不同的典型河段，而每个典型河段又存在不同性质的界面，如：大通河段(潮区界)、江阴河段(潮流界)、徐六径河段(盐水入侵界)、拦门沙河段(涨落潮流优势转换界面)、口外海滨区(泥沙向海扩散的外边界和长江冲淡水扩散的外边界)。每个典型河段及关键界而都涉及到物质和能量的传输；每个典型河段及关键界面都有其固有性质，且相互影响，可以说河口过程在很大程度上被发生在每个典型河段的界面上各种现象所制约。 二、水动力方程及验证 1、长江口水动力过程的研究进展（长江口水动力过程的研究进展） 在过去20多年中, 长江口水动力过程研究成果大量来自河口海岸学家、物理海洋学家、海岸工程师、环境流体力学家的文献、著作。本文的目的是力图把这些文献(以正式发表的文献为准,不包括研究报告)汇集起来,对长江口潮流、余流、波浪、盐水入侵的研究进行总结, 究竟我们对长江口水动力过程了解多少?究竟长江口水动力过程还有哪些问题值得研究? 1.1 长江口余流、环流、水团、长江冲淡水 基于现场实测资料, 胡辉等1985年对长江口外海滨余流的运动变化特性进行了一定的研究。研究结果表明: 长江口外余流约为潮流的1/ 2～1/ 5 , 上层余流以向东为主, 中层余流多偏北, 底层余流有偏西的趋势。径流是长江口外上层余流的重要组成部分,并以冲淡水的形式存在; 中、下层余流则与台湾暖流的顶托和牵引有关。王康、苏纪兰1987年研究了长江口南港的横向环流、垂直环流及其对悬移质输运的影响。在前人基础上导出了长江口相对观测层次的物质断面传输公式,增加了反映环流及振荡切变的各种相互关系的有关项。基于现场观测资料,Wang等1990年研究了长江口水团、长江冲淡水团等的基本特征。根据1996年长江口南港水道枯、丰水期大、中、小潮两次各26 h的全潮水文实测资料,杨许侯等[1 ]统计分析了实测潮流的特征和潮流类型、运动形式、潮流垂直变化、余流、分潮对涨、落潮流不等的影响。崔茂常1984年, 张庆华等1993年, 朱建荣、沈焕庭1997年对长江冲淡水进行了研究。 1.2长江口潮流数学模拟 长江口水域开阔, 口内多浅滩和沙岛, 流场分布规律比较复杂。在长江口水域建立平面二维数学模型, 有利于对长江口的水动力特性从宏观上加以研究。同时, 河口平面二维数学模型的差分求解方法已比较成熟, 且运算量相对较小。采用平面二维数学模型能够利用现有的计算设备, 并在较短的运算时间内完成对长江口水域内流场平面分布特性的数学模拟。对平面二维数学模型的有限差分解法中, ADI法由于其较好的稳定性且计算量相对较小,赵士清1985年,刘上煊、叶永1987年,韩丕康、黄国玲1987年,刘世康、徐建益1987年,刘上煊、陶学为1987年,王船海、程文辉1991年,徐建益、袁建中1992年,许朋柱、毛锐1993年, 刘桦[2 ]等已将此法应用于长江口。此外,汪德等1987年用特征线法、破开算子法等差分方法进行长江口平面二维潮流数学模型求解。除有限差分法外, 唐苓等1992年将边界元法用于平面二维数学模型的求解;易家豪、叶雪祥1983年; 成安生等1987年采用有限单元法及限体积法等, 赵士清1985年采用三角形网格, 并将局部的有限元法和有限差分法结合起来, 在保证计算稳定性的同时,减少了计算量。参照国外学者的方法, 刘上煊、叶永1987年将长江口平面二维潮流方程分别划分为: 动量平流项、水
黄河泥沙资源化利用的实践 摘要众所周知，黄河中含有巨量的泥沙，黄河泥沙的处理和利用是一项非常艰巨和十分紧迫的任务。本文结合治黄工作实践，介绍了黄河泥沙资源化处理和利用的实际做法，力求在黄河泥沙资源化处理和利用方面，探索新的途径，取得新的发展。 关键词黄河；泥沙利用；资源化 中图分类号tv152 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）56-0069-02 utilization of yellow river sediment as a resource he rui-yong 1.yellow river institute of hydraulic research， yrcc，key laboratory of yellow river sediment research，mwr，zhengzhou 450003， china abstract the yellow river transport large amounts of sediment。combined with the practice of river management，describes the practice of yellow river sediment processing and utilization as a resources. keywords yellow river；sediment utilization；resource 黄河难治的症结在于“水少沙多、水沙关系不协调”，黄河巨量泥沙，造成河道萎缩，“二级悬河”日趋严峻，严重威胁黄河防洪安全，因此，黄河泥沙的处理和利用是一项非常现实而又十分紧迫
泥 沙研究 2003年12月Journal of Sediment Research 第6期收稿日期:2002-07-03 基金项目:国家自然科学面上基金(10002023);国家自然科学重点基金(10332050);水资源与水电工程科学重点实验室开放研究基金(2003B003) 作者简介:周济福(1965-),男,湖北麻城人,博士,中国科学院力学研究所副研究员,主要从事环境流体力学研究。河口泥沙研究的进展 周济福1,曹文洪2,杨淑慧3,刘青泉 1(1.中国科学院力学研究所,北京 100080;2.中国水利水电科学研究院,北京 100044; 3.北京市水利科学研究所,北京 100044)摘要:作者通过大量的文献调研,评述了国内外学者在河口泥沙运动的基本理论、数值模型等方面的研究工作 和成果,结合近年来作者关于河口水流结构、盐淡水混合以及泥沙输运的研究工作,提出加强对河口泥沙非恒 定运动过程、河口最大浑浊带形成机理及其与河口拦门沙演化关系研究的必要性,并指出河口泥沙运动与河 口地区湿地演变和浮游生物生长环境的关系是当前河口泥沙运动研究的两大热点。 关键词:河口;非恒定泥沙运动;盐淡水混合;最大浑浊带;湿地;生态环境 中图分类号:TV148 文献标识码:A 文章编号:0468-155X (2003)06-0075-07 河口泥沙运动是河口地区可持续发展中的重要科学问题之一。如:长江口的航道整治 [1～5]、黄河口造陆过程和湿地演变[6,7]、海河口的河道萎缩[8]等等,尤其是近年来关于河口生态环境与泥沙输运过程 的关系问题,都需要对河口泥沙输运的基本规律进行深入的研究。河口地区,径流、潮流、风浪共存,水流、泥沙运动均具有很强的非恒定性,非恒定输沙也正是未来泥沙科学发展的主要生长点之一。 [9]归纳起来,泥沙研究的对象主要分为推移质和悬移质两大类,而在大多数实际问题中,悬移质泥沙更为重要。悬移质运动的研究内容主要包括:边界层内的水流行为、泥沙沉降的机制、泥沙扩散的规律、泥沙起动以及底沙与悬沙交换的机理等。本文主要就河口泥沙运动所涉及的这些基本理论问题的研究现状及进展作一简要评述。 1 河口边界层 受潮汐、波浪作用,河口边界层具有波动特征,波或振荡边界层理论 [10]认为,边界层中的速度剖面可表达为 u (z ,t )=A Ψ[1-D (z )]e i Ψt (1)D (z )=exp -(1+i )z z 1p (2) 其中 A 为水质点摆幅,Ψ为圆频率,z 1和p 是相对粗糙度r /A 和波雷诺数A 2Ψ/ν的函数,ν为水的运 动粘性系数,r 为粗糙度。从光滑到粗糙边界层,p 从1/3增加到1。 实际的河口边界层要复杂得多,只有完整的三维模型才能准确模拟它的运动,但对实际问题,三维模型的计算量十分庞大。因此,应用中仍普遍采用二维或准三维模式。然而,对河口泥沙和盐度的输运来说,流动的垂向结构不容忽视,如表底水流的异向运动,虽然历时较短,但对于河口海岸地区的泥沙输运却是至关重要的 [12]。周济福等(1999)[2,3]运用波流分解方法,获得了精确描述河口水流垂直结构的理 论模式75 DOI :10.16239/j .cn ki .0468-155x .2003.06.013
0f f f f dk f v r k dt t τ -????+?+=-???Blotzmann 方程及其应用 1. Blotzmann 方程 （1） 即 0f f f f F f v r k t τ -????+?+=-??? （2） 2. 静态电阻率 在均匀静电场E 下，对于均匀材料，分布函数f 只与k 有关，（2）式变为： 0f E f f e k τ?=+?? （3） 在低场下，F eE k τ<<，作为近似， f f k k ??≈ ?? 则001f f E f e e v E k ττε ??=?=??? （4） 电流密度：031 ()()4f J e e v E vdk τπε ?= -??? （5） 设样品各项同性：0J E σ= 所以， 22003()4f e v n dk στπε???=?- ???? ? （6） 其中，n 为电场强度方向单位矢量，在各项同性的假设下2 2 ()3 v v n ?=，并且，样 品温度远小于费米温度，0 ()F f δεεε ?- ≈-?,在这种情况下： 2222 03323 ()()121212F F k Fermi Surface e e dS v dk v d e vdS στδεετδεεεππετπ=-=-?= ??? （7） 所以：222 03* 412F F F F ne e v k m τστππ== （8） （（8）式利用：*F F m v k =，并且3 23F k n π=）
3. 电导率随频率和波矢的变化 外加电场为交变场：()0e i q r t E E ω?-=，并设01f f f =+ 从Boltzmann 方程出发，经过适当近似后： 0111()f f f f eE v r k t τ ???-?+?+=-??? （9） 设()1()e i q r t f k ωφ?-=，并代入上式解得： 0()()1() f v E e k i q v τεφτω???=--? （10） 同前面的方法类似： 203()41() f e v v E J dk i q v τπετω????=- ??--???? （11） 设样品各向同性： 2203()41()f e v n dk i q v στπετω????=- ? ?--??? ? （12） 从上式不难看出，当0q →（长波近似）和0ω→（静态）时，0σσ→ 由于电磁波为横波，设?q qz =，00?E E x =，代入（12）： 2 203(,)41() x z f v e q dk i qv σωτπετω??? =- ??--??? （13） 利用0 ()F f δεεε ?- ≈-?，在球坐标下： 22222 3sin cos 1(,)sin 41(cos )F F F F F F Fermi Surface v e q k d d i qv v θφσωτθθφπτωθ=--? （14） 令cos θη=； 1F F F i qv s i ττω =- 2 22 1 3 11(,)4(1) 1F F F F v k e q d i s πτησωηπτωη--=-+? （15） 其中221 2311211ln 11s s d s s s s ηηη---+?? =+??+-?? ?
( 安全论文 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 浅析黄河调水调沙与黄河泥沙 的治理(新编版) Safety is inseparable from production and efficiency. Only when safety is good can we ensure better production. Pay attention to safety at all times.
浅析黄河调水调沙与黄河泥沙的治理(新 编版) 摘要： “水少沙多”是黄河洪水威胁的症结所在，也是黄河治理的难点，本文通过介绍黄河水沙特点并指出治理黄河的各项对策尤其是坚持10年的调水调沙，对防洪、治河、减淤等发挥了巨大作用，同时为确保黄河下游河道不抬高、不淤积、不断流，使得下游河道长期安全使用，为我国经济发展和沿黄地区的生命财产安全做出了巨大贡献，也具有较大的效益。 关键词：黄河泥沙治理调水调沙 黄河是中华民族的母亲河，她孕育了灿烂的华夏文明。黄河泥沙造就了广袤的黄淮海平原，又用其乳汁浇灌两岸大地，哺育了炎黄子孙。但是，黄河又性格乖戾，下游因泥沙淤积而成为“地上悬
河”，洪水泛滥给人民带来深重的灾难。从2001年开始，水利部黄河水利委员会在利用黄河有限的水资源保障流域和沿黄地区经济社会发展的同时，坚持这10年的调水调沙，成效巨大，社会反响强烈。 一、黄河水沙的基本特征 1.黄河泥沙是宝贵的自然资源 千万年来黄河泥沙作为一种自然资源，履行着“填海造陆”使命。广阔的黄淮海平原正是由于黄河泥沙的存在，得以形成、扩大，中华儿女有了繁衍声息的场所和丰富的土地资源。因此黄河泥沙是国土资源的一部分，不仅过去是，现在和将来也是。黄河泥沙还是天然的肥料，富含氮、磷、钾，大家知道黄河滩地种出来的水稻最香。黄河泥沙还可以用来做什么？这是一个有待研究开发的课题。长江流域流传着一句顺口溜：滚滚长江向东流，流的都是煤和油。涛涛黄河给我们带来的也是宝贵的自然资源。 2.水少沙多，含沙量高 黄河是世界罕有的多沙河流，黄河多年平均输沙量为16亿吨，多年平均含沙量约35公斤/立方米，输沙量和含沙量是中国各大江
输运方程本征值 无外源时，输运方程可以写成 0'1(,)(,')(;',') (,',',)'' t E v t E f E E E t dE d φφφφ∞Ω?=????Σ?+Σ→→∫∫?r r r ??r ?? （1） (,,,)E t φφ=r ?其中 简记为 1(,) '''''t E f d dE v t φφφφ?=????Σ+Σ?∫∫?r ? （2） 注意：积分中的f 是广义指示函数（或转移函数），散射源和裂变源 都包括在内。 把与时间无关的线性算符记为L ，则无外源输运方程（２） 可以简记为 1v t φφ?=?L （3） 分离变量，令 (,,,)(,,) ()E t E T t φ?=r ?r ? ， 代入（2），并用(,,) ()E T t ?r ?除两边，得到： {} ''''' T v f d dE T T ?????????Σ+ΣΩ=∫∫? 左边是时间的函数，右边是位置，能量，方向的函数，两者怎能相等？只有两者都等于一个常数时才可能．故 {} ''''' T v f d dE T T ???λ? ?????Σ+ΣΩ==∫∫? 这就把原方程分离成了两个方程 T T λ?= （4） ） v λ ??=L (5a) （4）的解是 0 t T T e λ= (6)
其中的λ是方程（5）的本征值。这样我们就把求解与时间 有关输运方程的问题转化为求解定态方程（5）的本征值与 本征函数问题。 容易看出，方程（5）与定态输运方程的差别是其总截面 Σ增加了v λ；当0λ=时，两者没有差别。当0λ>时， 相当于俘获截面增大（因为积分号中的散射与裂变截面未 变，只能是俘获截面增大）。物理上是相应于一个超临界 系统，为了使其变成稳态，可以人为地加大其俘获截面。 由于这虚拟俘获 v λ符合1v 律，必然会造成能谱的吸收硬 化（算出的能谱比实际能谱硬），这是λ本征值的特点。 也可以采用k 本征值，此时方程为 ' 111'''' ()''''4 t s f v t f dE d E dE d k ????χν?π ?+??+Σ?=Σ+Σ∫∫∫∫??? （上式中将散射源和裂变源和分开写出，是因为要对裂 变源进行人为调整） 采用k 本征值，超临界时候，k >1,人为压低了裂变，使得 能谱变软 (算出的能谱比实际能谱软)。 除了λ本征值和k 本征值之外，常用的还有γ本征值。关于各种本征值 与相应的本征函数的讨论，可参考杜书华《输运问题的计算机模拟》一书的 第三章。 注：许多文献中把本文中的λ特征值称为α本征值。