長江口江寬水深是世界聞名的“黃金水道”。以長江口為核心的長三角經(jīng)濟(jì)區(qū)是中國最早和最成熟現(xiàn)代意義上的經(jīng)濟(jì)區(qū)。近年來,因社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要,長江口正經(jīng)歷著有史以來最嚴(yán)峻的人類干預(yù),水沙特征和自然河勢(shì)發(fā)生變化。再加上全球氣候變暖導(dǎo)致海平面上升加劇,厄爾尼諾現(xiàn)象導(dǎo)致降水量分布異常,洪水和旱災(zāi)頻發(fā)。這將對(duì)長江口沿岸的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此需要對(duì)長江口洪、枯季的系統(tǒng)平衡狀態(tài)做研究,實(shí)現(xiàn)長江口河勢(shì)穩(wěn)定性評(píng)估。為此,本文基于GIS技術(shù)和水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型,在徑-潮流統(tǒng)一的計(jì)算框架下設(shè)計(jì)了針對(duì)地貌、水文和能量等相關(guān)物理指標(biāo)的定量化評(píng)估模型,并與經(jīng)典的最優(yōu)化流體地貌理論相聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)長江口洪、枯季河勢(shì)穩(wěn)定性的全面了解。主要研究內(nèi)容和結(jié)論包括4個(gè)方面：(1)水動(dòng)力模擬在全面收集計(jì)算資料基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了長江口及其鄰近海域水動(dòng)力數(shù)值模擬和解析模擬的參數(shù)率定和結(jié)果驗(yàn)證,研究區(qū)覆蓋整個(gè)河口,長度達(dá)550km�；A(chǔ)地形資料經(jīng)過GIS幾何校正、基面校正和拼接處理形成可用的水下地形DEM。為方便管理和應(yīng)用,地貌、水位、水力邊界條件和底摩擦系數(shù)等圖層都采用狄羅尼(Delaunay)三角網(wǎng)法劃分和最優(yōu)插值法做數(shù)據(jù)同化,建立格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫。數(shù)值模擬基于TELEMAC6.2數(shù)值模式,采用實(shí)測(cè)地形邊界和TPXO7.2全球潮汐模型驅(qū)動(dòng),反映實(shí)際情況,但是局部非線性擾動(dòng)強(qiáng)烈,難以直觀表現(xiàn)規(guī)律；解析模擬基于CST解析模式,采用簡化的指數(shù)型地形邊界和對(duì)稱型潮波驅(qū)動(dòng),便于表達(dá)趨勢(shì)性變化,但結(jié)果簡單、抽象。兩模型都強(qiáng)調(diào)潮波、徑流及其交互作用。因此,這兩種不同類型水動(dòng)力模式的比較和聯(lián)合應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)長江口徑-潮流交互作用下的洪、枯季情景模擬和全面了解河勢(shì)的穩(wěn)定性評(píng)估打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。(2)情景假設(shè)與模擬為保證情景模擬的有效性本研究對(duì)一些重要的模擬參數(shù)做了敏感性測(cè)試,結(jié)果表明：河床地形、底摩擦系數(shù)、徑流和潮汐作用對(duì)潮波傳播和能量耗散具有較大影響,而長時(shí)間序列天文潮(18.61年和4.4年結(jié)點(diǎn)潮周期)波動(dòng)、海平面上升和斯托克斯漂移等因素影響相對(duì)較小,可以忽略不計(jì)。基于此,本研究設(shè)計(jì)的情景模擬采用實(shí)測(cè)地形和分段變化的底摩擦系數(shù),情景假設(shè)通過不同的潮汐和徑流邊界條件組合實(shí)現(xiàn),包括：·平均大潮驅(qū)動(dòng)+洪峰徑流作用(60,000 m3/s)；·平均大潮驅(qū)動(dòng)+平均洪季徑流作用(35,000m3/s)；·平均大潮驅(qū)動(dòng)+平均枯季徑流作用(15,000 m3/s)·平均大潮驅(qū)動(dòng)+無徑流作用(象征性輸入1,000m3/s)；以及·無潮波驅(qū)動(dòng)+徑流作用(15,000m3/s,35,000 m3/s和60,000 m3/s)。結(jié)果顯示：洪峰徑流作用下河流占支配地位,潮波影響范圍僅限于河口外部130km處,此時(shí)口門處的潮通量(71,322 m3/s)僅占總流量通量的54%。無潮波作用下的情景模擬證明徑流通量沿河口分布為常數(shù)。其他三種情景模擬處于這兩個(gè)極端假設(shè)之間,為評(píng)估洪、枯季變化徑流作用下的河勢(shì)穩(wěn)定性研究提供了參考依據(jù)。(3)定量化評(píng)估指標(biāo)在徑流和潮流統(tǒng)一的計(jì)算框架下,本研究分別從河口形態(tài)、潮流界、潮流界物質(zhì)遷移、潮流棱柱體、能量、能量通量和能量耗散7個(gè)方面認(rèn)識(shí)長江口洪、枯季變化徑流作用下的指標(biāo)系統(tǒng)響應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明：①喇叭狀長江口表現(xiàn)出“過渡型”地貌形態(tài),洪季地形更具棱柱形特征,枯季更具指數(shù)型特征；②潮流界位置大概在河口以上250km處,隨洪、枯季發(fā)生周期性上下擺動(dòng)；③潮流界物質(zhì)在洪季時(shí)下行,枯季時(shí)上行,但總體趨勢(shì)為不斷下行；④長江口屬于大尺度河口(長度400km),其潮流棱柱體在潮流界范圍內(nèi)由漲、落憩潮位差控制,在潮流界以上由高、低潮位差控制,但總的潮流棱柱體不隨洪、枯季變化(暗示退潮潮流能量不隨洪、枯季變化)；⑤河流和潮流能量(Eh)的空間分布隨洪、枯季變化顯著,洪季時(shí)河流勢(shì)能主控；⑥潮流能量通量向上游呈指數(shù)遞減,河流能量通量向下游呈指數(shù)遞減,整體表現(xiàn)出兩端大中間小的空間分布特征；⑦長江口能量的季節(jié)性變化主要表現(xiàn)為洪季時(shí)潮流做功最小、河口整體能耗率最低,枯季時(shí)河口能耗率變大,但仍保持一定受限制條件下的相對(duì)較小值,即實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一能量耗散。(4)洪季平衡態(tài)與動(dòng)態(tài)平衡最終本文將指標(biāo)評(píng)估結(jié)果與Langbein (1963)年提出的河口最優(yōu)化流體地貌理論相聯(lián)系,證明長江口在洪季時(shí)(i)局部范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)等能量耗散,(ii)全局范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最低能量耗散率,此時(shí)河口實(shí)現(xiàn)最佳平衡態(tài),河勢(shì)穩(wěn)定。洪季時(shí)潮流做功最小,河流實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一能量耗散,系統(tǒng)的能量耗散主要來自河流勢(shì)能。能量耗散機(jī)制分析同樣證明洪季時(shí)河流凈能量通量(RNE)主控,河流引起的不對(duì)稱能量通量(RJA)與潮汐不對(duì)稱能量通量(TIA)相平衡。本文計(jì)算結(jié)果與Langbein(1963)的結(jié)論相矛盾,CST解析模型認(rèn)為枯季時(shí)河口運(yùn)行效率最優(yōu),但他們都基于經(jīng)典的解析理論,采用對(duì)稱型潮波驅(qū)動(dòng),Langbein (1963)甚至沒有考慮徑流影響。本研究考慮了潮汐型河口在徑-潮流作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制,即洪、枯季變化徑流影響下長江口出現(xiàn)了潮汐不對(duì)稱,漲、落潮通量和能量通量發(fā)生自動(dòng)調(diào)整,河口形態(tài)也出現(xiàn)喇叭型-棱柱型轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制。以上因素體現(xiàn)了潮汐型河口為實(shí)現(xiàn)最小功而具備的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力,即動(dòng)態(tài)平衡過程。這是徑流、潮流和地形之間的復(fù)雜反饋機(jī)制,之前關(guān)于這方面的研究較少。長江口作為典型的潮汐型平原河口,本文研究結(jié)論可應(yīng)用于其他同類型河口。
【學(xué)位單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TV148
【部分圖文】：

圖１－１全球重要河口位置分布??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｔｈｅ?ｄｉｓｔｎｂ川ｉｏｎ?ｏｆ?ｇｌｏｂａｌ?ｉｍｐｏｒｔａｎｔ?ｅ巧ｕａｒｙ?ｌｏｃａｔｉｏｎｓ??１．２徑－潮流作用下水動(dòng)力模擬研究現(xiàn)狀??河口的是礎(chǔ)。一口

ｓｔａｂｌｅ?ｅｑ山?１化ｈｕｍ?（Ｃ），?ａｎｄ?ｍｅｔａ巧ａｂｌｅ?ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ?（Ｄ）．?Ｔｈｅ?ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｍａｙ?ｂｅ?ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ??化?ｂｅ?ａ?ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?ｅｎｅｒｇｙ?ｓｕｒｆａｃｅ＾］??圖１－２Ａ為中性平衡（ｎｅｕｔｒａｌ巧山化ｒｉｕｍ）出現(xiàn)在當(dāng)球體受到稍微擾動(dòng)之后??不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性作用力的情況；圖１－２Ｂ為不穩(wěn)定平衡（ｕｎｓｔａｂｌｅｅｑｕｉ化ｒｉｕｍ）出??現(xiàn)在當(dāng)球體受到稍微擾動(dòng)么后產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的作用力，并且產(chǎn)生加速偏離原來狀態(tài)??的情況，即擾動(dòng)力的正向反饋?zhàn)饔�；與不穩(wěn)定狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的是相對(duì)平衡（巧ａｂｌｅ??ｅｑｕｉｎｂｒｉｕｍ），如圖１－２Ｃ，出現(xiàn)在當(dāng)球體受到稍微擾動(dòng)之后產(chǎn)生保護(hù)性作用力或??恢復(fù)性作用力。該作用力可用公式Ｆ?＝?－ｋｘ表示，其中ｋ為常數(shù)，Ｘ為距平衡的距??離，負(fù)號(hào)表示作用力方向與位移方向相反。實(shí)踐證明恢復(fù)性作用力并不是簡單的??將小球拉回至原來位置，立刻靜止，而往往會(huì)經(jīng)過一段時(shí)間震蕩，才逐漸恢復(fù)平??衡狀態(tài)。相對(duì)平衡狀態(tài)可理解為系統(tǒng)的負(fù)向反饋機(jī)制。圖１－２Ｄ的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)??（ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ?ｅｑｕＨｉｂｒｉｕｍ）出現(xiàn)在當(dāng)球體受到輕微擾動(dòng)之后仍保持相對(duì)平衡的狀??態(tài)，但當(dāng)擾動(dòng)力超過一定限度之后系統(tǒng)就形成了不穩(wěn)定狀態(tài)，但隨即會(huì)進(jìn)入下一??個(gè)新的相對(duì)平衡態(tài)。實(shí)際上

日地貌的沉積動(dòng)態(tài)、沖澈過程等都會(huì)呈現(xiàn)出一定的洪、枯季變化。但上游供沙量??卻在不斷減少，而且地貌響應(yīng)本身是緩慢的歷史演變過程，無法隨著洪枯季立馬??做出快速調(diào)整，如圖１－３所示。因此，河勢(shì)或地貌如何根據(jù)洪枯季做相應(yīng)調(diào)整呢？??Ｗ及在什么情況下系統(tǒng)運(yùn)行效率實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化？到目前為止還沒有一個(gè)簡單的公??’?１６??

本文編號(hào)：2864228