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原文传递椒江河口对围海工程的响应

论文题名：	椒江河口对围海工程的响应
关键词：	围海工程;河口调整;泥沙运动;水力几何形态
摘要：	围填海是解决沿海地区城镇发展用地紧张的重要途径，给当地带来了可观的社会与经济效益，同时围填海改变了河口海岸的地貌形态与水沙输移条件，造成河口区生态环境破坏、港口航道淤积、防洪御潮难度加大等一系列不利影响，成片大规模的中低滩围填海给河口海岸可持续发展造成的不利影响尤为显著。围海工程实施后的河口调整过程非常复杂，研究河口对围海工程的复杂响应规律可为围海工程的科学规划与建设提供理论依据。　　本文基于非均匀沙理论分析了椒江河口非均匀沙输移规律，发展了潮流非均匀沙数学模型，基于分形理论建立了河口水力几何形态关系式，通过实测资料分析、理论研究及数值模拟等方法，研究了椒江河口水沙运动与地形冲淤演变对围海工程的响应。　　考虑到河口潮流作用下泥沙输移的非恒定性，得到了对数形式的椒江河口时变水流挟沙能力公式，该公式使得非均匀沙情形下以各分组粒径和沉速的级配几何平均计算时，非均匀沙总体水流挟沙能力与均匀沙水流挟沙能力和谐一致。给出初等函数形式的非均匀沙恢复饱和系数的理论关系式，计算时比以往积分形式的公式简便得多。采用能适应不同绕流状态的泥沙沉速公式，并以动力粘度的形式考虑了泥沙浓度对沉降速度的影响，使之能适用于任何泥沙颗粒在任意浓度下的沉降;对河口细颗粒泥沙考虑了絮凝作用对沉速的影响。基于非均匀沙起动概率公式，获得了临界冲刷切应力公式与临界沉积切应力公式。临界冲刷切应力公式不仅考虑了泥沙的非均匀性，而且考虑细颗粒非均匀沙的黏性力作用;临界沉积切应力公式以分子引力来定量描述了絮凝引起的沉降概率增大，同样考虑了泥沙非均匀性。　　采用非均匀沙水流挟沙能力公式、临界冲刷与沉积切应力公式以及恢复饱和系数理论关系式等非均匀沙理论成果，基于有限元法建立了二维潮流非均匀沙数学模型，开发了可供选择的2种非均匀沙输移计算模块。模块一的源汇项基于河口非均匀沙水流挟沙能力公式与恢复饱和系数理论关系式，反映了水流挟沙能力的非恒定性和输移泥沙的非均匀性;模块二的源汇项基于非均匀沙临界冲刷切应力和临界沉积切应力公式，合理刻画了河口黏性细颗粒非均匀沙的临界冲刷与临界沉积条件。试验资料及椒江河口实测资料的验证结果表明所建数学模型对河口潮流泥沙模拟具有良好的适用性。　　潮汐河口几何形态与潮量间呈幂函数关系，具有分形特征。基于分形理论并考虑量纲和谐，以相对潮量作为观测尺度来度量相对过流面积，以相对单宽潮量来度量相对水深，建立了潮汐河口相对过流面积—相对涨（落）潮量、相对水深—相对单宽涨（落）潮量的水力几何形态关系，后者适用于没有横断面概念的开敞海域。确定了椒江河口的水力几何形态关系式，并结合瓯江河口的算例表明公式适用性良好，水力几何形态分维值表征了河口的稳定性及涨落潮水动力作用的相对强弱:处于相对稳定期的河口，分维值接近1，涨落潮时水动力作用强的时段分维值更接近1。　　采用潮流非均匀沙数学模型模拟了椒江河口不同围海阶段的水动力场与泥沙运动。结果显示，围垦堤线造成河口延伸的那部分水域流速明显增大;口内河段及口外部分海域流速减小;随着河口外延，河口最大流速分布区域向海推移。大规模围海工程使得滩涂面积及台州湾水域面积大幅减少，导致潮滩可冲刷泥沙量减少及台州湾部分水域和椒江口内河道水动力减弱，水流挟沙能力降低，以致悬移质含沙量相应降低;而新延伸河段流速加大，含沙量相应增加;随着口门外两侧浅滩被围垦，河道向海延伸，椒江河口最大浑浊带向海外移。　　较全面地分析了不同人类活动对椒江河口的影响，发现近60年来的历史滩涂围垦工程使得椒江河口水动力减弱、拦门沙航道淤积加重，而河口整治工程缓解了围垦带来的不利影响。椒江河口现状岸线下及规划围垦工程后的床面冲淤预测结果表明:现状岸线下未来河口河道大部分区域发生冲刷，口外拦门沙有少量淤积;规划围垦工程后河口河道及口外拦门沙淤积，新延伸河段冲刷;与各围垦工程单独作用的叠加效果相比，集群围垦联合作用下的冲淤幅度更大，即存在非线性效应，应在围垦规划时予以重视;由于河口水动力随毗邻海域围垦面积增大而减弱，水流挟沙能力随之下降，因而河口河道及口外拦门沙的淤积厚度随围垦面积的增大而增大。地形冲淤与水动力相互调整，冲淤速率随时间推移由快变慢，短期内可能呈冲淤交替波动。从水力几何形态关系角度分析了椒江河口拦门沙对围海响应，围海引起纳潮量减少是导致拦门沙顶部淤积的主要原因。
作者：	郭聪
专业：	海洋建筑物与环境
导师：	孙志林
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文