潮水沟体系水动力条件数值模拟的实例研究

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潮水沟是潮滩上典型的地貌单元,也是潮滩和外海之间输运沉积物、有机物和污染物以及交换水体的通道。本文选取了中国沿海两个研究区,一个是长江河口九段沙上沙滩面,另一个位于福建省罗源湾内的半封闭潮滩。前者是河口入海口,水动力条件复杂,滩面上树枝状潮水沟发育充分,后者是在罗源湾内,潮水沟规模较小,且多以顺直型为主。借助于简化的滩面水位高程计算模型,我们得到了九段沙研究区内的水位分布。通过判断最大水位梯度的方向,实现了各条潮水沟的子流域划分,并计算得到潮滩上各点到潮沟的汇流路径长度。基于数据统计分析的结果,提出九段沙上沙滩面潮水沟存在集中和分散两种发育模式。与分散模式相比,集中模式所处的水动力条件更强,潮沟数量更少,等级更高,规模更大。在研究区内,单支潮水沟的汇水形式彼此不同,但两种模式的总体汇水形式相近。在两种模式中,潮水沟均以显著线性关系随汇水面积增大而延展,最后两侧滩面产生了同等的沟化程度。在第二个研究区,借助于深度平均后的二维水动力模型,探讨了初始水位、潮水沟深度、潮滩地形以及植被生长对滩面流场和潮沟汇水量的影响。数值计算的结果验证了先前关于滩面淹没深度与滩面层流比重两者关系的论述.摊面淹没越深,潮水沟与滩面之间的摩擦效应相差越小,导致滩面层流的比重上升。计算结果也发现随着潮沟深度的增加,滩面层流的比重相应降低。与前述研究不同的是,在研究区内潮水沟汇水量与潮水沟平面面积并没有显著;关联。在模拟实验中相间填平部分潮水沟,使得所有存留下来的潮水沟的潜在汇水滩面面积增加,在这种情况下,所有存留下来的潮水沟的汇水量并不一定增加。作为一个完整的系统,潮滩地形的改变也将改变各条潮水沟的汇水量。各条潮水沟相互之间的作用以及整个滩面环境的影响,促使我们对先前划分潮水沟汇水流域的方法提出质疑。在此之外,滩面植被的生长增大了滩面的摩阻效应,滩面流速降低,部分潮水沟的汇水量也出现变动。模拟计算的结果表明,分布于滩面的潮水沟是一个整合的系统,与陆地环境下的河道存在显著差异。由于缺少天然的分水岭地形,潮滩上复杂多变的流场需要综合考虑。需要补充提及的是,在九段沙上沙的例子中,用到的数值计算方法是有限差分法(FDM),在第二个例子中借用的是经过改造的基于特征分离有限元方法(CBS)。九段沙区域复杂的潮流环境以及密集分布的潮水沟系统限制了CBS方法的应用,因此,在第一个例子中我们只能借助汇水流域的划分来近似代替潮水沟的汇水量。而在第二个例子中,潮水沟汇水量与潮水沟面积之间的微弱关联,可能是潮水沟尚未达到成熟状态的表现。这与第一个例子中的假设并不冲突,也支持了第一个例子中简化模型的成功应用。
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