波流共同作用下河口泥沙运动及地形演变数值模拟研究进展

吕晓莹+文艺+陈昌亮+林伟龙

【摘 要】河口区域动力环境复杂，河流动力、海洋动力在此交汇。波浪、潮流是泥沙运动的主要动力，河口区域泥沙活动剧烈，长期来看影响河口地形发育演变，因此对波流耦合作用下河口泥沙运动及地形演变进行数值模拟具有重要的实用价值及工程意义。本文介绍了在河口区域波流共同作用数值模拟、在波流共同作用下泥沙运动及地形演变模拟方面的研究进展。

【关键词】波流共同作用；泥沙运动；数值模拟；地形演变

河口区域动力环境复杂，河流动力、海洋动力在此交汇，泥沙活动剧烈。波浪、潮流是泥沙运动的主要动力，“波浪掀沙、潮流输沙”是波流共同作用下的河口泥沙运动的重要机制，在波流作用下泥沙起动、输运、沉积、再悬浮，长期来看影响着河口地形的发育演变。目前国内外许多地区已开展关于波流共同作用对河口演变影响的研究。

一、国外研究进展

Wright（1977，1980）描述并分析了波浪作用下的河口地貌特征及河口沉积过程[1-2]。Howard N. Southgate（1995）研究了波浪对中到长周期（几周到几十年）地貌演变产生的影响，为分析波序列以及波浪对海床和海滩平面发育演变的影响提供了方法[3]。Bernabeuet al.（2003）将波浪与潮流耦合，建立了一个模拟海滩剖面地貌变化的模型[4]。Matthieuet al.（2013）以印度海的马约特岛（Mayotte Islands）为例，关注了无河流注入的海岸的泥沙运移过程和地貌演变特征。他们通过分析波浪在近岸处能量衰减的特征，研究了地貌对波浪作用的响应[5]。Saruwatariet al.（2013）在奥克尼群岛（Orkney Islands）应用SWAN模型对波流共同作用下海洋能与电能转化进行研究。通过改变流的强度，以及相应的波向，分析不同波气候时潮能和波能的变化[6]。Bola?os et al.（2014）结合实测数据，使用先进的模型对潮控河口进行了对波流共同作用下波场和流场特征的模拟。水动力模型建立时考虑了潮流、径流以及气压引起的正压力与斜压力，并与波谱模型和湍流模型耦合。模拟结果表明河口处潮流对波浪的改变明显，有效波高和波周期主要由随时间变化的水深控制，同时波周期还受到流产生的多普勒频移影响[7]。

二、国内研究进展

国内对波流共同作用的研究主要集中在黄河、南渡江、长江等大河河口。朱大奎（1997）应用大量实测波浪资料，从波浪动力的角度揭示了波浪作用对黄河三角洲地形演变的影响[8]。虞志英等（2002）调查分析了废黄河河口水下三角洲的水动力及泥沙特征，对水下三角洲的平坦海床、水下斜坡和近岸浅滩三个地貌单元分别计算波流和潮流作用下底部泥沙的横向冲刷率，并预测了水下三角洲的地貌演变模式。龚文平、王宝灿（1998）；陈沈良（1998）；戴志军、陈子粲、欧素英（2000）；罗宪林，李春初，罗章仁（2000）等从不同方面分析研究了南渡江三角洲海岸的波浪动力过程，及其引起的沿岸泥沙运移，探讨了泥沙在波浪作用下的沿岸运动状态与地貌发育演变规律[9-[16][17][18]13]。刘红，何青，吉晓强等（2008）通过对海滩剖面、悬沙粒度与表层沉积物的实测资料分析，研究了长江口崇明东滩在波流共同作用下潮滩剖面沉积物以及地貌的分异规律，并分析了沉积物的运移机制。他们认为随波浪的分选作用由破波带向两侧逐渐变差，表层沉积物中值粒径随之变细。破波带内泥沙以“波浪掀沙”机制引起的分选运移为主，破波带两侧处泥沙以潮流的“平流输沙”机制为主[14]。苗丽敏、杨世伦、朱琴等（2016）以长江口与杭州湾两大水系交汇处的南汇潮滩为例，探讨了波流联合剪切应力作用下潮滩悬沙浓度和悬沙输运对风暴事件的响应过程及其动力机制[15]。

三、波流耦合数学模型研究进展

自20世纪60年代起，潮流的研究开始以数值模拟为主[16]，在Longuet-Higgins等（1960，1962）提出辐射应力理论后[17-18]，波浪对潮流驱动作用的研究取得突破性的进展，为波流共同作用的研究提供了理论基础。近年来，波流耦合数学模型蓬勃发展，在河口研究方面得到了广泛的应用。河口海岸泥沙运动的机理为“波浪掀沙、潮流输沙”。由于波浪的周期较潮汐周期小，数学模型对波流共同作用通常使用两种不同的方法对波或流加以概化处理。其一是将周期变化的潮流概化为具有某一特征的恒定流，与波浪运动方程叠加来模拟波流运动结构在短时间内发生的变化；另一种方法是把波浪过程概化为一个潮周期中具有平均意义的波浪流要素，与潮流运动方程叠加，计算长时段的水流及泥沙运动的变化。后者能更好地体现悬沙浓度变化和地形冲淤过程的周期性规律。王厚杰，李瑞杰（1999）在前人研究的基础上考虑了波生流场對波浪场的影响，建立了一个讨论近岸波流耦合作用的二维数学模型，并采用Dingemans的地形对模型进行验证分析，结果表明近岸处波流随时耦合，在研究近岸泥沙运移、岸滩演变和近岸工程设计时， 应予以充分的考虑[19]。Prandle et al（2000）以Holderness海岸为例，建立了波流耦合的二维悬沙模型，分析了近岸处潮流和波浪的相互作用及二者的基本特性[20]。王彪等（2012）考虑了波浪和潮流对泥沙运动的共同作用，概化波浪运动为潮周期中时均的波浪流分布场，耦合潮流运动方程、泥沙运动方程与波浪摩阻力和波浪挟沙力等要素，建立了一套波流共同作用下的泥沙运动模型[21]。孙丽等（2014）将波浪的辐射应力和底切应力同潮流运动方程和悬沙输运方程耦合，在大连湾建立波流共同作用的二维悬沙数学模型，并在纯潮流、常浪和极端天气三种状况下分析对比波浪对流场、悬沙浓度和底床冲淤演变的影响[22]。何用等（2014）对珠江口泥沙的起动、絮凝以及波浪作用下的挟沙力等问题进行探讨，建立了珠江口波浪、潮流、盐度、泥沙的耦合模型，除了增加波浪作用下泥沙的起动判别外，还考虑了盐度对泥沙絮凝的影响[23]。李大鸣等（2014）考虑了潮流、波浪和泥沙的相互作用机制，将浪场产生的“波浪辐射应力”和“波流挟沙能力”作为对潮流场和泥沙运动的重要影响因子，构建了一套考虑波浪动力的潮流泥沙数学模型，并应用于对锦州港港区潮流场和地形冲淤变化的模拟，取得了良好的结果[16]。许婷等（2015）采用波流共同作用下二维水沙模型模拟了韩江河口附近大型离岸人工岛群工程建设后潮流和泥沙的运动及海床冲淤变化规律[24]。张心凤（2017）以为例，利用波流耦合作用下三维悬沙数学模型模拟珠海高栏港区深水航道在大风天的泥沙运动和骤淤规律，并预测了50年一遇情况下航道的骤淤情况[25]。endprint

为满足河口研究的需求，许多成熟的数学模型被开发为软件的形式，已被应用到实际的研究和工程中去，如DELFT3D（刘曙光，2010[26]），MIKE21（许婷，2010[27]），SWAN（王殿志，2004[28]；郝宇驰，陶建华，2007[29]；王道龙，华锋，江志辉，2010[30]）等。TELEMAC数值模拟系统基于非结构化网格，采用有限元方法，对地形复杂的河口海岸区域十分适用。Andreas Malcherek（2000）将TELEMAC-2D模型用于Weser河口潮能耗散的模拟[31]；R.Kopmann， M. Markofsky（2000）利用TELEMAC-3D建立了三维水质模型[32]；J. Eric Jones， Alan M. Davies（2005）通过对英国西海岸潮汐的模拟，对比了有限差和有限元（TELEMAC）方法模拟结果的不同[33]。J. Eric Jones， Alan M. Davies（2006）利用TELEMAC模拟了爱尔兰海的风生环流[34]； Samaras et al.（2013）以意大利南部的布林迪西口岸为研究区域，对比TELEMAC和MIKE-21两种数学模型对波流共同作用和波浪传播的模拟，发现在破波带处对波高模拟的差异最为明显[35]。范平易（2010）利用TELEMAC-2D模型建立了长江河口的二维水动力模型，并以苏通大桥为研究对象，模拟建桥后对桥区河段通航的影响[36]。

波流共同作用下泥沙运动及地形发育演变数值模拟是前沿课题之一，由于河口区域人类活动剧烈、动力环境复杂，且泥沙运动受波流耦合作用显著，因此更要加强对河口区域波流及泥沙运动的数值模拟研究，为河口海岸工程提供重要指导。

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