钱塘江河口水沙相互作用与能态调整

Large scale land reclamation has greatly changed the morphology of the Qiantang Estuary, strongly affecting its tide propagation and sediment transport processes, which in turn modify the morphology. As a result, the Qiantang Estuary may experience a regime shift changing from a normal lower-turbid state to a hyper-turbid state. However, the reclamation-induced changes of tide propagation and sediment transport in this area are poorly known, preventing an improved understanding on the mechanisms of regime shift. The present project aims to study the characteristics of tide propagation in response to large scale land reclamation and consequently reveal the potential regime shift in the Qiantang Estuary by using both analytical and mathematical approaches. First, an analytical model of tidal movement is developed for the Qiantang Estuary, which incorporates both sediment-flow-morphology interactions and the non-linear friction effects. Second, a fully coupled morphological model is used to simulate in detail the tide movement and sediment transport processes. By comparing the analytical and mathematical results, it is expected that the dominant physical processes and their interactions contributing to regime shift in the Qiantang Estuary can be revealed, facilitating informed estuary management.

大规模治江围涂显著改变了钱塘江河口地貌和水沙条件，对其潮流和泥沙输移产生巨大影响，河口能态存在向高浑浊状态转变的风险。然而，目前对治江围涂后钱塘江河口潮流和泥沙运动的变化趋势研究匮乏，不利于增进对钱塘江河口能态调整规律和机理的认识。本项目结合潮波理论模型和水沙耦合数值模拟，研究治江围涂后钱塘江河口的潮波演化和河口能态调整这一河口环境流体力学问题。首先，以现有适用于收缩型河口的线性潮波理论模型为基础，考虑细沙和潮波的相互作用，将线性摩阻改进为非线性摩阻；结合钱塘江河口地形和水沙资料，推导潮波运动解析解。在此基础上，应用二维水沙全耦合模型计算不同围涂时期钱塘江河口潮流和泥沙运动过程，与潮波理论模型相互印证。最后，基于对理论解析解和数值解的对比分析，揭示影响钱塘江河口能态的主要物理过程及其相互作用，阐明钱塘江河口能态转变规律和调整机理，从而为钱塘江河口的科学管理提供支持。

大规模治江围涂显著改变了钱塘江河口地貌和水沙条件，对其潮流和泥沙输移产生巨大影响。然而，目前对该区域水沙与地貌相互作用机理的认识尚不成熟，对围垦的影响缺少基于物理机制的定量研究与分析。针对以上问题，本项目重点研究了以下三方面内容，包括(1)河口潮波理论分析与数值模拟，(2)理想对称平面形态下河口沙坎的发育与演变，(3)近几十年围垦实际岸线下水沙与动力地貌的演变规律。针对研究内容(1)，我们将现有适用于收缩型河口的线性潮波理论模型改进为考虑高含沙减阻效应的非线性摩阻模型，推导了新的潮波理论解。对影响潮波振幅的关键因素的相对重要性作了系统定量分析，同时，将新的理论模型应用于钱塘江河口的沿程潮波振幅计算。结果表明，改进后的模型较现有模型在钱塘江河口潮波的计算精度上有显著提高，说明了考虑泥沙减阻、非线性摩阻的重要性。另外，我们采用自主开发的平面二维数学模型对钱塘江河口的潮波过程进行了模拟，数值模拟结果也进一步验证了理论模型的正确性。针对研究内容(2)，我们采用自主开发的水深平均水沙耦合数学模型对理想对称平面形态下的河口沙坎发育和演变过程进行了长时间尺度数值模拟和机理分析，重点探讨了上游径流、外海泥沙浓度和河床泥沙冲刷系数（即可冲性）对地貌演变的影响。结果表明，沙坎上游坡面和起始位置主要受上游径流的影响，沙坎尺度、下游坡面受潮流输沙和河床可冲性控制。针对研究内容(3)，我们同样通过上面的数学模型对1992年、2004年和2017年的实际围垦岸线下的河口潮流和泥沙运动规律展开了长时间尺度研究。结果表明，随着围垦不断加强、岸线不断缩窄，钱塘江河口高潮位升高、低潮位降低，潮差增大；杭州湾最大浑浊带浓度降低、上游仓前-尖山河段最大浑浊带浓度增加，整体上高浓度带位置向河口上游移动；曹娥江河口下游的杭州湾南岸潮滩区域随围垦岸线逐渐光滑，该区域以前显著淤积的沙洲逐渐消失。