基于半解析模型的最大浑浊带泥沙捕集机制研究——以长江河口北槽为例

Processes of sediment trapping driven by complicated forces in the estuarine turbidity maximum (ETM) is still an open research problem. Based on field data or 3D numerical model alone, it is difficult to unravel sediment transports induced by different physical mechanisms. Consequently, we propose to investigate mechanisms of sediment trapping in the ETM by developing a 3D process-based semi-analytical model，in which perturbation analysis will be used to solve the equations. Hence, the analytical results of flow and sediment are composed of terms driven by individual forces which have their own physical meaning. The 3D semi-analytical model will be applied to the North Passage (NP) of the Yangtze Estuary, to identify the contribution of individual forcing terms to the sediment trapping, including gravitational circulation, tidal rectification, asymmetric tidal mixing due to tidal straining and tidal pumping. This research will add knowledge to understand the formation of ETM, and provide scientific reference for reducing siltation in the deep waterway of NP. Thus, this research has important scientific significance and practical significance.

基于河口复杂动力驱动的最大浑浊带悬浮泥沙捕集过程是河口泥沙运动研究的重要内容，传统的实测数据分析和数值模拟方法均无法对相互影响的动力因子作用下的最大浑浊带泥沙捕集过程加以甄别解释。本研究拟建立基于物理过程的三维半解析水沙模型，模型应用摄动分析方法进行求解，流速和含沙量的解析解的各个部分均与具有清晰物理意义的驱动力项所对应。将此模型应用于长江河口北槽，剖析重力环流、潮流非线性作用、潮汐应力所致不对称潮混合、潮泵作用各驱动力在最大浑浊带泥沙捕集中的作用，甄别最大浑浊带泥沙捕集的主要物理机制。本研究有利于对河口最大浑浊带成因的认识，并可为深水航槽减淤和维护提供科学依据，具有重要的科学意义和现实意义。

基于河口复杂动力驱动的最大浑浊带悬浮泥沙捕集过程是河口泥沙运动研究的重要内容，本项目以受流域和河口高强度人类活动影响的长江河口北槽为研究对象，结合调和分析方法、机制分解方法和半解析模型方法，研究了渠道化后北槽悬沙纵向输移机制、最大浑浊带悬沙捕集机制和絮凝沉降、掩蔽沉降和悬沙制紊作用对泥沙捕集的影响。基于实测数据的北槽悬沙纵向输移机制研究表明：大潮期输沙的主要驱动力为余流、M2潮泵作用和Stokes输沙，小潮期输沙的主要驱动力为余流和M2潮泵作用；大潮期，余流一致向海，大量泥沙向海输送，小潮期，余流呈现重力环流模式，下层向陆输沙、中上层向海输沙；M2潮泵作用洪季以向海输沙为主，枯季以向陆输沙为主；Stokes输移产生较强的向陆输沙。基于半解析模型的最大浑浊带悬沙捕集机制研究表明：北槽重力环流可使悬沙在中上段聚集，但在较强的Stokes补偿流作用下余流总体向海输沙，而北槽最大浑浊带悬沙捕集的主要机制为M2潮泵作用，特别是时间沉降滞后和非线性底剪切的共同作用。通过对北槽悬沙浓度处于絮凝沉降区和掩蔽沉降区的悬沙垂向-纵向分布进行模拟分析，结果表明：悬沙絮凝沉降和悬沙滞紊作用可大幅提高最大浑浊带悬沙捕集效率，但由于实验区的最大悬沙浓度仍较低，悬沙掩蔽沉降对最大浑浊带悬沙捕集的影响不明显。