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长江口北支水沙盐输运模拟技术研究

2017-11-15

长江口北支属巨型复杂河口的支汊,与上游、长江口南支及口外存在复杂的动力联系,再加上三峡水库和南水北调运行后,长江中下游河道水沙变异导致长江口洪潮势力对比发生变化,对长江口北支河段高含沙量、高盐度梯度、水沙盐倒灌南支等问题产生新的影响,也使得长江口水沙动力要素研究更趋复杂。

南京水利科学研究院水文水资源所施勇通过完善长江口现有水沙盐数学模型,集成长江中下游江河湖泊河口不同水动力要素与机理的数值模拟模式,建立了三峡水库至长江口一、二、三维混合嵌套的巨型水沙盐数学模型,丰富和完善了河口强潮作用下的盐水上溯并倒灌南支、细颗粒粘性泥沙絮凝、沉降与起动特性等机理与模拟模式,开展了水沙变异条件下长江口北支演变过程及其治理工程后的效果评价(包括三峡水库及上游水库群对长江口北支冲淤演变的影响、上游梯级水库的运行及长江口综合整治工程实施后北支的演变趋势),取得了一系列研究成果。

1.建立了三峡至长江口外一维、二维、三维混合嵌套的巨型水沙盐输运数值模拟模型,包括三峡至徐六泾一维水沙数学模型、分别基于挟沙能力和切应力的长江口二维水沙数学模型、长江口三维盐度及咸潮倒灌数值模型、东中国海潮流模型。

2.为给水沙盐数学模型相关参数的选取提供依据,开展了水沙盐输移特性的物理实验。长江口北支悬沙枯季最佳絮凝盐度在7‰左右,洪季在10‰12‰。枯季水温时,盐度对沉速略敏感,盐度对沉速的影响在1.85.7倍;洪季水温时,盐度对沉降影响不明显,影响幅度在1.52.2倍。粒径为8微米的泥沙的起动流速为0.78 m/s,临界起动应力0.46 Pa,长江口北支细颗粒泥沙冲刷系数约为3.5×10-4kg/m2/s。

3.采用三峡至徐六泾一维水沙模型,基于90水沙系列模拟预测了长江口上口的水沙变异条件,包括天然情况下、仅三峡运用、上游梯级水库群联合调度3种情景下大通和江阴的水沙过程,为分析水沙变异下长江口北支水沙盐输运的变化提供边界条件。

4.采用长江口三维盐度数学模型,定量模拟预测了水沙变异下长江口咸潮入侵及北支倒灌的演变趋势,分析表明主要的影响范围集中于长江口南支自南门以下至河口口门区域,对咸潮入侵的减缓程度在0.11.0psu。而在多种河口治理工程影响下对咸潮入侵的影响南北支差异显著,北支盐度显著降低,咸潮倒灌有所减弱,南支咸潮入侵有所增强。

5.对长江口水沙及冲淤的历史演变进行了分析,初步掌握了北支冲淤演变的历史变化规律。在此基础上,采用长江口水沙输运数学模型,量化分析了三峡水库及上游水库群对长江口北支冲淤演变的影响,并模拟预测了上游梯级水库的运行及长江口综合整治工程实施后北支的冲淤演变趋势。

6.长江口北支未来总体呈现淤积态势,未来10年净淤积1.42亿方,上游水库的运用对北支的冲淤略有影响,但不能改变北支继续萎缩的趋势以及冲淤分布格局。

7.规划整治工程实施后,北支河段总体冲淤趋势没有大的调整,北支口随着疏浚开挖,引流作用有所加强,疏浚开挖区总体有所淤积,中上段河床总体有所冲刷,口外段淤积略有增加。

项目完成人简介

施勇,1964年生,江苏南通人,教授级高工,博士生导师,南京水利科学研究院水文水资源所总工程师。江苏省“333”人才工程培养对象。1987年7月河海大学海洋水文专业大学毕业。1990年7月河海大学海岸动力学专业研究生毕业,获工学硕士学位。2006年12月河海大学港口、海洋及航道专业研究生毕业,获工学博士学位。长期从事水文水资源及防洪减灾领域的科研与管理工作。参加或负责省部级以上科研项目40余项。承担完成的国家自然科学重大项目“洪水特性与减灾方法研究”,建立了长江中下游面向江湖关系演变的一、二维混合非恒定流水沙数学模型和长江中下游实时防洪调度系统;完成的“十五”攻关项目“海河流域洪水资源安全利用关键技术研究”建立了洪水资源利用河渠互济调度模型。近年发表论文40余篇。科研成果曾获国家科技进步二等奖1项,国家水利系统科技进步一等奖1项、二等奖2项,湖北省科技进步二等奖1项。