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本文以福建中部的两个半封闭的海湾——深沪湾和泉州湾为研究对象,通过数值模拟的方法再现了当地的潮汐潮流,浅滩干湿变化,污染物的输运,百年一遇的台风过境引起的增水现象和台风生成的波浪特征,在此基础上进一步探讨了不同动力机制对当地泥沙动力特性的影响。
结果发现:福建沿岸的潮汐潮流以规则半日潮为主,由于潮差较大,一些浅滩、湿地和暗礁在低潮时会露出水面,在高潮时又重新被海水淹没,形成周期性的干湿变化过程。模拟结果还显示:当天文分潮由外海传入海湾时,动量和连续方程的非线性对流过程和海底的非线性摩擦耗散作用会导致主要分潮的衰减以及浅水分潮的增长,其直接结果就是造成涨落潮流过程的不对称从而成潮汐余流。潮汐余流的性质决定了污染物和底床沉积物长期的输运特性。
通过比较不同机制引起的增水可以发现:当百年一遇的台风过境狭小的浅水湾时,造成湾内增水的主要机制来自远场来水,而局地风场和气压场变化所导致的水位的变化相对来说要小得多。另外,如果研究海湾面积狭小,湾内水位的变化可以看成潮位变化和其它机制引起的水位变化的简单叠加,所得到的结果与在模型中同时考虑所有动力机制的计算结果的误差不超过1%。
引起泥沙垂向运动的动力机制主要包括潮流,海面风应力和波浪。它们都是通过改变海底摩擦应力的强度来调整底层水体与沉积物之间的泥沙通量。当海底摩擦应力超过泥沙掀起的临界应力时,表层沉积物会被掀起进入水体;反之,底层水体的泥沙沉降在原有的沉积物上形成新的表层沉积物。由于受临界摩擦应力制约,这两个过程是独立进行的,不可能同时发生。通过比较三种动力机制在深沪湾所产生的海底摩擦应力发现:波浪所引起的海底摩擦应力最大,比其它两种情况大一到两个量级,取决于波浪(有效波高)的大小。鉴于浅水湾的实际水深,海面风应力通过动量转换可以直接作用到海底,由此导致的海底摩擦应力一般不会小于潮流引起的海底摩擦应力,台风过境时甚至能高出一个量级。了解不同动力机制可以深化我们对局地泥沙动力特性的认识。随着区域经济的发展,港口、码头和船坞的开发建设都加剧了围垦项目的实施压力。科学合理的利用海域资源,以保证区域经济的可持续发展需要我们对相关项目规划给出正确的评估。本文通过数模对深沪湾和洛阳江湾的两个设计工况进行了研究,主要考察了围垦项目对局地水动力环境、泥沙冲淤以及污染物的扩散的影响,为决策者提供了理论依据。