河口是陆海相互作用和人类生活高度聚集的关键区域。河口水沙物质输运不仅受到径流和潮汐等自然过程的驱动,同时也受到人类活动的深刻影响。长期以来的河口动力学研究,特别是对于多级分汊地貌结构的河口,重点关注主槽内纵向水沙输运结构,对横向交换的研究较少;而日益增多的河口局地重大工程,对河口动力场格局有着显著影响。长江河口的研究发现,主槽与浅滩之间的横向水体交换过程,将改变河口系统的水沙动力过程,从而影响我们对河口动力场的完整认知。河口的滩涂围垦、航道整治、水库建设等人类活动,已经显著改变滩槽地貌,由此引起河口纵、横向环流结构的变化,解析环流结构及其转化过程和机制,对加深我们对河口动力场的科学认识,分析人类活动的影响程度有科学和应用的重要意义。长江口是典型的多级分汊河口,其主要入海汊道的环流结构复杂,叠加近几十年来长江口深水航道、滩涂围垦等重大工程,亟需对河口动力场结构,特别是横向环流结构特性及其转化过程和机制开展研究。本文选择长江口为典型研究区域,重点研究分汊河口河槽之间的横向水体交换,并探索控制河槽环流结构、水体输运及其格局转化的机制。成果可为河口泥沙运动、地貌演变研究提供水动力学基础,为评估人类工程对河口影响与可持续发展提供科学依据。本研究基于实测资料分析和数值模型解析相结合的手段,旨在研究长江口的水体交换格局及其对航道导堤和围垦等人类工程的响应特征;探究分汊河口横向交换的关键过程;明晰横向交换对主槽环流结构的影响和机制并提出长江口横向环流模式;通过建立以断面形态为变量的理想模型,预测长江口河槽横向环流的结构变化趋势;结合现场观测数据分析,讨论横向环流格局转化背景下河口泥沙场的响应特征。本文取得的新认识包括:1.探明分汊河口横向越滩流在长江口水体输运中的功能,发现长江口人类工程已经显著影响水体横向输运过程及其结构。长江口自然状态下,各入海汊道横向越滩流余通量和纵向余通量同等重要。横向余流洪季方向自南向北,余通量为10~4 m~3/s量级;枯季方向自北向南,余通量为10~3 m~3/s量级,与纵向余通量的量级一致。受河口滩涂围垦、航道建设等工程影响,长江口北支、北港、北槽和南槽之间,洪季的横向越滩流余通量分别降低26%、33%、50%。河口工程不仅大幅阻隔水体的横向越滩输运,还在垂向上加剧北支、北港的水体层化,进一步减弱长江口与邻近海域的水体交换速率,计算结果表明,5天内离开长江口的水量比工程前减小10%。2.提出长江口横向环流模式。表现为自然状态的“上层越滩下层旋转”型;围垦后的“横向减弱旋转为主”型;导堤淹没导致的“南侧旋转北侧越堤”型。北港、北槽、南槽在自然状态下,断面上的横向环流结构模式相近:涨憩时段水体上层受越滩流驱动,呈现较强的自南向北运动,深槽中、下部表现为顺时针旋转流结构。围垦工程阻隔了越滩的横向流,使涨憩时段水体上层的强横向流消失,北港、北槽、南槽断面最大横向流速分别减小42%、43%和28%。同时,深槽处的旋转流范围扩大,强度减弱。北槽导堤建成后,涨潮过程中从九段沙浅滩越堤进入北槽的高盐度水团,会在北槽南侧浅滩形成强顺时针环流,使北槽断面表层盐度高于中、下层,垂向密度梯度出现翻转,促进北槽南侧浅滩处水体垂向混合,持续时间为1-2小时。3.阐明航道工程和地貌变化是造成北槽横向环流格局转化的主因,指出水体横向交换减弱和分层增强,导致悬沙垂向扩散被抑制。本文通过对比航道工程实施前后河口水动力结构、泥沙动力场特征,研究发现北槽深水航道工程带来的河槽窄深化导致了横向环流格局的转化。北槽涨憩时段横向环流结构在自然状态下表现为较强的南北交换结构;工程后横向流强度减弱,下层旋转流显著;水体垂向结构从工程前的非强层化状态,转变为强层化状态,断面上水体层化判别指标(水体势能函数)的增幅超过1倍。水体垂向层化的加剧,抑制了近底高浊度向水体中、上层的垂向扩散,使悬沙浓度垂向梯度显著增加。4.尝试采用深宽比研究航道浚深前后断面形态及其层化程度关系,发现在窄深河槽中,横向流速较小,水体受垂向流机制控制,层化程度剧烈。传统河流理论采用宽深比描述河道断面形态,用河道宽度开方后除以断面平均深度。在河口区域由于河宽很大,平均深度会掩盖深槽中部航道浚深带来的改变。本文针对河口地区实际情况,选取深宽比描述断面形态,深宽比即最大深度除以平均河宽,以强调水深的变化,并基于深宽比将长江口北港、北槽和南槽分类。经检验,深宽比可以更好地描绘河口航道浚深工程带来的断面形态改变。研究表明,在窄深型河槽中,水体的垂向结构则始终保持较为剧烈的层化状态,不再变化。通过对控制水体层化-混合的物理机制分解,发现垂向流作用是窄深型河槽强层化的主导控制因素,在各机制项中所占的比例始终大于20%。总体上,长江口横向环流特征在人类活动的强烈干预下,已呈现明显的格局转化趋势。滩涂围垦、深水航道等人类工程,阻隔了河口不同汊道之间的横向越滩交换,使自然状态下横向、纵向量级相同的余通量输运格局,转变为纵向输运占主导。在越滩流被阻隔、河槽趋于窄深的背景下,河道内横向环流结构从南北强交换模式,转化为旋转流占主导的低流速格局,水体垂向分层加剧。对分汊河口横向环流格局转化的研究和预测,弥补了分汊河口横向环流理论体系的不足,可以加深对强人类干预下河口动力地貌过程的认识,并为河口的治理和保护提供重要科技支撑。