黄河口不同流路入海水沙输运扩散研究

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河流携带淡水、泥沙和污染物等入海,形成冲淡水并引起河口三角洲的冲淤变化。冲淡水为海洋提供营养盐,冲淡水的浊度影响透光度,对海洋生态环境有很大的影响。黄河自古以高含沙量著称,由于泥沙沿岸淤积致使黄河尾闾频繁改道,从北边连接渤海湾的刁口河口,到南边连接莱州湾的清水沟老河口,再到现在的连接渤海中心的现行河口。河口的改道影响入海水沙输运和扩散,进而影响近海水文和海岸冲淤变化。本文综合考虑径流、潮汐、风应力、地形、波浪和海表热通量等,建立高分辨率黄河入海水沙输运的三维数值模式,模拟和分析黄河入海水沙输运过程和动力机制,不仅具有重要的科学意义,同时对海洋生态环境和渔业资源保护具有重要的应用意义。本文以不同入海流路时期新老黄河口及其邻近海域为研究区域,模拟和定量分析刁口河口时期(1964–1976年)、清水沟老河口时期(1976–1996年)和现行河口时期(1996年至今)黄河口邻近海域冲淡水和泥沙输运扩散过程,阐明动力机制,取得以下主要结论:(1)现行河口时期黄河冲淡水扩展及其动力机制。在仅有径流的作用下,淡水出口门后首先向上游(开尔文波传播的相反方向)流动,然后在科氏力的作用下顺时针旋转流向下游(开尔文波传播的方向),在河口的北侧形成一个低盐水团。考虑潮汐作用后,潮汐的垂向混合作用使得河口的北侧形成一个很强的盐度梯度,阻碍了冲淡水向北扩展,导致河口北侧的低盐水团消失。海表热通量使得层化作用变强,冲淡水向外海扩展更远。风应力导致冲淡水向艾克曼输运的方向扩展。(2)黄河不同入海流路对冲淡水扩展的影响。刁口河口时期,冲淡水主要聚集在渤海湾南部河口周围,冬季一部分淡水在北风的作用下沿岸向下游扩展,夏季一部分冲淡水在南风的作用下向东扩展。从1964年到1976年,刁口河口附近水深变浅,水体垂向混合增强,冲淡水扩展变窄变长。清水沟老河口时期,冬季冲淡水聚集在莱州湾顶;夏季冲淡水布满整个莱州湾,并出莱州湾后向东扩展。现行河口时期,冬季冲淡水出口门后首先向上游扩展,然后在科氏力的作用下顺时针旋转流向下游进入莱州湾;夏季冲淡水在南风的作用下向东北方向扩展,一部分淡水向下游进入莱州湾。(3)现行河口入海泥沙的输运扩散过程和动力机制。以2012年为计算年,夏季泥沙浓度高值区位于黄河口、河口南部以及莱州湾北部。河口北部泥沙主要向东北方向输运,南部泥沙主要向下游输运,沿岸净泥沙通量在大潮期间为1.7×10~8 kg(正值表示向下游输运),小潮期间为3.2×10~8 kg(断面3,位于现行河口和清水沟之间)。冬季风浪较强,底切应力较大,黄河三角洲沿岸底层泥沙浓度较高,泥沙向下游的输运也增强。河口南部沿岸净泥沙通量在大小潮期间分别为1.3×10~9 kg和2.2×10~9 kg(断面3)。潮汐对黄河入海泥沙输运的影响,主要体现在潮汐的垂向混合作用上。在没有潮汐作用的情况下,总底切应力减小导致底床泥沙起悬量减少,水体分层导致底层泥沙向上扩散受阻。河口南部沿岸的泥沙向下游方向的输运减弱,夏季大小潮期间穿过断面3的净泥沙通量分别为2.9×10~7 kg和-2.6×10~7 kg(负值表示向上游输运);冬季大小潮期间分别为-1.9×10~8 kg和7.7×10~7 kg。波浪导致黄河三角洲沿岸底切应力增大,泥沙浓度升高,泥沙输运也增强。波浪作用在冬季最为明显,没有波浪作用,冬季大潮和小潮期间河口南部沿岸的净泥沙通量分别减小到3.7×10~8 kg和2.0×10~8 kg(断面3)。(4)刁口河口时期(1965年)和清水沟老河口时期(1994年)黄河不同入海流路下泥沙输运扩散。在刁口河口时期,夏季泥沙浓度高值区位于渤海湾南部向下游直至现行河口处,表层泥沙主要受偏南风的作用向东北方向输运,底层泥沙受斜压梯度力的作用向河口方向输运。夏季河口沿岸的净泥沙通量在大小潮期间分别为9.5×10~7 kg和9.0×10~7 kg(断面6,位于刁口河口)。冬季风速增大导致底切应力增大,黄河三角洲沿岸和莱州湾东南沿岸泥沙浓度较高;河口附近表层泥沙主要向东输运,底层泥沙主要向西输运;河口沿岸的净泥沙通量在大小潮期间分别为-2.5×10~8 kg和-1.5×10~9 kg(断面6)。在清水沟老河口时期,夏季总底切应力较小,黄河三角洲沿岸和河口附近泥沙浓度较低;表层泥沙受偏南风的作用向北输运,底层泥沙向河口方向输运。夏季河口沿岸的净泥沙通量在大小潮期间分别为2.3×10~8 kg和7.6×10~7 kg(断面8,位于清水沟老河口)。冬季风速增大导致波浪作用增强,黄河三角洲东北沿岸、河口处和莱州湾内波浪底切应力较大,泥沙浓度较高;表层泥沙主要向外海输运,底层泥沙主要向河口方向输运;河口沿岸的净泥沙通量在大小潮期间分别为-1.7×10~7 kg和1.0×10~9 kg(断面8)。
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