黃河入海泥沙輸運及沉積過程的數值模擬

陳本中

【摘 要】論文主要對黃河入海泥沙輸運以及沉積過程進行數值模擬，首先進行了數值模擬方法的概述，而后模擬計算了黃河入海泥沙懸移輸砂率和懸移輸運沉積效應。

【Abstract】The paper mainly carries on the numerical simulation to the transportation and the deposition process of the sediment from Yellow River. First， a numerical simulation method is presented， then the suspedded sedimet discharqe and the sedimentation effect of the suspended sediment transport were calculated.

【關鍵詞】泥沙輸運；泥沙沉積；數值模擬

【Keywords】sediment transport； sediment deposition； numerical simulation

【中圖分類號】U212.23 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0162-02

1 引言

黃河發于青藏高原，流域面積達到了7.52×105km2，干流全長則達到了近5500km，為我國第二長的河流[1]。對黃河入海泥沙輸運以及沉積過程進行科學的數值模擬，在一定程度上可以明確侵蝕/沉積效應，豐富相關研究理論，為發展沿海經濟作出積極貢獻。

2 數值模擬方法概述

2.1 模式基本方程

本文在對黃河入海泥沙輸運及沉積過程展開數值模擬時，采用了可以專門對不同水體流體動力，以及輸運過程進行模擬的ECOMSED模式，并且將其作為了數值模擬的初始模型。該模式主要包括了ECON和SED兩個部分，其中，ECON能夠設置湍流和自由水位、溫度、密度、研讀、三方向速度分量兩個主要特征，將二者作為預報變量，SED這一物質輸送數值模擬系統，融合了沉積動力學的相關知識，能夠對非粘性和粘性的沉積物輸運、沉積、再懸浮整個過程進行顯示，而后可以對分層深度內的懸浮泥沙度進行準確計算。

根據上述理論形成的黃河入海泥沙輸運控制公式主要為三維輸運控制方程：

在該公式當中，C表示黃河入海泥沙的顆粒濃度、U表示x方向上水體流速、V表示y方向上水體流速、W表示z方向上水體流速、AH表示水平渦擴散率、KH表示垂向渦擴散率、WS表示黃河入海泥沙顆粒沉降速度[2]。

2.2 初始和邊界條件

本文在對黃河入海泥沙懸移輸砂率及通量進行數值模擬前，需要對數值模擬的初始條件與邊界條件進行劃分和明確。在此方面，本次數值模擬計算的網格由萊州灣南岸起，東至渤海海峽，西至渤海西岸，北至遼東灣頂。數值模擬實驗最初的計算時間設定為2013年1月1日，實驗結束時間為2014年12月12日。初始流的場設為靜止狀態，鑒于本次實驗主要進行數值模擬診斷計算，因而將溫鹽場設為定值，并在實驗中將黃河入海徑流與初始的泥沙濃度確定為邊界條件。除此以外，本文的相關研究當中在渤海海峽邊界，并未按照實際自然邊界進行設定，采用了理想化的水平海岸線與122.25°E經線之間的部分當做開邊界進行了處理。開邊界潮高、幅角均由分潮參數進行計算獲得，且得出結果后根據具體需要作出調整。

3 黃河入海泥沙懸移輸運過程時空特征

研究的過程中為了對黃河入海泥沙長期的懸浮輸運情況作出清晰的了解，根據上述模式基本方程、初始條件和邊界條件進行了2013—2014年全年的黃河入海泥沙濃度變化情況數值模擬。此處以2013年的數值模擬結果分析為例：①黃河入海泥沙輸運擴散過程在忽略懸浮作用的情況下，會受到季節變化的明顯影響。②2013年1月1日至1月15日的黃河入口泥沙投放當中，主要集中地區為黃河口、萊州灣，并且隨著時間的變化逐漸運輸至渤海海峽。③2013年1月15日至4月15日期間，黃河入海泥沙逐漸并且繼續擴散至萊州灣方向，并且發生少量泥沙流入黃海北部的情況，亦出現一部分泥沙流入渤海灣南岸的情況。④2013年4月15日至7月15日，黃河入海口的泥沙經過渤海灣開始逐漸向渤海西海岸以及北海岸進行擴散輸運。⑤2013年7月15日至9月15日，黃河入海泥沙在遼東灣地區的濃度變化并不十分明顯，但是泥沙濃度高值區卻出現在了渤海中部海盆地區，由此形成了渤海海盆、黃河口兩個主要泥沙擴散中心。

4 黃河入海泥沙懸移輸運沉積效應

對黃河入海泥沙懸移輸運沉積效應進行分析的主要目的在于，更加充分且詳細的了解黃河泥沙進入到渤海以后，不同輸運擴散輕度和季節變化之間的關系。本文主要選取了6個短片進行懸移泥沙輸送量的分析，確定北向與動向通量為正矢量方向，南向和西向為負矢量方向：？準=CVS=CVH×H1

注：C表示泥沙濃度；V表示水平速度；S表示側面積；H和H1表示垂直深度與水平寬度。

表1為忽略再懸浮作用的情況下，2014年渤海各個斷面的黃河入海泥沙輸送通量情況，據此可以分析黃河口附近各個斷面泥沙輸運沉積情況：

由上述數據可以發現，不計算再懸浮作用的情況下，斷面1-3泥沙懸浮輸運沉積分別出現了39.26%、54.21%和6.53%的輸送，而斷面4-6泥沙懸浮輸運沉積則分別出現了8.12%、22.33%和69.55%的輸送。整體上堆積在黃河水下三角洲外。若按照季節進行分析則可以發現，夏季和秋季的泥沙運輸量相對比較大，冬季的泥沙運輸量比較小，與黃河徑流存在密切關聯。

5 結論

綜上所述，黃河入海口泥沙懸移擴散的過程與季節存在著密切的關聯，每年各個月份的泥沙懸浮輸運濃度基本上分布在具有較強潮流能量的海域，且流速越大的情況下泥沙濃度越高，產生的泥沙沉積越嚴重。根據該結果可以制定黃河入海口泥沙輸運管理與控制措施，在加以合理利用的情況下促使該區域經濟健康發展。

【參考文獻】

【1】邢國攀，宋振杰，張勇，等.黃河釣口河口行水期泥沙輸運過程的三維數值模擬[J].海洋地質與第四紀地質，2016，05（06）：21-34.

【2】曾明，孫效功，范德江.黃河調水調沙期間入海泥沙沉積動力過程的數值模擬[J].中國海洋大學學報（自然科學版），2017，04（10）：81-92.