潮汐深槽动力地貌过程及工程效应研究——以渤海湾曹妃甸近岸海区为例

摘要

作为一种特殊的海岸动力地貌类型，潮汐通道系统是各种自然资源比较丰富而又集中的地区，不仅在港口航道建设、水产养殖、生态环境保护、旅游休闲、矿产资源勘探等方面具有重要的经济价值，还是研究海岸演变、水沙输移、海陆物质能量交换、海湾-泻湖生态系统以及人类活动影响等方面的绝佳场所。曹妃甸近岸海区发育两个大型潮汐深槽，其“面向大海有深槽，背靠陆地有滩涂”为大型深水港口建设和临港产业发展提供了得天独厚的条件。本文以渤海湾曹妃甸近岸海区为例，应用潮汐通道系统理论，采用动力地貌分析和数值模拟计算相结合的方法，研究了本海区的海岸地貌特征与水沙输移模式、形成发育与现代演变过程，应用波流作用下的2D水沙数学模型探讨了两个潮汐深槽的主要动力形成机制，分析论证和量化了各种人类活动所产生的动力地貌演变效应。主要研究成果包括： (1)本海区甸南深槽和老龙沟是两个不同性质的潮汐深槽，两者有着明显不同的潮汐动力背景和形成条件，应用数学模型对两个潮汐深槽不同的动力形成机制进行了模拟与探讨。即曹妃甸岬角地貌引起的局部潮流增大是甸南深槽形成的主要动力条件，而漫滩水流归槽和狭窄口门束水作用导致流速增大则是维持老龙沟通道深槽水深的主要动力。 (2)在潮汐通道系统的形成发育过程中，曹妃甸近岸海区先后经历了潮汐动力控制的浅海沉积环境、径流与波浪动力作用的三角洲快速淤展环境、波浪与潮流动力作用的沙坝蚀退环境等3个主要演变阶段。由于上游建库滦河入海泥沙锐减，沿岸泥沙供给不足，近10年来本海区整体呈冲刷态势；老龙沟口门深槽受东坑坨沙岛西南末端淤长的压迫，具有向西摆动的趋势。 (3)针对本海区泥沙输运与海床演变具有波流共同作用的特点，应用波流作用下的二维水沙数学模型对曹妃甸近岸海区的水沙运动过程进行了详细验证；在对各种人类活动影响定性分析的基础上，应用该模型论证和量化了曹妃甸港区开发所引起的动力地貌演变效应，相关研究成果对本海区的合理开发与保护具有重要的指导意义。

目录

文摘

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声明

第一章 绪论

1.1问题的提出

1.1.1复杂而重要的潮汐通道系统

1.1.2潮汐通道系统的分类及特征

1.1.3研究目的与意义

1.2国内外研究进展述评

1.2.1潮汐通道成因及演化

1.2.2潮汐通道稳定性分析

1.2.3现代动力沉积过程

1.2.4系统对人类活动的响应

1.2.5动力地貌演变的数值模拟

1.2.6曹妃甸海区研究概况

1.3主要研究内容与创新点

1.3.1主要研究内容

1.3.2主要创新点

1.4研究方法与技术路线

第二章海岸地貌体系与水沙输移

2.1曹妃甸邻近海区动力地貌概况

2.1.1曹妃甸邻近海区地形地貌概况

2.1.2曹妃甸邻近海区水动力概况

2.2甸南深槽海岸地貌体系

2.2.1曹妃甸沙岛与浅滩

2.2.2甸南深槽

2.3老龙沟堡岛-泻湖型潮 汐通道系统

2.3.1蛤坨-东坑坨离岸沙坝

2.3.2老龙沟泻湖湾

2.3.3口门通道深槽与拦门沙

2.4水动力与泥沙输移特征

2.4.1潮汐与潮流特征

2.4.2波浪特征

2.4.3悬沙输移特征

2.4.4表层沉积物

2.4.5动力输沙模式与特征

2.5本章小结

第三章 海岸地貌体系的形成发育与现代演变

3.1潮汐通道系统的形成发育

3.1.1滦河废弃三角洲海岸与潮汐通道系统的形成发育

3.1.2曹妃甸近岸海区动力沉积环境演变

3.2基于DEM的滩槽现代冲淤演变特征

3.2.1曹妃甸近岸海区数字地形高程模型(Dem)的构建

3.2.2滩槽冲淤变化总趋势

3.2.3甸南深槽冲淤变化

3.2.4老龙沟潮汐通道冲淤变化

3.3近期滩槽冲淤演变主因分析

3.4本章小结

第四章 波流作用下的二维水沙数学模型验证与分析

4.1模型中关键问题的处理

4.1.1波浪与潮流联合作用下的挟沙能力

4.1.2底床冲淤判别条件

4.1.3床沙与悬沙级配概化

4.2计算域网格生成与水文测站分布

4.3潮位、潮流过程验证

4.3.1潮位过程验证

4.3.2潮流流速、流向过程验证

4.3.3验证结果分析

4.4含沙量过程验证

4.5海床冲淤变形验证

4.6本章小结

第五章 深槽动力形成机制

5.1潮汐通道深槽的动力形成机制

5.1.1甸南深槽

5.1.2老龙沟潮汐通道深槽

5.2动力形成机制的概化模拟

5.2.1不同地形条件下的潮流场

5.2.2不同地形条件下的水动力变化

5.3本章小结

第六章水沙动力环境对人类活动的响应

6.1主要人类活动及其海岸动力地貌演变效应

6.1.1接岸大堤工程

6.1.2滩涂围填工程

6.1.3海床采沙与港池开挖工程

6.1.4滦河上游建库与引水工程

6.2港区开发引起的水沙动力环境变化

6.2.1曹妃甸港区规划方案概况

6.2.2方案实施后水动力条件的变化

6.2.3方案实施后正常气象条件下的泥沙冲淤强度

6.3曹妃甸近岸海区合理开发的基本原则

6.4本章小结

第七章结论与展望

7.1主要结论

7.2展望

主要参考文献

作者攻博期间发表的论文

致谢