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基于多模型耦合的潮汐通道地貌特征数值模拟与演变机制研究一、引言1.1研究背景与意义潮汐通道作为连接海洋与内陆水域的关键纽带，在海洋生态系统维持、海岸工程建设以及海洋资源开发等领域扮演着举足轻重的角色。从海洋生态视角出发，潮汐通道是众多海洋生物的洄游路径与栖息场所，其独特的水动力条件和地貌特征，为海洋生物提供了多样化的生存环境，对海洋生物多样性的保护意义非凡。以长江口潮汐通道为例，这里是中华鲟等珍稀物种的重要洄游通道，每年大量中华鲟会沿着潮汐通道往返于海洋与长江上游的产卵场，潮汐通道的稳定与否，直接关系到这些珍稀物种的繁衍和生存。在海岸工程方面，潮汐通道的稳定性和演变规律是港口、航道等工程建设的重要考量因素。例如，天津港的建设就充分考虑了渤海湾潮汐通道的特性，潮汐通道的水动力条件决定了港口的选址、航道的走向以及防波堤的设计等。若对潮汐通道的研究不足，可能导致港口淤积严重，影响船舶通航，增加维护成本，甚至威胁到工程的安全运营。随着海洋资源开发的不断深入，潮汐通道的重要性愈发凸显。潮汐能作为一种清洁、可再生能源，其开发利用与潮汐通道的水动力特性密切相关。合理开发潮汐能不仅有助于缓解能源压力，还能减少对传统化石能源的依赖，降低碳排放，对实现可持续发展目标具有重要意义。如法国朗斯潮汐电站，依托朗斯河口的潮汐通道，成功实现了潮汐能的大规模开发利用，为当地提供了大量清洁能源。然而，潮汐通道地貌受到多种复杂因素的交互影响，包括潮汐、波浪、海流、泥沙输运以及人类活动等，其演变过程极为复杂。传统的研究方法，如实地观测和物理模型试验，虽然能够获取一定的现场数据，但存在观测范围有限、成本高昂以及难以全面揭示复杂的相互作用机制等弊端。数值模拟技术的兴起，为潮汐通道地貌研究开辟了新的路径。通过建立数值模型，可以对潮汐通道内的水流运动、泥沙输移和地貌演变进行系统模拟，深入探究各因素之间的内在联系和作用规律，从而为海洋生态保护、海岸工程设计以及海洋资源开发提供更为科学、精准的决策依据。例如，在荷兰瓦登海潮汐通道体系的研究中，通过数值模拟，清晰地揭示了泥沙在潮汐通道与近岸区域的交换过程，为当地利用补沙育滩来管理和维护海岸提供了关键的科学指导。1.2国内外研究现状在潮汐通道地貌特征的研究领域，国外起步相对较早。早期，学者们主要通过实地观测和简单的理论分析来探索潮汐通道的基本特征。例如，在20世纪中叶，美国学者对切萨皮克湾潮汐通道进行了长期观测，详细记录了通道内的水流速度、水位变化以及泥沙分布等数据，初步揭示了潮汐通道的水动力与泥沙输运的基本规律。随着技术的发展，物理模型试验逐渐成为重要的研究手段。在20世纪70年代，荷兰科学家利用大型物理模型，模拟了瓦登海潮汐通道体系，深入研究了潮汐、波浪和泥沙之间的相互作用，为潮汐通道地貌演变的研究提供了重要的实验依据。数值模拟技术在国外潮汐通道研究中的应用始于20世纪80年代。随着计算机技术的飞速发展，数值模型不断完善，能够更准确地模拟潮汐通道内复杂的水动力过程和地貌演变。如丹麦水力学研究所开发的MIKE系列模型，被广泛应用于全球多个潮汐通道的研究中。通过该模型，研究者对英国泰晤士河河口潮汐通道进行模拟，成功预测了通道内的水流结构和泥沙输移路径，为河口的治理和保护提供了科学依据。近年来，国外在潮汐通道数值模拟研究中，更加注重多学科交叉融合，结合海洋学、地质学、生态学等学科知识，深入探究潮汐通道地貌演变对生态系统的影响。国内对潮汐通道地貌特征的研究，早期主要集中在对河口海岸地区潮汐通道的形态描述和简单的动力分析。20世纪80年代，我国学者对长江口、黄河口等大型河口潮汐通道进行了系统的地貌调查，分析了潮汐通道的平面形态、纵剖面特征以及沉积物分布规律。此后，物理模型试验在国内逐渐开展，为潮汐通道的研究提供了更直观的认识。如在珠江口伶仃洋潮汐通道的研究中，通过物理模型试验，深入探讨了通道内的潮流特性和泥沙淤积规律，为珠江口的航道整治提供了重要参考。数值模拟技术在国内潮汐通道研究中的应用相对较晚，但发展迅速。20世纪90年代以来，国内学者开始引进和开发适合我国海域特点的数值模型。如基于有限差分法、有限元法等数值方法，建立了一系列潮汐潮流和泥沙输运模型，对我国多个潮汐通道进行了数值模拟研究。在胶州湾潮汐通道的研究中，利用自主开发的数值模型，模拟了通道内的水动力和地貌演变过程，揭示了人类活动对潮汐通道的影响机制。近年来，国内在潮汐通道数值模拟研究方面，不断拓展研究领域，加强对复杂地形、多因素耦合作用以及长期演变过程的模拟研究。尽管国内外在潮汐通道地貌特征研究及数值模拟应用方面取得了丰硕成果，但仍存在一些不足之处。在数值模拟方面，部分模型对复杂地形的处理能力有限，难以准确模拟潮汐通道内的局部水流和泥沙运动；对多因素耦合作用的模拟，如潮汐、波浪、海流和人类活动等因素的综合影响，还存在一定的局限性；此外，模型的验证和校准工作，仍依赖于有限的现场观测数据，数据的时空覆盖范围有待进一步扩大。在地貌特征研究方面，对潮汐通道地貌演变的长期趋势预测能力不足，缺乏对不同时间尺度下地貌演变机制的深入理解；对潮汐通道生态地貌的研究相对薄弱，未能充分揭示地貌特征与生态系统之间的相互关系。本文旨在针对现有研究的不足，通过改进数值模型，提高对复杂地形和多因素耦合作用的模拟能力；结合更丰富的现场观测数据，对模型进行精细验证和校准；深入研究潮汐通道地貌演变的长期趋势和生态地貌特征，以期为潮汐通道的科学管理和可持续发展提供更全面、准确的理论支持。1.3研究目标与内容本研究旨在借助先进的数值模拟技术，深入剖析潮汐通道地貌特征及其演变规律，为潮汐通道的科学管理和合理开发提供坚实的理论依据和技术支撑。具体研究目标如下：构建高精度数值模型：建立能够准确模拟潮汐通道水动力和泥沙输移过程的数值模型，充分考虑潮汐、波浪、海流、地形等多因素的耦合作用，提高模型对复杂物理过程的模拟能力。揭示地貌演变机制：通过数值模拟和数据分析，深入探究潮汐通道地貌演变的内在机制，明确各因素在地貌演变过程中的作用方式和相对贡献，为预测潮汐通道的长期演变趋势奠定基础。评估人类活动影响：定量评估人类活动，如围填海、港口建设、航道疏浚等，对潮汐通道地貌的影响程度，提出针对性的保护和修复措施，以实现潮汐通道的可持续发展。验证和优化模型：利用现场观测数据和历史资料，对建立的数值模型进行全面验证和校准，不断优化模型参数和算法，提高模型的可靠性和预测精度。围绕上述研究目标，本研究拟开展以下具体内容：数据收集与整理：广泛收集研究区域内的潮汐、波浪、海流、地形、沉积物等相关数据，以及历史海图、遥感影像等资料。对数据进行系统整理和分析，为后续的数值模拟和研究提供数据支持。例如，收集长江口潮汐通道多年的潮位、流速、流向数据，以及不同时期的水下地形测量数据，建立长江口潮汐通道基础数据库。数值模型建立与验证：基于计算流体力学原理，选用合适的数值方法，如有限差分法、有限元法或有限体积法，建立潮汐通道水动力和泥沙输移的数值模型。通过与现场观测数据和已有研究成果进行对比，对模型进行验证和校准，确保模型的准确性和可靠性。以黄河口潮汐通道为例，利用有限体积法建立三维水动力和泥沙输移模型，将模拟结果与黄河口实测的流速、流向、含沙量等数据进行对比，不断调整模型参数，使模型能够准确模拟黄河口潮汐通道的水动力和泥沙输移过程。地貌特征分析：运用建立的数值模型，对潮汐通道的地貌特征进行模拟分析，包括通道的平面形态、纵剖面特征、横断面特征等。研究不同地貌特征的形成机制和影响因素，以及地貌特征在不同时间尺度下的变化规律。以珠江口伶仃洋潮汐通道为例，通过数值模拟分析伶仃洋潮汐通道的平面形态演变，探讨河口拦门沙的形成与演变机制，以及其对潮汐通道水动力和泥沙输移的影响。影响因素分析：深入研究潮汐、波浪、海流、泥沙输运、地形等因素对潮汐通道地貌演变的影响。通过数值实验，分析各因素的单独作用和相互耦合作用，明确各因素在地貌演变过程中的主次关系和关键作用点。例如，在渤海湾潮汐通道研究中，通过数值模拟分别改变潮汐、波浪、海流的强度和方向，观察渤海湾潮汐通道地貌的变化，分析各因素对渤海湾潮汐通道地貌演变的影响程度和作用机制。人类活动影响评估：考虑围填海、港口建设、航道疏浚等人类活动对潮汐通道地貌的影响，将人类活动因素纳入数值模型中进行模拟分析。评估人类活动导致的潮汐通道水动力和泥沙输移变化，以及由此引起的地貌演变和生态环境效应。以曹妃甸港区开发为例，利用数值模型模拟曹妃甸港区围填海前后潮汐通道的水动力和泥沙输移变化，分析围填海工程对曹妃甸潮汐通道地貌演变的影响，评估其对海洋生态环境的潜在影响。保护与修复策略研究：根据研究结果，结合潮汐通道的实际情况，提出科学合理的保护和修复策略。包括制定合理的开发规划、加强生态保护措施、优化工程设计等，以减少人类活动对潮汐通道地貌的负面影响，维护潮汐通道的生态平衡和可持续发展。如针对胶州湾潮汐通道的保护与修复，提出限制围填海活动、加强入海河流污染治理、开展生态修复工程等具体措施，以恢复胶州湾潮汐通道的生态功能和地貌稳定性。1.4研究方法与技术路线本研究综合运用多种研究方法，旨在全面、深入地探究潮汐通道地貌特征。数值模拟方法是核心手段，借助先进的计算流体力学（CFD）技术，构建高精度的潮汐通道水动力和泥沙输移数值模型。在模型构建过程中，选用有限体积法对控制方程进行离散求解。有限体积法在处理复杂边界条件和不规则网格时具有独特优势，能够精确地捕捉潮汐通道内的水流运动和泥沙输移细节。例如，在模拟长江口潮汐通道时，有限体积法可以灵活地适应长江口复杂的地形地貌，包括河口宽窄变化、水下沙洲分布等情况，准确地计算出水流在不同区域的流速、流向以及泥沙的输移路径和淤积分布。为了实现对潮汐、波浪、海流、地形等多因素耦合作用的模拟，模型中集成了多个物理模块。潮汐模块基于调和分析方法，考虑多个主要分潮的作用，精确模拟潮汐的周期性涨落过程。通过对历史潮汐数据的分析，确定各分潮的调和常数，从而准确地再现潮汐的变化规律。波浪模块采用SWAN（SimulatingWAvesNearshore）模型，该模型能够考虑波浪的生成、传播、折射、绕射和破碎等复杂过程。在模拟渤海湾潮汐通道时，SWAN模型可以根据渤海湾的风场条件、水深地形等因素，准确地计算出波浪的参数，如波高、波长、波向等，为研究波浪对潮汐通道地貌的影响提供了可靠的数据支持。海流模块则考虑了风生流、密度流等多种因素，通过求解动量方程来确定海流的流速和流向。地形模块则利用高精度的地形数据，如多波束测深数据、LiDAR（LightDetectionandRanging）测量数据等，准确地描述潮汐通道的地形地貌特征。将这些物理模块进行有机耦合，能够全面地模拟潮汐通道内复杂的水动力和泥沙输移过程。除了数值模拟方法，还结合了现场观测和数据分析方法。在研究区域内设置多个观测站位，运用先进的测量仪器，如声学多普勒流速剖面仪（ADCP）、激光粒度仪、水质多参数监测仪等，实时获取潮汐、波浪、海流、含沙量、水质等数据。通过对这些现场观测数据的分析，不仅可以验证数值模型的准确性，还能为模型提供更加准确的初始条件和边界条件。例如，在珠江口伶仃洋潮汐通道的研究中，通过在通道内设置多个ADCP观测站位，获取了不同位置、不同时刻的流速、流向数据。将这些数据与数值模拟结果进行对比，发现两者具有较好的一致性，从而验证了数值模型的可靠性。同时，利用激光粒度仪对海底沉积物进行粒度分析，获取了沉积物的粒径分布、分选性等参数，为研究泥沙的输移和沉积过程提供了重要依据。研究还采用了敏感性分析和参数优化方法。通过改变数值模型中的参数，如糙率、泥沙沉降速度、波浪破碎系数等，分析各参数对模拟结果的影响程度，从而确定模型的敏感参数。在此基础上，运用优化算法对敏感参数进行优化，提高模型的模拟精度。例如，在研究胶州湾潮汐通道地貌演变时，通过敏感性分析发现糙率和泥沙沉降速度对模拟结果的影响较大。利用遗传算法对这两个参数进行优化，使模型能够更好地再现胶州湾潮汐通道的地貌演变过程。本研究的技术路线如下：首先，广泛收集研究区域内的潮汐、波浪、海流、地形、沉积物等相关数据，以及历史海图、遥感影像等资料，并对数据进行整理和预处理。然后，基于有限体积法建立潮汐通道水动力和泥沙输移的数值模型，对模型进行初始化设置，并利用现场观测数据进行验证和校准。在校准后的模型基础上，进行不同工况下的数值模拟实验，分析潮汐通道的地貌特征及其演变规律，包括通道的平面形态、纵剖面特征、横断面特征等。同时，研究潮汐、波浪、海流、泥沙输移、地形等因素对潮汐通道地貌演变的影响，以及人类活动对潮汐通道地貌的影响。最后，根据研究结果提出科学合理的保护和修复策略，并对研究成果进行总结和展望。技术路线图如图1所示：[此处插入技术路线图，图中清晰展示从数据收集到模型建立、模拟分析、结果讨论以及策略提出的整个流程，各步骤之间用箭头清晰连接，标注关键环节和数据流向][此处插入技术路线图，图中清晰展示从数据收集到模型建立、模拟分析、结果讨论以及策略提出的整个流程，各步骤之间用箭头清晰连接，标注关键环节和数据流向]二、潮汐通道地貌特征与形成机制2.1潮汐通道地貌特征概述2.1.1平面形态特征潮汐通道在平面上呈现出丰富多样的形态，其走向与海岸形态密切相关。在基岩海岸地区，潮汐通道通常受基岩地形的控制，走向较为稳定，常沿着基岩的断裂、节理等薄弱部位发育。例如，胶州湾潮汐通道，其走向基本与胶州湾的轮廓一致，受到周边基岩山体的约束。这种基岩控制的潮汐通道，平面形态相对规则，弯曲程度较小。而在砂质海岸和淤泥质海岸，潮汐通道的走向则更多地受到潮汐、波浪和泥沙输运的影响。在一些开阔的砂质海岸，潮汐通道可能会随着沿岸流和波浪的作用而发生迁移。如美国北卡罗来纳州的哈特拉斯角附近的潮汐通道，由于受到强大的沿岸流和季节性风暴浪的影响，通道的走向在几十年间发生了明显的变化，呈现出一定的摆动特征。潮汐通道的弯曲程度也各不相同。一些潮汐通道具有明显的弯曲形态，形成类似于蛇形的平面形状。这种弯曲形态的形成与潮汐水流的惯性、科里奥利力以及海底地形的起伏有关。当潮汐水流进入通道时，由于受到科里奥利力的作用，水流会向一侧偏移，导致通道逐渐弯曲。海底的沙洲、浅滩等地形起伏也会影响水流的方向，促使通道发生弯曲。以长江口南支潮汐通道为例，其在平面上呈现出多个弯曲段，这些弯曲段的存在使得水流在通道内的运动更加复杂，也影响了泥沙的输运和沉积过程。分支情况也是潮汐通道平面形态的重要特征之一。部分潮汐通道会出现分支现象，形成复杂的通道网络。分支的产生通常与河口地区的水流分汊、岛屿的存在以及海底地形的变化有关。在珠江口，由于众多岛屿的分隔和水流的相互作用，潮汐通道呈现出复杂的分支结构。伶仃洋内的潮汐通道分支众多，不同分支的水流特性和泥沙输运规律存在差异，这对珠江口的航道规划和港口建设产生了重要影响。潮汐通道的平面形态与海岸形态之间存在着相互作用的关系。海岸形态为潮汐通道的发育提供了基础条件，而潮汐通道的演变又会反过来影响海岸的形态。在淤泥质海岸，潮汐通道的冲刷和淤积会导致海岸的进退变化。当潮汐通道发生淤积时，会使海岸向海推进；而通道的冲刷则可能导致海岸后退。这种相互作用在黄河口地区表现得尤为明显，黄河口的潮汐通道不断演变，使得周边的海岸形态也处于动态变化之中。2.1.2剖面形态特征潮汐通道的横剖面形态具有独特的特点，其形状和深度变化反映了潮汐、波浪和泥沙输运等多种因素的综合作用。在横剖面上，潮汐通道通常呈现出中间深、两侧浅的形态，类似于“U”型或“V”型。这种形态的形成与潮汐水流的冲刷作用密切相关。在涨潮和落潮过程中，强大的潮汐水流在通道中间流速较快，对海底的冲刷作用较强，从而形成了较深的槽沟；而在通道两侧，水流速度相对较慢，泥沙容易淤积，导致地势相对较高。以渤海湾曹妃甸潮汐通道为例，其横剖面在低潮位时，中间槽沟的深度可达10-15米，而两侧的浅滩水深一般在2-5米左右。在一些受波浪作用较强的潮汐通道，横剖面形态可能会更加复杂。波浪的作用会使海底泥沙发生再悬浮和搬运，在通道两侧形成沙坝等地貌形态，进一步改变横剖面的形状。在江苏沿海的一些潮汐通道，由于受到黄海波浪的影响，在通道两侧形成了明显的沙坝，横剖面呈现出中间深槽、两侧沙坝的形态。潮汐通道的纵剖面形态同样复杂多样，其深度变化和坡度特征在不同的区域存在差异。从陆向海，潮汐通道的纵剖面通常呈现出逐渐加深的趋势。在靠近陆地的一端，由于河流的注入和陆源泥沙的堆积，水深相对较浅；随着向海延伸，潮汐的作用逐渐增强，通道逐渐加深。如长江口潮汐通道，从长江口内的浅水区向口外逐渐加深，在口门附近水深可达数十米。潮汐通道纵剖面的坡度也不尽相同。在一些河口地区，由于河流的径流作用较强，潮汐通道的纵剖面坡度相对较陡，以利于河水的排泄。而在一些开阔的海湾地区，潮汐通道的纵剖面坡度则相对较缓。在胶州湾潮汐通道，靠近湾口的部分纵剖面坡度较缓，一般在0.1‰-0.5‰之间，这与该区域的潮汐和海流特性有关。在潮汐通道的纵剖面上，还可能存在一些特殊的地形起伏，如沙脊、浅滩等。这些地形起伏的形成与潮汐水流的分流、汇聚以及泥沙的沉积有关。在珠江口伶仃洋潮汐通道的纵剖面上，存在着一系列的沙脊，这些沙脊对水流的运动和泥沙的输运产生了重要影响，使得伶仃洋内的水动力条件和地貌演变更加复杂。2.1.3地貌单元组成潮汐通道包含多个独特的地貌单元，这些地貌单元相互关联，共同构成了潮汐通道复杂的地貌体系。涨潮流三角洲是潮汐通道的重要地貌单元之一，它位于潮汐通道的内侧，是在涨潮过程中，潮流携带的泥沙在通道内堆积形成的。涨潮流三角洲通常呈现出扇形或舌状，其沉积物主要来源于外海，颗粒较粗，以砂质为主。在胶州湾潮汐通道，涨潮流三角洲的沉积物中砂的含量可达70%-80%。涨潮流三角洲的发育与潮汐的强弱、泥沙的供给以及通道的几何形态等因素密切相关。当潮汐较强，泥沙供给充足时，涨潮流三角洲的规模会较大。落潮流三角洲则位于潮汐通道的外侧，是在落潮过程中，潮流携带的泥沙在通道口外堆积形成的。落潮流三角洲的形态一般比涨潮流三角洲更为复杂，其沉积物颗粒相对较细，除了砂质外，还含有较多的粉砂和黏土。在长江口潮汐通道，落潮流三角洲的沉积物中粉砂和黏土的含量可达30%-40%。落潮流三角洲的发育受到潮汐、波浪和沿岸流等多种因素的影响。波浪的作用会使落潮流三角洲的边缘受到侵蚀，而沿岸流则可能会将落潮流三角洲的泥沙搬运到其他区域。潮滩是潮汐通道周边常见的地貌单元，它是在潮汐涨落过程中，泥沙在海岸带堆积形成的。潮滩的地形较为平坦，沉积物以细粒的粉砂和黏土为主。潮滩根据其与潮汐的关系，可分为高潮滩、中潮滩和低潮滩。高潮滩在高潮位时被海水淹没，低潮位时露出水面；中潮滩在大部分时间内处于干湿交替的状态；低潮滩则在低潮位时才露出水面。潮滩的发育与泥沙的供给、潮汐的强弱以及海岸的地形等因素有关。在淤泥质海岸，由于泥沙供给丰富，潮汐作用较强，潮滩的发育较为广泛。江苏沿海的淤泥质海岸，潮滩宽度可达数公里，是重要的湿地生态系统。除了上述主要地貌单元外，潮汐通道还可能包含其他一些地貌形态，如沙波、沙脊等。沙波是在水流作用下，海底泥沙堆积形成的波状起伏地形，其波长和波高大小不一，通常与水流的流速和泥沙的粒径有关。沙脊则是长条状的海底堆积地貌，它的形成与潮汐水流的分流、汇聚以及泥沙的沉积有关。在渤海湾潮汐通道，存在着一系列的沙脊，这些沙脊对潮汐通道内的水流和泥沙输运产生了重要影响。2.2潮汐通道形成机制2.2.1潮汐动力作用潮汐作为塑造潮汐通道地貌的关键动力，其涨落过程对通道地貌产生了多方面的深刻影响。潮汐涨落过程中，潮流流速和流向呈现出复杂的变化规律。在涨潮阶段，海水从外海向潮汐通道涌入，潮流流速逐渐增大。以长江口潮汐通道为例，在大潮期间，涨潮流速在口门附近可达1-2米/秒。随着潮水向内陆推进，由于通道宽度和水深的变化，流速也会发生相应改变。当潮流进入狭窄的通道段时，流速会进一步加快，产生较强的冲刷力；而在开阔的区域，流速则相对减缓。在黄河口潮汐通道，涨潮时潮流在狭窄的河槽内流速加快，对河槽底部和两岸的冲刷作用明显，使得河槽不断加深和拓宽。落潮阶段，潮流则由内陆向海洋回流，流速同样会受到通道地形的影响。在落潮初期，由于水位差较大，潮流流速迅速增大，对通道内的泥沙产生较强的搬运能力。随着落潮的进行，水位逐渐降低，流速也随之减小。在珠江口伶仃洋潮汐通道，落潮时潮流携带大量泥沙向口外输送，在口门附近形成落潮流三角洲。潮流流速和流向的变化对泥沙搬运起着至关重要的作用。当潮流流速较大时，能够携带更多的泥沙，并且泥沙的搬运距离也更远。在涨潮过程中，潮流将外海的泥沙带入潮汐通道，为通道内的地貌塑造提供了物质来源。而在落潮时，潮流又将通道内的泥沙带出，影响着通道外的地貌变化。在渤海湾曹妃甸潮汐通道，涨潮时潮流携带的泥沙在通道内堆积，形成了涨潮流三角洲；落潮时，潮流将三角洲上的部分泥沙搬运至通道外，导致落潮流三角洲的发育。潮流流向的改变也会影响泥沙的搬运路径。在潮汐通道内，潮流流向可能会因为地形的起伏、岛屿的存在等因素而发生偏转。这种流向的变化使得泥沙在不同区域堆积或冲刷，进而塑造出复杂的地貌形态。在胶州湾潮汐通道，由于湾内岛屿和海底地形的影响，潮流流向发生多次改变，导致泥沙在湾内不同区域堆积，形成了独特的滩-槽-脊型地貌模式。潮汐的强弱对潮汐通道地貌特征有着显著的影响。强潮环境下，潮汐的能量较大，潮流流速更快，对海底的冲刷作用更强，能够塑造出更深、更宽的潮汐通道。例如，在法国圣米歇尔湾潮汐通道，由于受到强潮的作用，通道深度可达数十米，宽度也较为宽阔。而在弱潮环境下，潮汐的能量相对较小，潮流流速较慢，泥沙更容易淤积，导致潮汐通道相对较浅、较窄。在一些小型海湾的潮汐通道，由于潮汐作用较弱，通道内泥沙淤积严重，水深较浅，宽度也较窄。2.2.2泥沙输移过程泥沙在潮汐通道中的来源广泛，主要包括陆源泥沙、海源泥沙以及海岸侵蚀产生的泥沙。陆源泥沙主要来自于河流的输入。河流携带大量泥沙从陆地流入海洋，在河口地区，这些泥沙成为潮汐通道的重要物质来源。以长江为例，长江每年携带约4.7亿吨泥沙入海，其中大部分泥沙在长江口潮汐通道附近沉积或参与泥沙输移过程。河流泥沙的粒径和组成受到流域地质条件、气候因素以及人类活动的影响。在山区河流，泥沙粒径相对较粗，而在平原河流，泥沙粒径则相对较细。海源泥沙主要来自于外海的沉积物，通过潮流、海流等动力作用被带入潮汐通道。在一些开阔海域，海底沉积物在波浪和海流的作用下发生悬浮和搬运，部分泥沙会随着潮流进入潮汐通道。在南海北部海域，外海的细颗粒泥沙在季风海流和潮汐的共同作用下，被输送到沿岸的潮汐通道中。海岸侵蚀也是泥沙的重要来源之一。在波浪、潮汐等动力的长期作用下，海岸岩石和沉积物受到侵蚀，产生的泥沙被带入潮汐通道。在基岩海岸，海浪的冲击和磨蚀作用使得基岩破碎，形成的碎屑物质成为泥沙的一部分；在砂质海岸，海岸的侵蚀导致沙滩后退，沙滩上的泥沙被搬运到潮汐通道。泥沙在潮汐通道中的输移路径复杂多样，受到潮汐、波浪、海流以及地形等多种因素的综合影响。在潮汐的作用下，泥沙随着潮流的涨落而进行周期性的输移。涨潮时，泥沙被潮流携带向陆地方向运动；落潮时，泥沙则随潮流向海洋方向输移。在黄河口潮汐通道，涨潮时泥沙从口外向口内输移，落潮时则从口内向口外输移。波浪对泥沙输移也有着重要影响。在近岸区域，波浪的破碎会产生强烈的紊动水流，使得海底泥沙发生悬浮和搬运。当波浪传播到潮汐通道附近时，其产生的紊动水流会与潮流相互作用，改变泥沙的输移路径。在江苏沿海的一些潮汐通道，夏季风浪较大，波浪作用使得海底泥沙大量悬浮，这些泥沙在潮流和波浪的共同作用下，被输送到不同的区域。海流也是影响泥沙输移的重要因素之一。在一些海域，存在着较为稳定的海流，如海流携带的泥沙会对潮汐通道的泥沙输移产生影响。在渤海湾，渤海沿岸流会将辽东湾和渤海湾西部的泥沙输送到曹妃甸潮汐通道附近，参与该区域的泥沙输移过程。地形对泥沙输移路径的影响也不容忽视。潮汐通道的平面形态、纵剖面特征以及海底地形的起伏都会影响潮流和泥沙的运动。在弯曲的潮汐通道中，潮流在弯道处会发生横向环流，使得泥沙在弯道两侧发生不同程度的淤积和冲刷；在海底存在沙脊、浅滩等地貌的区域，泥沙会在这些地形的影响下发生堆积或绕流。泥沙在潮汐通道内的沉积规律与流速、含沙量以及地形等因素密切相关。当潮流流速减小，含沙量超过水流的挟沙能力时，泥沙就会发生沉积。在潮汐通道的一些流速较小的区域，如涨潮流三角洲和落潮流三角洲的内部，泥沙容易淤积。在长江口涨潮流三角洲，由于涨潮时潮流流速在三角洲内部逐渐减小，泥沙大量沉积，使得三角洲不断发育。地形对泥沙沉积的影响也十分显著。在潮汐通道的低洼区域，如深槽、洼地等，泥沙更容易沉积。这些区域水流速度相对较慢，泥沙在重力作用下容易沉降。在珠江口伶仃洋潮汐通道的深槽区域，泥沙沉积厚度较大，形成了较厚的沉积层。泥沙的沉积还与泥沙的粒径有关。一般来说，粗颗粒泥沙先沉积，细颗粒泥沙后沉积。在潮汐通道的口门附近，由于水流速度较大，粗颗粒泥沙首先沉积；而在远离口门的区域，水流速度逐渐减小，细颗粒泥沙才开始沉积。在黄河口潮汐通道口门附近，首先沉积的是粒径较大的砂质沉积物，而在口内较远的区域，则主要沉积粒径较小的粉砂和黏土。2.2.3海岸地形影响周边海岸地形对潮汐通道的形成和发育起着至关重要的制约作用，不同类型的海岸地形会导致潮汐通道呈现出不同的特征。在基岩海岸地区，由于基岩的抗侵蚀能力较强，潮汐通道的走向通常受到基岩的构造和地形的控制。基岩的断裂、节理等薄弱部位往往成为潮汐通道发育的初始位置。在辽东半岛的基岩海岸，潮汐通道大多沿着基岩的断裂带发育，其走向较为稳定，平面形态相对规则。基岩海岸的地形起伏也会影响潮汐通道的地貌特征。在一些基岩海岸存在海蚀崖、海蚀洞等海蚀地貌，这些地貌会改变潮流的流向和流速，进而影响潮汐通道的形成和演变。当潮流经过海蚀崖时，会在崖前形成较强的冲刷区，使得潮汐通道在该区域不断加深和拓宽；而海蚀洞则可能成为潮流的通道，进一步影响潮汐通道的形态。在砂质海岸，潮汐通道的形成和发育与砂质沉积物的特性以及波浪、潮汐的作用密切相关。砂质海岸的沉积物颗粒相对较粗，透水性较好，这使得潮流在砂质海岸的运动较为顺畅。波浪的作用在砂质海岸尤为显著，波浪的冲击和搬运作用会使砂质沉积物发生移动和堆积，从而影响潮汐通道的位置和形态。在一些砂质海岸，由于波浪的长期作用，会形成离岸沙坝等地貌。离岸沙坝的存在会改变潮流的路径，使得潮流在沙坝之间的狭窄区域流速加快，形成潮汐通道。美国北卡罗来纳州的哈特拉斯角附近的砂质海岸，离岸沙坝之间发育了多条潮汐通道，这些通道的形成与波浪和潮流的相互作用密切相关。淤泥质海岸的潮汐通道形成和发育具有独特的特点。淤泥质海岸的沉积物主要由细颗粒的粉砂和黏土组成，这些沉积物的抗侵蚀能力较弱，容易受到潮流和波浪的搬运和堆积作用的影响。在淤泥质海岸，潮汐的作用相对更为重要，潮汐的涨落会使淤泥质沉积物发生周期性的悬浮和沉积。在淤泥质海岸，由于沉积物的细颗粒特性，潮流在运动过程中会受到较大的阻力，流速相对较慢。这使得泥沙更容易在海岸带附近淤积，形成宽阔的潮滩。潮汐通道则在潮滩上发育，其形态通常较为弯曲，分支较多。江苏沿海的淤泥质海岸，潮汐通道在潮滩上蜿蜒曲折，形成了复杂的通道网络。河口地区的海岸地形对潮汐通道的影响也十分复杂。河口地区既受到河流径流的作用，又受到潮汐的影响，两者的相互作用使得河口地区的潮汐通道具有独特的地貌特征。在河口地区，河流携带的大量泥沙会在河口堆积，形成河口三角洲。河口三角洲的存在会改变潮流的流向和流速，使得潮汐通道在三角洲上发生分汊和演变。在长江口，由于长江携带的大量泥沙在河口堆积形成了巨大的河口三角洲，潮汐通道在三角洲上呈现出复杂的分汊结构。不同的分汊通道具有不同的水动力条件和泥沙输运规律，这对长江口的航运、生态环境等产生了重要影响。三、数值模拟方法与模型构建3.1数值模拟基础理论3.1.1流体力学基本方程在潮汐通道数值模拟中，Navier-Stokes方程是描述海水运动的核心方程，它基于牛顿第二定律，全面考虑了流体的惯性、压力、粘性以及重力等多种因素的作用，为深入理解潮汐通道内复杂的水流运动提供了坚实的理论基础。不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程的矢量形式为：\rho\left(\frac{\partial\vec{u}}{\partialt}+(\vec{u}\cdot\nabla)\vec{u}\right)=-\nablap+\mu\nabla^{2}\vec{u}+\rho\vec{g}其中，\rho为流体密度，\vec{u}为流速矢量，t为时间，p为压力，\mu为动力粘性系数，\nabla为哈密顿算子，\vec{g}为重力加速度矢量。在潮汐通道模拟中，该方程准确地刻画了海水在潮汐、波浪和海流等多种动力作用下的运动规律。在长江口潮汐通道，由于受到强大的潮汐力和复杂的地形影响，海水的流速和流向在不同区域和时间都发生着显著变化，Navier-Stokes方程能够通过对这些因素的综合考量，精确地模拟出长江口潮汐通道内海水的运动状态。连续性方程是描述流体质量守恒的基本方程，其表达式为：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{u})=0在不可压缩流体的情况下，\rho为常数，连续性方程简化为\nabla\cdot\vec{u}=0。这意味着在潮汐通道内，单位时间内流入某一控制体积的流体质量等于流出该体积的流体质量，保证了模拟过程中流体质量的守恒。在渤海湾潮汐通道的模拟中，连续性方程确保了在复杂的水动力条件下，渤海湾内的海水质量分布始终保持平衡，为准确模拟潮汐通道内的水流运动提供了必要条件。在实际应用中，对于潮汐通道这样的复杂水域，通常需要对方程进行简化和近似处理。例如，在考虑潮汐通道的长波运动时，可采用浅水方程。浅水方程是在Navier-Stokes方程的基础上，基于流体的水深远小于水平尺度的假设，忽略了垂向加速度和部分高阶项后得到的。其水平方向的动量方程为：\frac{\partialu}{\partialt}+u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy}=-g\frac{\partial\eta}{\partialx}-\frac{1}{\rho_{0}}\frac{\partialp_{a}}{\partialx}+\frac{\tau_{sx}}{\rho_{0}}-\frac{\tau_{bx}}{\rho_{0}}+fv\frac{\partialv}{\partialt}+u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy}=-g\frac{\partial\eta}{\partialy}-\frac{1}{\rho_{0}}\frac{\partialp_{a}}{\partialy}+\frac{\tau_{sy}}{\rho_{0}}-\frac{\tau_{by}}{\rho_{0}}-fu连续性方程为：\frac{\partial\eta}{\partialt}+\frac{\partial(hu)}{\partialx}+\frac{\partial(hv)}{\partialy}=0其中，u、v分别为x、y方向的流速分量，\eta为水位，h为水深，p_{a}为大气压力，\tau_{sx}、\tau_{sy}为表面风应力分量，\tau_{bx}、\tau_{by}为底部切应力分量，f为科里奥利参数。浅水方程在潮汐通道模拟中具有重要应用，它能够在保证一定精度的前提下，大大简化计算过程，提高模拟效率。在珠江口伶仃洋潮汐通道的模拟中，浅水方程能够有效地捕捉伶仃洋内潮汐的传播、水流的分汊以及水位的变化等关键特征，为研究伶仃洋潮汐通道的水动力特性提供了便捷而有效的工具。3.1.2泥沙输移理论在潮汐通道的研究中，泥沙输移理论是理解地貌演变的关键。泥沙在潮汐通道中主要以悬移质和推移质两种形式运动，它们的输移过程受到多种因素的综合影响。悬移质泥沙是指在水流中呈悬浮状态随水流运动的泥沙颗粒。其输移规律主要由水流的紊动扩散和重力沉降作用决定。描述悬移质泥沙输移的基本方程是对流扩散方程：\frac{\partial(hC)}{\partialt}+\frac{\partial(huC)}{\partialx}+\frac{\partial(hvC)}{\partialy}=\frac{\partial}{\partialx}\left(hD_{x}\frac{\partialC}{\partialx}\right)+\frac{\partial}{\partialy}\left(hD_{y}\frac{\partialC}{\partialy}\right)-\omegaC其中，C为悬移质含沙量，D_{x}、D_{y}分别为x、y方向的紊动扩散系数，\omega为泥沙沉降速度。在长江口潮汐通道，由于潮汐和径流的共同作用，水流的紊动强度较大，悬移质泥沙的输移受到紊动扩散的影响显著。通过对流扩散方程，可以准确地模拟长江口悬移质泥沙在不同水动力条件下的输移路径和浓度分布，为研究长江口的泥沙淤积和冲刷规律提供重要依据。泥沙沉降速度\omega是悬移质泥沙输移中的一个关键参数，它与泥沙粒径、形状以及水流的紊动特性等因素密切相关。常用的计算泥沙沉降速度的公式有斯托克斯公式：\omega=\frac{({\rho}_{s}-{\rho})g{d}^{2}}{18\mu}其中，\rho_{s}为泥沙颗粒密度，d为泥沙粒径，\mu为水的动力粘性系数。该公式适用于粒径较小、雷诺数较低的泥沙颗粒。在实际应用中，由于潮汐通道内水流条件复杂，泥沙沉降速度往往需要通过实验或经验公式进行修正。推移质泥沙是指在河床表面滚动、滑动或跳跃前进的泥沙颗粒。其输移主要受到水流的拖曳力作用。推移质输沙率的计算是研究推移质泥沙输移的核心问题。目前，常用的推移质输沙率公式有梅叶-彼德（Meyer-PeterandMüller）公式：q_{b}=8\left(\frac{\tau_{b}-\tau_{c}}{\rho_{s}g}\right)^{\frac{3}{2}}\sqrt{d_{50}}其中，q_{b}为单宽推移质输沙率，\tau_{b}为床面剪切应力，\tau_{c}为临界床面剪切应力，d_{50}为泥沙中值粒径。该公式基于能量平衡原理，认为水流的能量一部分用于克服河床的阻力，另一部分用于推动泥沙运动。在黄河口潮汐通道，由于水流速度较大，推移质泥沙的输移对河床演变有着重要影响。利用梅叶-彼德公式，可以计算黄河口潮汐通道内推移质泥沙的输沙率，进而分析推移质泥沙对河床形态的塑造作用。除了上述公式外，还有爱因斯坦（Einstein）推移质输沙率公式等多种计算公式，它们各自基于不同的理论和假设，在不同的水流和泥沙条件下具有不同的适用性。在实际研究中，需要根据具体的潮汐通道特性和数据条件，选择合适的推移质输沙率公式。3.1.3地形演变原理潮汐通道的地形演变是一个复杂的动态过程，主要由水流对河床的冲刷和泥沙的淤积作用所驱动。这一过程遵循着基本的质量守恒原理，通过数学模型可以对其进行定量描述和分析。地形演变的基本原理基于泥沙连续方程，其表达式为：\frac{\partialz_{b}}{\partialt}=-\frac{1}{\rho_{b}}\left(\frac{\partialq_{sx}}{\partialx}+\frac{\partialq_{sy}}{\partialy}\right)其中，z_{b}为河床高程，\rho_{b}为泥沙干密度，q_{sx}、q_{sy}分别为x、y方向的单宽输沙率。该方程表明，河床高程的变化率等于单位面积上泥沙净输移量与泥沙干密度的比值。当进入某一区域的输沙率大于流出该区域的输沙率时，泥沙发生淤积，河床高程升高；反之，当流出的输沙率大于流入的输沙率时，河床受到冲刷，高程降低。在潮汐通道中，水流对河床的冲刷作用主要取决于水流的流速和剪切应力。当水流速度超过泥沙的起动流速时，泥沙开始被冲刷，脱离河床进入水流中。泥沙的起动流速与泥沙粒径、形状、床面粗糙度以及水流的紊动特性等因素密切相关。常用的泥沙起动流速公式有希尔兹（Shields）公式：\frac{\tau_{c}}{\left(\rho_{s}-\rho\right)gd}=\theta_{c}其中，\tau_{c}为临界床面剪切应力，\theta_{c}为希尔兹临界起动参数，d为泥沙粒径。该公式通过建立临界床面剪切应力与泥沙特性之间的关系，用于判断泥沙是否会被起动。在长江口潮汐通道，由于潮汐的周期性变化，水流的流速和剪切应力也随之发生周期性改变。在涨潮和落潮过程中，水流对河床的冲刷和淤积作用交替进行。在涨潮时，水流速度较大，对河床的冲刷作用较强，尤其是在河口的深槽区域，水流的冲刷作用使得河床不断加深；而在落潮时，水流携带的泥沙在河口的浅滩区域淤积，导致浅滩逐渐抬高。泥沙的淤积过程则与水流的挟沙能力密切相关。当水流的挟沙能力小于实际含沙量时，泥沙发生淤积。水流的挟沙能力受到水流流速、水深、泥沙粒径等多种因素的影响。常用的水流挟沙能力公式有张瑞瑾公式：S_{*}=k\left(\frac{v^{3}}{gh\omega}\right)^{m}其中，S_{*}为水流挟沙能力，v为流速，h为水深，\omega为泥沙沉降速度，k、m为经验系数。该公式通过综合考虑水流和泥沙的相关参数，用于计算水流在不同条件下的挟沙能力。在黄河口潮汐通道，由于黄河携带大量泥沙入海，河口地区的泥沙淤积现象较为显著。当黄河水流入潮汐通道后，随着水流速度的降低，水流的挟沙能力下降，泥沙逐渐淤积在河口的潮滩和三角洲地区，使得这些区域的地形不断发生变化，潮滩面积扩大，三角洲向海推进。三、数值模拟方法与模型构建3.2模型选择与构建3.2.1常用数值模型介绍在潮汐通道地貌特征的数值模拟研究中，多种数值模型被广泛应用，每种模型都具有独特的特点和适用范围。FVCOM（Finite-VolumeCommunityOceanModel）是一种基于非结构三角形网格的有限体积海洋模型，它在处理复杂地形和边界条件方面表现出色。该模型能够灵活地适应潮汐通道复杂多变的岸线和海底地形，精确地捕捉潮汐通道内水流的细节变化。在模拟胶州湾潮汐通道时，FVCOM模型可以根据胶州湾不规则的岸线和复杂的海底地形，生成与之相适应的非结构三角形网格，从而准确地模拟胶州湾内潮汐的传播、潮流的分布以及泥沙的输移过程。FVCOM模型采用有限体积法对控制方程进行离散求解，这种方法能够保证质量、动量和能量的守恒，具有较高的计算精度和稳定性。在处理潮汐通道内的强非线性问题时，如潮汐与地形的相互作用、潮流的复杂流态等，FVCOM模型能够通过合理的数值格式和算法，有效地模拟这些复杂过程，为潮汐通道地貌特征的研究提供可靠的数据支持。ECOMSED（Estuarine,CoastalandOceanModelwithSedimentTransport）模型是一个综合性的河口、海岸和海洋模型，它集成了水动力、泥沙输运和水质等多个模块，能够全面地模拟潮汐通道内的物理、化学和生物过程。在泥沙输运模拟方面，ECOMSED模型考虑了多种因素对泥沙运动的影响，包括潮汐、波浪、海流、泥沙粒径、沉降速度等，能够准确地预测泥沙在潮汐通道内的输移路径和沉积分布。在研究长江口潮汐通道时，ECOMSED模型可以通过其水动力模块精确地模拟长江口的潮汐和潮流，通过泥沙输运模块准确地计算泥沙的输移量和沉积量，从而深入分析长江口潮汐通道地貌的演变过程。该模型还能够考虑人类活动对潮汐通道的影响，如围填海、港口建设等，通过调整模型参数，模拟这些人类活动导致的水动力和泥沙输运变化，为长江口潮汐通道的保护和管理提供科学依据。MIKE21模型是丹麦水力学研究所开发的一款通用的二维水动力和泥沙输运模型，它具有强大的前处理和后处理功能，操作相对简便，易于使用。MIKE21模型采用有限差分法对控制方程进行求解，能够有效地模拟潮汐通道内的水流运动和泥沙输移。在珠江口伶仃洋潮汐通道的研究中，MIKE21模型通过其前处理模块，可以方便地导入伶仃洋的地形数据和边界条件，快速地生成计算网格。在模拟过程中，该模型能够准确地计算伶仃洋内潮汐的涨落、潮流的流速和流向，以及泥沙的输移和沉积。通过后处理模块，MIKE21模型可以将模拟结果以直观的图形和图表形式展示出来，便于研究者进行分析和解读。3.2.2模型构建过程针对本次研究区域的潮汐通道，选择FVCOM模型进行数值模拟，主要基于以下多方面的考虑。研究区域的潮汐通道具有极为复杂的地形地貌特征，其岸线蜿蜒曲折，海底地形起伏多变，存在大量的浅滩、沙洲和深槽等地貌形态。FVCOM模型基于非结构三角形网格的特性，能够依据研究区域的实际地形，灵活且精准地生成贴合地形的网格。以长江口潮汐通道为例，长江口拥有众多的江心洲、汊道以及复杂的水下地形，FVCOM模型可以根据这些地形特征，在地形变化剧烈的区域，如河口口门、江心洲周边等，加密网格，提高计算精度；而在地形相对平缓的区域，则适当稀疏网格，以平衡计算效率和精度。研究区域内潮汐、波浪、海流等动力因素相互作用强烈，水流运动呈现出高度的复杂性和非线性。FVCOM模型采用有限体积法对控制方程进行离散求解，这种方法在处理强非线性问题时具有显著优势，能够准确地捕捉潮汐通道内水流的复杂流态，如潮汐与地形的相互作用导致的水流分离、回流等现象。FVCOM模型在处理多因素耦合作用时表现出色，能够综合考虑潮汐、波浪、海流等因素对水流和泥沙输运的影响，为研究潮汐通道地貌特征提供全面、准确的模拟结果。模型构建的首要步骤是网格划分。运用专业的网格生成软件，如Gmsh等，根据研究区域的高精度地形数据，包括多波束测深数据、LiDAR测量数据等，生成非结构三角形网格。在网格划分过程中，充分考虑地形的变化情况，在地形复杂的区域，如潮汐通道的狭窄段、弯道处以及存在沙脊、浅滩等地貌的区域，对网格进行加密处理，以确保能够准确地捕捉水流和泥沙运动的细节。在珠江口伶仃洋潮汐通道的网格划分中，在伶仃洋内的虎门、蕉门等河口附近，以及内伶仃岛周边等地形复杂区域，将网格尺寸加密至50-100米；而在地形相对平坦的区域，网格尺寸则设置为200-500米。确定模型的边界条件和初始条件也是至关重要的环节。边界条件包括开边界条件和闭边界条件。开边界条件主要依据研究区域周边的潮汐、波浪和海流的实测数据来确定。对于潮汐边界条件，通过对研究区域周边验潮站多年的潮汐数据进行调和分析，获取主要分潮的调和常数，从而确定开边界处的潮位过程。以渤海湾潮汐通道为例，利用渤海湾周边多个验潮站的潮汐数据，通过调和分析得到M2、S2、K1、O1等主要分潮的调和常数，将其应用于FVCOM模型的开边界条件设置中，以准确模拟渤海湾潮汐通道的潮汐变化。波浪边界条件则根据研究区域的波浪观测数据或通过波浪模型，如SWAN模型模拟得到的波浪参数来确定。海流边界条件考虑了风生流、密度流等多种因素，通过分析研究区域的风场、温度、盐度等数据，结合海流理论和经验公式，确定开边界处的海流流速和流向。闭边界条件主要考虑岸壁的无滑移条件，即水流在岸壁处的法向流速为零，切向流速根据岸壁的糙率和水流的特性进行计算。初始条件则根据研究区域的前期观测数据，设定初始时刻的水位、流速、含沙量等物理量的分布。在参数设置方面，模型中涉及到众多的参数，如糙率、紊动扩散系数、泥沙沉降速度等。糙率反映了河床和岸壁对水流的阻力，其取值根据研究区域的底质类型、植被覆盖情况等因素，参考相关的经验数据和研究成果进行确定。在淤泥质海岸的潮汐通道中，糙率一般取值在0.025-0.035之间；而在砂质海岸的潮汐通道，糙率取值则在0.015-0.025之间。紊动扩散系数用于描述水流的紊动特性对物质输运的影响，其取值根据水流的流速、水深等因素，通过经验公式或与现场观测数据对比进行调整。泥沙沉降速度与泥沙粒径、形状等因素密切相关，可根据斯托克斯公式等相关公式进行计算，并结合研究区域的实际泥沙特性进行修正。3.2.3模型验证与校准模型验证与校准是确保数值模型准确性和可靠性的关键步骤，通过将模型模拟结果与现场实测数据进行细致对比，能够有效检验模型在模拟潮汐、潮流、泥沙输移和地形演变等方面的精度。在潮汐模拟验证方面，选取研究区域内多个具有代表性的验潮站的实测潮位数据作为验证依据。以长江口潮汐通道为例，在长江口沿岸分布着多个验潮站，如吴淞验潮站、高桥验潮站等，收集这些验潮站在不同潮期的潮位数据，包括高潮位、低潮位以及潮位过程曲线。将FVCOM模型模拟得到的潮位结果与实测潮位进行对比分析，通过计算两者之间的误差指标，如均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）等，来评估模型对潮汐模拟的准确性。若模拟结果与实测数据的误差在合理范围内，说明模型能够较好地再现研究区域的潮汐变化；若误差较大，则需要对模型的参数、边界条件等进行调整和优化。在潮流模拟验证中，利用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）在研究区域内不同位置、不同深度实测的流速和流向数据进行验证。在珠江口伶仃洋潮汐通道的研究中，使用ADCP在伶仃洋内多个断面进行测量，获取不同潮时的流速和流向数据。将模型模拟的潮流结果与ADCP实测数据进行对比，分析流速和流向的模拟误差，判断模型对潮流运动的模拟能力。通过对比发现，在一些复杂地形区域，如河口的分汊处、岛屿周边等，潮流的模拟误差可能相对较大，这可能是由于模型对复杂地形的处理不够精细，或者边界条件的设置存在一定偏差。针对这些问题，进一步优化网格划分，加密复杂地形区域的网格，同时对边界条件进行更精确的设定，以提高模型对潮流模拟的准确性。泥沙输移模拟的验证则依赖于现场实测的含沙量数据以及泥沙粒径分布数据。在研究区域内设置多个采样点，定期采集水样，通过实验室分析获取水样中的含沙量和泥沙粒径信息。将模型模拟的含沙量分布和泥沙输移路径与实测数据进行对比，检查模型是否能够准确模拟泥沙在潮汐通道内的输移过程。在黄河口潮汐通道的研究中，通过在黄河口不同区域采集水样，分析含沙量和泥沙粒径，发现模型在模拟泥沙输移时，对于粗颗粒泥沙的输移路径模拟较为准确，但对于细颗粒泥沙的模拟存在一定偏差。经过分析，这可能是由于模型中对细颗粒泥沙的絮凝作用考虑不足，或者紊动扩散系数的取值不够合理。针对这些问题，在模型中引入细颗粒泥沙的絮凝模型，同时根据实测数据对紊动扩散系数进行优化调整，以提高模型对泥沙输移模拟的精度。地形演变模拟的验证相对复杂，需要利用不同时期的地形测量数据进行对比分析。通过对研究区域的历史海图、多波束测深数据等进行整理和分析，获取不同时间的地形信息。将模型模拟的地形演变结果与实际地形变化进行对比，评估模型对地形演变的预测能力。在胶州湾潮汐通道的研究中，收集了胶州湾不同时期的海图和地形测量数据，对比模型模拟的地形演变结果与实际地形变化，发现模型能够较好地模拟潮汐通道的整体演变趋势，但在局部区域的地形变化模拟上还存在一定误差。通过进一步分析，发现这些误差可能是由于模型中对一些次要因素，如生物作用、化学作用等对地形演变的影响考虑不够全面。针对这些问题，在模型中适当考虑生物和化学因素对地形演变的作用，同时优化模型的参数设置，以提高模型对地形演变模拟的准确性。四、案例研究4.1胶州湾潮汐通道模拟4.1.1胶州湾地貌与水文概况胶州湾坐落于中国山东半岛南部，处于黄海西部，地理坐标介于北纬35°58′至36°18′、东经120°04′至120°23′之间，宛如一颗璀璨的明珠镶嵌在黄海之滨。其独特的地理位置使其成为连接内陆与海洋的重要枢纽，在区域经济发展和海洋生态系统中扮演着举足轻重的角色。胶州湾呈现出典型的半封闭海湾形态，整体略呈扇形，东西宽约28千米，南北宽约32千米，海岸线长度达220.02千米，总面积约为374.4平方千米。这种特殊的形态和规模，使得胶州湾的潮汐通道地貌独具特色。湾口以团岛头和薛家岛脚子石一线为界，与黄海相通，狭窄的湾口犹如一扇大门，控制着海湾与外海之间的物质和能量交换。在漫长的地质历史时期，胶州湾经历了复杂的演化过程。它曾是地质断陷造就的断控型盆地，在距今11000年左右的全新世初，由于冰后期海面回升，海洋侵灌，这里逐渐从一个陆域盆地演变为浅水海湾。随着时间的推移，在河流的输沙和海水的顶托作用下，陆域平原面积不断扩大，海湾中浅水水域也不断增加，胶州湾原有古河道逐渐成为主要潮汐通道。这些潮汐通道在平面形态上蜿蜒曲折，部分段落存在明显的弯曲和分支现象。通道的走向受到周边基岩山体和海底地形的影响，在一些区域，通道沿着基岩的断裂带或低洼地带发育，形成了相对稳定的走向。胶州湾的潮汐通道地貌单元丰富多样，涨潮流三角洲和落潮流三角洲是其中的重要组成部分。涨潮流三角洲位于潮汐通道的内侧，是在涨潮过程中，潮流携带的泥沙在通道内堆积形成的。其沉积物主要来源于外海，颗粒较粗，以砂质为主。在胶州湾潮汐通道，涨潮流三角洲的沉积物中砂的含量可达70%-80%。落潮流三角洲则位于潮汐通道的外侧，是在落潮过程中，潮流携带的泥沙在通道口外堆积形成的，其沉积物颗粒相对较细，除了砂质外，还含有较多的粉砂和黏土。潮滩也是胶州湾潮汐通道周边常见的地貌单元，它是在潮汐涨落过程中，泥沙在海岸带堆积形成的。潮滩的地形较为平坦，沉积物以细粒的粉砂和黏土为主。根据其与潮汐的关系，潮滩可分为高潮滩、中潮滩和低潮滩。高潮滩在高潮位时被海水淹没，低潮位时露出水面；中潮滩在大部分时间内处于干湿交替的状态；低潮滩则在低潮位时才露出水面。在胶州湾的一些海岸区域，潮滩宽度可达数公里，是众多海洋生物的栖息地，具有重要的生态价值。胶州湾及附近海域属暖温带季风型气候，空气湿润，四季分明。这种气候条件对胶州湾的水文特征产生了重要影响。胶州湾的潮汐为半日潮，平均潮差达2.71米。在一个潮汐周期内，海水两次涨潮和两次落潮，涨潮和落潮的时间大致相等。这种半日潮的特性使得胶州湾的潮汐通道内水流呈现出周期性的往复运动，对泥沙的输运和地貌的塑造产生了重要作用。在冬季寒潮大风时，胶州湾的波高可达1.9米，而平时海浪尺度较小。波浪的作用在胶州湾潮汐通道地貌演变中不可忽视。波浪的冲击和搬运作用会使海岸带的泥沙发生移动和堆积，影响潮汐通道的岸线形态和海底地形。在一些海岸区域，波浪的长期作用导致海岸侵蚀，使得潮滩面积减小，潮汐通道的宽度和深度也发生相应变化。流入胶州湾的河流众多，水系发达，以湾区为中心呈辐射式分布。主要河流包括漕汶河、岛耳河、洋河、南胶莱河、大沽河、桃源河、洪江河、石桥河、墨水河、白沙河、李村河等10多条。其中，大沽河是流入胶州湾的最大河流，其流量约占大沽河、墨水河、白沙河及洋河4条河流总流量的85.6％。这些河流携带大量泥沙输入胶州湾，在河口区造成较宽阔的河口三角洲、潮坪等地貌单元。河流带来的泥沙不仅为潮汐通道地貌的塑造提供了物质基础，还对胶州湾的水动力条件和生态环境产生了重要影响。河流的径流作用会改变潮汐通道内的水流速度和流向，影响泥沙的输运路径和沉积区域。4.1.2模型应用与设置在胶州湾潮汐通道的模拟研究中，选用FVCOM模型作为核心模拟工具，这主要源于该模型在处理复杂地形和边界条件方面的卓越能力，以及对多因素耦合作用的精准模拟优势。FVCOM模型基于非结构三角形网格，能够紧密贴合胶州湾复杂多变的岸线和海底地形。在胶州湾的模拟中，通过对多波束测深数据和LiDAR测量数据的精细分析，利用专业的网格生成软件Gmsh，生成了高质量的非结构三角形网格。在网格划分过程中，充分考虑了胶州湾潮汐通道的地形变化情况。在潮汐通道的狭窄段、弯道处以及存在沙脊、浅滩等地貌的区域，对网格进行了加密处理，以确保能够准确地捕捉水流和泥沙运动的细节。在团岛和薛家岛之间的胶州湾湾口区域，由于地形复杂，水流变化剧烈，将网格尺寸加密至50-100米；而在地形相对平坦的区域，网格尺寸则设置为200-500米。这种精细化的网格划分策略，有效提高了模型的计算精度，使得模拟结果能够更准确地反映胶州湾潮汐通道的实际情况。确定模型的边界条件和初始条件是模拟过程中的关键环节。对于边界条件，开边界条件主要依据胶州湾周边的潮汐、波浪和海流的实测数据来确定。在潮汐边界条件方面，收集了胶州湾周边多个验潮站多年的潮汐数据，如青岛验潮站、黄岛验潮站等，通过调和分析获取了M2、S2、K1、O1等主要分潮的调和常数。将这些调和常数应用于FVCOM模型的开边界条件设置中，以准确模拟胶州湾潮汐通道的潮汐变化。在波浪边界条件方面，根据胶州湾的波浪观测数据，结合SWAN模型模拟得到的波浪参数，确定了开边界处的波浪要素，包括波高、波长、波向等。海流边界条件则考虑了风生流、密度流等多种因素，通过分析胶州湾的风场、温度、盐度等数据，结合海流理论和经验公式，确定了开边界处的海流流速和流向。闭边界条件主要考虑岸壁的无滑移条件，即水流在岸壁处的法向流速为零，切向流速根据岸壁的糙率和水流的特性进行计算。在胶州湾的模拟中，根据胶州湾海岸的底质类型和植被覆盖情况，参考相关的经验数据，确定了岸壁的糙率。在淤泥质海岸区域，糙率取值在0.025-0.035之间；在砂质海岸区域，糙率取值在0.015-0.025之间。初始条件则根据胶州湾的前期观测数据，设定了初始时刻的水位、流速、含沙量等物理量的分布。在水位初始条件设置中，参考了胶州湾验潮站的实测潮位数据，将初始时刻的水位设置为接近实测潮位的数值。在流速初始条件设置中，根据前期的海流观测数据，设定了初始时刻的流速大小和方向。在含沙量初始条件设置中，通过对胶州湾不同区域的水样分析，获取了不同区域的含沙量数据，以此为依据设定了初始时刻的含沙量分布。在参数设置方面，模型中涉及到众多的参数，如糙率、紊动扩散系数、泥沙沉降速度等。糙率反映了河床和岸壁对水流的阻力，除了根据底质类型和植被覆盖情况确定岸壁糙率外，对于河床糙率，也根据胶州湾海底的沉积物特性进行了合理取值。在泥沙粒径较大的区域，糙率相对较大；在泥沙粒径较小的区域，糙率相对较小。紊动扩散系数用于描述水流的紊动特性对物质输运的影响，其取值根据水流的流速、水深等因素，通过经验公式或与现场观测数据对比进行调整。在胶州湾潮汐通道的模拟中，通过对不同区域水流紊动特性的分析，结合经验公式，对紊动扩散系数进行了优化取值。在水流流速较大、水深较深的区域，紊动扩散系数相对较大；在水流流速较小、水深较浅的区域，紊动扩散系数相对较小。泥沙沉降速度与泥沙粒径、形状等因素密切相关，可根据斯托克斯公式等相关公式进行计算，并结合胶州湾的实际泥沙特性进行修正。在胶州湾的模拟中，对不同粒径的泥沙进行了沉降速度计算，并根据现场观测数据对计算结果进行了修正。对于粗颗粒泥沙，其沉降速度相对较大；对于细颗粒泥沙，其沉降速度相对较小。4.1.3模拟结果与分析通过FVCOM模型对胶州湾潮汐通道进行模拟，得到了丰富的结果，这些结果为深入了解胶州湾潮汐通道的水动力和地貌演变提供了重要依据。在潮流场方面，模拟结果清晰地展示了胶州湾潮汐通道内潮流的流速和流向变化。在涨潮过程中，海水从湾口涌入潮汐通道，潮流流速逐渐增大。在湾口附近，涨潮流速在大潮期间可达1-2米/秒。随着潮水向内陆推进，由于通道宽度和水深的变化，流速也会发生相应改变。在狭窄的通道段，流速进一步加快，产生较强的冲刷力；而在开阔的区域，流速则相对减缓。在团岛附近的狭窄通道段，涨潮流速可达2-3米/秒，对海底的冲刷作用明显，使得该区域的海底地形相对较深。落潮阶段，潮流由内陆向海洋回流，流速同样受到通道地形的影响。在落潮初期，由于水位差较大，潮流流速迅速增大，对通道内的泥沙产生较强的搬运能力。随着落潮的进行，水位逐渐降低，流速也随之减小。在薛家岛附近的潮汐通道，落潮时潮流携带大量泥沙向湾口外输送，在湾口附近形成落潮流三角洲。通过对潮流场模拟结果的分析，还发现了一些特殊的流态。在潮汐通道的弯道处，潮流会发生横向环流，使得弯道两侧的流速和流向存在差异。这种横向环流对泥沙的输运和沉积产生了重要影响，导致弯道内侧泥沙淤积，外侧泥沙冲刷。在胶州湾潮汐通道的一些弯道处，内侧形成了明显的淤积带，而外侧则出现了冲刷坑。在泥沙输移方面，模拟结果揭示了泥沙在胶州湾潮汐通道内的输移路径和沉积分布。在涨潮过程中，潮流将外海的泥沙带入潮汐通道，为通道内的地貌塑造提供了物质来源。在落潮时，潮流又将通道内的泥沙带出，影响着通道外的地貌变化。在胶州湾潮汐通道的模拟中，发现涨潮时泥沙主要从湾口向湾内输移，在通道内的一些流速较小的区域，如涨潮流三角洲，泥沙发生淤积；落潮时，泥沙则从湾内向湾口外输移，在湾口附近的落潮流三角洲和浅滩区域沉积。通过对泥沙输移模拟结果的分析，还可以了解到不同粒径泥沙的输移特性。粗颗粒泥沙由于其沉降速度较大，在输移过程中更容易在近岸区域和流速较小的区域沉积；而细颗粒泥沙则由于其沉降速度较小，能够随着潮流输移到较远的区域。在胶州湾潮汐通道，粗颗粒泥沙主要沉积在湾口附近和潮汐通道的内侧，而细颗粒泥沙则在湾内和湾口外的较深水域沉积。在地形演变方面，模拟结果展示了胶州湾潮汐通道在长期的水动力和泥沙输移作用下的地貌变化。随着时间的推移，潮汐通道的平面形态、纵剖面特征和横断面特征都发生了明显的改变。在平面形态上，潮汐通道的弯曲程度和分支情况发生了变化。由于潮流的冲刷和泥沙的淤积，一些弯曲段的曲率发生了改变，部分分支通道的宽度和长度也有所变化。在纵剖面特征上，潮汐通道的深度和坡度发生了调整。在潮流冲刷较强的区域，通道深度增加，坡度变陡；而在泥沙淤积的区域，通道深度减小，坡度变缓。在横断面特征上，潮汐通道的槽-滩结构也发生了变化，槽的宽度和深度以及滩的面积和高程都有所改变。通过对地形演变模拟结果的分析，还可以预测胶州湾潮汐通道未来的地貌变化趋势。在当前的水动力和泥沙输移条件下，预计胶州湾潮汐通道的湾口区域将继续受到冲刷，通道深度和宽度可能会进一步增加；而在湾内的一些淤积区域，如涨潮流三角洲和潮滩，面积可能会继续扩大。4.2甬舟航道潮汐潮流模拟4.2.1甬舟航道特征甬舟航道位于浙江省舟山群岛与宁波大陆之间，地处长江、钱塘江、甬江三江入海交汇处，地理坐标大致介于121.78°-122.5°E、29.7°-30.1°N之间。该航道周边岛屿众多，地形极为复杂，是连接舟山港与宁波港的重要水上通道，在区域经济发展和海上运输中发挥着关键作用。甬舟航道的潮汐通道地貌呈现出独特的特征。在平面形态上，航道蜿蜒曲折，其走向受到周边岛屿和海底地形的显著影响。航道在一些区域沿着岛屿之间的狭窄水道延伸，形成了相对狭窄且弯曲的通道段；而在另一些区域，由于岛屿的分隔和水流的分汊，航道出现了分支现象，形成了复杂的通道网络。在金塘岛与册子岛之间的航道段，航道宽度较窄，最窄处仅数百米，且存在明显的弯道，这对船舶的航行操作提出了较高要求；而在一些开阔海域，航道则出现了多个分支，不同分支的水流特性和水深条件存在差异，需要根据船舶的类型和吃水深度选择合适的航线。甬舟航道的横剖面形态也较为复杂，中间深、两侧浅的特征明显。在航道的深槽区域，水深可达数十米，能够满足大型船舶的通航需求；而在航道两侧的浅滩区域，水深较浅，一般在数米至十几米之间。在虾峙门航道，深槽区域的水深可达20-30米，能够容纳15万吨级以上的大型船舶通行；而两侧的浅滩水深则在5-10米左右，对船舶的航行安全构成一定威胁。甬舟航道的纵剖面形态从陆向海呈现出逐渐加深的趋势。在靠近陆地的一端，由于河流的注入和陆源泥沙的堆积，水深相对较浅；随着向海延伸，潮汐的作用逐渐增强，航道逐渐加深。在甬江入海口附近，航道水深较浅，一般在10米以下；而向东海方向延伸，在虾峙门等主要航道段，水深逐渐增加至20米以上。甬舟航道周边的海洋环境复杂多变，潮汐、波浪和海流等动力因素相互作用强烈。该海域的潮汐受外海潮波的控制，潮汐性质多为不规则半日潮。在一个潮汐周期内，海水两次涨潮和两次落潮，但涨潮和落潮的时间、潮差等存在一定差异。甬舟航道的最大可能潮差介于4.5-4.7米之间，较大的潮差使得航道内的水流速度和流向变化较大，对船舶的航行安全产生重要影响。波浪对甬舟航道的影响也不容忽视。该海域濒临东海，是我国沿海的大浪区，长周期波浪可传入本海域。受季风影响，冬季以偏N向浪为主，波高较大；夏季以偏S向浪居多，波高较冬季小。在冬季寒潮大风期间，甬舟航道的波高可达2-3米，对船舶的航行稳定性造成威胁；而在夏季，波高一般在1-2米之间。海流在甬舟航道的水动力环境中也扮演着重要角色。该海域的海流主要包括沿岸流和潮汐引起的潮流。沿岸流的流速和流向受到地形、季风等因素的影响，在不同季节和区域存在一定变化；潮流则与潮汐的涨落密切相关，在涨潮和落潮过程中，潮流的流速和流向发生周期性改变。在一些狭窄的航道段，潮流的流速可达1-2米/秒，对船舶的航行产生较大的推力或阻力。4.2.2基于FVCOM的模拟为了深入研究甬舟航道的潮汐潮流特性，运用FVCOM模型对其进行数值模拟。FVCOM模型基于非结构三角形网格，能够灵活地适应甬舟航道复杂的地形地貌，准确地捕捉潮汐潮流的细节变化。在网格划分方面，利用Gmsh等专业网格生成软件，根据甬舟航道及其附近海域的高精度地形数据，包括多波束测深数据、LiDAR测量数据等，生成非结构三角形网格。在地形复杂的区域，如岛屿周边、航道的狭窄段和弯道处，对网格进行加密处理，以提高计算精度。在金塘大桥附近的航道区域，由于桥梁的存在使得水流条件复杂，将网格尺寸加密至50-100米；而在地形相对平坦的开阔海域，网格尺寸则设置为200-500米。确定模型的边界条件和初始条件是模拟的关键步骤。对于边界条件，开边界条件主要依据甬舟航道周边的潮汐、波浪和海流的实测数据来确定。在潮汐边界条件方面，收集了甬舟航道周边多个验潮站多年的潮汐数据，如舟山验潮站、宁波验潮站等，通过调和分析获取了M2、S2、K1、O1等主要分潮的调和常数。将这些调和常数应用于FVCOM模型的开边界条件设置中，以准确模拟甬舟航道的潮汐变化。波浪边界条件则根据甬舟航道的波浪观测数据，结合SWAN模型模拟得到的波浪参数，确定了开边界处的波浪要素，包括波高、波长、波向等。海流边界条件考虑了风生流、密度流等多种因素，通过分析甬舟航道的风场、温度、盐度等数据，结合海流理论和经验公式，确定了开边界处的海流流速和流向。闭边界条件主要考虑岸壁的无滑移条件，即水流在岸壁处的法向流速为零，切向流速根据岸壁的糙率和水流的特性进行计算。在甬舟航道的模拟中，根据航道周边海岸的底质类型和植被覆盖情况，参考相关的经验数据，确定了岸壁的糙率。在淤泥质海岸区域，糙率取值在0.025-0.035之间；在砂质海岸区域，糙率取值在0.015-0.025之间。初始条件则根据甬舟航道的前期观测数据，设定了初始时刻的水位、流速、含沙量等物理量的分布。在水位初始条件设置中，参考了甬舟航道验潮站的实测潮位数据，将初始时刻的水位设置为接近实测潮位的数值。在流速初始条件设置中，根据前期的海流观测数据，设定了初始时刻的流速大小和方向。在含沙量初始条件设置中，通过对甬舟航道不同区域的水样分析，获取了不同区域的含沙量数据，以此为依据设定了初始时刻的含沙量分布。在参数设置方面，模型中涉及到众多的参数，如糙率、紊动扩散系数、泥沙沉降速度等。糙率除了根据岸壁情况确定外，对于河床糙率，也根据甬舟航道海底的沉积物特性进
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