纵向分布特征：速度场和浓度场

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：对于盐水入侵问题，速度场和盐度场的纵向分布是重点关心的问题，下面将对计算结果反映出来的特征做重点的分析，图4给出了后面分析将要提到的5种工况的速度场和浓度场。底部盐度sb和表层盐度ss之差与se的比值表示分层系数。

对于盐水入侵问题，速度场和盐度场的纵向分布是重点关心的问题，下面将对计算结果反映出来的特征做重点的分析，图4给出了后面分析将要提到的5种工况的速度场和浓度场。

图2　表层平面对比

（a1）工况121速度矢量图；（a2）工况121盐度分布图；（b1）工况221速度矢量图；（b2）工况221盐度分布图

图3　z＝－4.5m平面对比（一）

（a1）工况121速度矢量图；（a2）工况121盐度分布图

图3　z＝－4.5m平面对比（二）

（b1）工况221速度矢量图；（b2）工况221盐度分布图

观察速度场可以看出各工况共同的特点是在口门内外表层流向外，底层流向内，反向流之间存在一条连续的分界线，分界线在口门以内一定距离处与底床的交点正是底层流的滞留点。流向分界线在口门以外基本与自由面平行，在口门内受地形和径流影响，位置有所不同。为了方便比较，图5给出了各工况分界线的位置，可以看出同一岸线扩展率工况的流向分界线比较相似，地形相同而不同流量的工况的流向分界线在口门以内几乎是平行的，大径流量工况的流向分界线向底床靠近；岸线扩展率对流向分界线位置的影响很大，不同岸线扩展率的流向分界线在口门内外差别都很大。

两种反向流速的大小沿纵向变化也比较大，图6给出了沿y方向每条垂线上向外和向内的最大速度，工况号后加（＋）号表示上层流速，加（－）号表示下层流速。一方面，y大于30km的河流宽度是相等的，小于30km后以一定的扩展率变宽，流速由于辐散作用整体上变小，扩展率越大，变小的效应越大；另一方面，由于外海盐度大，海水密度大于淡水密度，在斜压力的作用下，海水通过底部入侵到河口内部，以垂向环流的形式与上部的淡水混合成为冲淡水，通过上部流出河口，增加了上部流出通量，使得流速有变大的效应。两种作用叠加，在口门以内，y小于30km的某个位置出现速度极值点。图6（a）是岸线扩展率和流量相同不同地形的三种工况的对比，在口门外三种工况地形相同，工况111口门水深9.0m，河口反底坡底10.0m，工况121的反底坡坡底也是10m，但是口门水深只有6.0m，工况131的口门水深也是6.0m，但是反底坡坡底水深只有7.0m。从图上可以看出口门凸起的拦门沙可以一定程度上阻挡底部盐水入侵，但是如果口门内部存在很深的反底坡，那么从口门入侵的盐水会得到加速，促进盐水入侵，削弱拦门沙的阻挡效果。图6（b）对比了不同岸线扩展率的工况，对于大扩展率河口，辐散效应使得口门外上层流速变得很小，但是辐聚效应使得进入口门一定距离垂向环流流速变得越来越大，出现一个很大的峰值，随后随着阻力增加，逐渐减小。

图4　纵立面对比

（a1）工况111表层速度矢量图；（a2）工况111表层盐度分布图；（b1）工况121表层速度矢量图；（b2）工况121表层盐度分布图；（c1）工况122表层速度矢量图；（c2）工况122表层盐度分布图；（d 1）工况131表层速度矢量图；（d 2）工况131表层盐度分布图；（e1）工况231表层速度矢量图；（e2）工况231表层盐度分布图

图5　表层流和底层流分界线位置

（a）地形和流量对分界线位置的影响；（b）岸线形状和底形对分界线位置的影响

图6　表层流和底层流的最大流速

（a）地形对最大流速的影响；（b）岸线形状对最大流速的影响

观察浓度场可以看出河口作为径流淡水和海洋盐水的交汇混合区域，口门以外底部被高盐水控制，上部漂浮一层盐度介于盐水和淡水之间的冲淡水，盐度等值线从口门外海面向口门内底床倾斜，底层盐度高于表层盐度。对比不同工况的浓度场可以发现径流量大小、底形和岸线扩展率都会影响浓度等值线的倾斜程度以及盐淡水的混合范围，小岸线扩展率河口盐度入侵范围受底形影响大，例如工况121与工况131对比，入侵距离大了11.5km，而工况221与工况231的入侵距离只相差3.5km。将盐度做垂向平均得到se，令口门处的盐度为s0，由se/s0得到相对盐度值。底部盐度sb和表层盐度ss之差与se的比值表示分层系数。相对盐度值和分层系数是代表河口盐淡水混合和分布的特征量，相对盐度值变化平缓，跨度范围大，说明盐淡水混合范围大，盐水入侵距离长，相对盐度值快速下降的区域是盐淡水发生剧烈混合的区域；分层系数大，说明底层和表层的相对盐度差值大，盐淡水混合不充分。图7和图8对比了不同底形和不同岸线河口的相对盐度值和分层系数沿纵向的变化。从图7可以看出，尽管工况121与工况131的底形差别很大，因此它们的相对盐度沿河口纵向变化不同，但是它们的分层系数基本相似。与岸线扩展率相同的工况121与工况131相比，大岸线扩展率工况221的分层系数有着显著的差别，进入河口以后前者的分层系数均大于1.0，并且越进入河口内部分层系数越大，在滞流点达到峰值，随后迅速下降为零，而后者在整个河口区域都处于0.3左右的低值，这说明岸线扩展率对分层系数的影响非常大。图8显示拦门沙高，反底坡小的工况131和工况132盐水入侵距离最短；拦门沙高，反底坡大的工况121和工况122入侵距离与拦门沙底，反底坡大的工况111的入侵距离相差很小。这说明拦门沙能够阻挡盐水入侵，但是如果口门内有深洼，拦门沙的阻挡作用会大大削弱。这与图6（a）的速度分析一致，体现了动力上的对应关系。从图7和图8还可以看出河口的岸线和底形这些几何特征不同，相对盐度值和分层系数的形状就不同，也就是盐淡水混合的区域，方式和盐度分布的状态特征也就不同，而流量的改变对相对盐度而言只是将滞流点向口门推进，对分层系数只是量值上的改变，并不改变它们的形状，也就是没有从本质上改变盐淡水混合的方式和盐度分布特征。但是本文数值试验流量变化范围有限，是否存在临界值，使得流量大于此值会改变盐淡水混合的方式和盐度分布特征将有待于进一步研究。

图7　不同岸线对盐水入侵影响对比

（a）相对盐度值沿y方向的变化；（b）分层系数沿y方向的变化

图8　不同地形对盐水入侵影响对比

（a）相对盐度值沿y方向的变化；（b）分层系数沿y方向的变化

纵向分布特征：速度场和浓度场

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