1.1 选题背景和意义
汊道是把开敞海面和被陆地包围的海峡、溺谷、泻湖或者河口湾等水域连接起来的水道，美国陆军工程兵团 Rice[1]曾给汊道做过一个解释，他认为汊道是连接海洋与泻湖、海湾或者河口湾的水道，而在有潮海岸上，这种汊道便是潮汐汊道，又称潮汐通道[2]。 根据被包围水域形状的不同，可以将潮汐通道分为泻湖型、溺谷湾型或者河口湾型这三类，本文主要研究对象是泻湖型潮汐通道。泻湖型潮汐通道主要由沙坝、泻湖、涨落潮三角洲、潮汐通道等地貌单元组成，泻湖由沙坝与外海隔开，海水只能通过潮汐通道流进流出，泻湖是这个系统的纳潮水域，潮汐通道则是泻湖的生命线，一旦通道闭合，泻湖将无法与外界进行水体交换，就会变成一潭死水[3]。 泻湖潮汐通道遍布全球，在国外主要分布在美国东部沿岸和墨西哥湾、南美和印度东海岸、波罗的海、地中海等，在我国主要分布在河北、山东、海南、广东、台湾等地[4]，由于潮汐通道口门水道往往是天然航道，而纳潮的海湾、泻湖为港口提供了所需要的停泊和避风条件，因此很多重要的海港都依托潮汐通道的环境来建设，在我国来说青岛港、洋浦港、博鳌游艇码头就是典型实例[5]。 由于潮汐通道在航运与海港建设上的巨大价值，关于潮汐通道的研究自然与海港建设密切相连，其中很重要的一个问题就是潮汐通道的稳定性近年来随着全球海平面的上升以及人类活动的影响，这一问题越来越受到人们的重视。 潮汐通道的闭合现象就是潮汐通道稳定性的一个重要表现，发生闭合的潮汐通道有很多，比如澳大利亚的 Murray 河口处的潮汐通道[6]、荷兰的 Haringvliet和 Grevelingen 河口处的潮汐通道[7]等，潮汐通道闭合具有两方面的坏处[8]，首先由于纳潮水域大多建港所以潮汐通道闭合导致无法通航，其次泻湖内水质由于缺少与外界水体交换而降低。为保持潮汐通道畅通，我们需要认识导致潮汐通道闭合的主要机制，才能通过有效合理的工程措施取解决这一问题。为了获取更多认识，本文将通过潮汐通道地形演变数学模型来分析影响潮汐通道闭合的因素。
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1.2 研究现状
近百年来由于人类大规模地围绕潮汐通道进行开发，这些活动强烈地影响了潮汐通道系统的动态平衡体系，因而国内外研究的重点集中在潮汐通道的稳定性。 由于潮汐通道对于航运业的重要性，对于潮汐通道过水断面稳定性研究，特别是潮汐通道口门处过水面积与纳潮量的经验关系，受到了工程界的重视。 对于潮汐通道来说，存在着一个临界的断面面积，当潮汐通道断面面积大于临界值时，断面面积的减小导致口门的束窄，会增大断面的平均最大流速，从而使断面趋于扩大，而当断面面积持续增大到一定程度后，流速会降低，因为纳潮量的限制，过水断面面积增大势必会导致流速的降低；而当断面面积小于该临界面积时，底部以及边批的摩阻效应显现，横截面面积的持续减小，会造成底部与边坡对水流摩阻增大，导致流速的降低，加速闭合的过程[9]。更多学者开始从均衡性角度分析潮汐通道各种指标之间的平衡关系来判断潮汐通道稳定性。Escoffier[18]绘制了一条封闭曲线来阐述潮汐通道口门稳定性，如图 1-1 所示，该曲线通过分析潮汐通道横截面面积与流速的关系来说明要达到稳定状态所需要的流速：交点代表着稳定状态的临界流速，即该流速下潮流足够冲走落淤在潮汐通道内的泥沙，b 点表示自然条件下潮汐通道稳定的情形，大多数的稳定潮汐通道都在 b 点附近，而 c 点则为稳定与否的分界点，如果位于 c 点左侧，说明该潮汐通道趋向于闭合，如果位于 c 点右侧，则说明该潮汐通道稳定，且会向 b 点逐演变。O’Brien 等证明了上、述结论是合理的。
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第二章 模型介绍
2.1 概述
本章采用的海岸地形演变数学模型由波浪传播、近岸流、泥沙输运以及地形更新四个模块组成[83]，模型结构如图 2-1 所示。其中波浪模型计算波高、周期、波向、波能耗散率等参数，近岸流模块提供流速和水位，模型考虑了波浪和水流的相互作用。泥沙输运模块基于水动力模型的结果分别计算推移质输沙率和悬移质输沙率。地形更新模块则依据泥沙质量守恒计算水深的变化，更新后的地形反馈给另外三个模块。
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2.2 波浪模型
采用 Delft 理工大学开发的第三代风浪模式 SWAN，模拟近岸地区波浪的传播，模型建立在波作用谱方程的基础上[62]，SWAN 模型能考虑波浪折射、绕射、浅水变形、三波相互作用和四波相互作用等物理过程，也能描述风能输入、底摩阻和波浪破碎引起的波能损耗，发展比较成熟，已经被大量的现场与实验室观测数据证实其适用性。当地形坡度超过设定的临界坡度时，对该单元及其邻近三个单元的水深进行光滑，直至计算区域内所有单元坡度均小于临界坡度时，开始下一个时间步的计算。 模型为模拟海岸地区长期地形演变，往往需要在目标区域进行加密，所以需要大量的计算资源跟计算时间，故引入地形因子技术。地形因子首先由 Lessr 等[55]提出，基本原理是假设极小的地形改变并不会对水动力计算结果产生显著影响，从而可以将地形演变的计算步长跟水动力计算步长相分离，具体地说就是在计算水动力若干步长之后，再将地形变化的方程与之耦合.
第三章 SWAN 模型中破波指标选取 ........... 18
3.1 概述 ........... 18
3.2 合田公式中系数 A 取值的确定 ...... 18
3.3 模型验证 ............. 21
3.3.1 实验室观测数据 .......... 22
3.3.2 现场观测资料 .... 23
3.4 本章小结 ............. 26
第四章 潮汐通道地形演变数学模型验证 .... 27
4.1 物理模型实验介绍 ....... 27
4.2 数模设置 ............. 29
4.3 模拟结果与分析 ........... 30
4.4 本章小结 ............. 41
第五章 动力条件对潮汐通道地形演变的影响研究 ........ 42
5.1 模型参数及地形因子敏感性分析 ............. 42
5.1.1 模型参数设置 .... 42
5.1.2 地形因子敏感性分析 ............ 44
5.2 潮差对潮汐通道地形演变的影响研究 ..... 48
5.3 波高对潮汐通道地形演变的影响研究 ..... 64
5.4 本章小结 ............. 81
第五章 动力条件对潮汐通道地形演变的影响研究
潮汐通道的闭合多发生在潮动力较弱，主要受波浪控制且径流以及波浪的季节性变化较大的海岸环境中，这些潮汐通道由于口门附近沙坝的形成或者是沙嘴从上游向下游的生长而闭合。 潮汐通道的闭合会对航运业、渔业、泻湖内的水质等产生巨大的不利影响，所以不论工程界还是政府都十分关注保持潮汐通道全年畅通的工程措施，然而要想找到合理的工程措施，必须对造成潮汐通道闭合的因素有准确而深刻的了解。本章则是以使用前文建立的数学模型，通过模拟不同动力条件下潮汐通道理想模型的地形演变来探讨潮差、波高对潮汐通道闭合的影响。
5.1 模型参数及地形因子敏感性分析
理想泻湖潮汐通道的地形如图 5-1 所示，计算区域垂直于岸线方向上约7000m，在平行于岸线方向为 12110m。波浪自外海开边界斜向入射，传播方向与 Y 轴成 35°角。泻湖垂直于岸线方向为 3000m，平行于岸线方向 4000m，潮
汐通道的中轴线布置于泻湖长度方向的中心位置。潮汐通道宽 600m，初始状态下高出水面的区域在垂直于岸线方向上长为 350m。 泻湖内的水深为 2m，滩顶高程为水面以上 1m，潮汐通道内水下边坡为 1:33，水上边坡为 1:66，边坡在海测从-1m 过渡到 0m 之间边坡为 1:66，水深从 0m 到5.6m 之间边坡坡度为 1:232，从 5.6m 到 10m 之间边坡坡度为 1:511，最终在离岸 3619m 处水深达到 10m。研究区域的三维地形如图 5-2 所示。
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结论
本文首先将合田良实公式引入 SWAN 模型中，通过模拟不规则波破碎实验与现场波高观测得到了公式中系数 A 的经验关系，并通过其他实验及现场波高数据验证了经验关系的合理性，完善了 SWAN 模型，为海岸地形演变模型提供了更为准确的波浪计算结果；其次，采用海岸地形演变模型模拟 Delft 水动力实验室所做的物模试验，验证了本文所采用的数学模型可以模拟潮汐通道地形演变，为分析潮汐通道地形演变的影响因素提供了基础；最后，通过模拟不同潮位、波高条件下理想潮汐通道的地形演变，发现近岸波生流引起的沿岸输沙是导致潮汐通道口门处浅滩形成的主要因素，波高越大潮汐通道拦门沙浅滩发展越明显；潮流是抑制口门处浅滩形成、维持潮汐通道畅通的主要因素，潮差越大浅滩发展越不明显。当潮流动力较小而波浪条件较显著时，泻湖潮汐通道的口门会出现闭合的趋势。
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参考文献（略）
