近海与湖泊三维水动力及物质输运的数值模拟研究和应用

发布时间：2020-03-29 22:57

【摘要】：近年来,人们越来越多的关注近海和湖泊的环境问题。近岸区、河口区是人类活动密集频繁区域,本身动力条件复杂,又处在陆海交汇的敏感地带,从而导致本区域生态环境脆弱。湖泊是最重要的水资源之一,是湖泊流域生态系统健康发展的物质基础,是国民经济迅速发展的重要保障。研究近海及湖泊的三维水流运动以及物质输运具有非常重要的意义。为了研究多岛屿、地形及流态复杂的瓯江口海区的水动力过程,本文将EFDC模型应用于该海区潮流场和盐度场的数值模拟。对比实测资料校核了模型参数,把模拟结果和实测潮位、流速和盐度进行了比较,吻合较好,并对瓯江口海区的潮流场以及盐度场进行了详细分析,发现近岸和江口及乐清湾大部分区域往复流明显,离岸越远旋转流越明显,河口处盐度在垂线分布上呈强混合型。结果表明：该模式成功复演了瓯江口海区的潮流和盐度变化过程,可以用于模拟和分析河口及近海海域的动力场。对实测风场和吞吐流作用下的太湖流场进行了数值模拟,水位模拟结果与实测值符合较好,在此基础上详细分析了不同风场,地形及吞吐流条件对太湖水动力特性的影响。比较各种方案的流场可知,风对太湖流场结构起主导作用,风场是影响湖流的最敏感的因素；湖底地形的变化对各层风生流场有一定的影响；吞吐流对整个湖泊水流结构影响微弱,对湖泊出入口局部水域水流流态有一定影响；在静风条件下,湖泊水流主要由吞吐流驱动,吞吐流对出入口局部水域水流流态有较大影响。利用QuikSCAT/NCEP混合卫星风场资料作为第三代海浪模型SWAN的输入风场,将数值模拟结果与渤海的一个实测点的有效波高和波周期进行对比,计算值和实测值吻合较好。对不同盛行风(风速为6.5 m/s、8 m/s,风向为SE、NW)作用下的太湖流场、波浪场进行模拟,分析其特征,并与前人的研究成果进行比较,验证模拟结果的可靠性。最后模拟了实测风场作用下的瓯江口海区的波浪场,为下一步模拟波流耦合作用下的泥沙运动提供波浪数据。根据瓯江口的水动力特征,利用三维斜压水动力模型和盐度扩散模型,模拟了瓯江河口在不同径流、风向和潮流作用下的盐水入侵及其盐度分层情况。模型通过2005年6月的实测潮位、流速和盐度变化进行了校正,模拟结果和实测结果比较吻合。在此基础上,对六种不同径流和风速组合条件下的瓯江河口盐度分层进行了数值模拟。模拟发现在径流量较小和吹向河口的风作用下瓯江河口盐水入侵更加严重,在大径流作用下河口的盐度会出现分层,而且模型结果也表明在瓯江河口风不是导致盐水入侵和盐度分层最主要的因素。实现了EFDC水动力模型和SWAN波浪模型的双向耦合,水动力计算的流场带入波浪模型来计算波浪场,之后把波浪场的相关数据(波高、波向和波周期)重新引入到水动力模型并重新计算流场,利用Styles和Glenn的波流模型WCM计算波流共同作用下的底部切应力。将潮流、波浪和泥沙三者耦合在一起,建立了波流作用下的瓯江口海区三维泥沙数学模型,模拟了瓯江口海区的泥沙输移扩散。
【图文】：

坐标系统,浅水区

切应力的浅水区的分辨率不高，且在给定底边界和水面边界条件时会遇到很大困难。为克服笛卡儿坐标的不足(图2.1)，把二坐标变换引入到浅水流动和物质输运的三维数学模型中(图2.2)，经过坐标变换可以使整个计算水域具有相同的垂向分层数，，这样就提高了浅水区的垂向分辨率，并且各垂向层的侧向岸边界条件都是一致的，这给数值计算带来很大方便。

地形图,水深图,的影响,水文测站

垂直方向上采用口坐标变换得到。具体的方程和离散及其边界条件可参见第二章。3.2模型应用及其验证欧江口海区临近台湾海峡，岛屿众多，地形复杂(图3.1)，沿海潮波主要受中股潮控制，也受南股潮波的影响。潮波进入浅海后，水深、地形不断变化加上径流的作用，浅海分潮具有由东向西、由湾口到湾顶渐增的特点，匝江入海口附近潮汐受外海左旋的潮波系统控制，涨落潮大体为沿河口方向，欧江口海区潮汐属于正规半日潮，潮高不等现象较为明显，潮差大，通常涨潮历时小于落潮历时[’76]。阮江河口为强潮河口，据河口水文全潮测验潮位资料统计计算，潮汐特征(从1+Hol)/氏2=0.24一 0.28<0.5，属正规半日潮类型，一昼夜两个潮，且潮高不等现象较为明显
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P731.2

【参考文献】