湿地植物对湖泊及河口水动力特性影响的数值模拟研究

发布时间：2020-04-11 06:13

【摘要】：近海、河口及湖泊水环境的日益恶化,引起越来越多学者的关注。近岸及河口区处在陆海交汇地带,径流与潮流的共同作用使得近海、河口水动力条件复杂。该区域往往是城镇集中、人口密集、工业发达、经济发展迅速之地,这里人类活动密集频繁、污染物的大量排放及人类活动影响,从而致使该区域生态环境脆弱。浅水湖泊是地球水循环系统的重要组成部分之一,湖水循环结构的演变过程受风、地形、水生植物和人类活动等多种因素的影响,自然环境和人类活动的综合作用使得湖泊水流结构发生着重大变化。因此,近岸、河口及湖泊的二维水流运动的研究具有重要的意义。依托Navier-Stokes方程,结合浅水水流的特点将其简化为平面二维浅水方程,本文建立了显格式的平面二维浅水数学模型,模型以非结构三角形网格为基础,采用有限体积法对方程进行离散。通过具有复杂边界的大连湾海域的水动力模拟对模型进行验证,发现模拟的潮位、流速结果和实测值较吻合,并对大连湾附近涨落潮流场进行了详细分析,发现在大三山岛和小三山岛周围的潮流是旋转型,其余基本呈往复流,湾口有回流。结果表明:该模型能够较准确地反映模拟区段内大连湾地区的水动力环境变化,可以用于模拟和分析近岸海域的动力情况。以太湖为研究对象,基于平面二维浅水方程,建立植被作用下湖泊深度平均二维浅水显格式数学模型,模拟研究了盛行风场下的太湖水动力特性。结果表明,风是形成太湖环流的重要因素,风速大小及风向对湖流流速的大小及流场结构有很大影响。当风速增大时,水体流速也增大,风速减小时,水体流速也相应减小。在风速相同、风向相反的情况下,湖流具有流型相似、流向相反的特点。太湖在不同风向下形成不同的环流系统,模拟的湖流流场结构与前人模拟结果相同。此外,利用多源遥感数据(Landsat8)开展了太湖水生植被遥感信息提取工作,提取了沉水植被、浮叶植被和挺水植被三种湖泊植被信息。在太湖风生流数值模拟的基础之上研究了风生流-植被共同作用下,太湖有无植被分布对太湖湖流流速的影响。结果表明,太湖中有植被分布的区域,有植被分布时,其湖流流速明显小于无植被分布时湖流流速;太湖湖流流速与植被的参数呈现负相关的关系。基于丹麦Mike21模型系统,利用收集到的河道水文资料,结合现场实测水位和盐度数据,建立辽河口感潮河段水动力-盐度耦合模型。利用该模型模拟辽河口红海滩湿地水位变化、潮流变化及盐度变化过程,并给出了流场的分布及特性。结果显示,MIKE 21水动力-盐度数学模型能较准确地模拟该区域水位过程、潮流过程及盐度的分布,模拟所出现的误差在可允许范围之内,其结果可用于流场特征分析,同时也验证了所建Mike21水盐耦合模型的合理性。基于Landsat TM卫星的遥感技术,提取出红海滩湿地翅碱蓬、芦苇两种植被的分布情况。植被的作用力采用底层摩擦项中Manning系数的变化来表示。根据植被区水深及盐度实测资料对模型进行率定,模拟结果与实测资料相吻合。风应力也是影响湿地水深的重要因素之一,在风的作用下,湿地水深明显增大。模拟结果表明,由于湿地植被的存在,消耗了流经植被水流的能量,增加了水流的阻力,导致植被区内水流方向改变,流速明显降低。对不同植被密度和不同植被拖曳力系数下的红海滩湿地水流进行模拟,结果发现,无论是在翅碱蓬还是芦苇生长的区域,当植被的拖曳力系数一定时,随着植被密度的增加,水流流速在减小;当两种植被的密度一定时,植被拖曳力系数的增加导致植被区水流流速的减小,植被区水流流速的大小和植被密度及植被拖曳力系数呈现负相关的关系。另外,模拟了不同径流条件下湿地植被区的盐度变化特点以及盐度在相同径流条件下的纵向变化规律。结果发现当径流量较小时,辽河口上游淡水对监测点盐度具有较弱的稀释作用,而在径流量较大的情况下正好相反。相同径流条件下,红海滩湿地水流的盐度在纵向分布上总体呈从上游往下游不断增加的趋势。
【图文】：

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用显格式时间步长为 0.2s。3.1.3 模拟验证图3-2为大连湾和老虎滩潮位站处潮位计算值和实测值的对比图，从图3-2中可以看出，所得潮位值与实测值总体趋势吻合较好。图 3-3 分别为测点 1、测点 2 流速模拟与实测值的对比图，由图可以看出，，两个测点流速的模拟值与实测值稍有偏差，可能有以下原因：一方面与低潮时潮位有部分偏差有关，另一方面测量值可能存在误差。图 3-4 是大连湾附近涨落潮流场图，在大三山岛和小三山岛周围，潮流是旋转型，其余基本呈往复流型。涨潮流偏东北流入海湾，落潮则偏西南流。通过上述计算结果发现，在湾口处发现回流，受岸线影响水流方向发生很大变化，水位变化明显。总体而言，本文采用的二维模型能准确地模拟水位和流速的分布

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Tide Laohutan图 3-1 计算区域及网格划分Fig. 3-1 Mesh and measurement stations at computational area图 3-2 大连港和老虎滩计算和实测潮位对比Fig.3-2 Comparison of simulation and measurement water surface elevation at selected tidal stat
【学位授予单位】：大连海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X524

【参考文献】