象山港物质输运特性的描述方法及相关问题研究

发布时间：2017-08-14 02:10

  本文关键词：象山港物质输运特性的描述方法及相关问题研究

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【摘要】：近年来海洋环境问题受到人们越来越多的关注,研究海洋环境问题的关键是了解水体中物质输运特征和污染物演化规律。本文针对近海海域典型的海湾水环境,以半封闭海湾象山港为研究海域,引入多种描述物质输运特性的拉格朗日方法,采用数值模拟技术分别对不同描述方法进行对比研究,发展适用于研究复杂水流运动下物质输运特性的描述方法。在此基础上,进一步考虑非保守性物质在水体中的输移转化规律,建立包含浮游植物、氮磷营养盐、溶解氧和含碳生化需氧量的水质模型,并引入数据驱动方法对模型参数进行优化,建立了象山港海域的三维水质模型。采用基于三维不可压缩流体运动基本方程和非结构化网格有限体积法的FVCOM海洋模型,对研究海域的三维潮汐、潮流和温盐的时空变化进行了数值模拟。计算中考虑了潮流、风应力、海表热交换和径流因素的影响。通过与实测资料以及前人研究成果对比,证明模型很好的再现了海湾的水动力特性和温盐分布特征。基于数值模拟结果,对研究海域的潮汐、潮流动力特性和温盐分布特征进行了分析,为进一步研究物质输运等问题提供了准确的动力场。引入时变系统分析工具——拉格朗日相干结构,融合粒子追踪、拉格朗日余流和概要图等多种描述物质输运特性的方法,分别将其应用于研究海域物质输运特征的研究中。通过对不同描述方法结果的分析和对比,发展了结合拉格朗日余流、相干结构和概要图三种基于拉格朗日理论的综合物质输运描述方法。该方法分别从物质的输运和分布、水体的分区特性、水体与外海之间水交换能力等多角度揭示了海湾的物质输运规律,有助于全面深入理解海湾的物质输运和分布特征。余流作为海域物质输运的载体,其分布及驱动因素是描述水体物质输运能力及特征的手段；拉格朗日相干结构和概要图是揭示流场内部物质输运过程和水体归宿的有力工具。利用拉格朗日综合物质输运描述方法对象山港海域不同季节的余流、物质输运过程及时间尺度进行了研究,通过数值试验分析了潮、风应力、海表热交换等不同驱动力作用和台风过程对海湾物质输运特征的影响,研究结论有助于了解海湾物质输运的主驱动力及不同因素对物质输运特征的影响程度和方式。在水动力模型基础上,建立了包含浮游植物生长和死亡、营养盐循环、溶解氧和含碳生化需氧量的三维水质模型。模型不仅考虑了污染物在水流作用下的物理对流扩散过程,而且反映了污染物的化学和生物转化过程。针对模型中大量参数难以确定的问题,建立了基于数据驱动理论的水质动力学模型参数优化方法,在实测水质资料的基础上分别对模型参数进行了选择和优化。结果表明模型模拟结果与实测数据吻合良好,重现了研究海域水质变量的时间和空间变化,验证了该方法对水质模型参数优化的有效性。进一步利用建立的水质模型研究了污染物排放量对研究海域水质的影响。
【关键词】：象山港 物质输运 余流 拉格朗日相干结构 海洋水质模型 数据驱动理论
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P731.2;X55
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• TABLE OF CONTENTS11-14
• 图目录14-18
• 表目录18-19
• 主要符号表19-20
• 1 绪论20-41
• 1.1 研究背景与意义20-22
• 1.2 国内外相关工作研究进展22-40
• 1.2.1 水动力模型研究进展22-24
• 1.2.2 近海物质输运研究进展24-32
• 1.2.3 近海水质模型研究进展32-37
• 1.2.4 象山港水动力及物质输运研究现状37-40
• 1.3 本文的研究工作40-41
• 2 三维水动力学模型及其验证41-72
• 2.1 水动力学模型41-48
• 2.1.1 控制方程41-43
• 2.1.2 边界条件43-45
• 2.1.3 方程离散与求解45-47
• 2.1.4 干湿边界处理技术47-48
• 2.2 水动力模型验证48-59
• 2.2.1 计算设置48-50
• 2.2.2 潮位与潮流验证50-57
• 2.2.3 温盐验证57-59
• 2.3 潮汐、潮流和温盐分布特征59-70
• 2.3.1 潮汐和潮流特性分析59-65
• 2.3.2 温盐分布特征分析65-70
• 2.4 本章小结70-72
• 3 拉格朗日物质输运描述方法的数值试验72-108
• 3.1 拉格朗日物质输运描述方法72-79
• 3.1.1 拉格朗日质点追踪法72-73
• 3.1.2 拉格朗日余流计算方法73-74
• 3.1.3 拉格朗日相干结构74-78
• 3.1.4 拉格朗日概要图78-79
• 3.2 潮周期内粒子运动轨迹分析79-83
• 3.3 M_2分潮潮致拉格朗日余流分析83-89
• 3.3.1 Lagrangian余流空间分布83-85
• 3.3.2 初始相位对Lagrangian余流的影响85-87
• 3.3.3 时均周期对Lagrangian余流的影响87-89
• 3.4 拉格朗日相干结构分析89-96
• 3.4.1 相干结构的计算89-92
• 3.4.2 相干结构随时间的变化92-94
• 3.4.3 水体输运过程分析94-96
• 3.5 拉格朗日概要图分析96-100
• 3.6 结果和讨论100-106
• 3.7 本章小结106-108
• 4 象山港物质输运特征及其影响因素108-140
• 4.1 不同驱动因素下象山港物质输运特征108-125
• 4.1.1 多分潮作用下的物质输运特征108-112
• 4.1.2 风生-潮致作用下的物质输运特征112-118
• 4.1.3 风生-热盐-潮致作用下的物质输运特征118-125
• 4.2 台风过程对象山港物质输运特征的影响125-138
• 4.2.1 台风风场和气压场的计算125-127
• 4.2.2 风暴潮的模拟及验证127-131
• 4.2.3 台风过程对物质输运特征的影响131-138
• 4.3 本章小结138-140
• 5 象山港水质模拟研究140-174
• 5.1 海域水质动力学模型140-145
• 5.2 基于数据驱动理论的模型参数优化方法145-149
• 5.2.1 模型参数优化方法的基本原理145
• 5.2.2 数据驱动理论145-148
• 5.2.3 模型参数优化方法实施过程148-149
• 5.3 象山港海湾水质模型的建立及应用149-172
• 5.3.1 研究海域水质现状分析150-152
• 5.3.2 水质模型设置152-153
• 5.3.3 控制参数的选择153-159
• 5.3.4 模型参数优化159-163
• 5.3.5 结果和讨论163-172
• 5.4 本章小结172-174
• 6 结论与展望174-178
• 6.1 结论174-176
• 6.2 创新点176
• 6.3 展望176-178
• 参考文献178-190
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果190-191
• 致谢191-192
• 作者简介192

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本文编号：670179