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河口盐水入侵的数值模拟研究

作　者: 杨莉玲
导　师: 王运洪
学　校: 上海交通大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 河口三维流场、盐度场数值模拟盐水入侵波浪风伶仃洋
分类号: P343.5
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 637次
引　用: 3次
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内容摘要

由于河口盐水入侵灾害的日益突出,该问题的研究受到了人们的关注。通过建立水流、盐度数学模型,进行河口盐度输移的数值模拟,对河口盐度的分布特征以及其受河口各种水动力因素的影响进行探讨分析,将有利于河口盐水入侵的防治。本文跟踪了国内外河口盐水入侵问题研究的最新动向,采用数值模拟方法对河口盐水入侵展开了系列研究,内容涉及一维、一、二维联解及三维的水流、盐度数值模拟、模型建立和运行中一些关键问题的处理、径流量、潮差、波浪和风对河口盐水入侵的影响分析、以及珠江河口伶仃洋的盐水入侵模拟。论文采用多套实测资料对建立的模型进行了验证,合理地再现与分析了河口区的盐水入侵现象。论文的主要内容可以归纳为以下几个方面:1.系统归纳与评述了河口盐水入侵的危害、复杂性及各种影响因素,总结了盐水入侵的主要研究方法和国内外盐水入侵问题的研究现状。2.针对网河区水系复杂交错、河口区较宽广的不同特点以及实际工程研究的不同需要,分别建立了一维和一、二维联解水流、盐度模型。结合具体的工程实例,进行了模型的验证及工程方案对盐水入侵影响的评价。此外,还对盐水入侵强度与径流量、潮差的相关关系进行了探讨。3.推导了水平正交曲线变换和垂向σ变换后的三维非线性斜压流场、盐度场数学模式,给出了离散求解过程,对一些模型参数和边界条件作了处理,并首次将波浪和风因素纳入河口盐度数值模拟系统。并且,对常用的干湿判别动边界处理法进行了改进,通过计算水域边界邻近网格边长的系数修正,更准确地定义了计算区域,反映出了水域边界移动的连续性。利用弯曲分汊河段—洲头嘴的实测资料,进行了三维水流计算和动边界处理的验证。4.建立了理想河口径流、潮流、温度、波浪和风综合影响下的三维水流、盐度数学模型,通过对相同边界、初始条件下,有浪和无浪、有风和无风情况下的河口盐水入侵进行模拟、对比分析,探讨了波浪和风对理想河口盐水入侵的影响。5.建立伶仃洋多因素综合作用下三维水流、盐度数学模型,利用大量实测数据对模型进行了较全面的验证,并对伶仃洋的三维盐度分布特征以及波浪和风对其盐度输移的影响进行了研究。此外,探讨了盐度初始场与循环计算的问题。论文的创新性体现在以上2~5所述的内容当中,通过本文的研究,可以得到以下有价值的结论:1.从本文中各个实例的计算结果可以看出,文中所建立的模型能正确反映出工程方案对盐水入侵的影响及河口盐度三维空间分布特征,采用一维、一、二维联解及三维水流、盐度数值模拟方法研究河口上游三角洲及河口区的盐水入侵问题是确实可行的。此外,动边界处理方法的改进、以及盐度初始场与循环计算问题的讨论,对于提高数值模拟的准确度和效率也是非常有利的。2.径流和潮流是盐水入侵的两个主要影响因素。盐水入侵距离和各个横断面含盐度均随着上游径流量的增加而减小,近似于线性变化关系。盐水入侵距离和各横断面含盐度均随着下游潮差的增加(涨潮量增大)而增加,其中盐水入侵距离与潮差呈线性变化关系,而横断面含盐度与潮差之间的变化近似于单调递增的曲线关系。3.理想河口和珠江河口伶仃洋的计算充分表明了波浪对河口盐度输移的影响。在本文所加波浪场作用下,河口盐水入侵前沿锋向河口上移,盐度等值线增加,总体而言,波浪越大时其对盐度输移的影响也越大,并且考虑波浪后表层盐度的变化大于底层盐度的变化。此外,也说明了波浪对盐度输移有两方面的影响:一是改变了水流流动,间接影响盐水入侵;二是直接地影响盐度的紊动扩散过程。4.风对河口区盐水入侵也存在一定的影响。在与涨潮流同向的风场作用下,受表面应力作用,河口区整体(表层至底层)盐度均有所增加,但由于实际河口情况复杂、风的存在同时会影响到深槽与浅滩的分流,因而,局部可能出现不一致的情况。较宽阔的外海区,其表层盐度增加,底层由于垂向风生环流的作用,也会出现盐度减小的情况。总之,从网河区一维、网河区和河口区一、二维联解到河口三维水流、盐度数学模型,从建模前期资料的整理到模型的求解、参数的确定及具体实例的计算、模型的验证,从径流、潮差到波浪和风各因素对河口盐水入侵影响的分析,本文的工作涉及到河口盐水入侵数值模拟研究的诸多方面。本文对盐度模拟研究中的一些重要问题进行了分析。本文给出的模型与经验为河口盐水入侵的进一步研究提供了有益的参考。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-18
第一章绪论  18-37
  1.1 问题的提出及课题研究的意义  18-22
    1.1.1 盐水入侵的严重危害  18-19
    1.1.2 河口盐水入侵问题的复杂性  19-21
    1.1.3 课题研究的意义  21-22
  1.2 影响河口区盐水入侵的因素  22-24
    1.2.1 径流  22-23
    1.2.2 潮汐  23
    1.2.3 潮流  23
    1.2.4 波浪和风  23
    1.2.5 河口河势演变  23-24
    1.2.6 海平面变化  24
    1.2.7 人类活动  24
  1.3 盐水入侵的一般研究方法  24-27
    1.3.1 原型观测分析方法  24-25
    1.3.2 物理模型试验方法  25
    1.3.3 数值模拟方法  25-27
  1.4 国外盐水入侵研究现状  27-29
  1.5 国内盐水入侵研究现状  29-31
    1.5.1 长江河口盐水入侵研究现状  29-30
    1.5.2 珠江河口盐水入侵研究现状  30-31
    1.5.3 其它河口盐水入侵研究现状  31
  1.6 波浪辐射应力的研究  31-32
  1.7 波流共同作用底部剪切应力的研究  32-34
    1.7.1 波流共同作用下底部剪切应力的有关研究  32-33
    1.7.2 波浪摩擦因子的有关研究  33-34
  1.8 存在的问题及不足  34-35
  1.9 本文主要研究内容  35-37
第二章盐水入侵的一维及一、二维联解数值模拟研究  37-57
  2.1 一维河网水流、盐度模型  37-46
    2.1.1 一维水流、盐度模型控制方程  37-38
    2.1.2 水流、盐度方程的离散  38-42
    2.1.3 初始条件和边界条件  42
    2.1.4 模型的求解  42-43
    2.1.5 一维河网水动力、盐度模型应用实例  43-46
  2.2 二维水流、盐度数学模型  46-50
    2.2.1 正交曲线网格  46-48
    2.2.2 正交曲线坐标系下二维水流、盐度数学模型基本方程  48-49
    2.2.3 方程离散求解  49-50
  2.3 一、二维水动力、盐度模型的耦合  50-53
    2.3.1 耦合条件及步骤  50-51
    2.3.2 模型建立中一些问题的处理  51-52
    2.3.3 一、二维水流、盐度耦合模型应用实例  52-53
  2.4 径流、潮差对盐水入侵影响的分析  53-55
    2.4.1 径流变化对盐水入侵影响的实例分析  53-54
    2.4.2 潮差变化对盐水入侵影响的实例分析  54-55
  2.5 小结  55-57
第三章三维水流、盐度数学模型的建立  57-84
  3.1 水流、盐度三维模型数学描述  57-62
    3.1.1 三维水流、盐度模型基本方程组  57-58
    3.1.2 对方程简化时采用的假定和近似  58-59
    3.1.3 新坐标系下三维（内模式）数学模型基本方程  59-60
    3.1.4 新坐标系下二维（外模式）数学模型基本方程  60-62
  3.2 模型参数的确定  62-63
    3.2.1 水平扩散系数ν_H（动量）、λ_H（温度、盐度）  62
    3.2.2 动量垂向涡粘系数ν_T及温度、盐度垂向扩散系数λ_T  62-63
  3.3 定解条件  63-65
    3.3.1 边界条件  63-64
    3.3.2 初始条件  64
    3.3.3 模型求解稳定性条件  64-65
  3.4 控制方程的求解及离散  65-71
    3.4.1 各变量在计算网格的布置  65-66
    3.4.2 流速“预测”值求解  66-69
    3.4.3 水深积分方程的求解  69-70
    3.4.4 流速“校正”值求解  70-71
    3.4.5 垂向流速的求解和离散  71
  3.5 浅滩及动边界处理方法  71-75
  3.6 弯曲河道三维水流计算实例  75-77
  3.7 模型中波浪和风因素的考虑  77-82
    3.7.1 波浪辐射应力计算  78-79
    3.7.2 波流共同作用下底部剪切应力计算  79-80
    3.7.3 波浪计算模型  80-82
  3.8 小结  82-84
第四章理想河口盐水入侵三维数值模拟研究  84-94
  4.1 理想河口数值试验设计  84-85
  4.2 波浪对理想河口盐水入侵的影响分析  85-89
    4.2.1 理想河口波浪要素计算  85-86
    4.2.2 波浪对流速影响  86-87
    4.2.3 波浪对河口区盐度分布的影响  87-89
  4.3 风对理想河口盐水入侵的影响分析  89-92
    4.3.1 风对盐度垂向分布影响  89
    4.3.2 风对河口区盐度分布的影响  89-90
    4.3.3 风对整个模拟区域盐度沿程分布的影响  90-92
  4.4 小结  92-94
第五章珠江河口伶仃洋盐水入侵三维数值模拟研究  94-123
  5.1 珠江河口伶仃洋概况  94-102
    5.1.1 珠江河口盐水入侵问题的复杂性、特殊性  94-95
    5.1.2 珠江河口盐水入侵问题的重要性  95-96
    5.1.3 伶仃洋地理概况及水文、动力条件  96-100
    5.1.4 伶仃洋含盐度在时间上的变化  100-101
    5.1.5 伶仃洋含盐度在空间上的分布  101-102
  5.2 珠江口伶仃洋三维水流、盐度数学模型  102-105
    5.2.1 计算区域及地形资料  102
    5.2.2 模型参数  102-103
    5.2.3 盐度初始场与循环计算问题的探讨  103-105
  5.3 模型的率定和验证  105-108
    5.3.1 潮位验证  105-106
    5.3.2 三维流速分层验证  106-107
    5.3.3 流速垂向剖面验证  107
    5.3.4 三维盐度分层验证  107-108
    5.3.5 盐度垂向剖面验证  108
    5.3.6 与其它模型计算流场的对比  108
  5.4 伶仃洋流场特征  108-110
    5.4.1 三维表层流场  108-109
    5.4.2 三维近底层流场  109
    5.4.3 三维垂向平均的全潮流速矢量图  109
    5.4.4 浅滩局部流场  109-110
  5.5 伶仃洋盐度场特征  110-112
    5.5.1 三维分层盐度场  110-111
    5.5.2 伶仃水道垂向盐度剖面  111-112
  5.6 波浪对伶仃洋盐度场影响分析  112-119
    5.6.1 伶仃洋波浪要素计算  112-113
    5.6.2 考虑波浪后伶仃洋流速变化  113-115
    5.6.3 波浪对盐度平面分布的影响  115-117
    5.6.4 波浪对盐度垂向分布的影响  117-119
  5.7 风对伶仃洋盐度影响分析  119-121
  5.8 小结  121-123
第六章结论与展望  123-126
  6.1 结论  123-124
  6.2 展望  124-126
参考文献  126-140
附图  140-184
附录：考虑波浪后增加项的离散  184-188
致谢  188-189
攻读博士学位期间发表的论文  189-191

河口盐水入侵的数值模拟研究

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