东海大堤对湛江湾水动力环境影响的研究

论文摘要

涉海活动对人类社会发展具有重大意义,适当的涉海活动可以对当地城市的经济发展起到重要的作用,促进社会发展,造福人民。然而,没有科学依据的过度涉海将会对涉海海域内的水动力环境、水质环境、泥沙运动规律和生态环境等造成一定影响,在海湾中进行涉海活动引起的负面影响已倍受关注。但是目前全面评价涉海活动对海湾水动力环境改变的细致研究尚不多见。本文以连接湛江市和东海岛的东海大堤为研究对象,进行了实地潮流、潮位观测,经过分析,发现紧靠东海大堤两侧水域观测点潮汐、潮流形态差别较大,为了更好的分析其变化,本文利用数值模拟方法对其进行解释。针对湛江湾及其附近海域海底底地形复杂,滩涂面积大且分布不均匀,岸线弯曲不规则等地形特点,本文首次利用三维漫滩水动力模型FVCOM,采用有限体积法,三角形网格,以及干湿边界处理方法,结合水交换模块,建立了数值模型,并通过实测资料验证,验证了模型的可靠性。由于湛江湾有较大面积滩涂,论文讨论了采用固定边界和干湿网格数值模拟方法对湛江湾的水动力场模拟的影响,发现:如果不采用干湿网格方法,不考虑湛江湾内的滩涂部分,湛江海域的主要分潮的振幅、迟角均减小,其中M2分潮振幅、迟角最大分别减少10cm、20度以上,潮流流速变小,特别是湛江湾和雷州湾内,海水流速减小较大,纳潮量减小21%以上,整个湛江湾内水体半交换时间延长9.4天,水交换率降低,与实际情况相差较大,不能准确反映湛江海域的现状,这也展现了干湿网格方法的优点,说明在滩涂较大的海湾使用干湿网格方法是必要的,并说明了湾内广大滩涂对维持海湾水动力环境的重要性。在建立的湛江湾模型基础上,分别模拟计算了大堤现状以及1958年大堤修建之前湛江湾的纳潮量、流场、潮位、余流等水动力特征,以及大堤修建前后湛江湾内水体的半交换时间,并对大堤修建前后湛江湾内的水动力状况和水交换率进行对比分析。结果表明,在1958年大堤建成之后,湛江湾的潮汐、潮流场均发生较大改变,其中从东海岛西侧湾口向大堤西侧水域的潮汐振幅、迟角明显增加,靠近大堤西侧处增加最大,分潮中以M2分潮变化最大,振幅增加8cm以上,迟角增加20度以上,大堤东侧(湛江湾)潮汐形态变化不大;大堤西侧通明海海域潮流流向与建堤前相比基本完全相反,最大流速变化在100cm/s以上,大堤东侧潮流流向变化不大,但流速大大减小;而由于东海大堤的修建,整个湛江湾的纳潮量从建堤前的78836万m3,减少至建堤后的72120万m3,减少6700万m3以上;整个湛江湾的水体半交换时间从建堤前的45.8天,延长至建堤后的80.6天,延长34天以上,使湾内的水交换率大大降低,特别是湾内靠近大堤东侧水体,其半交换时间从建堤前的12天,延长至100天以上,而在考虑湛江湾全年主导的东向风的情况下,建堤前后湾内的水体半交换时间将更加延长,分布延迟4天和6天左右,可见由于东海大堤的修建,对湛江湾内的水动力和水质环境造成较大的负面影响,在计算水体半交换时间的基础上,本文还用粒子追踪方法模拟了粒子的运动轨迹,更加直观的展示了粒子排出湾外的过程路径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究意义和目的
• 1.2 相关研究工作的回顾及现状
• 1.2.1 近海潮流数值模拟研究现状
• 1.2.2 湛江湾海域研究现状
• 1.3 本文的工作
• 2 大堤两侧实测数据调查情况简介
• 2.1 实测潮位数据分析
• 2.2 实测潮流数据分析
• 3 模式介绍
• 3.1 湛江湾海域简介
• 3.2 FVCOM 模型介绍
• 3.2.1 原始方程组
• 3.2.2 σ坐标下的控制方程
• 3.2.3 二维（垂向平均）方程组
• 3.2.4 三角形网格的设计
• 3.2.5 数值离散过程（外模和内模的分裂）
• 3.2.6 二维外模和三维内模的离散形式
• 3.2.7 干湿网格处理技术
• 4. 湛江海域水动力模型
• 4.1 模型设置及边界条件
• 4.2 水动力模型模拟结果验证
• 4.3 模拟结果分析
• 5 干湿网格法在湛江湾水动力场模拟中的对比应用
• 5.1 干湿网格法的应用对湛江湾潮汐特征模拟的影响
• 5.2 干湿网格法的应用对湛江湾潮流特征模拟的影响
• 5.3 干湿网格法的应用对湛江湾纳潮量模拟的影响
• 5.4 干湿网格法的应用对湛江湾水体半交换时间模拟的影响..
• 5.5 总结
• 6 建堤前后水动力场变化分析
• 6.1 建堤前后潮汐状况变化分析
• 6.2 建堤前流场状况分析
• 6.3 建堤前后纳潮量比较
• 6.4 建堤前后水交换率变化
• 6.5 拉格朗日质点追踪模型展示粒子轨迹
• 7 讨论与结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历