河网与河口地区耦合模型的研究及应用

论文摘要

由于珠江三角洲河网和伶仃洋海区是不可分割的整体，存在着密切的水沙交换，因此在以前广大学者研究的基础上建立了一、三维耦合数学模型，将珠江三角洲与其相连接的伶仃洋视为整体进行研究，并利用建立的数学模型研究探讨了珠江三角洲与伶仃洋的水沙及盐度的运动分布特性。 本文首先利用“节点水位控制法”和“节点含沙量控制法”建立了珠江三角洲一维河网水沙数学模型。然后建立了σ坐标系下三维流场，悬沙场数学模型。应用先进的K-KL二方程紊流闭合模型得到垂向涡粘系数。考虑到外海盐水入侵造成的密度斜压效应，在水动力模型中加入了盐度场的计算，使流速垂向分布上能够更好的符合实际情况。悬沙场数学模型中，计算底部切应力给出底边界条件，通过沉积和再悬浮的悬沙量给出水沙交换的变化。在温、盐和悬沙计算的物质输运方程中，改进了插值方法，提高了水平扩散项的计算精度，减少了数值计算中产生的数值耗散和数值振荡，并可应用到坡度变化较剧烈情况。推导出一、三维耦合模型水动力的补充方程，通过迭代求解得到一、三维连接断面的边界条件，悬沙的连接通过保证物质输运的连续性，一、三维模型之间含沙量的相互传递完成计算过程。 研究了珠江三角洲河网内主要节点的分流、分沙比及沿程的水面线，揭示了珠江三角洲的宏观规律；通过西、北江和东江之间相互影响的判断，指出了在不同水文组合下，两者之间的相互关系。在伶仃洋海区，通过对东、西深槽纵、横剖面的流场，盐度分布及泥沙输运的研究，详细分析了潮流、盐度、泥沙三者之间的相互关系。

论文目录

• 前言
• 摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外河网、河口水流泥沙数学模型研究现状
• 1.2.1 一维河网水流、泥沙模型的研究进展
• 1.2.2 三维水流、泥沙模型的研究进展
• 1.2.3 一维与多维耦合模型研究进展
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 一维河网水流、泥沙数学模拟
• 2.1 一维水流数学模型
• 2.1.1 一维非恒定流基本方程
• 2.1.2 差分格式
• 2.1.3 离散化的代数方程组
• 2.1.4 河网节点连接条件
• 2.2.5 边界条件
• 2.2.6 河网离散方程组的求解
• 2.2 一维泥沙数学模型
• 2.2.1 一维非恒定流泥沙基本方程
• 2.2.2 悬移质泥沙连续方程的离散
• 2.2.3 单一河道断面含沙量求解
• 2.2.4 河网悬沙节点方程组及断面含沙量求解
• 2.2.5 河床变形方程的求解
• 2.3 计算流程图
• 2.4 本章小结
• 第三章 河口三维水流、悬沙数值模拟
• 3.1 三维非线性斜压流场数学模型
• 3.1.1 笛卡儿坐标系下潮流及温盐扩散方程
• 3.1.2 紊流模型
• 3.2 三维悬沙数学模型
• 3.3 坐标转换关系
• 3.4 初始条件和边界条件
• 3.4.1 初始条件
• 3.4.2 边界条件
• 3.5 数值求解方法及步骤
• 3.5.1 求解方法
• 3.5.2 求解步骤
• 3.6 Sigma坐标下物质输运方程中水平扩散项的改进
• 3.6.1 物质输运方程中水平扩散项的改进
• 3.6.2 数值实验
• 3.7 本章小结
• 第四章 珠江三角洲一维与伶仃洋三维耦合模型
• 4.1 耦合计算方法的比较
• 4.2 珠江三角洲一维河网水沙数学模型
• 4.3 伶仃洋三维水沙数学模型
• 4.4 一、三维耦合数学模型
• 4.4.1 一维和三维模型的耦合计算
• 4.4.2 一维模型和三维模型的信息传递不对称问题讨论
• 4.4.3 验证与比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 耦合模型的应用及水沙运动规律分析
• 5.1 概述
• 5.1.1 珠江三角洲河网概况
• 5.1.2 八大口门概况
• 5.1.3 伶仃洋概况
• 5.1.4 珠江三角洲河网及河口地区目前存在的主要问题
• 5.2 珠江三角洲及伶仃洋水沙运动规律分析
• 5.2.1 珠江三角洲河网区主要节点的分流比分沙比规律分析
• 5.2.2 珠江三角洲沿程水位变化
• 5.2.3 西、北江及东江的影响度判断
• 5.2.4 伶仃洋的水流运动规律
• 5.2.5 伶仃洋的盐度分布规律
• 5.2.6 伶仃洋的泥沙运动规律
• 5.2.7 河网与河口在东四口门的水沙交换
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 未来的工作及展望
• 附图
• 参考文献
• 附录
• 致谢