近岸物质输运数值模拟研究

论文摘要

海岸、河口区位于陆海交汇地带，动力条件多变，地貌演变迅速，沉积过程复杂，生态环境脆弱，尤其是近年来，人们对近岸海洋资源的过度开发和利用，使得近岸区域的环境逐渐恶化，严重浪费海岸带资源和破坏生态环境。波浪和潮流作为主要的动力因素，在这些过程中起着重要的作用。近岸物质输运对于海岸线和海岸带地形的改变尤其重要，研究实际海洋中物质输运的机制和输运特征，对开发近岸海洋工程有重要的意义。本文主要通过数值模拟的方式研究纯潮流和波浪、潮流共同作用下，渤海湾近岸泥沙的输运规律。根据实际调查的天津近岸水文资料和欧洲中尺度气象中心ECMWF再分析波浪数据，验证ECOMSED三维水动力模型和SWAN波浪模型在研究海域的适用性。水动力模型采用了大、小区嵌套的方式来模拟研究海域的潮流场，波浪模型则采用三重嵌套的方式进行模拟，其中输入的海面10m高度风场是采用边界动力学模型和边界层二层诊断模型得到，从而最终得到研究时间段渤海湾的波浪参数。在验证结果基本吻合的基础上，进一步研究了两模型联合作用下渤海湾整个海湾的悬浮泥沙特征，并分析了两者动力因素条件下潮流、底应力和含少量的比较，同时具体分析了天津南港工业区建设后天津近海区域泥沙在一般天气和给定大风过程中悬浮泥沙的分布特征。通过对研究海域模拟的数据结果分析表明，ECOMSED三维模型和SWAN波浪模型在研究渤海湾水动力、含沙量和波浪参数（有效波高、波向、平均周期）等方面是可行的，其模拟的结果可以较真实地反映研究海域的水动力场和波浪场。渤海湾的悬浮泥沙浓度在仅考虑潮流作用下，整体的浓度不大，范围在0.005kg/m~3~0.06kg/m~3，因受地形的影响等值线基本上和等深线是重合的，高浓度分布于近岸海域，并随着水深的增加而减小。波流共同作用下的悬浮泥沙分布在量值上与纯潮流作用下偏大，范围在0.005kg/m~3~0.1kg/m~3，但分布特征没有多大的变化，高浓度海域在5m等深线以浅的区域。通过对两者动力因素情况下含沙量和底应力的分析，表明波浪在泥沙输运的过程中有重要的作用。波浪作用可导致近底水体的扰动和搅拌，产生大的湍流，从而增加底部剪切应力，同时拖曳力的增加也影响了近岸的潮流场。在渤海湾悬浮泥沙研究的基础上，针对天津近海区域的海洋工程天津南港工业区的建设，对近海海域的悬浮泥沙在一般天气和给定大风两种情况下进行了模拟和分析，结果表明在一般的天气状况下，南港工业区近岸的悬沙浓度基本处于0.1kg/m~3，近岸浓度高于远岸，北防波堤南侧在涨潮过程中由于流速大，导致的悬沙浓度远高于落潮时的悬沙浓度；在大风过程中，整个海域的悬沙浓度有所提高，近岸悬沙浓度达到了0.85kg/m~3，在大风过程中，可能导致航道和围埝南部出现淤积的现象。本文主要通过ECOMSED三维模型和SWAN波浪模型研究了渤海湾和天津近海海域的悬浮泥沙浓度分布特征和输运机制，模拟的结果与海洋中的实际情况基本相符合，但由于悬沙受多种因素的影响，与实际情况存在着偏差。同时针对天津南港工业区的建设做了进一步的分析，对近岸海域物质输运、地形地貌的演变有重要的研究意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 研究意义和目的
• 1.2 近岸数值模型回顾及现状
• 1.2.1 潮流场的数值模拟
• 1.2.2 波浪场的数值模拟
• 1.2.3 泥沙数值模型的研究
• 1.3 主要工作
• 2 模型介绍
• 2.1 ECOMSED模型
• 2.1.1 ECOMSED模型发展
• 2.1.2 模型控制方程
• 2.1.3 模型的数值技术
• 2.2 波浪模式SWAN介绍
• 2.3 模型联合
• 3 模拟海域概况及模式验证
• 3.1 渤海湾海域概况
• 3.2 模型网格设置及边界条件
• 3.2.1 ECOMSED模型设置
• 3.2.2 SWAN波浪模型设置
• 3.2.3 数据资料来源说明
• 3.3 数据验证及分析
• 3.3.1 水动力模型模拟结果验证及分析
• 3.3.2 波浪场数值模拟结果验证及分析
• 3.3.3 研究海域含沙量结果验证及分析
• 3.4 小结
• 4 渤海湾三维悬浮泥沙数值模拟
• 4.1 水动力数值模拟及分析
• 4.1.1 实测站位潮流分析
• 4.1.2 研究海域潮流分析
• 4.2 波浪数值模拟及分析
• 4.3 纯潮流条件下研究海域三维悬沙数值模拟
• 4.4 浪流共同条件下研究海域三维悬沙数值模拟及分析
• 4.5 不同条件下模拟结果对比
• 4.6 小结
• 5 天津工业园区三维悬浮泥沙模拟
• 5.1 天津工业园区概况
• 5.2 天津工业园区波流共同作用下三维悬浮泥沙模拟
• 5.2.1 网格设置及边界条件
• 5.2.2 波流共同作用下三维悬沙模拟
• 5.2.3 强风作用下三维悬浮泥沙模拟
• 5.3 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 认识与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文