波流共同作用下的河口悬沙数值模拟

论文摘要

河口段的泥沙淤积阻碍通航,降低河道行洪能力,已经成为制约河口经济发展的主要因素之一。河口区域是淡水与海水的交汇处,在潮流与波浪的共同作用下河口区域的悬移质呈现季节性的冲淤变化,由气象条件及泥沙运移引起的河口淤积难以估计,需要建立一个稳定准确的泥沙运输数学模型。本文介绍了MIKE 21模拟河口区域流场及粘性沙运移的基本原理。水动力模型基于水流连续性方程和不可压缩的雷诺时均Navier-Stokes方程；泥沙模型基于对流扩散方程,以波浪辐射应力来表示波浪对对水流和泥沙运移的影响,模拟波流共同作用下悬沙的运移,考虑了粘性沙的絮凝及干扰沉降,可进行多级粒径,多层底床冲淤模拟计算。通过搜集整理马颊河多年水文泥沙资料,应用MIKE21 MT模块建立起马颊河河口波流共同作用下的平面二维泥沙数学模型,并以实测潮流及悬沙浓度资料进行模型率定。模拟了河口的流场分布及悬沙浓度分布变化,为满足河道防洪及上游供水要求,制定清淤、建闸、加高堤岸等河道治理方案,并根据模拟结果预测各方案的效果及治理后的河道淤积情况。由于对马颊河汇合口以下泥沙淤积的研究以前从未进行过,相关的历史淤积资料匮乏,以及受泥沙运移问题的复杂性及时间的限制,有些问题没有考虑,如河道突然开挖可能出现的骤淤问题,底床的固结,以及长期的冲淤变化情况,还有待深入研究。

论文目录

• 目录
• Contents
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 河口定义及泥沙运动特点
• 1.3 泥沙研究进展
• 1.3.1 水流泥沙理论研究进展
• 1.3.2 波流共同作用下的水沙数学模型
• 1.3.3 MIKE21简介
• 1.4 研究内容与技术路线
• 第2章 模型基本原理
• 2.1 水动力模型
• 2.1.1 浅水方程
• 2.1.2 传输方程
• 2.1.3 底部切应力
• 2.1.4 风应力
• 2.2 粘性沙模型
• 2.2.1 主控方程
• 2.2.2 沉积模型
• 2.2.3 侵蚀模型
• 2.2.4 非粘性沙组分
• 2.2.5 波流作用
• 2.2.6 底床地形变化
• 第3章 数值求解方法
• 3.1 数值方法
• 3.1.1 有限差分法
• 3.1.2 有限元法
• 3.1.3 有限体积法
• 3.1.4 有限分析法
• 3.2 模型数值求解
• 3.2.1 空间离散
• 3.2.2 时间积分
• 3.2.3 边界条件
• 第4章 马颊河河口泥沙数值模拟
• 4.1 流域概况
• 4.1.1 自然地理概况
• 4.1.2 气象水文概况
• 4.1.2.1 降雨
• 4.1.2.2 径流
• 4.1.2.3 潮流
• 4.1.2.4 风况
• 4.1.2.5 波浪
• 4.1.2.6 泥沙
• 4.2 模型建立
• 4.2.1 模拟范围
• 4.2.2 网格剖分
• 4.2.3 定解条件
• 4.3 模型验证
• 4.4 行洪能力模拟
• 4.5 整治措施
• 4.5.1 清淤
• 4.5.2 建闸
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表