长江口附近海域三维悬浮泥沙的数值模拟研究

论文摘要

本文构建了长江口外海域三维悬浮泥沙输运数值模型,其中水动力模型中主要考虑了潮汐潮流、出入径流及风浪等作用,输运模型中考虑了粘性泥沙的絮凝、粘性和非粘性泥沙的再悬浮等过程。并与2006年8月份在长江口外海域获得的定点连续站测流资料及悬浮泥沙的观测资料进行了比较。为了进一步提高模式结果的精确性,采用将动力模式与实测资料相结合的趋近同化方法,在连续方程和泥沙输运方程中分别增加一个松弛项,将模拟结果向已有实测调和常数的控制点推算潮高值和悬沙浓度观测值趋近。将该方法运用到长江口外附近海域的悬浮泥沙数值模拟当中,并泥沙输运水平紊动扩散系数也做了合理的修改,其模拟结果也得到了不错的改进,所得结果适用于计算长江口外海域的水动力和泥沙输运情况。在数值模拟的基础上,分析了悬浮泥沙在长江口内外分布规律:悬浮泥沙浓度自近岸向外海降低,以123°E为界分为东、西两部分,西部浓度高东部浓度低,浓度锋面在苏北沿岸一带到达距岸150km处,长江口外123°E以东浓度一般不超过10mg/l,终年悬浮泥沙高值区见于河口区,一般超过300mg/l,以长江口、杭州湾悬浮泥沙浓度最高,闽浙沿岸的浓度等值线走向基本与岸线平行,锋面距岸大约80km左右;以30°N为界分南、北两部分,东海北部悬浮泥沙浓度高于陆架南部。悬浮泥沙浓度随时间的变化,河口近岸区远大于陆架区。总体看来长江入海泥沙主要向东南平流运移,苏北沿岸、长江口、杭州湾以及闽浙沿海分布着连续的浑水带,其中苏北沿岸、闽浙沿海的浑水带主要是靠泥沙的再悬浮作用和沿岸水流所携带的泥沙所致。在潮周期中,悬浮泥沙浓度的变化与流速大小密切相关,由于涨落潮的交替和流速的更迭使悬浮泥沙浓度出现明显的周期性变化,悬浮泥沙浓度在观测的24小时内出现两涨两落的变化趋势,而模拟的结果也与观测相吻合。悬浮泥沙浓度的峰值一般都滞后与流速峰值,滞后的时间由于海域和季节的不同而存在一定的差别,一般要滞后1～4小时。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 泥沙基础理论研究
• 1.3 中国河口海岸泥沙研究现状
• 1.4 数值模型的研究
• 1.4.1 潮流数值模拟的研究进展
• 1.4.2 波浪数值模拟的研究进展
• 1.4.3 泥沙数值模型研究进展
• 1.4.4 泥沙边界层的问题
• 1.5 长江口基本水文泥沙特征及泥沙运动研究进展
• 1.5.1 长江口基本水文泥沙特征
• 1.5.2 长江口泥沙运动的研究进展
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第二章 ECOMSED 模式介绍
• 2.1 ECOMSED 模式发展
• 2.2 ECOMSED 模式水动力基本控制方程
• 2.2.1 连续性方程及动量方程
• 2.2.2 温盐守恒方程
• 2.2.3 温湍流闭合方程组
• 2.2.4 边界条件
• 2.2.5 Sigma 坐标转换
• 2.2.6 模态分离技术
• 2.3 海浪模块
• 2.4 泥沙输运模块介绍
• 2.4.1 泥沙对流扩散方程
• 2.4.2 粘性泥沙再悬浮
• 2.4.3 粘性泥沙的沉降
• 2.4.4 非粘性泥沙的沉降及再悬浮
• 2.4.5 水沙相互作用过程
• 2.5 差分方程格式
• 第三章 水动力模拟计算
• 3.1 渤黄东海的海洋数值模式
• 3.2 研究海域域的潮汐与海流
• 3.2.1 潮汐验证
• 3.2.2 海试资料描述
• 3.2.3 海流验证
• 3.3 本章小结
• 第四章 泥沙模拟数值试验
• 4.1 测试底床的再悬浮能力
• 4.2 测试悬浮泥沙的沉降能力
• 4.3 ECOMSED 模拟结果验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 泥沙输运模拟计算
• 5.1 模式设置
• 5.2 06 海试资料描述
• 5.3 泥沙输运模拟结果的验证与分析
• 5.3.1 悬浮泥沙浓度水平分布
• 5.3.2 与06 海试定点悬浮泥沙浓度分布
• 5.3.3 悬浮泥沙浓度大小潮周期变化
• 5.3.4 三定点剖面悬浮泥沙浓度
• 5.3.5 与06 海试断面悬浮泥沙浓度垂向剖面观测的比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 趋近同化法及水平扩散系数的改进试验
• 6.1 趋近同化法
• 6.2 泥沙输运水平紊动扩散系数
• 6.3 改进后模拟结果比较
• 6.3.1 潮汐结果验证
• 6.3.2 悬浮泥沙浓度结果比较及改进
• 6.3.3 垂向剖面浓度比较
• 6.4 结论
• 第七章 结论与下一步的工作展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 下一步的工作展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢