胶州湾二维水动力及水质数值模拟的研究

论文摘要

海洋是一个富饶而又未被充分开发的资源宝库,海洋必将是人类实现可持续发展的重要空间。胶州湾是青岛市形成和发展的摇篮。但伴随着城市化的进程和沿岸经济的迅猛发展,排入胶州湾的污染物总量不断增加,使胶州湾近岸海域的污染呈现加重趋势。在近岸海域,潮流是最主要的水动力条件,也是这些地区最基本的物质运动,污染物伴随着潮流的运动而迁移扩散。为了保护胶州湾,防止湾内环境的恶化,必须了解潮流运动以及污染物质的输移扩散规律。本文建立了二维水动力学模型,并将它应用于胶州湾;控制方程采用有限差分ADI法进行离散,使用矩形网格划分方法,运用干湿判别法对动边界进行处理,对胶州湾内的潮流运动进行了模拟,与实测值吻合良好。在水动力学模型的基础上,建立了污染物扩散模型,并对胶州湾内2001年污染物COD、氮、磷浓度进行了模拟,与实测值吻合较好。本文将随机因素引入数学模型,在微分方程的输入条件中考虑不确定性条件,进而研究输出结果的概率特性。在模型中,考虑通过改变水边界条件、改变扩散系数来观察污染物COD最大浓度的变化趋势,并得出了基于一定概率水平的置信区间。通过以上工作,对胶州湾的潮流运动状况和污染物扩散状况有了一个较全面的体现,为以后的胶州湾研究工作提供了参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景、意义和目的
• 1.1.1 研究的背景
• 1.1.2 研究的意义
• 1.1.3 研究的目的
• 1.2 国内外研究应用现状
• 1.2.1 水动力学模型
• 1.2.2 水质模型
• 1.2.3 模型常用离散方法
• 1.2.4 网格划分方法
• 1.3 随机因素对数学模型的影响
• 1.4 胶州湾水文研究现状
• 1.5 本文主要工作
• 第2章 二维水动力学模型
• 2.1 平面二维水动力数值模拟
• 2.1.1 控制方程
• 2.1.2 方程的定解条件
• 2.2 ADI法
• 2.2.1 ADI法简介
• 2.2.2 ADI法求解控制方程
• 2.3 二维水动力学模型应用于胶州湾
• 2.3.1 网格设置
• 2.3.2 边界、初始条件设置
• 2.3.3 动边界处理
• 2.3.4 胶州湾水动力模拟计算结果验证
• 2.4 本章小结
• 第3章 污染物扩散数值模拟
• 3.1 污染物扩散模型
• 3.1.1 污染物扩散模型控制方程
• 3.1.2 污染物扩散模型的边界、初始条件
• 3.1.3 污染物控制方程的离散
• 3.2 污染物扩散模型的计算条件
• 3.3 本章小结
• 第4章 胶州湾污染物COD、氮、磷水质模型
• 4.1 污染物COD扩散模型
• 4.1.1 COD扩散模型控制方程
• 4.1.2 模型运行条件
• 4.2.3 结果分析处理
• 4.2 污染物氮、磷水质模型
• 4.2.1 污染物水质模型控制方程
• 4.2.2 模型运行条件
• 4.2.3 结果分析处理
• 4.3 本章小结
• 第5章 水质模型的随机因素影响分析
• 5.1 随机分析简介
• 5.1.1 随机微分方程
• 5.1.2 不确定性及敏感性分析
• 5.1.3 重现期的概念及数学表示
• 5.2 胶州湾水质模型随机因素影响分析
• 5.2.1 随机数学模型计算
• 5.2.2 胶州湾污染物浓度场的随机影响分析
• 5.2.3 随机数学模型计算结果
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的学术论文
• 致谢