三维泥沙模型及其在港口航道工程建设中的应用

论文摘要

随着中国经济建设的飞跃式发展,国民经济的快速增长,港口航道扩容日益迫切,但是,航道建设过程中会产生大量不利于海洋动植物生长的污染物,其中主要为泥沙等物质。在航道建设过程中产生的悬浮泥沙会给海洋浮游植物动物的生存环境造成影响,同时泥沙输运对于航道的维护也有很重要的影响。因此,对于泥沙的研究有非常重要的实际意义。本文利用先进的三维泥沙输运扩散模型ECOMSED,同时引进WAVE模块,模拟分析了海阳港航道建设过程中泥沙输运规律,同时分析了波浪对泥沙输运的影响,对航道海洋环境的影响。此外,对泥沙输运过程中的再悬浮和沉降过程在泥沙输运过程中的影响做了初步的探讨,分析了不同物理过程下对海洋环境的影响。同时,本文分析了实际海洋工程作业过程中不同作业方式下泥沙输运对海洋环境地影响。本文主要分为四部分:(1)在面源开挖作业下,即34条船同时开挖,考虑再悬浮过程下泥沙输运规律;(2)在采用面式开挖方式,不考虑再悬浮过程下的泥沙输运规律;(3)在浪流共同作用下的泥沙运动规律;(4)点源开挖方式下,即1条船连续开挖,泥沙输移规律。本模式采用先进的ECOMSED模型,用这个模型计算了凤城海域的三维正压风海流及潮流的流场,作为泥沙输运模式(SED)的输入。在泥沙的数值模拟方面,采用了求解对流扩散方程方式,在数值计算时采用ADI方法,第一步求解对流过程,第二步求解扩散过程。在这两步计算完毕后就可以计算出各个网格点的泥沙浓度,进而通过海底的再悬浮、沉降过程计算出海底侵蚀。海阳港作为海阳市的经济中心,对该地区的环境经济有很大的影响,所以了解该港口开发过程中的泥沙输运过程有很积极的意义。本文模拟了两种开挖方式下泥沙输运规律,同时在第一种情况,即线源开挖建设时讨论了三种情况,分别为考虑和不考虑再悬浮,考不考虑波浪作用。通过对不同条件下的泥沙数值模拟,我们发现在考虑再悬浮过程后,泥沙的浓度比不考虑再悬浮高,但泥沙的输运主要还是由潮流场来影响;在考虑浪流相互作用下,波浪携沙作用很明显,其浓度比未考虑波浪作用高出近一倍。本文计算过程中,对于垂向泥沙扩散过程的模拟显示,海阳港区域泥沙垂向分布较为均匀,各层浓度差异较小。通过对模拟海阳港泥沙输运特征,本文提出了港口航道建设过程中减小泥沙扩散对海洋环境影响的方法和措施,有利于解决经济发展与环境保护的冲突。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1 概述及研究现状
• 1.1 泥沙输运研究的意义
• 1.2 泥沙输运研究历史和现状
• 2 三维泥沙输运模型 ECOMSED
• 2.1 模式简介
• 2.2 水动力模块
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 边界条件
• 2.2.3 数值计算方法
• 2.3 泥沙输运数值模块
• 2.3.1 控制方程
• 2.3.2 泥沙模块参数确定
• 2.3.3 波浪模块
• 2.3.4 浪流共同作用下泥沙运动
• 3 模式应用
• 3.1 海阳港概况
• 3.2 潮流数值模拟
• 3.2.1 网格设置
• 3.2.2 岸界和水深
• 3.2.3 水界输入
• 3.2.4 潮流计算结果验证分析
• 3.2.4.1 潮位潮流验证
• 3.2.4.2 计算结果分析
• 3.3 泥沙数值模拟
• 3.3.1 沉积物类型及来源
• 3.3.2 面源开挖方式下泥沙数值模拟
• 3.3.2.1 无浪作用且考虑再悬浮过程
• 3.3.2.2 无浪作用且不考虑再悬浮过程
• 3.3.2.3 浪流共同作用下面源排放
• 3.3.3 点源开挖方式下泥沙数值模拟
• 4 总结与工作展望
• 4.1 结论
• 4.2 存在的问题和展望
• 参考文献
• 致谢