基于渗透法的潮流数学模型和悬沙数值水槽试验

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1、培{二渗透洼的潮施数学模型和悬_陟数值水槽试验第一章绪言1．1问题的提出近海泥沙运动和岸滩演交，直接影响海岸环境状况，长时期的泥沙沉积或冲刷对于海陆的变迁具有重要的影响，而以悬浮泥沙为载体的污染物和各种附着物的输运会长时期地影响海水的水质和海域的生态环境。近海海域主要受到波浪、潮流和海流的作用，其中潮流的作用对悬浮泥沙的分布影响重大，研究潮流作用下的悬沙场分布具有十分重要的意义。近年来，我国重点建设了长江口深水航道整治、珠江口出海航道和天津港深水航道建设等一批航道工程，而泥沙问题已成为航道整治工程中最关键的问题；

2、我国沿海城市正进行着广泛的围海造陆工程，对围海工程的建设，必须考虑到各种因素的影响，其中泥沙问题，特别是悬沙问题是必须深入研究和考虑的关键问题之一；海岸侵蚀是全球日益严重的自然灾害之一，而海岸侵蚀的根本问题就是水动力条件下的悬沙输运问题。因此，开展潮流作用下的悬沙输运研究具有非常重要的学术意义和应用前景。1．2近海潮流泥沙数值模拟研究进展1．2．1潮流数值模拟研究现状潮流数值模拟始于20世纪60年代，国内始于70年代，早期以河口一维潮流计算为主。进入80年代，除继续应用和推广一维潮流模型外，大多己采用二维潮流数学

3、模型，并根据实际工程需要，配以悬沙、温度、盐度和污染物等物质输运模型。二维模型可分为平面二维和垂向二维数学模型，在解决具体问题时，可采用不同的数值解法。这些数值解法大体分类如下：从离散方法上分，有有限差分法、有限元法和有限体积法；从适应物理域的复杂几何形状上分有贴体坐标变换法及or坐标变换法；从求解方法上分，有ADI法、迭代法、多重网格法以及并行计算技术；从露滩动边界的处理上分，有固定网格和动态网格技术。自20世纪90年代以来，三维模型的研究和应用同趋广泛，并取得了一些颇有价值的研究成果。曹祖德、孑L令双等¨】对

4、河口、海岸水动力数值模拟的发展动向做了一定预测，Burchard掣2】将or坐标应用到河口与海岸三维模型中，李孟国第一章绪言河海人学硕1：论文和曹祖德【引、严世强和熊德琪141分别就河口海岸地区潮流场的数值模拟方法进行了较为系统的归纳总结和评述，并对潮流数值模拟的发展趋势进行了预测。近年来，国内学者广泛开展了对河口三维水动力数学模型的研究，针对三维模型提出和改进了多种计算方法。张越美、孙英兰IS]基于河13、陆架和海洋模式(ECOM模型1，引入于湿网格法模拟潮滩上的潮水涨落，建立了渤海湾三维动边界潮流模型。杨陇慧

5、等【6】应用三维高分辨率非正交曲线网格河口海洋模式，模拟了以长江El、杭州湾及领近海区作为整体的4个主要分潮。AbbottI7】和Davies等f8】对近年来三维潮流数学模型的进展做了较为全面的概括。I．2．2泥沙数值模拟研究现状早在20世纪50年代，一维泥沙数学模型就开始被用丁二水库泥沙淤积、坝区河段局部冲刷及河流裁弯取值的河床变形计算，目前，运用一维泥沙数学模型解决长河段长时间段的泥沙运动和河床变形问题，相对已比较成熟。在一维模型的基础上，二维泥沙数学模型得到迅速的发展，尤其是利用平面二维泥沙数学模型解决泥沙

6、运动和底床变形在平面上的分布问题，曹文洪【9】等针对黄河口岸线变化剧烈和含沙量变幅大的特点建立了二维非恒定水流泥沙数学模型，孔令双【lo】等建立了平面二维泥沙数学模型，对胶州湾海域的潮流场进行了数值模拟。同时，二维泥沙数学模型也被广泛应用于悬沙和底沙输运以及河床演变的研究中(周济福等【1¨，fit,ill等【。21，Hu等‘131，Shapiro【141)。实际水流泥沙运动大都具有高度的三维性，泥沙沿垂线为非均匀分布，因此只有三维悬沙数学模型才能给出真实的悬沙浓度分布。近年来，随着计算机性能的提高以及对泥沙运动机

7、理认识的深入，三维泥沙数学模型得到了迅速的发展。丁平兴等【1习从理论上推导出了波流共同作用下的三维悬沙扩散方程；陆永军【16】应用窦国仁的紊流随机理论，建立了三维紊流泥沙数值模型；陈晓宏f17l建立了珠江口海域三维泥沙非饱和输沙数学模型，并耦合珠江口三维水动力斜压模型，对泥沙输运规律进行了模拟研究；汪守东和沈永明【18】在算子分裂法思想的基础上，将两种高精度的离散格式推广应用于三维对流扩散方程，同时对经典ADI格式的对流项做了改进；张修忠和王光谦1191对三维输运方程的发展作了简要的回顾。目前已经有一些具有三维泥

8、沙场求解模块的商业软件和公开模型，如ECOM模型【201，CH3D系列模型‘2¨，DELFT3D模型，MIKE3等。2基f渗透法的潮流教学模型和悬沙数值水槽试验1．2．3潮流泥沙数值模拟存在的问题目前国内外学者对于潮流泥沙数学模型的研究已取得了较为丰硕的成果，但仍有许多问题没有得到解决，主要问题表现在：1)一维泥沙数学模型在目前的发展水平下只能给出沿横断面的平均冲淤情况，