温州浅滩围涂促淤工程泥沙数值模拟研究

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1、泥沙研究年月第期温州浅滩围涂促淤工程泥沙数值模拟研究李孟国交通部天津水运工程科学研究所天津摘要建立了波浪潮流泥沙数学模型对瓯江口温州浅滩围涂促淤工程效果进行了数值模拟研究通过多个促淤方案的淤积效果模拟计算推荐了最佳促淤方案推荐的最佳促淤方案与定床浑水淤积物理模型试验推荐的方案一致关键词促淤泥沙瓯江口温州浅滩数值模拟中图分类号文献标识码文章编号前言温州浅滩是瓯江口外规模最大发育最完善的拦门沙滩位于灵昆岛与霓屿岛之间图温州浅滩围涂工程就是沿浅滩南北两侧建两条连接灵昆岛和霓屿的海上大堤北堤顺浅滩等深线南堤为灵昆岛小霓屿霓屿堤将浅滩人工围垦变为陆地图目前北堤建设已经接近

2、完成南堤尚未建设图瓯江口附近地形示意图温州浅滩围涂造陆面积达万亩南北堤建设完成后要使中间围涂区域成为陆地将需要大量的收稿日期基金项目中国博士后科学基金编号资助作者简介李孟国男天津市人研究员博士主要从事海岸河口水动力与泥沙的数值模拟研究土石方量如果能结合南堤的建设使泥沙尽可能大量地在围涂区域内自然落淤将会节省大量的人力物力和财力因此有必要对泥沙促淤方案形式进行研究更好地借助自然之力完成部分围涂本文拟建立平面二维波浪潮流泥沙数学模型采用数值模拟研究手段对温州浅滩最佳促淤方案形式进行研究在河口海岸地区引起泥沙运动的主要动力因素是潮流和波浪波浪掀沙潮流输沙被公认为是泥沙

3、运动机制目前考虑波浪潮流共同作用的泥沙数学模型被广泛采用在目前的考虑波浪潮流共同作用的泥沙数学模型中通常的做法是通过波浪辐射应力波流底切应力波流挟沙力来考虑波浪掀沙潮流输沙因此该类泥沙模型涉及四场的计算即波浪场潮流场悬沙场和底床冲淤场本文建立了综合考虑多种因素的多向不规则波波浪场数学模型考虑波浪作用的二维潮流场数学模型二维悬沙场数学模型悬沙底沙造成的底床冲淤场数学模型波浪数学模型采用矩形网格潮流悬沙及冲淤数学模型采用三角形网格网格节点处的波浪要素采用插值法从波浪模型的矩形网格得到基于现场资料得出了波流挟沙力公式在充分验证的基础上对瓯江口海区温州浅滩围涂促淤方案进

4、行了数值模拟研究数学模型的建立波浪场数学模型基于缓坡方程和线性波动叠加原理导出的多向不规则波联合折绕射基本方程为式中表征频率间隔及方向间隔内组成波的能量分别为组成波的位相函数梯度波数波向波速及群速采用矩形网格有限差分方法对式进行数值求解关于差分方程及对底摩擦波能损失波浪破碎及岛屿影响的考虑参见文献波浪计算域的西边界至经度线东边界至经度线北边界到乐清湾顶南边界至纬度线东西距离南北距离用正方形网格剖分计算域网格间距网格数个以南麂岛波要素作为模型推算的验证条件考虑波浪作用的潮流场数学模型基本方程连续方程动量方程其中为直角坐标系坐标分别为方向的流速分量为重力加速度为海水

5、密度分别为方向的水平涡动粘性系数为时间为柯氏参数为相对平面的水面起伏为静水深为辐射应力张量的四个分量分别为波流底摩擦应力在方向的分量当不考虑波浪作用时方程即为二维潮流运动的控制方程数值方法采用基于三角形网格的时间二次插值技术离散方程和即可得到显式差分方程计算域的确定网格剖分开边界条件的确定及验证模型西边界至梅岙东边界至经度线北边界至乐清湾顶南边界至飞云江河口以北计算域图的东西距离为南北距离采用三角形网格剖分计算域图网格节点数个三角形单元个网格最大步长最小对模型进行了实测的大中小三个潮过程的验证每个潮的潮位验证点有个三个潮的潮流验证点共有个图关于潮流验证情况参见文

6、献模型的开边界采用实测潮位控制梅岙和楠溪江边界分别采用号和号测站的实测潮位资料外海边界分别采用飞云江口洞头岛玉环岛的实测潮位资料进行近似内插并通过不断调试确定计算时间步长为图潮流泥沙计算域及水文测站位置图计算网格图悬沙场数学模型基本方程式中为水体含沙浓度分别为方向的泥沙扩散系数为泥沙沉降速度为泥沙沉降几率为水体的挟沙力一般采用经验公式法或半理论方法或现场实测资料确定根据瓯江口现场实测资料得出的瓯江口海区波流挟沙力公式为式中为系数当不考虑波浪作用时当考虑波浪作用时为波浪水质点在床面的最大轨迹速度数值方法与验证对于式用基于不规则三角形网格的有限差分方法进行显式离散对

7、流项使用迎风格式离散悬沙场计算范围与网格同于潮流数学模型与潮流数学模型采用非耦合求解进行了实测的大中小三个潮过程的含沙量过程过程验证三个潮的含沙量验证点共有个图图和图分别给出了其中个测站大潮和小潮含沙量验证情况图大潮含沙量验证曲线图小潮含沙量验证曲线底床冲淤场数学模型悬沙造成的底床冲淤场基本方程式中为海底床面悬沙引起的冲淤厚度为悬沙干容重本海区悬沙中值粒径为?底沙造成的底床冲淤场基本方程图断面冲淤验证式中为海底床面底沙引起的冲淤厚度为床面底沙干容重和分别为单位时间内单宽底沙输移量沿和方向的分量采用窦国仁公式用基于不规则三角形网格差分方法显式离散式和式同时考虑悬沙

8、和底沙的底床冲淤变化为底