強(qiáng)潮河口三維水流泥沙湍流數(shù)學(xué)模型研究

1、強(qiáng)潮河口三維水流泥沙湍流數(shù)學(xué)模型研究1、項目研究意義沿海地區(qū)是浙江省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)，河口地區(qū)的GDP約占整個沿海地區(qū)GDP的70%，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展與潮汐河口的整治與開發(fā)息息相關(guān)。河口地區(qū)擁有豐富的水資源、港口岸線資源、灘涂資源、潮汐能資源、景觀資源（錢塘江河口擁有涌潮資源）以及濕地資源，開發(fā)保護(hù)好這些資源，需要研究現(xiàn)有水文條件下以及修建涉水工程后河口的形態(tài)（水流形態(tài)和河床形態(tài)）變化。本項目在統(tǒng)計分析浙江省強(qiáng)潮河口的水文泥沙以及水下地形資料的基礎(chǔ)上，建立非正交曲線坐標(biāo)系、非靜壓假定下、具有自由波動水面的強(qiáng)潮河口水流泥沙三維湍流數(shù)學(xué)模型，這在國內(nèi)外同類研究中尚屬先進(jìn)水平。它可以進(jìn)一步提高對浙江省強(qiáng)潮河

2、口水動力、泥沙輸運(yùn)模擬的精度和可靠性，更合理、有效而經(jīng)濟(jì)的解決實際工程問題，為本模型進(jìn)一步發(fā)展成三維水流、泥沙、水質(zhì)的動力學(xué)模型以及河床演變動態(tài)模型打下堅實的基礎(chǔ)，可為我省強(qiáng)潮河口的規(guī)劃、整治、開發(fā)、水環(huán)境保護(hù)及生態(tài)建設(shè)等提供科學(xué)依據(jù)和可靠的手段，具有十分重要的理論價值和廣闊的應(yīng)用前景。2、項目研究目標(biāo)及與申請者研究工作長期目標(biāo)的關(guān)系；2.1 研究目標(biāo)通過開展該項目的研究與應(yīng)用，可進(jìn)一步認(rèn)識浙江省強(qiáng)潮河口水流泥沙運(yùn)動規(guī)律，結(jié)合橫向科研項目開展具體涉水工程對水流、泥沙以及局部范圍河床地形影響的模擬計算，可以更方便、快捷、經(jīng)濟(jì)地為工程規(guī)劃、設(shè)計和施工提供決策依據(jù)。2.2 與研究工作長期目標(biāo)的關(guān)系本

3、項目的研究工作將作為浙江省強(qiáng)潮河口水流、泥沙和污染物擴(kuò)散輸移相耦合的三維湍流數(shù)學(xué)模型研究前期成果，預(yù)期成果可以進(jìn)行浙江省強(qiáng)潮河口水流、泥沙、河床演變、水質(zhì)以及水環(huán)境容量綜合預(yù)報研究，與具體的工程項目相結(jié)合可以提高浙江省強(qiáng)潮河口的防災(zāi)減災(zāi)能力、水資源的綜合利用能力，緩解浙江省水資源短缺現(xiàn)狀，促進(jìn)浙江省國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。3 項目研究內(nèi)容，研究方案和進(jìn)度安排3.1 研究內(nèi)容本項目以研究浙江省強(qiáng)潮河口水流泥沙輸運(yùn)規(guī)律和河床演變對涉水工程建筑物響應(yīng)的非線性關(guān)系為目標(biāo)，廣泛涉及強(qiáng)潮河口在徑流、潮流等波浪等共同作用下水流結(jié)構(gòu)、泥沙輸運(yùn)、河床響應(yīng)之間關(guān)系的理論和方法。首先，利用豐富的實測水文、泥沙以及水下

4、地形資料進(jìn)行分析，對泥沙的來源進(jìn)行定性分析，并進(jìn)一步開展定量研究，為數(shù)學(xué)模型提供合理的邊界條件?；赗eynolds平均的RANS方程建立非恒定、非靜壓假定、具有自由波面、非正交曲線坐標(biāo)系下三維水流泥沙湍流數(shù)學(xué)模型，通過實測的天然強(qiáng)潮河口的水文、泥沙及河床地形資料進(jìn)行驗證，并進(jìn)行天然情況強(qiáng)潮河口的水沙動力過程的預(yù)測，結(jié)合實測資料和經(jīng)驗公式進(jìn)行長時期河床演變預(yù)測分析，借助OpenGL技術(shù)和VTK軟件包建立起模型流場和泥沙場的動態(tài)圖形顯示系統(tǒng)。3.2 擬采取的研究方案本項目采用水力學(xué)基本理論分析、現(xiàn)場實測資料的統(tǒng)計分析和三維湍流數(shù)學(xué)模型數(shù)值模擬方法對強(qiáng)潮河口的水流結(jié)構(gòu)、泥沙輸運(yùn)規(guī)律以及河床變形進(jìn)行

5、綜合研究。其具體技術(shù)路線如下:首先開展長時段實測水文、泥沙及波浪資料的分析，分析徑流過程、漲落潮過程、泥沙來源、沉積過程及波浪統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立徑流-泥沙、潮流-泥沙、波浪-泥沙等之間的相關(guān)關(guān)系。開展長時期水下地形資料的分析，分析強(qiáng)潮河口的歷史演變規(guī)律，并預(yù)測其演變趨勢。分析涉水工程建設(shè)前后工程附近水域的水下地形變化及水流泥沙分布特征，建立結(jié)構(gòu)物尺度與水流、泥沙分布、河床變形之間的非線性關(guān)系。根據(jù)水流、波浪、潮汐以及泥沙運(yùn)動的基本方程，推導(dǎo)非靜壓假定下具有水波自由面的三維水沙輸運(yùn)方程，在動量方程中引入表面風(fēng)應(yīng)力、浮力、柯氏力、波浪輻射應(yīng)力以及波流阻力的作用，在泥沙輸運(yùn)方程中的源匯項引入絮凝影響的泥

6、沙沉速、挾沙力參數(shù)。并將其轉(zhuǎn)換到非正交曲線坐標(biāo)系下，建立強(qiáng)潮河口的水流泥沙輸運(yùn)的三維湍流模型。模型的離散采用控制體積法，首先積分控制方程組，然后在曲線網(wǎng)格上離散，對流項具有二階精度的迎風(fēng)格式。利用水槽試驗提供泥沙方程中的各參數(shù)，根據(jù)天然實測資料對模型進(jìn)行驗證。將模型應(yīng)用于典型強(qiáng)潮河口的三維水沙動力學(xué)模擬，并借助OpenGL技術(shù)和VTK軟件包建立起模型流場和泥沙場的動態(tài)圖形顯示系統(tǒng)。3.3 擬解決的關(guān)鍵問題(1) 強(qiáng)潮河口邊界條件變化與水流、泥沙及河床地形響應(yīng)之間的非線性關(guān)系確定；(2) 非正交曲線坐標(biāo)、非靜壓假定、具有自由波動水面的三維水流泥沙和湍流數(shù)學(xué)模型的建立及驗證；(3) 所建三維湍流數(shù)

7、學(xué)模型在錢塘江河口水流泥沙運(yùn)動的模擬計算；3.4 研究進(jìn)度計劃起止年月研究內(nèi)容第一年度（2006.12006.12）開展長時段實測水文、泥沙、波浪及水下地形資料的分析，以及強(qiáng)潮河口的歷史演變趨勢和涉水工程建設(shè)前后工程附近水域水流結(jié)構(gòu)、泥沙分布特征和水下地形變化分析，建立強(qiáng)潮河口徑流-泥沙、潮流-泥沙、波浪-泥沙等之間的相關(guān)關(guān)系和結(jié)構(gòu)物尺度與水流、泥沙分布、河床變形之間的相關(guān)關(guān)系，并為數(shù)學(xué)模型提供可靠的邊界條件。推導(dǎo)非正交曲線坐標(biāo)、非靜壓假定下、具有水波自由面的三維水沙輸運(yùn)方程，建立強(qiáng)潮河口水流泥沙輸運(yùn)的三維湍流模型。采用控制體積法離散模型，首先積分控制方程組，然后在曲線網(wǎng)格上離散，對流項采用具

8、有二階精度的迎風(fēng)格式，模型的數(shù)值求解通過Fortran90編寫程序?qū)崿F(xiàn)，并初步完成模型的調(diào)試工作。第二年度（2007.12007.12）通過整個強(qiáng)潮河口和局部重點區(qū)域的實測資料，對本項目所建數(shù)學(xué)模型的水流、泥沙進(jìn)行驗證，并與物理模型進(jìn)行相互驗證。進(jìn)行強(qiáng)潮河口長時段水流、泥沙多數(shù)值模擬工作，結(jié)合實測資料和經(jīng)驗公式進(jìn)行長時期河床演變預(yù)測分析。應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對橫向科研項目開展具體涉水工程對水流、泥沙以及局部范圍河床地形影響的模擬計算，更方便、快捷、經(jīng)濟(jì)的為工程規(guī)劃、設(shè)計和施工提供決策依據(jù)。4、項目創(chuàng)新之處(1) 通過豐富的強(qiáng)潮河口實測水文、泥沙以及水下地形測量測驗資料，進(jìn)行河口長歷時徑流、潮汐相互作用

9、下的河床演變分析，以及修建涉水工程前后水流結(jié)構(gòu)、泥沙輸運(yùn)和水下地形的變化相關(guān)關(guān)系研究，可建立邊界條件變化與水流、泥沙及河床地形響應(yīng)之間的非線性關(guān)系。(2) 本項目所建數(shù)學(xué)模型是具有水波自由面、采用非靜壓假定、基于非正交曲線坐標(biāo)系建立、非恒定條件下、三維水流泥沙的湍流數(shù)學(xué)模型，可以揭示強(qiáng)潮河口水流結(jié)構(gòu)、泥沙輸運(yùn)規(guī)律，在國內(nèi)外處于先進(jìn)水平。5、工作基礎(chǔ)與工作條件申請者在攻讀博士學(xué)位期間參加了導(dǎo)師主持的多項縱向科研課題的研究工作，其中包括國家杰出青年科學(xué)基金項目、國家自然科學(xué)基金重點項目等。在博士學(xué)位論文研究中采用坐標(biāo)變換的方法，推導(dǎo)了Reynolds平均RANS方程的平面二維坐標(biāo)變換、立面二維坐標(biāo)

10、變換和三維坐標(biāo)變換公式；對于網(wǎng)格變量的布置，采用了B-交錯網(wǎng)格、C-交錯網(wǎng)格和同位網(wǎng)格三種網(wǎng)格系統(tǒng)；建立了曲線坐標(biāo)系下平面二維、立面二維和三位標(biāo)準(zhǔn)湍流模型和代數(shù)應(yīng)力湍流模型，并進(jìn)行了初步驗證工作，取得了多項創(chuàng)新性研究成果。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和國際會議上發(fā)表論文20篇（被SCI、EI收錄10條），其中作為第一作者的12篇，作為第四參加人獲教育部自然科學(xué)二等獎，為本課題研究取得了豐富的前期研究成果，全面掌握了國內(nèi)外這方面的研究現(xiàn)狀、存在問題以及發(fā)展前景，為本課題的研究奠定了重要的前期研究基礎(chǔ)。一方面，申請者在攻讀博士學(xué)位期間參加了多項波浪和潮流的海岸工程物理模型試驗，擁有一定的實驗基礎(chǔ)。另一方面，申

11、請者所在的試驗室，具有國內(nèi)一流的實驗設(shè)備、計算條件和協(xié)作條件，這些都是使我們得以完成本項目的客觀條件。另外，申請者在攻讀博士學(xué)位過程中，擔(dān)任過助教工作，協(xié)助導(dǎo)師輔導(dǎo)研究生碩士學(xué)位論文研究，具有一定的科研協(xié)調(diào)能力。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過課題組2年的努力完全可以達(dá)到預(yù)期研究目標(biāo)。6、預(yù)期研究結(jié)果及其利用研究結(jié)果的計劃和今后發(fā)展的思路6.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和對比預(yù)測浙江省潮汐河口和近海水域，一方面由于地形地貌、工程幾何形態(tài)尺度以及各種障礙物的影響，其水流形態(tài)為湍流。另一方面徑流、潮流、波浪以及風(fēng)、柯氏力等因素是影響河口地區(qū)物質(zhì)輸運(yùn)及沉積的主要動力條件，這些動力因子的分別或耦合作用給河口的泥沙、鹽分、

12、污染物及熱量的輸運(yùn)研究帶來了復(fù)雜性。國際上對潮汐河口水動力數(shù)值模擬始于20世紀(jì)60年代后期。基于簡化過的三維淺水方程，Leedertse(1973)開創(chuàng)性地在垂直方向采用固定分層法建立了河口、海灣三維潮流、鹽度模型。為了更好地模擬河床地形變化，研究人員將Phi1ips(1957)提出的坐標(biāo)變換應(yīng)用到河口與海岸三維模型中。以Princeton大學(xué)Mellor為首的海洋動力環(huán)境數(shù)值模擬小組從20世紀(jì)80年代開始一直致力于三維數(shù)模的開發(fā)與應(yīng)用研究，其代表性軟件為POM，以及MIT的陳長勝等人在POM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的適合于河口計算的ECOM-SED；德國漢堡大學(xué)海洋研究所Backhaus(1983)等

13、人發(fā)展的漢堡陸架海模式HAMSOM在全世界的許多陸架海上也得到廣泛的應(yīng)用。Sheng(1987)建立了一般曲線坐標(biāo)下的三維水動力學(xué)模型(CH3D)，該模型也采用坐標(biāo)系，水平方向的運(yùn)動方向采用水平流速矢量的逆變分量來表示，荷蘭的Delft建立起來Delft3D也得到了比較廣泛的應(yīng)用。我國對潮汐河口的數(shù)值模擬研究，以平面二維模型最為普遍，開始于80年代初期，趙世清、汪德爟、成安生、劉樺等等先后以不同方法開展了對長江口的模擬，取得了大量的科研成果，模擬結(jié)果實現(xiàn)了可視化。對于長江口三維數(shù)學(xué)模型的研究，趙世清、宋元平、徐貴泉、諸君達(dá)等等作了很多開創(chuàng)性的工作，目前我國已經(jīng)自行開發(fā)出長江口三維數(shù)學(xué)模型CJK

14、3D系統(tǒng)，成功的應(yīng)用于長江口潮流、鹽度以及泥沙的模擬。但國內(nèi)外對于強(qiáng)潮河口的水沙輸運(yùn)規(guī)律及其造床作用研究，由于其水流泥沙動力條件極其復(fù)雜，目前流行平面二維模型以及基于靜壓假定下的三維模型，不能夠反映強(qiáng)潮河口的垂向流速、泥沙的分布情況，更不能有效反映出自由水面波的傳播情況。而且強(qiáng)潮河口的泥沙來源和泥沙輸運(yùn)都在探索階段，需用通過分析大量水文資料以及進(jìn)行懸沙動床物理模型進(jìn)行專門研究。6.2 預(yù)期研究成果及應(yīng)用前景預(yù)期可以完成本申請書中所提出的各項研究內(nèi)容，達(dá)到預(yù)定的研究目標(biāo)，建立非恒定、非正交曲線坐標(biāo)、具有自由波動水面、非靜壓假定下的三維水流泥沙湍流數(shù)學(xué)模型，它將正確地反映徑流、潮流、波浪共同作用下

15、水流、泥沙的輸運(yùn)過程。結(jié)合動態(tài)顯示技術(shù)，合理的預(yù)報強(qiáng)潮河口在修建涉水工程后的局部流態(tài)、河床沖淤變化，將構(gòu)造功能齊全、理論比較先進(jìn)和完善的水沙動力預(yù)報模型，并可為課題組將來要開發(fā)的強(qiáng)潮河口水質(zhì)、水生態(tài)模型提供技術(shù)儲備。此外，還將在國內(nèi)外重要期刊上發(fā)表研究成果論文810篇。模型不僅具有重要的理論價值，而且具有十分廣闊的應(yīng)用前景，可以應(yīng)用于：(1) 強(qiáng)潮河口大范圍三維水流結(jié)構(gòu)、泥沙輸運(yùn)特征的分析研究；(2) 強(qiáng)潮河口涉水工程建設(shè)對工程附近水水流、泥沙和局部沖淤變化研究；(3) 強(qiáng)潮河口灘涂預(yù)測技術(shù)及濕地保護(hù)研究；(4) 強(qiáng)潮河口治理過程中河床地形變化及預(yù)測技術(shù)研究；(5) 強(qiáng)潮河口出海航道的規(guī)劃和整

16、治措施研究；(6) 錢塘江涌潮景觀保護(hù)研究。6.3 今后發(fā)展思路利用研究結(jié)果的計劃及今后發(fā)展思路：通過將該項研究成果與我院承接的浙江省各大河口的規(guī)劃、治理和大型涉水工程建設(shè)的橫向科研項目相結(jié)合，同時進(jìn)一步開展河口泥沙運(yùn)動理論和河床演變理論研究，申請國家自然科學(xué)基金項目，在理論和實踐兩方面得到提升，有效的協(xié)助浙江省強(qiáng)潮河口的綜合治理和開發(fā)，為浙江省經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。7、參考文獻(xiàn)1 韓曾萃，戴澤蘅，李光炳等著，錢塘江河口治理開發(fā)，中國水利水電出版社，2003年9月2 毛漢禮，甘子鈞，沈鴻書，杭州灣潮混合的初步研究I.上灣區(qū)，海洋與湖沼，1964, 23 毛漢禮，甘子鈞，沈鴻書，杭州灣潮混合

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