（環(huán)境工程專業(yè)論文）潮流作用下套爾河口區(qū)泥沙沖淤的數(shù)值模擬.pdf

內(nèi)容提要 爭(zhēng) l 勺3 3 3 9 8 8 本文首次將窄縫法運(yùn)用至t 了泥沙輸運(yùn)方程中，建立了種其有動(dòng) 邊界處理功能的二維泥沙輸運(yùn)模型，并將其應(yīng)用于套爾河河口區(qū)的泥 沙輸運(yùn)和海底沖淤計(jì)算之中。利用該模型，首先對(duì)套爾河河口區(qū)航道 導(dǎo)流堤修建前后的泥沙輸運(yùn)及海底 中淤特征分別進(jìn)抒了數(shù)值模擬計(jì)算 和分析研究，并探討了影響套爾河河口區(qū)泥沙沖淤變化的主要因豢， 遴瑟又對(duì)設(shè)計(jì)部f l 贗提出豹現(xiàn)囂導(dǎo)凌輟翡七種整治方案分別進(jìn)行了泥 沙沖淤計(jì)算和比較研究，最后又對(duì)現(xiàn)行導(dǎo)流堤的整治方案進(jìn)行了更加 深入的探討。 本文的研究結(jié)果表明：窄縫法是潮流和泥沙輸運(yùn)數(shù)值計(jì)算中處理 動(dòng)邊券闖遂的一釋較好的方法奄 潮流戈套爾游溽日區(qū)泥沙沖淤昀主要 動(dòng)力因素，越到了沖刷和維持航道的作用；現(xiàn)行導(dǎo)流堤?hào)|堤根處大量 的分流是導(dǎo)致萁航道淤積的主因；在設(shè)計(jì)部門所提淝的幾種現(xiàn)行導(dǎo)流 堤整治方案中，僅延長(zhǎng)東堤4 6 0 0 m 兩不傲加高處理的方案2 是其中 相對(duì)最優(yōu)的，但此時(shí)兩導(dǎo)堤間中部的沖刷趨勢(shì)仍然較弱，詞這里提出 的單等堤與雙導(dǎo)堤整治方案皆熊使整個(gè)舷道處予沖捌狀態(tài)：且明顯地 優(yōu)于其它各種方案。 關(guān)鍵詞：口區(qū)窄縫法泥沙沖淤數(shù)值模擬 呵 蠆 一 ，! 刪y a b s t r a c t t h es l o tm 甜l o di sa p p l i e dt ot l l es e d i m e n t 廿鋤s p o r t e q u a t i o nf o r t l l e f i r s tt i m ea n dan e wm o d e lo f s e d i m e m 心蛆s p o r tw h i c hc a ns i m u l a t et 1 1 e m o v i n gb o u 芏1 d a wi sf o u n d e d i t i sa p p l i e dt om et a o e f h e 融v e r e s t u a 巧t o n 啪e r i c a l l y s i m u l a t et l l e s e d i m e n t 仃a n s p o r t 齜1 ds e a - b e de r o s i o n a n d d e p o s i t i o nb o t l lb e f o r ea n da f t e rt l l ed a m i sc o n s 協(xié)t e d t h em a i nf a c t o r s t h a ta 僚c t 也e 釘o s i o na n d d e p o s 試o n c h a r a c t e ra r ed i s c u s s e d n 妁s es e v e n p r o j e c t sw 1 1 i c ha r ep m f b r w a r db yt l l e c o n c e n l i n gd e s i g nd e p 咖e n t t o i m p r o v e m ec o n d i t i o n so fe r o s i o na n d d e p o s i t i o n a r es t u d i e da n d e v a l u a t e d a n o t l l e rt w op r o j e c t s ：s i n 9 1 e d 鋤p r o j e c ta n dd o u b l e d a m p r o j e c t a r e b r o u g h t o u tt oa u c l l i e v et h eb e s te d e c t s ! o fe r o s i o na n d d e p o s i t i o n t h em a i nr e s u l t sa c c o r d i r l gt 0t l l i sp 印e ra r e ：t h es l o tm 劬o di sa i l e f f e c t i v ew a yd e a l i n gw 油也e m o v i i l gb o u l l d a ??；t i d a lc u r r e n tc o n 昀l s 也ec h a r a c t e ro fe r o s i o na n d d e p o s i t i o ni n t h et a o 砒1 e 戳v e r e s t u a r ya n d i t e r o d e sa n dm a j n t 越n st l l e s a i l i r 培r o a d ；t h el a r g e 鋤o u n to fd i s c h 鶘eo f t i d a lw a t e ri nt 1 1 e 丘o n to f 山ew e s td 鋤i s 幢1 em a i nc 亂l s eo f t l l e 矗l l - u po f t 1 1 e s e a - r o u t e ；t h ep r o j e c t sp u tf b r w a r db yt 1 1 ed e s i g nd e p a n i i l e mc a n i m p r o v et l l e c o n d i t i o ni nac e n a i nd e g 丁e e h o w e v e r ，t h e t e n d e n c y o f e r o s i o ni nm em i d d l eo ft 1 1 es e a r o u t ed e c r e a s e s t h es i r 培l(xiāng) ed 鋤p r o j e c t a n d 也e d o u b l ed 眥p r q e c t p u t f o 州a r d b y m e a u t h o r m a y a c h i e v ea g o o d c o n d ；t i o n k e y w o r d st a o e r h e 砒v e r e s t u a 科 s l o tm e m o d s e d i m e m t r a n s p o r t a n ds e a - b e de r o s i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 碩士論文：潮流作用下套爾河口區(qū)泥沙沖淤的數(shù)值模擬 第一章引言 海岸及河口區(qū)資源豐富，交通便利，自古以來(lái)即為人類生活、生 產(chǎn)、貿(mào)易息游場(chǎng)所。為了開(kāi)發(fā)資源，發(fā)展經(jīng)濟(jì)，人們?cè)诤０都昂涌诘?帶修建了許多海岸工程。為了使其經(jīng)濟(jì)合理，取得良好效果，必須對(duì) 海岸及河口的演變規(guī)律和影響演變的各種動(dòng)力因素有深入的了解。其 中，在海洋、河流水動(dòng)力作用下，泥沙的運(yùn)動(dòng)和沖淤問(wèn)題是一個(gè)很重 要的問(wèn)題。尤其是在淤泥質(zhì)海岸港口的建設(shè)中，泥沙的淤積問(wèn)題是決 定一個(gè)港口成敗的關(guān)鍵所在。因此，對(duì)于泥沙運(yùn)動(dòng)的研究有極其重要 的意義。 一、國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 l 、河口海岸帶泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究 泥沙的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程。我國(guó)的泥沙研究起步較早， 錢寧先生( 1 9 9 1 ) 1 】從四十年代起開(kāi)始從國(guó)內(nèi)外搜集這方面的資料，將 各種動(dòng)力作用及邊界條件下泥沙的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究及論述：闡 述了有關(guān)泥沙運(yùn)動(dòng)的基本概念；總結(jié)并對(duì)比了與泥沙運(yùn)動(dòng)的主要衡量 因素：泥沙的沉速、啟動(dòng)流速、水流挾沙力等有關(guān)的實(shí)驗(yàn)方法及經(jīng)驗(yàn) 半經(jīng)驗(yàn)公式；對(duì)推移質(zhì)、懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)行了探討；對(duì)波浪作用下 泥沙的運(yùn)動(dòng)以及風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的論述；對(duì)異重流、泥石流等高 含沙量水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也進(jìn)行了一定的研究，為泥沙運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步研 究奠定了基礎(chǔ)。 具體到河口港灣地區(qū)時(shí)，人們最關(guān)心的是泥沙運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的海 灣、港口的淤積問(wèn)題。具體說(shuō)來(lái)，河口海岸帶的泥沙運(yùn)動(dòng)主要取決于 該區(qū)的水動(dòng)力環(huán)境( 主要包括有潮流、波浪等水動(dòng)力因素) ，泥沙補(bǔ)給 的多少( 河流輸沙，外海搬運(yùn)來(lái)沙，海岸侵蝕和海底沖刷來(lái)沙等) 等因 素。過(guò)去，由于問(wèn)題本身的復(fù)雜性及數(shù)值模擬條件等多方面因素的制 約，往往根據(jù)側(cè)重點(diǎn)的不同，將潮流、波浪所引起的懸沙輸運(yùn)分別進(jìn) 行研究?，F(xiàn)在，隨著有關(guān)浪、潮、流耦合理論研究的深入，許多研究 第一章引言 者開(kāi)始更加注重波浪、潮流耦合作用下的輸沙研究【2 】【3 1 。 2 、河口海岸帶泥沙運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬 隨著計(jì)算機(jī)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì) 算來(lái)模擬水動(dòng)力環(huán)境與泥沙運(yùn)動(dòng)的方法已越來(lái)越普遍。從最初的一維 模型到現(xiàn)在的二維、三維模型，人們對(duì)它的研究己越來(lái)越成熟。 2 1 水動(dòng)力環(huán)境的數(shù)值模擬 從目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀看，潮流等水動(dòng)力因素的數(shù)值模擬方面 所做的工作比較多，已發(fā)展起了一些國(guó)際上通用的模型，如e c o m s i 模型、p o m 模型等。在數(shù)值計(jì)算上也采用了多種計(jì)算方法。對(duì)于二維 模型來(lái)說(shuō)，應(yīng)用比較多的方法有有限差分法，有限元法、邊界擬合坐 標(biāo)法等。其中，有限差分法中的a d i 法因?yàn)榫哂杏?jì)算穩(wěn)定、精度高 等優(yōu)點(diǎn)，成為目前進(jìn)行二維潮流數(shù)值模擬比較實(shí)用的一種方法 【4 】 5 】【6 】川。 對(duì)于三維模型來(lái)說(shuō)，應(yīng)用比較多的方法有分層二維法，有 限差分和有限元聯(lián)合法、坐標(biāo)變換法等。分層二維法是最早的三維計(jì) 算方法，該法在水深較大的水域計(jì)算比較理想【8 1 1 9 】。目前，在三維潮 流數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的是。坐標(biāo)變換法。它將自由表面和不規(guī) 則海底變成了a 坐標(biāo)系中的表層和底層坐標(biāo)平面，使“水深”為1 ， 這不僅使整個(gè)計(jì)算水域垂向具有相同的網(wǎng)格數(shù)且可隨意分層j 從而保 證淺水部分有了更高的垂向分辨率，而且從數(shù)值方法上講，o 坐標(biāo)系 中方程的離散求解要容易的多?，F(xiàn)在，人們揚(yáng)長(zhǎng)避短，更加注重各種 方法的聯(lián)合運(yùn)用 1 們 1 1 。 另外，數(shù)值計(jì)算從所采用的網(wǎng)格上可分為交錯(cuò)網(wǎng)格、三角形網(wǎng)格 以及現(xiàn)在逐漸發(fā)展起來(lái)的自適應(yīng)網(wǎng)格等 1 2 1 3 】。 2 2 懸沙擴(kuò)散與海底沖淤的數(shù)值模擬 相對(duì)于潮流的數(shù)值計(jì)算來(lái)講，對(duì)懸浮泥沙輸運(yùn)的數(shù)值模擬起步較 晚，研究得不甚成熟，但近年來(lái)其研究也得到了一定的發(fā)展。最初所 建立的泥沙輸運(yùn)模型大多是只考慮潮流或波浪作用的二維模型：張東 生( 1 9 9 1 ) 14 】等曾針對(duì)淤泥質(zhì)河口的細(xì)顆粒泥沙以潮流輸送為主的特 點(diǎn)，建立了灌河口的二維潮流不平衡懸沙輸送模型，并對(duì)口外修筑雙 碩士論文：潮流作用下套爾河口區(qū)泥沙沖淤的數(shù)值模擬 導(dǎo)堤整治工程后的床面變形作了預(yù)測(cè)計(jì)算；舒良華( 1 9 9 3 ) 1 5 】等曾結(jié)合 有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，提出了考慮懸浮泥沙沉降和再懸浮作用的二維懸沙潮 流擴(kuò)散數(shù)值模型，預(yù)測(cè)了埕島油田開(kāi)發(fā)工程排放懸浮物對(duì)周圍海洋環(huán) 境的影響程度：曹祖德( 1 9 9 3 ) 3 】等在研究了波浪掀沙、潮流輸沙及海 底演變過(guò)程的基礎(chǔ)上，對(duì)泥沙的輸運(yùn)擴(kuò)散進(jìn)行了二維數(shù)值模擬； e w b l 鋤s k i ( 1 9 9 8 ) n 司等建立了平面上積分的二維數(shù)學(xué)模型對(duì)膠州灣粘 性沉積物的搬運(yùn)進(jìn)行了數(shù)值模擬；s c l d 【e ( 1 9 9 8 ) 1 7 】等則建立了垂向 上積分的二維數(shù)學(xué)模型，對(duì)沉積物的再懸浮運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，并對(duì)侵 蝕與沉積參數(shù)的選取進(jìn)行了探討。 現(xiàn)在，隨著計(jì)算機(jī)水平的提高以及人們對(duì)波浪、潮流耦合作用下 輸沙機(jī)制的進(jìn)一步研究，三維泥沙擴(kuò)散模型也得到了發(fā)展。白玉川 ( 2 0 0 0 ) 2 】等對(duì)潮流和波浪聯(lián)合輸沙進(jìn)行了研究，并對(duì)波流的聯(lián)合輸沙 和海床沖淤演變進(jìn)行了三維數(shù)值模擬；董文軍( 1 9 9 9 ) 1 8 】等也建立了一 種三維潮流的輸沙模式，并采用混合數(shù)值計(jì)算的方法求解，取得了較 好的模擬效果；劉卓( 1 9 9 9 ) 【”】等對(duì)長(zhǎng)江口泥沙沖淤的三維數(shù)值模擬也 進(jìn)行了初步的研究。 另外，在計(jì)算由懸沙引起的淤積量時(shí)，主要仍采用經(jīng)驗(yàn)公式的辦 法。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣的為劉家駒公式，該公式于八十年代初提出后， 經(jīng)過(guò)l o 年的應(yīng)用、檢驗(yàn)和修訂，已于1 9 9 0 年經(jīng)“中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn) 化協(xié)會(huì)水運(yùn)工程委員會(huì)”審定，作為規(guī)范在國(guó)內(nèi)試行。 2 3 數(shù)值計(jì)算中的邊界處理 最初的數(shù)值模擬一般沒(méi)有考慮漫灘的影響，大都采用固定邊界來(lái) 進(jìn)行計(jì)算，這對(duì)于那些漫灘范圍較小的海灣來(lái)說(shuō)，影響不是很大，但 對(duì)具有平緩岸坡的河口海灣水域，由于漲潮與落潮時(shí)岸灘淹沒(méi)與干出 的區(qū)域較大，此時(shí)在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)如果仍然采用固定邊界處理，則 會(huì)引起較大的誤差。目前，國(guó)內(nèi)外所采用的處理動(dòng)邊界的方法不是很 多，應(yīng)用最為廣泛的為干濕網(wǎng)格法【4 】。它是運(yùn)用一定的干濕點(diǎn)判斷規(guī) 則來(lái)確定某一網(wǎng)格點(diǎn)是否參入計(jì)算，該方法原理簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，可 以處理復(fù)雜的邊界條件，而且在二維與三維模型中都有所應(yīng)用，但是， 第一章引言 該方法判斷較為煩瑣，占用的機(jī)時(shí)較長(zhǎng)。 窄縫法【1 9 】【2 0 】【2 1 】是近年來(lái)出現(xiàn)的處理動(dòng)邊界的一種方法。它的特 點(diǎn)是將岸灘前的水域引入到岸灘上，即通過(guò)引入化引水深的概念使原 來(lái)沒(méi)有水的區(qū)域也可參入到計(jì)算中來(lái)，從而可以運(yùn)用固定的計(jì)算邊界 來(lái)進(jìn)行計(jì)算。其最大優(yōu)點(diǎn)在于它可以不必象其它動(dòng)邊界方法那樣在每 一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行判斷，而是直接將動(dòng)邊界問(wèn)題轉(zhuǎn)化 為固定邊界計(jì)算。何少苓等【2 0 】將此方法運(yùn)用到了杭州灣的潮流計(jì)算 中，取得了較好的結(jié)果；王澤良等【1 9 】【2 1 j 將此方法運(yùn)用到了渤海灣中， 較好地模擬了具有廣闊潮間帶的海洋中污染物以及潮間帶上污染物的 遷移擴(kuò)散。但從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，至今還沒(méi)有把窄縫法應(yīng)用于 泥沙輸運(yùn)的數(shù)值計(jì)算中。 三、套爾河口區(qū)的研究現(xiàn)狀 本文的研究區(qū)域?yàn)樘谞柡雍涌趨^(qū)，它位于渤海灣西南部，地貌上 屬黃河三角洲平原北部邊緣。對(duì)于該地區(qū)的泥沙沖淤問(wèn)題，黃世光 ( 1 9 9 3 ) 【2 6 】利用多期水深資料，通過(guò)對(duì)比分析的方法研究了套爾河海域 泥沙沖淤和岸灘演變的規(guī)律性。另外，隨著濱州港的建設(shè)，交通部天 津水科所等單位對(duì)套爾河海域的氣象、水文泥沙、地質(zhì)地貌等進(jìn)行了 大量的調(diào)查，并在此基礎(chǔ)上對(duì)套爾河河口區(qū)的泥沙淤積規(guī)律和河口航 道的治理進(jìn)行了系統(tǒng)分析和數(shù)值模擬研究。在進(jìn)行了大量調(diào)查和研究 的基礎(chǔ)上，濱州地區(qū)港口建設(shè)辦公室根據(jù)航道開(kāi)發(fā)和整治規(guī)劃，為開(kāi) 發(fā)濱州港3 0 0 0 噸級(jí)航道，于1 9 9 7 年至1 9 9 8 年1 1 月在套爾河口門外 沿規(guī)劃航道東西兩側(cè)建設(shè)了4 8 8 6 m 和7 8 8 4 m 的一期導(dǎo)流堤工程。其 目的是想利用套爾河的納潮量并借助雙導(dǎo)堤工程來(lái)保持航道的沖刷， 以維護(hù)航道的正常使用。然而，一期導(dǎo)堤工程完成后的水文觀測(cè)卻發(fā) 現(xiàn)，套爾河的落潮流并未完全從兩堤問(wèn)通過(guò)，東堤缺口處產(chǎn)生嚴(yán)重的 分流現(xiàn)象，雙導(dǎo)堤間發(fā)生了大面積的淤淺，已建成的3 0 0 0 噸級(jí)航道 一期導(dǎo)堤工程未能有效的束流，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的整治效果。 對(duì)于以上出現(xiàn)的問(wèn)題，濱州地區(qū)港口建設(shè)辦公室針對(duì)設(shè)計(jì)單位提 出的七種導(dǎo)流堤整治方案又于1 9 9 9 年請(qǐng)青島海洋大學(xué)、南京水利科 碩士論文：潮流作用下套爾河口區(qū)泥沙沖骷的數(shù)值模擬 學(xué)研究院河港研究所和交通部天津水科所三家單位對(duì)套爾河河口區(qū)進(jìn) 行了二維潮流數(shù)值計(jì)算以及航道的回淤分析，并據(jù)此對(duì)導(dǎo)流堤的整治 方案進(jìn)行了優(yōu)選。在對(duì)泥沙輸運(yùn)進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，青島海洋大學(xué)所采 用的是固定邊界的處理方法，這與實(shí)際狀況有一定的差別，從而會(huì)產(chǎn) 生一定的誤差；南京水利科學(xué)研究院河港研究所對(duì)于航道的回淤分析 采用的是經(jīng)驗(yàn)公式的方法，它能定量的計(jì)算海底的沖刷、淤積量，但 無(wú)法計(jì)算與模擬區(qū)域內(nèi)泥沙的輸運(yùn)趨勢(shì)以及含沙量的分布；對(duì)此，交 通部天津水科所也同樣采用了經(jīng)驗(yàn)公式的方法。 以上研究雖然對(duì)于套爾河海域的潮流場(chǎng)的變化規(guī)律有了比較清楚 的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于該海域的泥沙輸運(yùn)和海底沖淤演變規(guī)律的研究則存在 明顯的不足。在海洋動(dòng)力作用下，套爾河河口區(qū)的泥沙沖淤規(guī)律如何? 濱州港導(dǎo)流堤的興建又是怎樣影響該海域的泥沙沖淤變化的? 現(xiàn)行導(dǎo) 流堤工程如何整治? 這些問(wèn)題皆有待于進(jìn)一步的研究和探討。為此， 有必要建立一個(gè)適于該區(qū)的水文泥沙數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)其水動(dòng)力和泥沙環(huán) 境及沖淤狀況做進(jìn)一步的數(shù)值模擬，以便為濱州港導(dǎo)流堤的整治提供 更可靠的理論依據(jù)。這也是本文研究的主要目的。 四、本文所做的工作 對(duì)于套爾河口區(qū)的泥沙沖淤問(wèn)題，波浪和潮流的作用都是不可忽 視的。由于條件的限制，并考慮到套爾河河口區(qū)潮流作用強(qiáng)，岸灘平 緩等實(shí)際特點(diǎn)，本文重點(diǎn)研究了潮流對(duì)該海域泥沙沖淤的影響以及泥 沙輸運(yùn)數(shù)值模擬的動(dòng)邊界處理方法。為此，本文將窄縫法引入到泥沙 輸運(yùn)動(dòng)邊界的處理中，建立了一個(gè)潮流作用下泥沙輸運(yùn)及沖淤的二維 動(dòng)邊界數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此對(duì)該區(qū)的泥沙沖淤規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬。 在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，本文首先運(yùn)用窄縫法推導(dǎo)出了考慮動(dòng)邊界的 二維潮流基本方程組，建立了潮流運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。在調(diào)試成功后， 又首次將窄縫法運(yùn)用到了泥沙輸運(yùn)方程中，推導(dǎo)出了考慮窄縫時(shí)的泥 沙輸運(yùn)方程，并與底床變形方程結(jié)合，建立了一種具有動(dòng)邊界功能的 泥沙輸運(yùn)及沖淤模型。 為了驗(yàn)證本模型，首先將其運(yùn)用到了一個(gè)理想的區(qū)域中進(jìn)行驗(yàn) 第一章引言 證。在取得滿意的效果后，又將本模型應(yīng)用到了套爾河河口區(qū)，對(duì)套 爾河河口區(qū)導(dǎo)流堤修建前后泥沙輸運(yùn)及沖淤規(guī)律分別進(jìn)行了數(shù)值模 擬，并將計(jì)算結(jié)果與該區(qū)實(shí)測(cè)的水文、泥沙資料以及據(jù)實(shí)測(cè)資料得到 的沖淤分布圖進(jìn)行了驗(yàn)證，證實(shí)了本模型能夠正確地模擬套爾河河口 區(qū)的沖淤變化規(guī)律。 在對(duì)本模型做了上述驗(yàn)證后，又將該模型應(yīng)用到了濱州港的導(dǎo)堤 續(xù)建方案的比較與探討中，對(duì)有關(guān)設(shè)計(jì)部門提出的在已建導(dǎo)堤基礎(chǔ)上 逐步封堵東堤缺口、外延西堤及加高導(dǎo)堤高程等七種不同的導(dǎo)堤整治 方案分別進(jìn)行了泥沙沖淤計(jì)算和研究分析，并對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)選。 最后，為了達(dá)到改善航道沖淤狀況的最佳效果，又對(duì)導(dǎo)堤的整治 方案做了進(jìn)一步的探討，并提出了兩種不同的解決方案：?jiǎn)螌?dǎo)堤方案 和雙導(dǎo)堤方案。 碩士論文：潮流作用下套爾阿口區(qū)泥沙沖攢的數(shù)值模擬 第二章研究區(qū)域概況 第一節(jié)套爾河海域的氣象、水動(dòng)力及沉積環(huán)境 套爾河海域位于渤海灣西南部，處在山東省惠民地區(qū)無(wú)棣縣與沾 化縣之間。套爾河為徒駭河與秦口河交匯后的入海水道( 圖1 ) 。該地 區(qū)位于華北地臺(tái)的東緣，為華北地臺(tái)的一部分，在大地構(gòu)造單元上屬 遼冀臺(tái)向斜。南部與蘇北隆起相連，東部隔海與遼東地盾相對(duì)。海岸 為魯北沉降平原的一部分，地貌上屬黃河三角洲平原北部邊緣。 圖l 套爾河口區(qū)地理位置示意圖 第二章研究區(qū)域概況 一、氣象 l 、風(fēng)況 ( 1 ) 年風(fēng)況 根據(jù)埕口鹽場(chǎng)氣象站1 9 7 0 1 9 8 4 年風(fēng)資料統(tǒng)計(jì)：該區(qū)常風(fēng)向?yàn)?s w ，頻率為1 1 3 7 ，次常風(fēng)向?yàn)閑 和e n e ，頻率分別為8 8 8 和 6 9 l 。強(qiáng)風(fēng)向以d 姬為主，其次為e 和n n w 。年無(wú)風(fēng)頻率為2 1 7 。 常風(fēng)向?yàn)殡x岸風(fēng)，次常風(fēng)向和強(qiáng)風(fēng)向?yàn)橄虬讹L(fēng)。 該區(qū)歷年平均風(fēng)速為4 5 i “s ，年際變化不大。 ( 2 ) 季節(jié)風(fēng)況 表1 各季風(fēng)況表 常風(fēng)向強(qiáng)風(fēng)向 春季 s wee n e 夏季 ee n e 秋季 s wn n we n e 冬季 s wnn n we n e ( 3 ) 大風(fēng)風(fēng)況 累年強(qiáng)風(fēng)( 大于6 級(jí)) 出現(xiàn)頻率占總風(fēng)率的4 1 。其中以e n e 向 出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)最多，占強(qiáng)風(fēng)總數(shù)的2 0 9 。強(qiáng)風(fēng)中，6 級(jí)風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)占強(qiáng) 風(fēng)總數(shù)的7 4 5 。強(qiáng)風(fēng)多出現(xiàn)在春季，夏季最少。 在風(fēng)速逐時(shí)記錄中，一日中有一次以上的記錄 1 0 8 m s 即為一 個(gè)大風(fēng)日。據(jù)統(tǒng)計(jì)，累年大風(fēng)日數(shù)為1 0 9 天。 1 9 7 0 - 1 9 8 4 年1 5 年中觀測(cè)的最大風(fēng)速為2 5 7 州s ( 1 9 7 8 年3 月2 7 日，e n e ) ，其次為2 5 3 耐s ( 1 9 8 4 年3 月2 0 日，n w ) 2 、氣溫 該區(qū)年平均氣溫變化不大，累年平均氣溫為1 3 1 。c 。但季節(jié)氣 溫有較大的差異，四季分明，月平均氣溫以7 月最高，為2 7 0 ，1 月最低，為3 5 3 、降水 該區(qū)年平均降水量為5 2 3 4 n m ，多發(fā)生于7 、8 兩月，尤以8 月 碩士論文：潮流作用下套爾河口區(qū)泥沙沖凇的數(shù)值模擬 份為最多，累年兩個(gè)月為3 1 0 9 m m ，約占總降水量的6 0 ，一月份 降水最少，僅1 5 m m 。年降水量最大為6 9 8 5 衄( 1 9 7 7 年) ，最小為 3 9 7 2 m m ( 1 9 8 1 年) 。 年平均降水日數(shù)為6 5 天，降水量 2 5 m m 的大雨日數(shù)平均5 天， 5 0 m m 的暴雨日數(shù)平均為i 9 天。 二、水動(dòng)力環(huán)境 l 、潮汐 該海區(qū)的主要日分潮與主要半日分潮振幅之比： ( h k 。+ h o 妒 m ：= o 6 5 。潮汐性質(zhì)屬不規(guī)則半日潮，日潮不等主要表現(xiàn) 在低潮( o 9 3 m ) ，高潮不等很小( o 0 7 m ) 。主要潮位特征值見(jiàn)表2 。 表2套爾河口區(qū)主要潮位特征值表 l 實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)平均平均平均平均最大最小平均平均 【最高最低高潮低潮海面潮差潮差潮差漲潮落潮 l 潮位潮位位位歷時(shí)歷時(shí) i ( m 1( m )f m )( m )( r n )( m )( m )( m )( h 1( h 、 5 h6 h 3 7 5- o 5 42 4 20 7 21 5 51 7 02 8 80 0 23 l m i n5 5 m i n 2 、潮流 該海區(qū)的主要日分潮流與主要半日分潮流的橢圓長(zhǎng)半軸之比： ( w k 。+ w 。) w m 2 - o 5 3 ，屬不規(guī)則半日潮流型。套爾河口距m 2 分潮無(wú) 潮點(diǎn)約6 0 k m ，屬于駐波類型的潮流。潮流的主要特征為：1 、潮差 不大，潮流值不??；2 、最大潮流值出現(xiàn)在半潮位，高( 低) 平潮時(shí)為 憩流時(shí)間；3 、不同潮時(shí)的潮流矢量，按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。 套爾河河口及口外地區(qū)，平均漲潮流流向?yàn)槲髂?，落潮流向?yàn)闁| 北，平均漲潮流流速略大于落潮流速。除河口外，平均漲潮流速小于 5 1 c m s 。河口處平均漲潮流速表層可達(dá)5 7 c 州s 。一般表層流速略大 于中層，底層最小。潮流的流向和流速變化因地而易，河口處為往復(fù) 流，而遠(yuǎn)處為典型的旋轉(zhuǎn)流，其問(wèn)近河口處漲潮流呈扇型展開(kāi)，落潮 流較為集中，稍遠(yuǎn)處則介于往復(fù)流與旋轉(zhuǎn)流之間的形式。旋轉(zhuǎn)流潮流 第二章研究區(qū)域概況 矢量隨時(shí)間變化系按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。 3 、余流 由于風(fēng)吹流、地形變化形成的梯度流和潮差不等等因素，套爾河 河口地區(qū)也出現(xiàn)非周期性余流，但其量均甚小，一般均小于7 洲s ， 最大亦不過(guò)1 2 c 叫s 。近河口處余流流向?yàn)槲鞅?，遠(yuǎn)處呈東偏北向。 4 、波浪 該海區(qū)波浪以風(fēng)浪為主，強(qiáng)波向與強(qiáng)風(fēng)向基本一致，主要為d 姬 和n e 向。其實(shí)測(cè)波浪特征值如表3 所示。 表3實(shí)測(cè)波浪特征值統(tǒng)計(jì)表 h 。h l ，l oh l 舟 h 平均波高 ( m 1 1 i o0 80 60 4 平均周期 f s ) 3 63 84 03 9 最大波高 ( m 1 2 51 81 50 9 二、泥沙沉積環(huán)境 本區(qū)所覆蓋的巨厚沉積物，乃是長(zhǎng)期注入渤海灣的黃河及附近中 小河流下泄的陸源物質(zhì)，這些物質(zhì)入海后，在各種動(dòng)力因素綜合作用 下，經(jīng)再搬運(yùn)沉積，顯示了各種不同的沉積物類型及礦物組合特征。 其沉積物的物質(zhì)組成主要有：粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、粉 砂等( 圖2 ) 。其中： 1 、粘土質(zhì)粉砂：以粉砂為主，粘土占2 1 3 9 ，平均中值粒徑 o 0 18 7 m m ，主要分布在河口兩側(cè)零米線至高潮線附近； 2 、粉砂質(zhì)砂：以細(xì)砂為主，粉砂占2 5 4 3 ，在河口兩側(cè)分布， 范圍較大，自零米線開(kāi)始一直延伸到5 米線以外，在河口東側(cè)主要 分布在2 米線以內(nèi)至零米線附近，平均中值粒徑西側(cè)為0 0 7 2 6 m m ， 東側(cè)為0 0 7 6 7 m m ； 3 、砂質(zhì)粉砂：以粉砂為主，細(xì)砂占2 4 4 8 ，平均中值粒徑 堡主絲塞：塑煎堡旦工童璽塑巳墾塑些鹽鱉苧墼墮夔型 匭培求副林蟮世s罱翳n匠 第二章研究區(qū)域概況 o 0 5 3 3 m m ，分布在河口零米線附近及河口東側(cè)中潮灘與一2 米線外側(cè) 的大范圍內(nèi)； 4 、粉砂：在河口兩側(cè)呈條帶狀分布，在低潮線以上部位，平均 中值粒徑西側(cè)為o 0 2 5 5 m m ，東側(cè)為0 0 2 1 5 m m 。 套爾河航道底部主要分布著粘土質(zhì)粉砂，在彎曲河段，物質(zhì)組成 為粘土質(zhì)粉砂，砂質(zhì)粉砂及粉砂質(zhì)砂，平均中值粒徑o 0 4 8 9 m m 。上 述沉積物分布情況表明： l 、沉積物由岸向海呈細(xì)一粗一細(xì)的分布規(guī)律。粗物質(zhì)分布在中 潮位到一米線附近，處在波浪破碎帶，沖刷的細(xì)物質(zhì)被潮流輸送到岸 邊及有掩護(hù)地段沉積。 2 、報(bào)風(fēng)站以里灘面，由于岸邊一列連續(xù)的沙堤掩護(hù)，細(xì)物質(zhì)隨 潮進(jìn)入落淤，表現(xiàn)為輕度淤積。 3 、一2 米線處粉砂帶呈向西北延伸狀，一直伸展到大口河口門附 近，其形成原因?yàn)闅v史上黃河入海泥沙在水動(dòng)力的作用下，物質(zhì)粗化 的結(jié)果，反映了目前黃河入海泥沙對(duì)此供應(yīng)極少。另外在現(xiàn)場(chǎng)底質(zhì)取 樣及粒度分析過(guò)程中，可以明顯地看出本區(qū)岸灘及水下局部站位含有 貝殼及其碎屑，其百分含量在o 4 5 9 0 之間。 第二節(jié)河道徑流量、輸沙量和納潮量 一、納潮量及河道徑流量 套爾河口屬?zèng)_積平原河口，雖然口外海濱平均潮差僅1 7 嘶，但 河口段坡度平緩，河道及灘面容積大，故能容納較大的納潮量。據(jù) 1 9 8 9 、1 9 9 2 年在報(bào)風(fēng)站匯合口上下兩斷面實(shí)測(cè)結(jié)果，在平均潮差情 況下，每潮納潮量約為3 5 1 0 7m 3 ，全年納潮量達(dá)2 4 7 1 0 1 0m 3 ，而 上游徒駭河的年徑流量約為6 1 0 8m 3 ，后者僅為前者的2 。多年汛 期平均徑流量( 6 9 月) 為5 5 1 0 8m 3 ，同期納潮量為8 2 1 0 9m 3 ，汛期 徑流量只占納潮量的7 ，因此，套爾河已成為潮汐控制為主的潮汐 漢道，潮流實(shí)際上起到了沖刷和維持航道的作用。 碩士論文；潮流作用下套爾河口區(qū)泥沙沖淤的數(shù)值模擬 二、輸沙量 據(jù)堡集站1 9 5 3 一1 9 7 9 年的資料分析，套爾河歷年年均下泄沙量為 1 1 4 1 0 6t ，由于套爾河上游建有多處攔潮閘，其中約有5 3 1 0 5t 淤 積于套爾河上游二十里堡閘至壩上閘間的三十多公里的河道中。據(jù) 1 9 6 5 1 9 7 0 年資料，壩上閘下泄的6 1 1 0 5t 泥沙中，約有1 6 1 0 5t 淤 積在壩上閘至下游垛都長(zhǎng)約2 2 3 k m 的河段內(nèi)，而自壩上閘每年進(jìn)入 套爾河干流的入海沙量?jī)H有4 5 10 5 t 左右。 值得指出的是，近年來(lái)，由于流域內(nèi)水資源不足，入海水量急劇 減少，入海沙量亦相應(yīng)劇減。 第三節(jié)套爾河河口區(qū)的泥沙沖淤特征 黃河口的變遷在歷史上制約著套爾河口區(qū)的泥沙沖淤變化的特 征。套爾河河口區(qū)從形成、發(fā)展到現(xiàn)在經(jīng)歷了強(qiáng)烈的淤積階段、強(qiáng)烈 的沖刷階段以及現(xiàn)在的弱沖弱淤階段。 一、形成初期強(qiáng)烈的淤積、侵蝕階段【2 6 】 1 9 0 4 一1 9 2 6 年，黃河自西起套爾河?xùn)|至挑河間的區(qū)域入海，受 黃河泥沙直接影響，遠(yuǎn)離套爾河?xùn)|部韻岸段為快速淤積區(qū)，西部海岸 原有相對(duì)平衡穩(wěn)定條件被破壞，轉(zhuǎn)化為強(qiáng)烈的侵蝕區(qū)。東部海岸突出 淤進(jìn)，自東向西淤進(jìn)幅度逐漸減小。西部岸段強(qiáng)烈侵蝕后退，其幅度 從東南向西北逐漸減小。原來(lái)的陸地被侵蝕分割成四個(gè)較大的島嶼， 為套爾河灣的形成奠定了雛形。 1 9 2 6 年以后，黃河離開(kāi)本區(qū)，到1 9 3 4 年尾閭改道初期經(jīng)歷了8 年的沖淤改造，岸線附近的陸地強(qiáng)烈侵蝕后退。套爾河灣持續(xù)強(qiáng)烈侵 蝕，致使灣口大的殘留島和局部岸線被侵蝕分割，在灣內(nèi)發(fā)育成十幾 個(gè)面積較小形態(tài)各異的殘留島?？傊?，經(jīng)本階段劇烈沖淤塑造后，形 成了套爾河灣。 二、平衡剖面的到達(dá)與弱沖弱淤階段 套爾河灣海域是粉砂淤泥質(zhì)海岸，其平衡剖面的塑造在這一帶海 第二章研究區(qū)域概況 岸上，可能只要2 0 年左右，甚至更短的時(shí)間就可以達(dá)到。至1 9 8 4 年， 本區(qū)尾閭改道達(dá)5 0 年以上，受海灘平衡剖面塑造的控制，其沖淤?gòu)?qiáng) 度和幅度均顯著減慢。東部海岸進(jìn)一步將突出于海區(qū)的陸地侵蝕后， 在附近的凹岸淤積，使小海灣的位置發(fā)生變化。西部岸段經(jīng)進(jìn)一步的 沖淤塑造，達(dá)到新的平衡，潮灘上的殘留島被進(jìn)一步侵蝕分割變小， 形態(tài)更加圓滑，表現(xiàn)為輕微的此沖彼淤，略有淤進(jìn)的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。 黃世光 2 6 】曾指出套爾河灣海域5 1 0 m 海區(qū)的坡度小于1 2 0 0 0 ，是平 衡剖面海區(qū)的標(biāo)志，坡度小于1 ，1 5 0 0 ，是向平衡剖面海區(qū)發(fā)育的標(biāo) 志；沖淤速度o 0 5 6 k m a ，貝殼堤迅速發(fā)育是岸線相對(duì)穩(wěn)定的標(biāo)志； 沖淤速率o 0 8 4 l ( 1 n a ，貝殼灘開(kāi)始發(fā)育是岸線向相對(duì)穩(wěn)定發(fā)育的 標(biāo)志。 圖3 為采用1 9 9 2 年1 1 月和1 9 9 3 年6 月兩期水深進(jìn)行比較而得 到的航道區(qū)海底沖淤圖。由該圖也可看出，在套爾河河口區(qū)近岸沖刷， 遠(yuǎn)岸淤積，其沖淤?gòu)?qiáng)度相對(duì)較弱，并且在淤積區(qū)內(nèi)也出現(xiàn)有部分沖刷 區(qū)，說(shuō)明整個(gè)套爾河口區(qū)基本上處于一種沖淤相對(duì)平衡的狀態(tài)。 三、 導(dǎo)堤修建后的泥沙沖淤特征 導(dǎo)流堤建成后對(duì)河口地區(qū)的水動(dòng)力環(huán)境影響較大，大大地改變了 泥沙的輸運(yùn)與沉積條件。在導(dǎo)流堤建成后，由于東堤根的缺口較大， 所以落潮時(shí)，從東堤根的外部流出的潮流流量較大，使得導(dǎo)流堤內(nèi)的 流量大大減少，航道內(nèi)出現(xiàn)淤積現(xiàn)象。圖4 為采用1 9 9 9 年1 1 月和1 9 9 3 年6 月兩期水深進(jìn)行比較而得到的現(xiàn)行導(dǎo)堤海底沖淤圖。從該圖中可 以看出，現(xiàn)行導(dǎo)堤工程興建后，該區(qū)的沖淤現(xiàn)象發(fā)生了如下變化： l 、河口深槽區(qū) 河口深槽的西側(cè)淤積，其淤積厚度一般為0 0 1 o m ，最大可超 過(guò)1 7 m ：深槽的東側(cè)則表現(xiàn)為沖刷，其沖刷厚度一般為o o o 5 m 。 2 、河口深槽至東堤根區(qū) 東堤根附近沖刷明顯，其最大沖刷厚度可達(dá)1 2 m ，由此向內(nèi)( 西 南方向) 沖刷厚度漸減至o 7 m 及o 2 m ，且與河口沖刷區(qū)一帶相連。 該沖刷帶以東的灘地總體表現(xiàn)為淤，其淤積厚度為o 2 m ：沖刷區(qū)以 碩士論文：潮流作用下套爾河口區(qū)泥沙沖攢的數(shù)值模擬 模 、o 一鎏 鱖 豁 迤鐮 僚 圖39 2 9 3 年實(shí)測(cè)沖淤圖圖49 3 9 8 年實(shí)測(cè)沖淤圖 1 5 第二章研究區(qū)域概況 西( 靠近西堤) 則全部處于淤積狀態(tài)，其平均厚度在o 3 加7 m 之間。 3 、東堤根至東堤頭的堤內(nèi)區(qū)域 此間地形呈馬鞍形變化，表現(xiàn)為內(nèi)、外段淤，中段沖。從總體看 內(nèi)段淤厚( o 2 1 o m ) 大于外段淤厚( o 1 加5 m ) ，西堤頭附近( 中段) 沖刷 厚度一般在o 2 m 左右。 4 、東堤頭以北區(qū)域 本區(qū)普遍沖刷。其中，東堤頭附近沖刷最為明顯，平均沖厚為 o 8 m 。 綜上所述，該區(qū)在9 3 9 8 年建壩前后的沖淤規(guī)律為：自西堤根向 外至東堤頭，除有限的區(qū)域表現(xiàn)為沖刷外，其余均為淤積，從總體看 以淤積占優(yōu)勢(shì)，平均淤厚為o 1 9 m ；沖刷區(qū)出現(xiàn)在堤頭、堤根的位置， 最大沖刷區(qū)出現(xiàn)在東堤堤根處；最大淤積區(qū)出現(xiàn)在兩導(dǎo)堤間的南端。 碩士論文：潮流作用下套爾河口區(qū)泥沙沖淤的數(shù)值模擬 第三章數(shù)學(xué)模型的建立及驗(yàn)證 第一節(jié)數(shù)學(xué)模型的建立 套爾河河口區(qū)的岸灘比較平緩，在對(duì)該類地區(qū)進(jìn)行潮流作用下 泥沙輸運(yùn)的二維數(shù)模計(jì)算時(shí)，如果采用固定邊界的處理方法則必然會(huì) 產(chǎn)生較大的誤差，所以最好應(yīng)采用動(dòng)邊界處理方法。這里，采用窄縫 法來(lái)處理二維數(shù)模計(jì)算的動(dòng)邊界問(wèn)題。 一、窄縫法簡(jiǎn)介 1 、窄縫法的基本原理 圖5 為窄縫法的基本原理示意圖，其基本思想是設(shè)想在岸灘上各 空間步長(zhǎng)內(nèi)存在一條很窄的縫隙，縫內(nèi)的水和岸灘前的水相連，這相 當(dāng)于把岸灘前的水域延伸到岸灘內(nèi)，這樣就可以把計(jì)算邊界設(shè)在岸灘 的窄縫內(nèi)，使動(dòng)邊界問(wèn)題轉(zhuǎn)化為固定邊界問(wèn)題。 圖5 窄縫法基本原理示意圖 2 、窄縫寬度廠倒與化引水深 。的定義【2 0 l 定義各空間步長(zhǎng)內(nèi)單位長(zhǎng)度的窄縫寬度為： m ) = 船卜咖州“ 型 z o = z 6 = 氣 第三章數(shù)學(xué)模型的建立及驗(yàn)證 式中，z 為計(jì)算點(diǎn)的垂向坐標(biāo)值；乙為床底高程；s 為窄縫系數(shù)，即 當(dāng)窄縫內(nèi)的水位無(wú)限低于床底高程時(shí)相應(yīng)的值；口為參數(shù)，決定窄縫 隨深度變化的快慢；乙為人為設(shè)定的窄縫底部高程，一般令其低于 可能出現(xiàn)的最低水位；忍為水面高程。 根據(jù)窄縫寬度的定義，可以得出x 方向上化引水深的公式為： 占( = ，一= o ) + 生p 8 ( h 一( e 4 ( i d ) 一1 ) ( z ，一： ) + 占( z 6 一z o ) + 坐( 1 一口。( 蚋) 其中，4 ，為垂直于j 軸的過(guò)水面積，d j ，4y 分別為j ，j ，方向上的 空間步長(zhǎng)。 同理，可以得出y 方向上的化引水深的表達(dá)式。 二、基本方程 l 、二維潮流基本方程組 選取如圖6 所示的單元體。根據(jù)連續(xù)性原理，可推導(dǎo)出考慮窄縫 時(shí)的連續(xù)方程為f 2 0 】： 圖6 控制體示意圖 攀以萬(wàn) 碩士論文：潮流作用下套爾河口區(qū)泥沙沖淤的數(shù)值模擬 熹) 蚪+ 詈( 嶼) y + 靠洲 。 言c 刪，+ m p 2 一= 。 其中，“，v 分別為沿z ，y 方向上的流速分量；彳，4 分別為垂直于x ， j ，軸的過(guò)水面積。 設(shè)u ：“叁，礦：v 烏，趟：】，并定義f ( z ) ：2 ，o ) 】，。z 。、。 _ 【，( z ) 2 ，則可得到化簡(jiǎn)后的連續(xù)方程為： 罷+ 去等+ 士豢：o ( 1 ) 畝 f ( z ) a yf ( z ) a y “ 考慮了窄縫后的動(dòng)量方程為【2 0 】： 詈+ 若罷+ 毒券+ k g 罷一+ g 型蘭筍= 。百+ 瓦面+ 瓦石+ g 瓦一，g 礦。0 詈+ 若詈+ 昔券+ k g 囂+ + g 型驀芋= 。百+ i 面+ 萬(wàn)石+ b g 石+ + g 礦- 0 其中，也= 氐為化引水深；c 為謝才系數(shù)；廠= 2 s 加毋為科氏參數(shù)； 2 、泥沙輸運(yùn)方程 適于窄縫法的泥沙輸運(yùn)方程至今還沒(méi)有現(xiàn)成的模型可被采用，對(duì) 此必須按窄縫法原理推導(dǎo)出適于窄縫法的泥沙輸運(yùn)方程的具體形式。 按照以上所選取的控制體( 圖6 ) ，經(jīng)推導(dǎo)可得出考慮窄縫條件下的泥 沙輸運(yùn)方程的具體形式為： 第三章數(shù)學(xué)模型的建立投驗(yàn)證 曇( 磚+ 4 坶一j 可( ：) 2 拋k 劫+ 去( 地s ) 鰣+ 曇( 嶼s ) 】，= f ( 2 似- 耵( z ) 一醚- 耵( = ) 2 ) 出鯽( 盧& 一s ) 式中，s 為含沙量，。為泥沙沉降速度，盧為線性比例系數(shù)，油水 流挾沙力，口為泥沙顆粒沉降幾率。 若令x = y ，并設(shè)阡( z ) = 2 廠( z ) 一，( z ) 2 出，進(jìn)一步整理可得： 萼+ 毒去要+ = 妥要：剛( s 一s ) ( 4 ) 融f f 幻a xf f t 幻a y ”。 ?。 上式就是這里所采用的適于窄縫法的泥沙輸運(yùn)方程的具體形式，其中 u ，v 的定義同前。這里，水流挾沙力s 依據(jù)的是張瑞瑾公式，即： s ；七( 善) m ：w ：萬(wàn)了 g 竹國(guó) 上式中的系數(shù)七和指數(shù)塒均需通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)并根據(jù)當(dāng)?shù)厮虻木唧w 情況而定。 至于泥沙啟動(dòng)流速，則采用竇國(guó)仁導(dǎo)出的公式，即： k = 仙( 1 1 嘗) ( 孚鰣鵠塵產(chǎn)) ； 式中，c 。為粘著力參數(shù)6 為薄膜水厚度參數(shù)，省，也，n 為參數(shù)， 為床面當(dāng)量糙率高度。上式中的各參數(shù)的取值也需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐哪?沙條件予以確定。而泥沙沉速則依據(jù)靜水泥沙沉速和當(dāng)?shù)氐膶?shí)際條 件通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定。 3 、海底變形方程 考慮窄縫后，海底底床變形方程的形式不變： ，。挈= 口( s p s 。) ( 5 ) 碩士論文：潮流作用下套爾河口區(qū)泥沙沖淤的散值模擬 該式中，刀為泥沙沖淤厚度，y 為泥沙的干容重。 4 、初邊值條件 水邊界條件： z l 邊界a ，y ，砂，s l 邊界鄙向，y ，砂( 入流時(shí)) ， 岸邊界條件： 絲：o ，塵；o ，宴：o 咖咖冊(cè) 初始條件由起算時(shí)刻的實(shí)測(cè)資料直接給出。 三、差分格式 二維潮流方程的差分采用a d i 法，所采用的網(wǎng)格為交錯(cuò)網(wǎng)格， 如圖7 所示。在( i ，j ) 點(diǎn)計(jì)算水位z ，在( i ，j + 1 2 ) 點(diǎn)計(jì)算u ，在( i + 1 2 ，j ) 點(diǎn)計(jì)算n 水深而在( i + 1 2j + l 2 ) 點(diǎn)表示。 圖7 交錯(cuò)網(wǎng)格 在( i ，j ，n ) 點(diǎn)對(duì)方程( 1 ) 進(jìn)行差分可得： o 水渾 + 水位 第三章數(shù)學(xué)模型的建立及驗(yàn)證 腫_ 警+ 志c u 毒一u 毒，古堅(jiān) 。f ( f ，) 一+ ，。一 硝 + 志c 一q ，擊= 。 在( i + 1 2 ，j ，n ) 點(diǎn)對(duì)方程( 2 ) 進(jìn)行差分可得： 警一廠哥邶：擴(kuò)叫等瓦南刪。一- 1 ) 齒志i 2 ，2 u ”( u ”。+ 礦) 2 一2 1 邶麓一z 壺，+ 弋齋2 。 將上述兩式化簡(jiǎn)整理得： 其中： 川u 罩+ z 罩瑙 一口4 1 z u 2 + r 。，+ ! ，+ 口4 1 互+ l j2 + 一n + -h + 一 ，2 ：上蘭l f ( f ，j ) 2 x 州= 卷啪冊(cè) r 小c 一q ，篆志 。= z 。堋形：一篆一志強(qiáng)囂 ( 6 ) ( 7 ) 碩士論文：湘流作用下套爾河口區(qū)泥沙沖淤的數(shù)值模擬 = + 薩譬一鴨川一。，等赤 占剛“1 ( u “1 + 礦) 2 2 ( 石。) 2 見(jiàn)2 ( f ，) 礦2 寺( 一：+ ；+ _ ：+ ；+ 一：一+ _ ：。一j c = 去( c + c 0 ) 由( 6 ) 式與( 7 ) 式即可求出t = n + l 2 時(shí)刻的阢z 值。 對(duì)( 3 ) 式運(yùn)用顯式格式進(jìn)行差分： 警+ 南c 摯眇麓c 攀，志堡垃( f ， 硝 一；、 艚 吃( f ，) + 警一心筆籌= 。 h 一一 2 ： 由此式可以求得n + l 2 時(shí)刻的礦值。這樣，在x 方向，n + 1 2 時(shí) 間步長(zhǎng)上的璣nz 值便全部解出。 同理，可以求出y 方向，t = n + 1 時(shí)刻的nz ，u 值。 對(duì)泥沙輸運(yùn)方程運(yùn)用顯式差分格式進(jìn)行離散： 跗哦+ ( _ 孕( 踮。埋- + 掣( 琊。峨擴(kuò)孚( ， 一) + 掣( 。一2 踮+ ) ) 淼+ 口國(guó)( 戶一) r ( 9 ) 其中： ( 8 ) 第三章數(shù)學(xué)模型的建立及驗(yàn)證 【一( 1 一s ) 2 ( p 州2 i j “一2 ) 2 2 口一( 1 一占) 2 2 0 + ( 1 一占) 2 z 。+ 盯( f ，) ：j ( 1 一占) 2 ( e 州島“一2 ) 2 ，2 口+ z o z 0 z o + 姒- ，) o i ( 1 一占) 2 ( p 2 。?！? 口一2 e 。島+ “口+ z o )z 0 + ( f ，- ，) o 由上式即可求出懸沙含量。 對(duì)海底變形方程( 5 ) 式直接離散得： 磁j 1 = 圯一口掰( 州，一) 等 ( 1o ) 由上式即可求出泥沙沖淤厚度。 第二節(jié)計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證及分析 一、理想?yún)^(qū)域 為了從理論上驗(yàn)證本模型，首先將其應(yīng)用于一個(gè)理想的區(qū)域中進(jìn) 行驗(yàn)證。該理想?yún)^(qū)域設(shè)計(jì)為一個(gè)狹長(zhǎng)的單坡水域，坡降為0 0 0 0 2 ， 最大水深為3 1 6 m ，最大高程為2 m ，所采用的網(wǎng)格大小為4 0 1 3 0 ， 空間步長(zhǎng)為2 0 0 m ，時(shí)間步長(zhǎng)為3 0 s 。并假設(shè)該區(qū)域只有一邊是開(kāi)放 的，其它各邊都是封閉的。 圖8 是該理想?yún)^(qū)域漲急、漲平、落急、落平時(shí)計(jì)算得出的流場(chǎng)圖。 從中可以看出由于是一個(gè)理想的單坡區(qū)域，所以流場(chǎng)的分布是完全平 齊，對(duì)稱的，這與我們?cè)O(shè)想中的是一致的。 運(yùn)用動(dòng)邊界進(jìn)行計(jì)算時(shí)，我們所最關(guān)心的是岸灘上潮位值的變化 特點(diǎn)。圖9 為該區(qū)域中岸灘上j - 5 l 與j = 6 3 兩點(diǎn)的潮位變化圖。該圖 表明當(dāng)岸灘上的點(diǎn)出露時(shí)，計(jì)算水位值便固定在某一值，不再變化， 這與我們?cè)O(shè)想中的也是一致的。 圖1 0 為該區(qū)域中軸線上的同一時(shí)刻的水位圖。在該圖中可以看 出，本方法正確地模擬出了岸灘的增水趨勢(shì)。 碩士論文：潮流作用下套爾河口區(qū)泥沙沖淤的數(shù)值模擬 二、9 2 年套爾河口區(qū) 為了進(jìn)一步驗(yàn)證本模型，又將該模型應(yīng)用于套爾河口區(qū)實(shí)際海 域( 圖1 1 ) 的計(jì)算。所采用的網(wǎng)格大小為7 0 1 2 0 ，空間步長(zhǎng)為2 0 0 m ， 時(shí)間步長(zhǎng)為3 0 s ，整個(gè)計(jì)算區(qū)域的面積約為3 3 8 i 鋤2 。計(jì)算所采用的水 深數(shù)據(jù)為1 9 9 2 年的實(shí)測(cè)水深，水文泥沙數(shù)據(jù)則為交通部天津水運(yùn)工 程科學(xué)研究所勘測(cè)處于1 9 9 2 年5 月1 6 日、1 7 日兩日實(shí)測(cè)的同步水 文泥沙資料。具體計(jì)算時(shí)，潮流差分方程在循環(huán)四個(gè)潮周期后即達(dá)到 穩(wěn)定，泥沙輸運(yùn)差分方程在循環(huán)八個(gè)潮周期后達(dá)到穩(wěn)定。 圖l l套爾河河口區(qū)及水文觀測(cè)站位圖 圖1 2 圖1 4 為計(jì)算水位、含沙量、流速與實(shí)測(cè)值之間的驗(yàn)證圖， 圖中實(shí)線為實(shí)測(cè)結(jié)果，虛線為計(jì)算結(jié)果。圖1 2 為報(bào)風(fēng)站與五號(hào)鼓水 文站計(jì)算水位與實(shí)測(cè)值之間的比較。該圖表明計(jì)算潮位過(guò)程與實(shí)測(cè)潮 位過(guò)程能較好吻合，振幅與相位也比較一致。圖1 3 為4 + 、5 # 、6 + 、 7 。、8 4 水文觀測(cè)站處計(jì)算含沙量與實(shí)測(cè)值之間的比較。除了4 4 站位計(jì) 算含沙量的值偏大外，在其余各站位點(diǎn)的驗(yàn)證都比較吻合。圖1 4 為 第三章教學(xué)摸型的建立及驗(yàn)證 水文觀測(cè)站處計(jì)算流速與實(shí)測(cè)流速的玫瑰花驗(yàn)證圖。從圖中可以看 出，計(jì)算流速的主流向、最大流速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，并且正 確地模擬出了套爾河河口區(qū)在口門處為往復(fù)流，而在外海處為旋轉(zhuǎn)流 的趨勢(shì)。 圖1 5 為計(jì)算所得的9 2 年平均流速等值線圈與沖淤圖。對(duì)比圖1 5 與9 2 年實(shí)際沖淤圖( 圖3 ) 可以看出，本模型正確地模擬了該區(qū)的沖淤 趨勢(shì)：河口處沖刷，離岸區(qū)淤積。并且，沖刷量與淤積量都較小。從 圖1 5 中還可以看出流速的大小與沖淤之間較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系：河口處 處于沖刷的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的該區(qū)的流速較大；離岸區(qū)處于淤積的狀態(tài)， 對(duì)應(yīng)的該區(qū)的流速值較小。 為了驗(yàn)證窄縫對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)窄縫系數(shù)分別取o 0 5 、 0 0 3 、0 o l 進(jìn)行了計(jì)算( 圖1 6 ) ，從中可以明顯地看出隨著窄縫系數(shù)的 減小含沙量的計(jì)算值將越接近于其實(shí)測(cè)值。 囊：5 善o 3 o 2 塞o 1 扣 o 1234567891 01 l1 2 1 3 計(jì)算疽時(shí)聞“t 實(shí)赫擅 圖1 6不同窄縫參