河口鹽水入侵的數(shù)值模擬研究.pdf

1、由于河口鹽水入侵災(zāi)害的日益突出，該問(wèn)題的研究受到了人們的關(guān)注。通過(guò)建立水流、鹽度數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行河口鹽度輸移的數(shù)值模擬，對(duì)河口鹽度的分布特征以及其受河口各種水動(dòng)力因素的影響進(jìn)行探討分析，將有利于河口鹽水入侵的防治。 本文跟蹤了國(guó)內(nèi)外河口鹽水入侵問(wèn)題研究的最新動(dòng)向，采用數(shù)值模擬方法對(duì)河口鹽水入侵展開(kāi)了系列研究，內(nèi)容涉及一維、一、二維聯(lián)解及三維的水流、鹽度數(shù)值模擬、模型建立和運(yùn)行中一些關(guān)鍵問(wèn)題的處理、徑流量、潮差、波浪和風(fēng)對(duì)河口鹽水入

2、侵的影響分析、以及珠江河口伶仃洋的鹽水入侵模擬。論文采用多套實(shí)測(cè)資料對(duì)建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證，合理地再現(xiàn)與分析了河口區(qū)的鹽水入侵現(xiàn)象。論文的主要內(nèi)容可以歸納為以下幾個(gè)方面： 1．系統(tǒng)歸納與評(píng)述了河口鹽水入侵的危害、復(fù)雜性及各種影響因素，總結(jié)了鹽水入侵的主要研究方法和國(guó)內(nèi)外鹽水入侵問(wèn)題的研究現(xiàn)狀。 2．針對(duì)網(wǎng)河區(qū)水系復(fù)雜交錯(cuò)、河口區(qū)較寬廣的不同特點(diǎn)以及實(shí)際工程研究的不同需要，分別建立了一維和一、二維聯(lián)解水流、鹽度模型。結(jié)合具

3、體的工程實(shí)例，進(jìn)行了模型的驗(yàn)證及工程方案對(duì)鹽水入侵影響的評(píng)價(jià)。此外，還對(duì)鹽水入侵強(qiáng)度與徑流量、潮差的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了探討。 3．推導(dǎo)了水平正交曲線變換和垂向σ變換后的三維非線性斜壓流場(chǎng)、鹽度場(chǎng)數(shù)學(xué)模式，給出了離散求解過(guò)程，對(duì)一些模型參數(shù)和邊界條件作了處理，并首次將波浪和風(fēng)因素納入河口鹽度數(shù)值模擬系統(tǒng)。并且，對(duì)常用的干濕判別動(dòng)邊界處理法進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)計(jì)算水域邊界鄰近網(wǎng)格邊長(zhǎng)的系數(shù)修正，更準(zhǔn)確地定義了計(jì)算區(qū)域，反映出了水域邊界移動(dòng)的

4、連續(xù)性。利用彎曲分汊河段--洲頭嘴的實(shí)測(cè)資料，進(jìn)行了三維水流計(jì)算和動(dòng)邊界處理的驗(yàn)證。 4．建立了理想河口徑流、潮流、溫度、波浪和風(fēng)綜合影響下的三維水流、鹽度數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)相同邊界、初始條件下，有浪和無(wú)浪、有風(fēng)和無(wú)風(fēng)情況下的河口鹽水入侵進(jìn)行模擬、對(duì)比分析，探討了波浪和風(fēng)對(duì)理想河口鹽水入侵的影響。 5．建立伶仃洋多因素綜合作用下三維水流、鹽度數(shù)學(xué)模型，利用大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了較全面的驗(yàn)證，并對(duì)伶仃洋的三維鹽度分布特征以

5、及波浪和風(fēng)對(duì)其鹽度輸移的影響進(jìn)行了研究。此外，探討了鹽度初始場(chǎng)與循環(huán)計(jì)算的問(wèn)題。 論文的創(chuàng)新性體現(xiàn)在以上2～5聽(tīng)述的內(nèi)容當(dāng)中，通過(guò)本文的研究，可以得到以下有價(jià)值的結(jié)論： 1．從本文中各個(gè)實(shí)例的計(jì)算結(jié)果可以看出，文中所建立的模型能正確反映出工程方案對(duì)鹽水入侵的影響及河口鹽度三維空間分布特征，采用一維、一、二維聯(lián)解及三維水流、鹽度數(shù)值模擬方法研究河口上游三角洲及河口區(qū)的鹽水入侵問(wèn)題是確實(shí)可行的。此外，動(dòng)邊界處理方法的改進(jìn)、以

6、及鹽度初始場(chǎng)與循環(huán)計(jì)算問(wèn)題的討論，對(duì)于提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度和效率也是非常有利的。 2．徑流和潮流是鹽水入侵的兩個(gè)主要影響因素。鹽水入侵距離和各個(gè)橫斷面含鹽度均隨著上游徑流量的增加而減小，近似于線性變化關(guān)系。鹽水入侵距離和各橫斷面含鹽度均隨著下游潮差的增加(漲潮量增大)而增加，其中鹽水入侵距離與潮差呈線性變化關(guān)系，而橫斷面含鹽度與潮差之間的變化近似于單調(diào)遞增的曲線關(guān)系。 3．理想河口和珠江河口伶仃洋的計(jì)算充分表明了波浪對(duì)河

7、口鹽度輸移的影響。在本文所加波浪場(chǎng)作用下，河口鹽水入侵前沿鋒向河口上移，鹽度等值線增加，總體而言，波浪越大時(shí)其對(duì)鹽度輸移的影響也越大，并且考慮波浪后表層鹽度的變化大于底層鹽度的變化。此外，也說(shuō)明了波浪對(duì)鹽度輸移有兩方面的影響：一是改變了水流流動(dòng)，間接影響鹽水入侵；二是直接地影響鹽度的紊動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程。 4．風(fēng)對(duì)河口區(qū)鹽水入侵也存在一定的影響。在與漲潮流同向的風(fēng)場(chǎng)作用下，受表面應(yīng)力作用，河口區(qū)整體(表層至底層)鹽度均有所增加，但由于實(shí)

8、際河口情況復(fù)雜、風(fēng)的存在同時(shí)會(huì)影響到深槽與淺灘的分流，因而，局部可能出現(xiàn)不一致的情況。較寬闊的外海區(qū)，其表層鹽度增加，底層由于垂向風(fēng)生環(huán)流的作用，也會(huì)出現(xiàn)鹽度減小的情況。 總之，從網(wǎng)河區(qū)一維、網(wǎng)河區(qū)和河口區(qū)一、二維聯(lián)解到河口三維水流、鹽度數(shù)學(xué)模型，從建模前期資料的整理到模型的求解、參數(shù)的確定及具體實(shí)例的計(jì)算、模型的驗(yàn)證，從徑流、潮差到波浪和風(fēng)各因素對(duì)河口鹽水入侵影響的分析，本文的工作涉及到河口鹽水入侵?jǐn)?shù)值模擬研究的諸多方面。本文