20548.渤海灣水交換及泥沙輸運特性的數(shù)值模擬研究

1、渤海灣水交換及泥沙渤海灣水交換及泥沙輸運輸運特性特性的數(shù)值模擬數(shù)值模擬研究研究NumericalStudyonacteristicsofWaterExchangeSedimentTransptinBohaiBay學科專業(yè)：流體力學研究生：王道生指導教師：袁德奎研究員天津大學機械工程學院二零一三年十二月中文摘要中文摘要頻繁的人類活動導致海岸帶生境退化和生態(tài)功能喪失的形勢日趨嚴峻。為了保護和改善海岸帶生態(tài)環(huán)境，有必要理解污染物在水體中的遷移

2、擴散規(guī)律和水體的自凈能力。而深入研究泥沙的運動特性對于理解污染物的遷移擴散也是至關重要的，因為泥沙（尤其是細顆粒泥沙）是海洋環(huán)境中眾多污染物的載體。本文首先建立水深積分的二維潮流模型，用解析解、實驗數(shù)據(jù)和渤海的實測數(shù)據(jù)校準和檢驗了模型。檢驗結果表明本文建立的潮流模型可以得出可靠的渤海灣的流場。其次，建立了拉格朗日粒子跟蹤模型，模擬了渤海灣水質點的運動。根據(jù)數(shù)值模擬結果，以水交換時間尺度作為指標評價了渤海灣整體和局部的水交換特性，并結合余

3、流場的特性分析了水交換特性的內在機理。結果表明：渤海灣整體的更新時間在2.41~2.54年左右，水交換能力較弱；水交換能力和當?shù)氐挠嗔鲌鎏匦杂忻黠@的相關性。此外，研究還表明：在將返回系數(shù)應用于水交換能力較弱的大型海灣時，存在著一對多的情況，不能單獨通過返回系數(shù)來評價各處水體對整個區(qū)域水交換的貢獻，需結合駐留時間和曝光時間進行分析。然后，基于SWAN模型建立了渤海的波浪模型并進行了校準和驗證。以渤海的實測風場數(shù)據(jù)為基準對ECMWF風場數(shù)據(jù)

4、進行了檢驗和修正，結果表明修正后的ECMWF風場在渤海區(qū)域基本可用。進一步，針對本文的研究區(qū)域，對波浪模型中的風成長系數(shù)和底摩阻系數(shù)進行了校準。結果表明：用修正后的ECMWF風場驅動校準后的SWAN波浪模型，無論是在不同水深區(qū)域亦或是不同時間尺度及時間范圍上，模擬結果都與實測數(shù)據(jù)符合較好。最后，建立了波、流共同作用下的渤海灣懸沙輸運模型。實測數(shù)據(jù)的檢驗表明模型可以獲得比較滿意的結果。進一步，用該模型模擬和分析了渤海灣懸沙輸運的季節(jié)性變化

5、特性。結果表明：冬季渤海灣的泥沙含量整體較夏季大，其原因在于冬季多大風天氣，風浪作用對于泥沙的再懸浮作用較大，冬季與夏季相比底部切應力整體較大；冬季大風過境時，波高較平常顯著增大，泥沙含量增大的水平不如波高明顯，且大風過后波高迅速恢復到大風來臨之前的水平，而泥沙含量基本維持在大風過境時的水平；從作用范圍來看，相對于潮流，波浪僅在近岸區(qū)域對泥沙輸運有顯著影響。關鍵詞：關鍵詞：SWAN波浪模型，波流耦合，ECMWF再分析風場，渤海灣，水交換