（自然地理学专业论文）波流共同作用下长江口二维悬沙数值模拟.pdf

摘要 摘要 本文建立了一个用于波一流共同作用下长江口平面二维悬沙计算的数值模 型系统，主要由四部分组成，即考虑风、浪、潮、径流的二维复合流场模型、s w a n 海浪模型、波一流相互作用的底边界层模型以及二维悬沙输运模型。采用三个不 同大小的区域进行嵌套计算，三个计算区域分别为东中国海区域、长江口杭州湾 区域和长江口区域。 模型系统采用广义曲线坐标系下的形式，使用高精度的自适应网格拟合复杂 岸晁。复合流场学模型中考虑了波浪辐射应力的作用，底摩擦由波一流相互作用 边界层模型提供。为了较高精度的模拟天文潮，在开边界加上了七个主要分潮。 台风天气下，在东中国海区域计算由风产生的水位变化，插值到长江口杭州湾区 域的外海开边界上作为余水位，这样就同时考虑了局地风和非局地风的影响。 悬沙输运模型利用切应力方法来确定对流扩散方程中的泥沙源函数，其中的 临界起动速度利用经典的泥沙起动流速公式前面增加一个局地系数得到，这个系 数能反映河床底质结构及固结程度，通过系列数值试验和实测资料的统计分析确 定。计算中的底部剪切应力由波流边界层模型给出波一流共同作用下的形式。泥 沙颗粒絮凝沉降速度考虑了流速、盐度、含沙浓度的影响。 将模型系统应用到长江口区域，经过了大量的实测资料的验证。其中复合流 场模型中的天文潮利用众多测站的实测调和常数进行验证；波浪模型首先进行了 水槽实验的检验，然后在台风过程中，进行了测站有效波高过程线的比较。复合 流场模型的水位过程、流速过程，以及悬沙模型的含沙量过程则经过了洪、枯季 及大、中、小潮的多个站点的实测过程验证。分析流场、波浪场以及正常和台风 天气下的悬沙场的计算结果，表明该模型系统能合理地反映长江河口区域的水动 力场和泥沙场的分布。 关键词：长江口波一流共同作用悬沙数值模拟 h 英文撼要 a b s t r a c t i no r d e rt oc a l c u l a t ed e p t h a v e r a g e dt w o d i m e n s i o n a l ( 2 - 秘s u s p e n d e ds e d i m e n t t r a n s p o r tu n d e rw a v e s a n dc u r r e n t si nt h ey a n g t z ee s t u a r y , an u m e r i c a lm o d e ls y s t e m i sd e v e l o p e d f o u rm o d e l s ，a2 - d c o m p o u n d f l u i dm o d e l i n c l u d i n gw i n d ，w a v e s ，t i d e s a n dr i v e rr l j 3 1 0 i f , as w a nw a v em o d e l ，aw a v e c u r r e n tb o t t o mb o u n d a r y l a y e rm o d e l a n da2 - ds u s p e n d e ds e d i m e n t t r a n s p o r t m o d e la r e i n t e g r a t e d 。t h r e ed i f f e r e n t c a l c u l a t i n gr e g i o n s ，e a s tc h i n as e ar e g i o n ，y a n g t z ee s t u a r ya n dh a n g z h o ub a y r e g i o n a n dy a n g t z ee s t u a r y r e g i o n ，a r ed e f i n e d f o rn e s t i n g c o m p u t a t i o n 。 t h em o d e l s y s t e m i si nt h e g e n e r a l i z e d c u r v i l i n e a r c o o r d i n a t e s u s i n gh i g h p r e c i s i o ns e l f - a d a p t i v eg r i d st o f i tt h ec o m p l i c a t e dt o p o g r a p h i e sa n dc o a s t a ls h a p e s ； t h ee f f e c to fw a v er a d i a t i o ns t r e s si sc o n s i d e r e di nt h ec o m p o u n df l u i dm o d e l t h e v a l u eo fb o t t o mf r i c t i o ni so f f e r e db yt h ew a v e c l l m e 嫩b o t t o mb o u n d a r yl a y e rm o d e l s e v e nm a i nc o n s t i t u e n t sa r ea d d e dt ot h eo p e nb o u n d a r i e sf o rp e r f e c t l ys i m u l a t i n g a s t r o n o m i c a lt i d e s u n d e rt h et y p h o o nw e a t h e r , r e s i d u a le l e v a t i o n s a tt h e o p e n b o u n d a r i e so ft h ey a n g t z ee s t u a r ya n dh a n g z h o ub a yr e g i o nc a nb eo b t a i n e db y i n t e r p o l a t i n gf r o mt h ee l e v a t i o nv a r i e t i e s i n d u c e db yw i n di nt h ee a s tc h i n as e a r e g i o n i nt h i sw a y , t h e l o c a lw i n da n dt h en o n l o c a l 、i n dc a nb et a k e ni n t oa c c o u n t s i m u l t a n e o u s l y i nt h es u s p e n d e ds e d i m e n tt r a n s p o r tm o d e l ，t h em e t h o do fs h e a rs t r e s si sa d o p t e d t od e t e r m i n et h es o u r c ef u n c t i o ni nt h es u s p e n d e ds e d i m e n td i f f u s i o ne q u a t i o n t h r o u g h as e r i e sn u m e r i c a le x p e r i m e n t sa n ds t a t i s t i c a la n a l y s e so f o b s e r v e df i e l dd a t a ， al o c a lt o e 掇c i e n t ，w h i c hc a nr e f l e c tt h eb o s o mm a t e r i a la n dc o n s o l i d a t i o n ，i s i n t r o d u c e di n t ot h ec l a s s i cc r i t i c a le r o s i o nv e l o c i t yo ft h es e d i m e n t i nc a l c u l a t i o n ，t h e b o t t o ms h e a rs t r e s su n d e rt h ee f f e c to fw a v e sa n dc u r r e n t si s s u p p l i e db yt h e w a v e c u r r e n tb o t t o mb o u n d a r yl a y e rm o d e l t h ef l o cs e t t l i n gv e l o c i t yo fs e d i m e n t p a r t i c l e si st a k e na st h ef u n c t i o no f c u r r e n tv e l o e i t y , s a l i n i t ya n ds u s p e n d e ds e d i m e n t c o n c e n t r a t i o n t h em o d e ls y s t e mi sv e r i f i e d b yl o t s o fo b s e r v e dd a t aw h e na p p l i e dt ot h e y a n g t z ee s t u a r y o b s e r v e dt i d a l h a r m o n i cc o n s t a n t si nm a n ys t a t i o n sf i r eu s e dt o v e r i f yt h ea s t r o n o m i c a lt i d e si nt h ec o m p o u n d f l u i dm o d e l t h ew a v em o d e li st e s t e d 英文摘要 b yas e to fw a v ef l u m ed a t aa t f i r s t t h e nt h er e s u l t sa r ec o m p a r e db yt h ea c t u a l p r o c e s s e so fs i g n i f i c a n tw a v eh e i g h ti ng a u g i n gs t a t i o n s t h ep r o c e s s e so fs u r f a c e e l e v a t i o n ，c u r r e n tv e l o c i t yi n t h ec o m p o u n df l u i dm o d e la n ds u s p e n d e ds e d i m e n t c o n c e n t r a t i o ni nt h es u s p e n d e ds e d i m e n tt r a n s p o r tm o d e la r ev e r i f i e db yo b s e r v e dd a t a o fm a n ys t a t i o n si nf l o o d d r ys e a s o na n di ns p r i n g m i d d l e n e a pt i d e t h ea n a l y s e so f t h ec a l c u l a t e dc u r r e n tf i e l d s ，w a v ef i e l d sa n ds u s p e n d e ds e d i m e n td i s t r i b u t i o n su n d e r n o r m a lo r t y p h o o nw e a t h e rs h o wt h a t t h em o d e l s y s t e mc a np r e f e r a b l y r e t i e s h y d r o d y n a m i c f i e l d sa n ds e d i m e n td i s t r i b u t i o n si nt h ey a n g t z e e s t u a r y k e yw o r d s ：y a n g t z ee s t u a r y w a v e c u r r e n ti n t e r a c t i o n s u s p e n d e ds e d i m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 作了明确说明并表示谢意 作者签名：兰! i 至墼日期：! ：主：兰：! ? 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国索主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版保密的学位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名：确1 霞扶导师签名人_ 丁纤织 日期：2 ，声一拳一岁。日期：加f ，t , g ，? 口 符号索gx v i i 符号索弓 d d ( o ) d d j o d ，5 0 口。， e e m e m t e 。 f 。 f 。， 只 波浪风能输入的一组系数 近底波浪轨道的振幅 波振幅 泥沙近底参考高度 深度平均悬沙浓度 谢才系数 水流挟沙能力 参考高度上的悬沙浓度 泥沙的平衡参考浓度 底应力拖曳系数 波浪底摩擦系数 海水对风的拖曳系数 切应力增长系数 台风模型中的两个订正系数 波浪在g ，少) 空间的传播速度 波浪在以，p ) 空间的传播速度 波浪在p ，臼) 空间的传播速度 泥沙粒径 一个限制的正则方向分布函数 无量纲粒径参数 泥沙底质中值粒径 悬沙中值粒径 由于波浪破碎产生的能量耗散占总波能的比例 波浪能谱密度 t m a 谱 总的波能 波能 泥沙淤积率 泥沙冲刷率 泥沙源函数 科氏力参数 功 。 a a 叫a 以口c d g q巳巴qk k 符号索； x | x s , e ，6 s 女打 。 s 。n t s 。，s ，s ， r 为 咒 一 ， c 厂 u l p ，矿) 移砧，) 0 ，v ) 群 “删 暂” u ， 波浪边界层厚度 泥沙起动系数 m a n n i n g 糙率系数 分潮个数 波作用量 波滚辐射应力中的一个参数 气压 台菇串心气毯 台风外围气压 特征等压线豹气压蓬 水利半径 袁援台风系绕特短弱参数 计算点至台风中心的蹶离 波能密度豹源遗数项 盐度 波能的底摩擦糍散 波能的深度诱导破碎 波姥麴白渡麓鼓 风输入的波能密度 s 。) 辐羹孛瘫力分蟹 输运状态参数 波渡的峰氆髑期 波浪的平均周期 深度平均流速 4 9 0 h u 近底袋天波浪软遂速魔 流速逆变张量的分量 风速菠矢量秘努量 笛卡尔坐标系下的深度平均流速分量 漉瘁避流速 波一流共同作用下的麾阻流速 渡漾簿疆流速 底部剪切流速 在参考寒度上瓣渡速 0材吩p磊心最詹焉，s& x v t l i簿号索； 毒 k 三阮 ， r 各分潮的权重 波浪摩擦系数 水流紊动强度 重力加速度 蚓 癸濑静篱缝迟惫 协变度量张量 总柬深 分潮的岗地振幅 毒效波藏 有效波商初值 平坶渡糍 平均海平面以下的水深 渡演承镤孛浅滚叛乡 拳深 is + 兔。l 。+ 九，l 口 度耋瓣接整蓓毙渗蛙静泛溺 度量网格正交性的泛函 度量淼粳体积懿泛丞 坐标交换的j a c o b i 值 能竣 波数 乎均波数 与流有关的泥沙豢动扩散系数 深度平均承乎紊渤系数 泥沙紊幼扩散系数( 混合系数) 淀涉夔夔囱紊动扩教系数 与波浪有关的泥沙紊动扩散系数 透藏波淡素动扩毅系数 上半部水深的波浪紊动扩散系数 紊动裁魏 n i k u r a d s e 糙率 特摄等鹾线趣哭经 紊动混合长度 m c l l o r - y a r a a d a 紊劫模型孛的一个参数 f ， m 刍 “ z五g客乐岛蟊甄风瓯o，l，矗k耍坼黾曩致瓦k k 符号索； x x l y 。 ( f ，f ) 攒 a 向c 魄，五) 拶 以 p 4 盯 敛 盯” h k ，j + $ k ，) e 气 q 脚 鼬， 蛾 啦 彩。 留，r ) t m a 谱中的宽度因子 波浪数值解法中的一组系数 v o nk d r m s n 常数 泥沙临界起动流速公式中的局蛾系数 经度 网格生成中的掰个正的系数 运动学粘滞系数 渡囱 平均波向 农懿密度 空气的密度 波滚糖对频率 波浪平均频率 一个决定方向分布宽度的参数 垂向s c h m i d t 数或p r a n d t l s c h m i d t 数 一个与波陡礴关的系数 物理平面中的侧边界 像平丽中的侧边界 表面风应力分璧 底部剪切应力 底摩擦分量 临界淤积剪切应力 临界起动剪切应力 波演s | 起躲底摩擦痤力 地球自转角速度 波浪始频率 泥沙絮凝沉遮 水深归一化届的角频率 分潮角频率 悬沙沉降速度 变换厝像平面中的坐标 水位 耱号索g 阢 呻“， q 。y ， 0 s h 础 辨o ) 彳) 芦。，y 。) 鼠) 疵) 厄) 临界起动流速 临界淤积流速 速度矢量 4 9 0 孵 各分潮的天文迟角 台风中心的遽殿分量 风速度矢量 梯度风 由台风移行而产生豹风 控箭瞒格疏密的函数 风应力参数 笛卡尔坐标系的三个分爨 底部糙宰 波浪水槽中的浅滩水深 泥沙沉降概率 坐标交换中的一维变量 挟沙能力公式中的一组系数 水流挟沙能力方法中一系数 t m a 谱中的一个线性常数 决定与流有关的泥沙扩散系数和流素动粘滞系数关系的两个因子 梯度风尚海面风的夹角 像平面中的一套单位矢爨 波一流边界层厚度 近底混沙混合屡的厚度 紊动动能的耗散率 流的紊幼粘滞系数 垂向紊动粘滞系数 表征漏沙粒径德的一个参数 波流之间的夹角 计算点与台风审心连线与正东的嶷角 纬度 农的容燕 泥沙容整 勤矿矿纸以旷戮 口k魄&瓯疋占毛丸妨9，以 菱奎燕呈耋! | 鹜! ! ! w e i g h to f e a c h c o n s t i t u e n t w a v ef r i c t i o nc o e 衔c i e n t f l u i dt u r b u l e n c ei m 鞠s i t y g r a v i t ya c c e l e r a t i o n l o c a ll a gp h a s eo f c o n s t i t o e a t c o v a r i t o r t m e t r i c t e n s o r t o t a lw a t e rd e p t h l o c a la m p l i t u d eo f c o n s t i t u e n t s i g n i f i c a n tw a v eh e i g h t i n i t i a lv a l u eo f s i g n i f i c a n tw a v eh e i g h t a v e r a g e w a v e h e i g h t d e p t h f r o ma n d i s t u r b e d 燃l e v e lt os e a - f l o o r w a t e rd e p t ha w a yf r o mt h es h o a li nt h ew a v ef l u m e js 七氛l ；斗兔0 ， v a r i a t i o nd e t e r m i n i n gt h eo r t h o g n n a l i t yo f t h e m a p p i n g v a r i a t i o nd e t e r m i n i n gt h e g l o b a ls m o o t h n e s s o f t h e m a p p i n g w e i g h t e d v o l u m ev a r i a t i o nf o rm e s h e s j a c o b i a nv a l u eo f e o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n e n e r g ys l o p e w a v en u m b e r m e a n 忸v en m b e t c u r r e n t - r e l a t e dt u r b u l e n td i f f u s i o nc o e f f i c i e n tf o rs e d i m e n t d e p t h - a v e r a g e dh o r i z o n t a lt u r b u l e n td i f f u s i o nc o e f f i c i e n t s e d i m e n tt u r b u l e n td i f f u s i o n c o e f f i c i e n t ( m i x i n gc o e f f i c i e n t ) v e r | i c a lt u r b u l e n td i f f u s i o nc o e f f i c l e n tf o rs e d i m e n t w a v e - r e l a t e dt u r b u l e n td i f f u s i o nt o e 壤c i e n tf o rs e d i m e n t w 射e r e l a t e d t u r b u l e n t d i f f u s i o n e o e 爨c l e a t n e a r t h e b e d w a v e - r e a t e d t u r b u l e n t d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t i n t h e u p p e r h a l f o f t h e d e p t h t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y n i k u r a d s er o u g h n e s s t u r b u l e n t l e n g t hs c a l e a p a r a m e t e ri nm e l t o r - y a m a d a t u r b u l e n c em o d e l t h i c k n e s so f w a v e b o u n d a r yl a y e r z兀g苫热嚣&热壕圾风螽，tl五露墨壤墨戤k膏如；r o 茎圣! 茎皇笪兰墨! ! n o m 咂n c l a r u r e 0 ，b ) a d d ( c 0 ( c c c ：) 巳) c ，) ) as e to f c o e f f i c i e n t sf o rw i n di n p u to f w a v ee n e r g y n e a r 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