長峙島填海工程對海洋水動力場的影響【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　長峙島填海工程對海洋水動力場的影響</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 海洋

2、技術(shù) </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　目錄</b>&

3、lt;/p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1.引言1</b></p><p>　　1.1 數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展1</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究動態(tài)2</p><p>

4、;　　1.3 海洋水動力數(shù)值模擬的發(fā)展3</p><p>　　2．工程海域的概況4</p><p>　　3.數(shù)值模式與網(wǎng)格設(shè)置5</p><p>　　3.1 ECOMSED模式介紹5</p><p>　　3.2模式初始及邊界條件16</p><p>　　3.3網(wǎng)格設(shè)置16</p><p&

5、gt;　　4.結(jié)果與分析18</p><p>　　4.1模擬結(jié)果驗(yàn)證18</p><p>　　4.1.1潮位驗(yàn)證18</p><p>　　4.1.2潮流驗(yàn)證18</p><p>　　4.2潮流場分析20</p><p>　　4.3加固工程后結(jié)果分析23</p><p>　　4.4沖淤

6、變化預(yù)測23</p><p><b>　　5.結(jié)論27</b></p><p><b>　　6.參考文獻(xiàn)26</b></p><p><b>　　8.致謝28</b></p><p>　　長峙島填海工程對海洋水動力場得影響</p><p><

7、;b>　　陳瑞志</b></p><p>　?。êＱ罂茖W(xué)學(xué)院 海洋科學(xué)學(xué)院 浙江 舟山 316004）</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文根據(jù)時代發(fā)展、社會的進(jìn)步、海洋環(huán)境保護(hù)等等的需要，研究的是長峙島填海工程對海洋水動力環(huán)境的影響，努力做到邊發(fā)展邊保護(hù)，實(shí)現(xiàn)可繼續(xù)發(fā)展，首先介紹了其研究方法，并

8、介紹其研究方法和研究意義，數(shù)值模擬的國內(nèi)外研究動態(tài)，</p><p>　　本文主要采用海洋數(shù)值模式(ECOMSED)對長峙島填海工程前后的水動力場變化進(jìn)行模擬,并做出預(yù)測。其模型模擬結(jié)果與實(shí)測基本吻合。本文還介紹了數(shù)值模擬理論的發(fā)展歷程，和本領(lǐng)域研究的主要方法，目前三維模式(ECOMSED)是研究潮流變化的重要模式，本文通過詳細(xì)的敘述，介紹了這種模式的設(shè)置，對潮位、潮流進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)測量得到的圖譜對工程前后的水動

9、力變化進(jìn)行對比，詳細(xì)介紹了沖淤變化，并對其作出預(yù)測。通過對三維模型的模擬，對實(shí)際案例工程的模擬研究作出了總結(jié)。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】 水動力場；數(shù)值模擬；潮流；填海工程</p><p>　　Zhou Shan Changzhi reclamation projects on the impact of ocean currents</p><p>　　C

10、hen rui zhi</p><p>　　(ocean science academy & major on marine technology,zhoushan,Zhejiang,316000)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This text on the basis needs of

11、the develop of age and the progress of social and the protection of marine environment,studying the impact of reclamation projects of changzhi island on the ocean currents. First,it is introduce the research method and t

12、he meanings of study and the study case at home and abroad.</p><p>　　Mainly using the marine simulation model (ECOMSED) to imitate Changzhi island reclamation projects before and after in tidal flow and we m

13、ake it predicted. This article also describes the development process of numerical imitate theory, and research in this field the main method, at present three-dimensional mode (ECOMSED) is an important pattern of change

14、 in the trend, this paper described in detail, describes the settings in this mode. Testing and verify the sea level and the tide,contrasting </p><p>　　[Keywords] water power；three-dimensional；tide；reclamati

15、onworks</p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　本文闡述的是研究舟山長峙島填海工程對海洋水動力場的影響，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海洋的作用越來越大，真正的海洋時代已經(jīng)來臨，我們都能看到，各個沿海城市都在實(shí)行填海工程，舟山長峙島也不例外，但我們都知道，由于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展給海洋環(huán)境帶來了嚴(yán)重影響，海水污染等情況越來越嚴(yán)重，故而各國各地都越來越重

16、視海洋環(huán)境，發(fā)展的同時要保護(hù)好海洋環(huán)境，現(xiàn)在的填海工程就是其中之一。</p><p>　　長峙島位于舟山臨城較近的西南處，與舟山臨城新區(qū)隔海相望，是臨城新區(qū)的一部分。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，舟山群島越來越受到國家的關(guān)注，如今數(shù)條跨海大橋已經(jīng)建成，長峙島也正在大力開發(fā)中。隨著海洋科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，針對各種海域水動力條件的研究方法已得到廣泛使用，數(shù)值模擬就是其中之一，根據(jù)長峙島及其周邊海域狀況及參考其他地方的研究情況，用數(shù)值模

17、擬方法研究長峙島填海工程對水動力的影響切實(shí)可行。研究填海工程對海洋水動力場的影響，對海洋環(huán)境的保護(hù)，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重大意義。</p><p>　　本文研究長峙島填海工程對海洋水動力環(huán)境的影響，主要采用的方法是數(shù)值模擬，同時，也介紹了數(shù)值模擬的發(fā)展歷程以及國內(nèi)外研究狀況，為了研究舟山長峙島填海工程對海洋水動力場的影響，本文對數(shù)值模擬的發(fā)展及其國內(nèi)外數(shù)值模擬的研究歷史與成果作了詳細(xì)介紹，同時也介紹了海洋水動力數(shù)值模擬

18、的發(fā)展?fàn)顩r、長峙島周邊海域狀況、數(shù)值模擬研究方法的模式及其設(shè)置，最后是對測量結(jié)果的驗(yàn)證與分析，得出研究結(jié)果，對舟山長峙島填海工程對海洋水動力環(huán)境影響作出總結(jié)。</p><p>　　1.1 數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　數(shù)值模擬技術(shù)誕生于1953年.Bruce,G.H和Peaceman ,D.W模擬了一唯氣相不穩(wěn)定徑向和線形流。受當(dāng)時計(jì)算機(jī)能力及解法限制,數(shù)值模擬技術(shù)只是初步應(yīng)用于

19、解一維一相問題.兩相流動模擬誕生于1954年，West,W,J和Garvin,W.W模擬了油藏不穩(wěn)定兩相流。1955年P(guān)eaceman與Rachford研發(fā)的交替隱式解法(ADI)是數(shù)值模擬技術(shù)的重大突破. 1958年Douglas,Jim和Blair,P.M第一次進(jìn)行了考慮毛管壓力效果的水驅(qū)模擬。1959年Douglas,Jim和Peaceman,D.W第一次進(jìn)行了兩唯兩相模擬，這標(biāo)志著現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)的開始。60年代數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)

20、展主要在數(shù)值解法，第一個有效的數(shù)值模擬解法器是1968年Stone推出的SIP(Strong Implicit Procedure).該解法可以很好地用來模擬非均質(zhì)油藏和形狀不規(guī)則油藏。另一個突破是時間隱式法，該方法可以用來有效的解高流速問題，比如錐進(jìn)問題。60年代其他方面的發(fā)展還有1967年Coats,K.H和Nielsen,R.L首次進(jìn)行了三維兩相模擬，而且提出了垂直平衡和擬相對滲透率及毛</p><p>　

21、　1.2國內(nèi)外研究動態(tài)</p><p>　　海岸水動力數(shù)值模擬始于60年代, 在國內(nèi)始于70年代, 并于70年代末以后有大量研究成果問世[20]。水動力模型一般分為二維和三維，但由于二維模型受限于垂向結(jié)構(gòu)的省略，三維模型得到發(fā)展，三維模型不僅能反映真實(shí)的水流運(yùn)動，而且計(jì)算結(jié)果本身含有二維模型的結(jié)果，因此，三維模型在以后的應(yīng)用中必然得到廣泛的使用。 </p><p>　　國內(nèi)的三維模擬在東中

22、國海域的研究也持續(xù)有所發(fā)展，有孫文心等(2001)利用流速分解方法建立的三維空間非線性潮流數(shù)值模型[5];沈育疆等(1984對整個東中國海潮流數(shù)值模擬;奚盤根等(1984)建立的非線性三維潮波邊值問題模型[9];孫英蘭等(1990)建立的渤海三維斜壓模型[15];石磊等(1995)用分步雜交方法建立的三維淺海流體動力學(xué)模型，采用6坐標(biāo)，時間上采用分步方法，模型采用三角形網(wǎng)格，模型具有較好的靈活性;白玉川(1998)用分層擬三維水流數(shù)學(xué)模

23、型對廣西廉州灣潮流進(jìn)行了模擬[1];方國洪(1998)的斜壓海洋動力學(xué)三維數(shù)值模式采用內(nèi)外模式分離，外模態(tài)采用ADI方法，內(nèi)模態(tài)采用半隱半顯格式，可用于潮潮汐、潮流和風(fēng)暴潮的模擬[3]。近岸海域和漫灘過程的潮流數(shù)值模擬近年來也取得了滿意的結(jié)果。張燕等采用三維變邊界的ECOM 模型對寧波- 舟山海域的潮流進(jìn)行了數(shù)值模擬[23]。</p><p>　　國外的三維模型應(yīng)用開始于1970年代末，基于簡化過的三維淺水方程L

24、endertse(1973)的工作具有開創(chuàng)性，他在垂直方向采用固定分層方法建立了海灣三維潮流、鹽度模型;為更好模擬底地形的變化Philips提出的坐標(biāo)變化方法被應(yīng)用到三維模型中;為了較嚴(yán)格地確定渦動粘性系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，湍流模式理論在潮流模型中得到了應(yīng)用。在princeton大學(xué)以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)值模擬的開發(fā)和研究；德國漢堡大學(xué)海洋研究所Backhaus(1983)和他的同事

25、發(fā)展的漢堡陸架海模式-HAMSOM(Hanburg Shelf Ocean Model)在全世界許多陸架海上夜得到廣泛使用；Sheng(1987)建立了一般曲線坐標(biāo)下的三維水動力模型（CH3D）；Wang(1994)將三維誰動力學(xué)模型的控制方程用普遍張量得形式，并復(fù)演了美國海灣的三維流動和鹽度分布。</p><p>　　與其他發(fā)達(dá)國家相比，國外具有較早的模擬軟件的開發(fā)研究，已開發(fā)成商業(yè)軟件，得到廣泛的應(yīng)用，而國內(nèi)

26、模擬軟件的研究比國外遲，還局限于在水流、水質(zhì)、風(fēng)暴潮等領(lǐng)域的研究，在泥沙研究方面還沒有相關(guān)的模擬軟件。POM和ECOM模式是國內(nèi)應(yīng)用較多的模型。</p><p>　　1.3 海洋水動力數(shù)值模擬的發(fā)展</p><p>　　水動力數(shù)值模擬是海岸工程、水運(yùn)工程和環(huán)境工程中重要的模擬方法，它隨著近代電子計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展而發(fā)展.</p><p>　　根據(jù)電子計(jì)算機(jī)在

27、水動力學(xué)科中的應(yīng)用情況，水動力數(shù)值模擬經(jīng)歷了三個發(fā)展階段:第一為數(shù)值計(jì)算階段.本階段的特點(diǎn)是利用電子計(jì)算機(jī)對水力學(xué)公式或方程直接求解，解決了工程技術(shù)人員用簡單計(jì)算工具難以完成的工作.由于操作簡單，方法實(shí)用，受到了工程技術(shù)人員的歡迎，但它的計(jì)算能力有很大的局限性.</p><p>　　第二為水動力數(shù)值模擬低級階段(單因素模擬).其特點(diǎn)為采用離散方法將整個計(jì)算水域劃分為若干單元，然后利用各種數(shù)值分析方法(例如有限差分

28、法、有限元法、邊界元法等)在單元節(jié)點(diǎn)上求解描述水力學(xué)現(xiàn)象的微分方程.在這階段中，要研究各種離散方法數(shù)值格式的構(gòu)成和求解方法;它與原微分方程的相容性;計(jì)算過程的穩(wěn)定性和收斂性等問題，形成了一門嶄新的學(xué)科—計(jì)算水力學(xué).由于上述問題的復(fù)雜性，使得水動力數(shù)值模擬不易為工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者所掌握，這種水動力數(shù)值模擬通常是針對某一水力現(xiàn)象而開發(fā)的專用數(shù)學(xué)模型，其特點(diǎn)是專用化和一次性使用.第三階段為水動力數(shù)值模擬高級階段(多因素的過程模擬).本階

29、段以實(shí)用化、系統(tǒng)化為標(biāo)志，使多動力因素影響下的復(fù)雜水力現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)過程模擬〔，一’〕，并進(jìn)一步引入人工智能和專家系統(tǒng)，達(dá)到水動力數(shù)值模擬的自動化.在這個階段，還采用水動力數(shù)值模擬與水力模型有機(jī)地結(jié)合的復(fù)合模型，大大地開拓了模型的應(yīng)用范圍.另外，模擬過程和模擬結(jié)果的彩色仿真顯示，也是本階段水動力數(shù)值模擬的重大進(jìn)展.根據(jù)第三階段水動力數(shù)值模擬的特點(diǎn)和目前國內(nèi)外研究情況，結(jié)合筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為，在今后的研究中，以下三個方面的發(fā)展</p

30、><p><b>　　2．工程海域的概況</b></p><p>　　長崎島的地理位置在距離舟山臨城較近的西南處，是臨城新區(qū)的一部分，該島南為國家石油儲備基地——岙山島，東為沈家門，西為定海、盤峙島兩大旅游重點(diǎn)開發(fā)區(qū)，正好位于市區(qū)、旅游區(qū)、國家石油基地三大主要功能區(qū)之間，對三者均有較好的服務(wù)輻射半徑。長峙島地勢平坦，有利于成片開發(fā)，形成規(guī)模效應(yīng)。長峙島的填海工程，其南部沿

31、海海域受張水動力影響較大，其水流流經(jīng)長崎島與其南面岱山的狹長水域，水流從東南方向流入此水流通道，水流轉(zhuǎn)而向西流動，因此研究此加固工程對潮流影響很重要，水流流進(jìn)此地受地形影響所帶來的流速與潮位的變化，是引起海岸泥沙淤積和沖刷首要影響因素，也會對海況造成一定影響，根據(jù)其地理位置狀況，適合采用數(shù)值模擬測量。</p><p>　　3.數(shù)值模式與網(wǎng)格設(shè)置</p><p>　　3.1 ECOMSED模

32、式介紹</p><p>　　ECOMSED模式是由Blumberg[2]等人在美國普林斯頓大學(xué)的三維海洋模式POM(Princeton 0cean Model)及其后來發(fā)展的河口、陸架和海洋模式ECOM(Estuarine Coastal and Ocean Model)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的(Blumberg和Mellor，1987)，是一個成熟的集海浪和沉積輸運(yùn)為一體的淺海三維水動力學(xué)模式，其中三維變量包括水動力

33、速度分量、溫度、鹽度、密度、懸浮泥沙濃度以及代表湍流的兩個特征量:湍動能和湍宏觀尺度作為預(yù)報變量（Mellor和Yamada，1974，1982；Galperin等,1988）。ECOMSED模式采用基于靜力和Boussinesg近似下的海洋原始方程，水平采用正交曲線網(wǎng)格，垂向用σ坐標(biāo)，變量空間配置采用Arakawa C格式，自由海表面，二階半湍流閉合模型求解垂向湍流粘滯和擴(kuò)散系數(shù)；水平湍流粘滯和擴(kuò)散系數(shù)基于Smagorinsky參數(shù)化

34、方法（Smagorinsky，1963）。完整ECOMSED模式包括6大部分:水動力、粘性/非粘性泥沙輸運(yùn)、示蹤、水質(zhì)、床沙運(yùn)動、風(fēng)浪。所有的模塊都采用相同的計(jì)算網(wǎng)格和計(jì)算</p><p><b>　　潮波運(yùn)動方程</b></p><p><b>　　連續(xù)方程：</b></p><p><b>　　(4-1)&l

35、t;/b></p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　動量方程：</b></p><p><b>　　湍動能運(yùn)輸方程</b></p><p><b>　　泥沙輸運(yùn)方程</b></p><p>　　

36、以上方程中，η為水位、H為靜止水深；t為時間；、、w分別為、和σ向上的速度分量；為湍動能；l為湍渦尺度；為粒級為k的懸浮泥沙濃度（k分別為1和2，分別代表粘性泥沙和非粘性泥沙）；、、、分別是垂向和水平的湍粘性系數(shù)和湍擴(kuò)散系數(shù)； 為泥沙顆粒沉降速度。</p><p>　　三維泥沙輸運(yùn)控制方程的邊界條件</p><p>　　不考慮海表面大氣沉降的顆粒物質(zhì)，海底把泥沙沉降和再懸浮分別視為水體泥沙

37、擴(kuò)散的匯和源，即：</p><p>　　上邊界： （4-9a）</p><p>　　底邊界： （4-9b）</p><p>　　上二式中：為粒級為k的懸浮泥沙濃度，E、D為別為泥沙從海底再懸浮和往海底沉積的通量。</p><p><b>　　海底剪切力定義為：</b>&

38、lt;/p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　式中：τ為剪切力，ρ為懸沙密度，為摩阻流速，根據(jù)Prandt1-von karman</p><p>　　的對數(shù)速度剖面定義，有:</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中

39、：k為von Karman常數(shù)（≈0.4）；u為近底層流速，z為最底層中心點(diǎn)深度，為海底粗糙度。</p><p>　　粘性泥沙的再懸浮通量</p><p>　　采用Gailani等（1991）公式，即：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　式中：ε為再懸浮通量（），為常數(shù)，與海底性質(zhì)有關(guān)

40、；為沉積后時間（days）；</p><p>　　為底床剪切力；為底床臨界侵蝕剪切力；m 、n為常數(shù)，與沉積環(huán)境有關(guān)。</p><p><b>　　粘性泥沙再懸浮速度</b></p><p>　　定義為：單位時間段內(nèi)（一般為1小時），所有可以懸浮的泥沙，</p><p><b>　?。?-13）</b&g

41、t;</p><p>　　式中： ，E為輸運(yùn)方程中的再懸浮速率，為底床中粘性/非粘性泥沙的百分含量。</p><p><b>　　粘性泥沙沉積通量</b></p><p>　　是根據(jù)近底泥沙沉積通量和底床的絮狀物沉降概率來確定的，其計(jì)算方法采用Krone（1962）公式：</p><p><b>　　（4-14

42、）</b></p><p>　　式中：為沉積通量，為粘性泥沙絮狀物沉降速率，為海底水沙界面附近粘性泥沙濃度，為泥沙絮狀物沉降概率。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)測量（Burban等，1990），結(jié)果表明粘性絮狀物的沉降速率依賴于絮狀物形成位置的泥沙濃度和水體剪切力的乘積，即：</p><p><b>　　(4-15)</b></p><p>　　式

43、中：、單位分別為和；α、β為常數(shù)，Burban等(1990)分析顯示，對海水懸浮而言，α、β取值分別為2.42和0.22；G為水柱內(nèi)剪切力，可用以下公式計(jì)算：</p><p><b>　　(4-16)</b></p><p>　　式中：為垂直湍粘性系數(shù)，ρ為懸浮物密度。</p><p>　　沉降概率采用Partheniades(1992)的經(jīng)驗(yàn)

44、公式，能代表不同絮團(tuán)大小對沉降概率的影響，即當(dāng)0≤Y<+∞時：</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　為海底剪切力，小于這個值時，</p><p><b>　　當(dāng)Y<0時，_</b><

45、/p><p><b>　　粘性泥沙底床模型</b></p><p>　　為了較好地模擬底床的沉積與侵蝕效應(yīng)，以及底床性質(zhì)的相應(yīng)變化（如厚度和侵蝕特性），將粘性泥沙底床垂向?qū)踊ㄈ鐖D4.2）。具體地，將底床垂向分為七層，每一層底床由干容量、侵蝕臨界剪切力和初始厚度來表示特性。每一層“沉積后時間”從表層（由新鮮沉積物構(gòu)成）的第一天到底層的第七天呈線性增加。先前的實(shí)驗(yàn)室研究（T

46、sai and Lick,1987;MacIntyre et al.,1990）已經(jīng)顯示壓實(shí)作用對再懸浮的影響在七天沉積后最小，因此，達(dá)到或超過七天的沉積物被認(rèn)為已經(jīng)7天之久了。再懸浮通量方程說明每層隨著壓實(shí)時間的增加而減少，對應(yīng)著項(xiàng)。分層的底床模型保持質(zhì)量守恒，再懸浮與沉積通量僅發(fā)生在分層的底床。在模擬過程中，當(dāng)?shù)状材Ｐ秃穸劝l(fā)生變化，每層中的粘性和非粘性泥沙量由發(fā)生在海水與海底界面的再懸浮和沉積作用決定。</p><

47、;p>　　非粘性底床泥沙再懸浮</p><p>　　非粘性泥沙底床的泥沙再懸浮根據(jù)van Rijn(1984)方法計(jì)算。在預(yù)測懸浮細(xì)沙方面，van Rijn方法已被證明效果很好（van Rijn，1984；Garcia and Parker,1991;van Rijn et al.,1993;Ziegler and Nisbet,1994）。這里僅簡要總結(jié)van Rijn方法，詳細(xì)計(jì)算過程可參見van Ri

48、jn(1984)。方法第一步，是基于局地,按照Shields的泥沙起動法則，將床底</p><p>　　剪切速度與臨界剪切速度作比較。僅當(dāng)?shù)状布羟兴俣瘸^Shields底質(zhì)起動速度與懸浮臨界剪切速度時，懸浮物輸運(yùn)才會發(fā)生。如果再懸浮確實(shí)發(fā)生，那么利用局地與底床剪切速度來確定底床以上高度為a(z=a)處的參考濃度。最后，利用局地的，和來計(jì)算懸浮物輸運(yùn)速度。</p><p>　　利用van

49、Rijn方法，采用以下步驟來計(jì)算懸浮物運(yùn)輸：</p><p>　?。╥） 底床泥沙起動臨界剪切速度</p><p>　　首先引入一個無量綱顆粒參數(shù)：</p><p><b>　　（4-18）</b></p><p>　　上式中，s為特定顆粒重力，g為重力加速度，v為湍動能渦度系數(shù)，為底床中代表性顆粒。</p&g

50、t;<p>　　底床泥沙起動臨界剪切速度再按Shields法則計(jì)算：</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　為臨界運(yùn)動參數(shù)，定義如下：</p><p>　　(ii)計(jì)算再懸浮臨界剪切速度</p><p>　　再懸浮臨界剪切速度由下式給出：</p><p&g

51、t;　?。?-20）上式中，是非粘性泥沙沉降速度，其作為模型輸入?yún)?shù)，由Cheng（1997）</p><p>　　的公式（式4-21）利用懸沙有效粒徑計(jì)算得到。</p><p><b>　　（4-21）</b></p><p>　　上式中，為有效粒徑的無量綱參數(shù)，由式（4-18）確定。</p><p>　?。╥ii）床

52、底剪切速度</p><p>　　由于水流導(dǎo)致的近底床剪切速度如下：</p><p><b>　?。?-22）</b></p><p><b>　　（iv）懸浮物輸運(yùn)</b></p><p>　　當(dāng)?shù)状布羟兴俣刃∮谀嗌称饎铀俣?，或者小于再懸浮臨界剪切速度，沉降作用發(fā)生。如果大于和，泥沙從底床往底層水體

53、中發(fā)生通量轉(zhuǎn)移。那么懸浮物輸運(yùn)計(jì)算如下：</p><p><b>　　計(jì)算輸運(yùn)階段參數(shù)：</b></p><p><b>　　（4-23）</b></p><p>　　計(jì)算底床以上參考高度：</p><p><b>　　(4-24)</b></p><p&g

54、t;　　上式中，h為水深；為Nikuradse粗糙高度。</p><p><b>　?。?-25）</b></p><p><b>　　計(jì)算β參數(shù)：</b></p><p>　　當(dāng) （4-26）</p><p><b>

55、;　　計(jì)算參數(shù)：</b></p><p>　　當(dāng) （4-27） </p><p>　　為最大容量底床濃度（0.65）。</p><p><b>　　計(jì)算懸浮參數(shù)：</b></p><p><b>　　（4-28）</b>

56、;</p><p><b>　　計(jì)算F參數(shù)：</b></p><p><b>　?。?-29）</b></p><p><b>　　計(jì)算懸浮物輸運(yùn)：</b></p><p><b>　?。?-30）</b></p><p>　　上式

57、中，z為最低σ層深度。</p><p>　　計(jì)算底床再懸浮通量：</p><p>　　底床再懸浮通量為總懸移質(zhì)輸運(yùn)量（或水流的攜載量）與存在的最低σ層的水平泥沙通量之差值。如果該差值大于零，發(fā)生侵蝕；如果該該差值小于零，發(fā)生沉降。因此，有時</p><p>　　即使大于和，仍有沉降發(fā)生。</p><p>　　模型中，再懸浮計(jì)算如下：</

58、p><p><b>　?。?-31）</b></p><p>　　上式中，為最低σ層的懸沙濃度，為時間步長，為底部表面積。</p><p><b>　　非粘性泥沙沉降通量</b></p><p><b>　　（4-32）</b></p><p>　　上式中，

59、為非粘性泥沙沉降通量，為沉降速度，為近底床懸浮泥沙度。</p><p><b>　　非粘性泥沙底床粗化</b></p><p>　　Van Rijn方法中有一個假設(shè)是，底床泥沙是均質(zhì)的。而非粘性泥沙底床一般是由不均質(zhì)的顆粒組成，從細(xì)沙（易懸浮）到粗沙與礫石（僅作為推移質(zhì)輸運(yùn)）。當(dāng)細(xì)沙從不均質(zhì)泥沙底床上被侵蝕時，底床發(fā)生粗化，然后，不能被懸浮的粗顆粒停留在底床表面。

60、在侵蝕過程中，當(dāng)近海底表面層（這里指活動層）懸沙逐漸被侵蝕掉，一較粗的非懸移質(zhì)泥沙層形成?；顒訉拥膽乙瀑|(zhì)泥沙不斷被侵蝕掉，最后將侵蝕速率減小到零，此時此刻，活動層完全由非粘性泥沙（粗沙和礫石）組成。底床粗化完成（Shen and Lu,1983;Karim and Holly,1986;van Niekerk et al.,1992）。</p><p>　　假設(shè)泥沙底床由一個活動層（active l

61、ayer)（與水柱相互作用）與一個表面層（parent bed）（在活動層下面）時，可以模擬底床粗化過程（Karim an dHolly,1986;van Nirkerk et al.,1992）。底床泥沙被認(rèn)為僅從活動層發(fā)生再懸浮，因?yàn)橛邢率剑?lt;/p><p><b>　　（4-33）</b></p><p>　　上式中，為活動層內(nèi)能被再懸浮的泥沙量，E為利用van

62、 Rijn方法計(jì)算得到的均質(zhì)底床的再懸浮量。表面層（parent bed）中再懸浮泥沙量，是由初始顆粒粒級分布數(shù)據(jù)確定的。活動層厚度是利用修改Van Niekerk et al.(1992)提出的方程確定的：</p><p><b>　?。?-34）</b></p><p>　　上式中，τ為底床剪切力；為起動底床泥沙所需要的臨界剪切力，是根據(jù) Shields法則計(jì)算出

63、來的。</p><p>　　活動層組成變化是根據(jù)Karim and Holly(1986)的方法得到的。</p><p>　　Ecomsed采用C網(wǎng)格布置變量,采用內(nèi)外模分裂發(fā)求解,三維斜壓內(nèi)模采用隱式求解而二維正壓外模用顯式求解.</p><p>　　3.2模式初始及邊界條件</p><p>　?。?）潮流初始條件：流速取為0即零啟動 &l

64、t;/p><p>　　懸浮泥沙初始條件：取工程區(qū)域?qū)崪y的泥沙平均濃度為泥沙初始條件。</p><p><b>　　（2）邊界條件：</b></p><p><b>　　a.開邊界：</b></p><p>　　采用水位控制，即用潮位預(yù)報的方法得到開邊界條件。</p><p>　　

65、開邊界采用潮位預(yù)報邊界條件：</p><p>　　A0為平均海面，F(xiàn)i，(v0+u)i為天文要素，Hi，gi為調(diào)和常數(shù)。</p><p>　　調(diào)和常數(shù)選用11個分潮，其中日分潮4個（Q1，O1，P1，K1），半日分潮4個（N2，M2，S2，K2），淺水分潮3個（M4，MS4，M6）。</p><p>　　泥沙邊界條件采用觀測點(diǎn)的泥沙資料，結(jié)合歷史資料外推得到。&l

66、t;/p><p>　　內(nèi)模流速采用Orlanski輻射邊界條件,外模流速采用Flather邊界條件</p><p>　　b.閉邊界：在閉邊界取流速、泥沙的法向?qū)?shù)為零.</p><p>　　因?yàn)榻逗Ｋ旌暇鶆?可以看成是正壓潮,故模式采用診斷三維模式進(jìn)行模擬,即固定溫度和鹽度場.</p><p><b>　　3.3網(wǎng)格設(shè)置</b

67、></p><p>　　用曲線坐標(biāo)網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行剖分，計(jì)算域內(nèi)剖分成87x124，即考慮到南北向水深梯度(見圖2)較大故網(wǎng)格加密. 總共有10788個網(wǎng)格，最大的網(wǎng)格邊長取100m左右，最小網(wǎng)格尺度控制在35m之內(nèi)，垂向分為10個sigma層,計(jì)算時間步長為內(nèi)模取20秒,外模取2秒。模式計(jì)算區(qū)域見圖1,水深地形見圖2.由于模擬的區(qū)域水深相對較淺,潮流垂向變化不大,而海水混合相對均勻,故下文結(jié)果均采用10層

68、平均的結(jié)果進(jìn)行分析.</p><p>　　圖1 : 模式計(jì)算區(qū)域(紅色巨型框所示),s1、s2、s3、s4為臨時觀測站</p><p>　　Fig1. calculation scope (red box, which s1 s2 s3 s4 mean temporary observation station)</p><p>　　圖2 ：模式計(jì)算區(qū)域水深（單位：

69、m）</p><p>　　Fig2. Pattern calculation area of depth (m)</p><p><b>　　4.結(jié)果與分析</b></p><p><b>　　4.1模擬結(jié)果驗(yàn)證</b></p><p><b>　　4.1.1潮位驗(yàn)證</b>&

70、lt;/p><p>　　由于大潮期間的流場,潮位變化最能體現(xiàn)該海區(qū)的潮流場,潮位的變化特征,故本次出海實(shí)測暫只選擇大潮期出海觀測.</p><p>　　驗(yàn)證資料，選擇2010年4月15號14點(diǎn)開始的連續(xù)24小時觀測的S4臨時潮位站的潮位觀測資料，潮位驗(yàn)證結(jié)果見圖3-5。由圖可見，實(shí)測潮位與模擬計(jì)算的潮位之間擬合得較好，最高、最低潮位的模擬誤差一般在10cm以內(nèi)，個別在15cm以內(nèi)?？梢?，潮位的

71、模擬結(jié)果是令人滿意的。</p><p><b>　　4.1.2潮流驗(yàn)證</b></p><p>　　驗(yàn)證資料，選擇4臨時潮流觀測站(見圖1)的資料進(jìn)行比較。潮流資料驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖3-1～圖3-4。由圖可見：</p><p>　　S1、S2觀測站流速大小,流向的計(jì)算值均與觀測值吻合較好,而S3、S4站流速大小以及流向計(jì)算值與觀測值雖然流向在個

72、別時段計(jì)算值與觀測值誤差較大,但大部分時間段吻合較好.整體而言誤差較小,基本與觀測值一致.總的說來流場的模擬結(jié)果基本可信，為計(jì)算泥沙沖淤提供了較可靠的流場.</p><p>　　圖3-1：s1站潮流流向（左）、流速大?。ㄓ遥?shí)測與計(jì)算值比較 （橫軸0為14：00 ，5為19：00，10為24點(diǎn)，15為第二天5：00，20為10：00， 25為15：00，以下相關(guān) 圖3-2：s2站潮流流向（左）

73、、流速大?。ㄓ遥?shí)測與計(jì)算值比較</p><p>　　圖3-3：s3站潮流流向（左）、流速大?。ㄓ遥?shí)測與計(jì)算值比較</p><p>　　圖3-4：s4站潮流流向（左）、流速大小（右）實(shí)測與計(jì)算值比較</p><p>　　圖3-5： s4站潮位實(shí)測與計(jì)算值比較</p><p><b>　　4.2潮流場分析</b&g

74、t;</p><p>　　計(jì)算域內(nèi)單站潮流模擬驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果較好，基本反映了工程區(qū)海域潮流的實(shí)際變化。為進(jìn)一步了解計(jì)算域內(nèi)總體流場分布，列出計(jì)算區(qū)域內(nèi)大潮時漲急、落急以及工程前、后漲落急比較的流矢分布(見圖4-1～圖4-6)。由圖可見：</p><p>　　擬建工程位于長峙島的西南側(cè),影響該工程的主要水流是通過該島與其南面的岙山島之間的狹長的潮汐通道進(jìn)入工程區(qū)的潮流.模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),該海域的潮

75、流場受地形影響,潮流流向:漲潮流大體是東南到西北方向,讓后轉(zhuǎn)向西方向.流速大小分布基本是:在計(jì)算水域西北區(qū),靠近岸邊流速較小,主航道流速大.而在東南區(qū),流速水平較均勻.從圖4-1中可以看出,漲潮時在在岙山島A附近水域流速很大、很急,也就是該處漲潮動力很強(qiáng)，而A附近水域落潮流(圖4-4)流向相反,但急流水域面積比漲潮時小.總體而言: 無論是漲潮還是落潮,工程前沿水域,潮流基本平行岸線流動.</p><p>　　圖4

76、-1 : 工程前漲急</p><p>　　圖4-2 : 工程后漲急</p><p>　　圖4-3 ：工程前、后潮流流場比較（漲急）</p><p>　　圖4-4 : 工程前落急</p><p>　　圖4-5: 工程后落急</p><p>　　圖4-6 ：工程前、后潮流流場比較（落急）</p>

77、<p>　　4.3加固工程后結(jié)果分析</p><p>　　通過工程前、后流場比較(見圖4-3和圖4-6)可知,由于固岸工程填海面積很少,工程對流場的影響很小,工程前后流場變化不大,計(jì)算水域絕大部分區(qū)域，工程前后流場基本一致。變化之處主要體現(xiàn)在：漲、落潮時，計(jì)算水域的西北域，流速、流向改變相對較大，工程后流速微弱減小。還有靠近岸邊的工程前沿出有很小的改變。</p><p>　　

78、從平均流速相對變化等值線分布看（圖5），緊貼固岸工程外圍西北區(qū)域（圖中A所指）大約30米左右的范圍內(nèi)流速有較明顯的減小,最大減小接近20%.而在中間水域（圖中C所指）流速也有微弱的減小,減小達(dá)4%左右.在固岸工程外圍東邊水域（圖中B所指）附近有較大范圍的流速微弱增大區(qū).平均增大為5%左右，最大增加達(dá)10%.從圖5整體來看固岸工程對該附近水域的潮流的改變很小.大部分水域受影響的程度在-2%~2%之間.</p><p&g

79、t;<b>　　4.4沖淤變化預(yù)測</b></p><p>　　固岸工程后，會產(chǎn)生局部水域潮流及泥沙沖淤狀況的變化，可以利用ECOMSED模式的SED模塊對工程前后的相對沖淤變化進(jìn)行模擬.影響沖淤變化的主要因素是流速的變化,對比圖5和圖6、圖7分析可知,由于固岸工程建成后使得部分水域流速小,從而在流速減小的區(qū)域出現(xiàn)相對淤積的現(xiàn)象,淤積程度和流速減小密切相關(guān),主要體現(xiàn): 緊貼固岸工程外圍西北區(qū)

80、域大約30米左右的范圍內(nèi)（在圖5中A所指區(qū)域）,一年后相對淤積（即只考慮工程額外引起的沖淤）大約0.08米左右,而在流速減小最明顯的區(qū)域,一年后相對淤積為0.12米左右.而在流速減小4%左右的西北中間水域（在圖5中C所指區(qū)域），一年后相對淤積程度為0.01米左右（在圖6中不能體現(xiàn)）. 在固岸工程外圍東邊水域（在圖5中B所指區(qū)域）一年后出現(xiàn)相對微弱的沖刷,具體體現(xiàn)為:最大相對沖刷為-0.13米,該流速增大區(qū)域的大部分相對沖刷在-0.1米左

81、右.從圖6整體來看固岸工程后,大部分水域相對沖淤平衡,即工程對自然沖淤影響面積很小且影響不大.從五年后的相對沖淤程度(圖7)來看,相對淤積的水域,五年后分別出現(xiàn)不同程度的積聚,主要體現(xiàn): 緊貼固岸工程外圍西北區(qū)域大約30米左右的范</p><p>　　圖5 ：工程前、后潮流流場流速大小的相對改變量（%）</p><p>　　圖6 ： 工程后第一年相對沖淤（正值表示淤積、負(fù)值表沖刷，單位：

82、m）</p><p>　　圖7 ： 工程后第五年相對沖淤（正值表示淤積、負(fù)值表沖刷，單位：m）</p><p><b>　　5.結(jié)論</b></p><p>　　用國際著名河口,海岸,海洋泥沙模式(ECOMSED)對固岸工程前后的潮流場變化進(jìn)行模擬,做出預(yù)測.潮流場模擬結(jié)果與實(shí)測基本吻合.經(jīng)分析可知,由于固岸工程填海面積很小,工程對潮流場改變

83、影響很小, 變化之處主要體現(xiàn)在：漲、落潮時，計(jì)算水域的西北域，流速、流向改變相對較大，工程后流速微弱減小。還有靠近岸邊的工程東邊前沿出有很小的改變，工程后流速微弱增大。</p><p>　　固岸工程引起的最大淤積一年后約為0.12米，五年后最大淤積0.6米，引起的最大沖刷一年后約為-0.13米，五年后為-0.3米，絕大部分水域五年后的相對沖淤范圍為-0.1米~0.1米之間，可見固岸工程對該附近的水域沖淤平衡影響很

84、小.。</p><p>　　根據(jù)以上分析，該工程總體對水域潮流水動力場影響微弱，引起的沖淤變化較小，總體工程方案可行。</p><p><b>　　6.參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 夏華永、林迪洋、鈕智旺. 湛江灣填海工程對水動力條件的影響預(yù)測.1. 國家海洋局南海工程勘察中心，廣東 廣州 510300 ；2 . 中國海洋大學(xué)環(huán)

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