海岸泥沙输移的数值模拟及其应用

摘要

河口海岸是地球能量流和物质流的重要聚散地带；是人口相对密集，海岸工程比较集中的地区。随着经济的发展，污染物排放处置、滩涂促淤围垦和海洋环境保护等方面的问题日益突出，为此，河口海岸环境变异的研究，无疑是非常重要而迫切的问题。而研究河口海岸最为重要的基础性问题之一就是河口海岸的泥沙输运问题。 目前主要的泥沙问题研究方法是理论研究、实验室实验、现场观测和数值模拟。本文在现有河口海岸动力学理论、泥沙运动理论和数值计算方法的基础上，对近岸潮流和泥沙运动特性及其数值模拟进行了探讨，建立了适用于河口、海岸区域的平面二维水流泥沙数学模型。模型由水动力模型、泥沙输运模型和海岸演变模型三部分组成。其中水动力模型采用ADI法求解非线性浅水环流方程，泥沙输运模型和海岸演变模型同样采用该方法求解悬沙扩散方程和海岸演变方程。 采用长兴岛附近海域实测潮流和泥沙资料对模型进行了验证。潮流、含沙量和冲淤的模拟结果与实测资料吻合良好，表明本文建立的悬沙输移模型能够较好的模拟海岸区域的悬沙输移过程和海岸冲淤过程。 最后应用本模型研究了南堡人工岛附近海域的潮流和泥沙冲淤情况。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1论文背景及研究意义

1.2国内外研究现状综述

1.3论文工作的主要内容

2数值方法

2.1有限单元法(Finite Element Method)

2.2控制体积法

2.3有限差分法(FDM)

2.3.1显式法

2.3.2隐式法

2.3.3半隐半显式法

3潮流数学模型

3.1控制方程

3.2定解条件

3.3潮流基本方程的离散及求解

3.3.1网格剖分

3.3.2方程差分

3.3.3方程差分的稳定性

3.3.4计算流程

3.4数值实验

3.4.1实验模型

3.4.2解析解

3.4.3计算参数选取

3.4.4数值模拟结果

4泥沙输移与海岸演变数学模型

4.1悬移质运动基本方程

4.1.1初始条件和边界条件

4.1.2泥沙源函数的确定方法

4.1.3泥沙沉降几率

4.1.4恢复饱和系数的确定

4.1.5泥沙沉降速度

4.1.6推移质输沙率

4.2海岸演变方程

4.2.1悬移质海岸变形

4.2.2推移质海岸变形

4.3泥沙输移方程的离散及求解

4.3.1悬移质泥沙运动方程的离散及求解

4.3.2推移质泥沙运动方程的离散及求解

4.4海岸演变方程的离散及求解

4.4.1悬移质海岸演变方程的离散及求解

4.4.2推移质海岸演变方程的离散及求解

4.5数值实验

4.5.1实验模型

4.5.2数值模拟结果

5模型验证

5.1验证资料

5.2模型验证结果及分析

5.2.1潮位

5.2.2潮流

5.2.3泥沙

6模型应用——南堡人工岛周围泥沙冲淤数值模拟

6.1模型的计算范围和控制条件

6.1.1资料选取

6.1.2地形及网格的生成

6.1.3边界控制条件

6.2模型验证结果及分析

6.2.1潮位

6.2.2潮流

6.3 工程区附近泥沙冲淤预测及分析

6.3.1 工程区泥沙情况

6.3.2泥沙冲淤变化结果

6.4防护措施

6.4.1软体排护底结构的性能要求及结构

6.4.2软体排设计

6.4.3软体排布置

7结论与展望

7.1主要结论

7.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢