流域重大工程影响下长江口水动力数值分析

摘要

长江口地区由于受到潮流、波浪、径流、风等诸多动力因素的影响，其水动力机制以及由此产生的泥沙问题都非常复杂。因此，建立长江口数学模型来深入研究这些动力因素的影响以及它们之间的相互作用，具有十分重要的理论意义和现实意义。本文分别采用SWEM2D模型，DELFT3D模型以及SWAN波浪谱模型对长江口的水流、波浪、泥沙以及岸滩演变进行模拟。 本文首先利用SWAN无结构网格模拟不同风场下长江口波高分布，并利用Josson公式计算相应的底部切应力和底部最大流速的分布。结果表明：底部最大流速和底部切应力的变化是随着波高和波浪周期的增加而增加。底部最大流速和底部切应力对水深的变化更加敏感，而受波高的影响相对较小，所以最大的底流速和切应力一般分布在水深最浅的浅滩上，说明波浪的主要作用是冲滩淤槽。 本文介绍了SWEM2D模型的理论及其计算原理，然后把它和SWAN波浪模型耦合起来，建立了波流共同作用下的长江口二维水流模型。根据精度和效率的需要，可以调整流场和波浪场的相互更新时间，改变波流的耦合化程度。用长江口实测资料对模型进行率定验证，表明模型对水位流速的计算结果与实测值拟合较好。通过波浪对流场影响分析表明，对小潮和低潮位期间的影响较大，航道转弯处CSW测站受波浪影响最大。接着建立了长江口风暴潮模型。对9711期间长江口部分测站的水位验证结果显示，模型能够比较好的模拟出台风问的增水情况。计算了深水航道工程前后，北槽的风暴潮增水变化。结果表明：风暴潮期间工程影响的范围和幅度都较小，而波浪效应远大于工程效应。 本文最后建立长江口岸滩冲淤模型研究近期三峡工程和南水北调工程对长江口岸滩演变的影响。研究表明：未来5～20年长江口的整体地形是比较稳定的：南汇边滩整体继续向东南方向演变，但是淤积速率有所减缓；崇明东浅滩发育基本稳定，上游来沙量的减少不会造成崇明东浅滩的大幅度冲刷，边滩整体继续向东南方向演变；九段沙受局部工程建筑物影响较大，总体将继续向东南推进。

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第一章绪论

1.1概述

1.2国内外研究现状

1.2.1水流模型的发展

1.2.2波流相互作用研究

1.2.3风暴潮模型的研究

1.2.4泥沙模型研究

1.3本文工作

1.3.1研究内容

1.3.2具体章节情况

第二章 长江口及流域重大工程概况

2.1长江口水文泥沙特性

2.1.1径流

2.1.2潮汐、潮流和余流

2.1.3泥沙

2.1.4风与波浪

2.1.5灾害性天气

2.1.6咸潮入侵特性

2.1.7滩涂资源概况

2.2深水航道治理工程

2.3三峡工程

2.3.1三峡工程对长江口径流变化分析

2.3.2三峡工程对长江口来沙变化分析

2.3.3对河口海岸侵蚀的影响

2.3.4对河口河槽的影响

2.3.5对河口拦门沙的影响

2.4南水北调工程

2.4.1东线工程

2.4.2南水北调工程调水对长江口盐水入侵的影响研究

2.4.5南水北调工程对岸滩演变的影响

2.4.6对长江水质的影响

2.5小结

第三章 数学模型介绍

3.1 SWEM2D模型介绍

3.1.1基本控制方程

3.1.2初始条件和边界条件

3.1.3数值求解

3.1.4动边界处理

3.2 DELFT模型介绍

3.2.1二维潮流基本方程

3.2.2二维泥沙输运方程

3.2.3河床变形方程

3.3 SWAN波浪模型介绍

3.3.1动谱平衡方程

3.3.2数值解法

3.3.3边界条件

3.4小结

第四章 长江口波浪场模拟

4.1计算网格

4.2计算结果分析

4.3单独波浪作用下的底部切应力

4.4小结

第五章 水流模型及波流相互作用

5.1基本方程

5.2模型验证

5.2.1计算网格和地形

5.2.2边界条件及初始条件

5.2.3计算参数

5.2.4验证结果

5.3波浪对流场的影响分析

5.3.1潮位比较

5.3.2流速比较

5.3.3流场矢量图

5.3.4潮量比较

5.4小结

第六章长江口风暴潮模拟

6.1概述

6.2气压场和台风风场的模拟

6.2.1藤田公式

6.2.2高桥-藤田模式

6.2.3 HOLLAND模式

6.3实例计算

6.3.1 9711台风简介

6.3.2模型的计算网格和参数设定

6.3.3模型方程的初始和边界条件

6.3.4气压场计算结果

6.3.5风场计算结果

6.3.6风暴潮影响下流场

6.3.7深水航道工程前后风暴潮流场计算

6.4小结

第七章 三峡工程及南水北调工程对长江口岸滩演变影响

7.1潮流泥沙模型验证

7.1.1计算区域及计算网格

7.1.2验证资料

7.1.3边界条件及初始条件

7.1.4参数选择

7.1.5潮流、泥沙验证结果

7.2岸滩冲淤模型验证

7.2.1地形资料

7.2.2边界条件及初始条件

7.2.3 1984-1994年冲淤率定结果

7.2.4 2002-2005年冲淤验证结果

7.3三峡工程及南水北调工程影响下长江口岸滩演变模拟

7.3.1边界条件及初始条件及参数选择

7.3.2长江口总体冲淤预测

7.3.3南汇浅滩冲淤预测

7.3.4崇明东滩断面冲淤预测

7.3.5九段沙断面冲淤预测

7.4小结

第八章 结论与展望

8.1主要创新点

8.2主要结论

8.2.1长江口波浪场模拟

8.2.2波流共同作用下的二维水流模型

8.2.3波流共同作用下的二维风暴潮模型

8.2.4三峡工程及南水北调工程影响下长江口岸滩演变分析

8.3展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果