基于SWAN模型的渤海波浪特性及水交换研究

摘要

波浪是海洋中最重要的动力要素之一，海工结构物的设计和建设需要深入认识工程区域的波浪特性；在近岸海域，变形和破碎的波浪与潮流相互作用会形成复杂的近岸流，这些近岸流不仅对水体交换和泥沙运动有着重要的影响，而且还会影响近岸海域的物质输运和地形地貌。目前在渤海，尤其是渤海湾沿岸，正在大规模地兴建海岸工程，因此深入研究这一区域的波浪特性及波浪对近岸海域水交换的影响对于工程建设及明晰工程对海区生态环境的影响都是相当必要的。
　　本文首先建立了渤海的波、流场计算模型——基于浅水长波方程的潮流场计算模型、基于波作用量守恒的SWAN（Simulating Waves Nearshore）波浪模型、以及基于辐射应力概念的波流耦合的近岸流数学模型。对影响SWAN模型结果的各因素进行深入分析，在此基础上，根据分布在整个渤海区域不同站点的短期和长期的实测风场和波浪场数据对模型进行了系统的校准，获得了适用于整个渤海的模型参数。校准后SWAN模型的模拟结果，无论是在空间范围，还是时间范围上，都与实测数据符合良好。采用实验数据验证了波流耦合模型，模型结果和实验结果符合良好。
　　然后，利用经过修正后的ECMWF风场驱动校准后的SWAN模型对渤海区域长达20年的波浪场进行了模拟，并根据模拟结果分析了渤海的波浪特性。结果表明：本研究得出的波高和周期的空间及季节分布规律与已有的研究结果是一致的，但本研究与已有的研究得出渤海某些区域的波高存在不同程度的差异——三大海湾的波高差0.1米，渤海中部和渤海海峡的波高差值约0.01-0.1米。
　　再次，将基于随机游动方法的粒子跟踪模型与驻留时间、曝光时间及返回系数等水交换的特征时间尺度相结合，构建了适合于大面积海域整体和局部水交换特性分析的水交换模型。对渤海湾内粒子的运动进行了连续三年的模拟，通过对特征时间尺度和余流场的统计，分析了渤海湾的水交换特性及波浪对其的影响。结果表明：渤海湾的整体水交换较弱，波浪对渤海湾的水交换有一定程度的影响；波浪对水交换的影响在近岸区域比较显著；不同区域水体对整个渤海湾的水交换贡献有显著差异。
　　最后，结合渤海湾近年来已建和在建的围填海工程，分析了围填海工程对渤海湾水交换特性的影响。结果表明：围填海导致整个渤海湾水体的半交换周期有一定程度的缩短；围填海对整个渤海湾沿岸区域的水交换都有比较显著的影响，而不局限于工程区域附近；不同区域的水交换受围填海影响的程度存在着差异。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2相关研究现状综述

1.3本文的主要工作

第二章 近岸波流场数学模型的原理、方法及基本验证

2.1 基于浅水长波方程的水动力学模型

2.2基于波作用量守恒的波浪模型

2.3 基于辐射应力理论的波生近岸流模型

2.4 本章小节

第三章 波流场模型在渤海的校准与验证

3.1 水动力学模型的验证

3.2 风场数据的修正及检验

3.3 波浪模型的校准及验证

3.4 本章小结

第四章 渤海及渤海湾的波浪特性分析

4.1 渤海波浪特性的分析

4.2 围填海工程对渤海湾波浪场的影响

4.3 本章小结

第五章 波浪对渤海湾水交换的影响

5.1 适合大面积海域整体和局部水交换特性分析的水交换模型

5.2 波浪对渤海湾流场及余流场的影响

5.3波浪对渤海湾水交换特征的影响

5.4本章小结

第六章 围填海工程对渤海湾水交换的影响

6.1模拟方案设置

6.2围填海工程对渤海湾水交换总体特征的影响及分析

6.3 围填海对渤海湾典型区域水交换能力的影响及分析

6.4本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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