乐清湾环境水力特性研究

摘要

海湾环境水力特性的研究,有利于正确理解海湾水域物理过程和生态过程的密切关系,是海湾乃至邻近海域水环境与生态研究必不可少的基础。乐清湾是典型的半封闭强潮海湾,其环境水力特性在浙闽沿海海湾中具有一定代表性。本文从水平离散系数、水交换能力、纳潮量以及潮汐余流四个方面深入研究了乐清湾环境水力特性,得到如下主要认识:
　　 1.借鉴前人的研究方法,从理论上导出了“水平离散系数张量”的分量表达式;运用三维水动力模型数值模拟了乐清湾的潮流场,经实测水文资料验证合理。在此基础上,计算得到了乐清湾水平离散系数的时空分布。
　　 2.横断面上的分析表明,水平离散系数随水深的变化具有两重性:一是水平离散系数总体与水深呈正相关;二是水平离散系数与地形的明显起伏有一定关系。纵向变化及时变过程的分析表明,水平离散系数与垂线平均流速总体呈正相关,而潮差和流速的垂向分布也是重要的影响因子。
　　 3.基于三维潮流场和水平离散系数的计算结果,通过回归分析拟合得到了乐清湾水平离散系数的无因次计算表达式为:E/-hU=5.29e0.118(△H/h)。该表达式显示水平离散系数不仅与水深和垂线平均流速呈正比,而且与代表海湾动力特征的参数--相对潮差(△H/h)呈指数相关,较目前常用的离散系数计算表达式(E=5.93u.h),后者实现了一定程度的拓展。
　　 4.采用保守物质的对流扩散模型模拟了水交换过程,计算了乐清湾半交换时间和平均滞留时间的空间分布。结果表明:乐清湾外湾水体半交换时间在7天以内,中湾为7天～10天,内湾则为11～13天,全湾平均为8天;外湾平均滞留时间从2天递增至11天,中湾为12天～15天,内湾超过15天,湾顶附近为18天,全湾平均为11.2天;内部水交换能力系数K值的计算结果显示,乐清湾内部水交换最活跃的区域小潮出现在中湾,大潮则出现于中湾的内侧。
　　 5.基于水动力数值模拟结果计算得到了乐清湾纳潮量,结合潮差累积频率分析可知:乐清湾在累积频率为3.95％情况下的大潮期纳潮量为23.5亿m3,在累计频率为89.20％的小潮期纳潮量为10.1亿m3。分析发现,中湾海域的纳潮量相对较大,水体自净和交换能力也相应较大。
　　 6.将三维潮流计算结果进行准调和分析,获得乐清湾的潮汐余流分布,结果表明:湾内垂向平均余流流速基本在15cm/s以下,湾口海域余流流速明显增大,在20cm/s左右;乐清湾口以小门岛为分界的东、西两个断面的法向余流最大流速分别在15cm/s和30cm/s左右。

目录

文摘

英文文摘

致谢

论文说明:图表目录

第1章 绪论

1.1 立题背景与意义

1.1.1 海湾环境水力特性的理解

1.1.2 本文的立题背景与意义

1.2 研究现状

1.2.1 河流环境水力相关研究现状

1.2.2 近岸海域环境水力相关研究现状

1.2.3 区域研究现状

1.2.4 研究现状小结

1.3 本文主要工作及创新点

1.3.1 主要工作

1.3.2 主要特点和创新点

第2章 潮流数学模型的建立

2.1 数学模型

2.1.1 模型概述

2.1.2 控制方程与定解条件

2.1.3 数值离散

2.2 计算区域与网格

2.2.1 计算区域的界定

2.2.2 计算区域的网格离散与地形概化

2.3 模型的验证与计算结果

2.3.1 验证站位分布

2.3.2 潮位验证

2.3.3 潮流验证

2.3.4 模型模拟结果

2.4 本章小结

第3章 海湾的水平离散系数

3.1 水平离散及水平离散系数的基本概念

3.2 计算方法

3.2.1 理论推导

3.2.2 计算方法确定

3.3 计算结果及其分析与讨论

3.3.1 计算结果

3.3.2 空间分布分析

3.3.3 时间过程分析

3.4 乐清湾水平离散系数表达式的拟合确定

3.4.1 分析方法

3.4.2 拟合结果

3.5 本章小结

第4章 海湾的水交换能力

4.1 海域水交换的相关基本定义的表达

4.2 水交换时间的计算

4.2.1 计算模型与计算方法

4.2.2 半交换时间的计算

4.2.3 平均滞留时间的计算

4.2.4 半交换时间与平均滞留时间的关系探讨

4.3 海湾内部水交换能力计算

4.3.1 计算方法

4.3.2 计算结果

4.4 本章小结

第5章 海湾纳潮量与余流

5.1 纳潮量

5.1.1 计算方法

5.1.2 计算结果与分析

5.2 余流

5.2.1 计算方法

5.2.2 计算结果

5.2.3 计算结果讨论

5.3 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

6.2.1 海域水平离散系数的研究

6.2.2 乐清湾水交换过程的现场观测

6.2.3 内部水交换能力的研究

6.2.4 广义层面环境水力特性的研究

参考文献

攻读博士阶段科研成果