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《浙江大学》 2015年
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Liverpool湾水沙输运及长期地形演变数值模拟

罗晶  
【摘要】:人类对河口海岸的改造活动会对当地的水动力条件、泥沙输运及岸线演变造成一定的影响,而水动力、泥沙输运及地形的变化又反过来对海岸工程产生影响。自然条件变化和人类活动会引起海平面上升,近岸水动力条件随之改变,导致风暴潮加剧、岸线侵蚀和潮滩范围缩小等问题,进而对沿海区域社会经济、自然环境与生态系统等产生重大影响。因此,研究自然条件变化对当地水动力条件产生的影响及由此引起的泥沙输运改变和长期地形演变,对保护河口海岸环境、更好地发展海洋经济具有重要意义。 本文改进了二维TELEMAC开源模型,据以对英国西北海岸Liverpool湾的水动力、泥沙输运以及长期地形演变进行一系列的数值模拟和研究。主要包括:潮汐和波浪之间的相互影响;潮汐作用下的水沙输运;潮汐和波浪共同作用下的水沙输运;海平面上升对水沙输运的影响;以及潮汐、波浪及海平面上升共同作用下,Liverpool湾的长期地形演变。 建立了一个改进后的数学模型用于计算潮汐单独作用下的泥沙输运。通过对TELEMAC-2D潮流模块边界源程序与SISYPHE模块的泥沙粒径源程序的分别改进,可在边界输入由多个分潮决定的时变自由水面与在所有网格上自定义泥沙粒径。数值模拟表明,潮汐非对称性是导致Liverpool湾泥沙向陆净输运的重要因素。 通过对TELEMAC-2D潮流模块、TOMAWAC波浪模块与SISYPHE泥沙输运模块的重组,建立了一个既能考虑潮汐与波浪之间的相互影响,又能考虑到波浪的掀沙作用和直接输沙作用的泥沙输运模型。分析表明,Liverpool湾内潮汐对波浪的作用主要体现在,潮位和流向变化影响波浪的传播过程与变形破碎,波-流同向将明显削弱波浪变形和破碎效应,而波-流逆向将使波浪变形和破碎效应略有增强。近岸波浪的部分能量通过辐射应力转化形成波生沿岸流,进而改变近岸流场。而波浪输沙作用则主要集中在波浪变形破碎的浅水地带,“波浪掀沙、潮流输沙”是潮流与波浪共同作用下近岸泥沙输运的主要机制,并因波浪掀沙作用而具有显著的非线性效应。 建立了一个考虑海平面上升的泥沙输运模型,模拟研究了相对海平面上升对河口海岸水动力和泥沙输运带来的影响。结果表明,在海平面上升50cm的条件下,潮差和流速的改变并不大,但波浪变形-破碎带会明显向陆偏移,从而导致Liverpool湾内泥沙更容易向岸和Mersey等河口净输运。 建立了一个同时考虑潮汐、波浪和海平面上升等因素作用下的海床长期演变模型。模型采用“输入精简法”将长期水动力过程归类精简为若干个对长期地形演变起主要作用的“代表潮汐”和“代表波浪”;同时在模型中引入“并行在线法”和“地形因子”模拟计算了多种“代表波-潮”共同作用下的泥沙输运与地形演变,显著提高了计算效率。研究表明,若不考虑海平面上升影响,则通常情况下深槽内及海岸线附近以侵蚀为主,河口内以淤积为主;在风暴情况下,河口内会发生冲刷。海平面上升会显著影响河口外波浪变形-破碎带附近的地形演变,岸线侵蚀也更为严重。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TV148

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