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长江口非均匀推移质输移及其数值模拟

王大志  
【摘要】: 本文概括了推移质输沙的基本理论和计算方法,阐述了推移质在河床演变中的重要作用,在总结非均匀推移质输沙研究现状的基础上,提出利用数值模拟手段研究长江河口非均匀推移质输沙的思路。 本文首先建立了基于Preissmann算法的一维水流模型、基于直接解法的平原河网模型和基于有限节点法的平面二维水力模型,在对各模型的算法进行推导的基础上自行开发了计算程序。 对河网水力数学模型,首次运用Fortran90程序语言进行面向对象(OOP)设计,建立起一个可扩展的数据库和可复用的程序框架;并在河网概化、方程系数排列、稀疏矩阵求解和内边界条件处理等多方面作了改进。 本文在一维水力模型中采用洪季变动糙率的办法,成功地模拟了长江口1998年全年水力过程,取得较好的验证。同时利用河网模型对长江口分汊河段进行一个月的水流模拟,并获得了长江口南北支分流比,复演出北支涨潮时水体倒灌转流现象,解决了河网模型用于分汊河道潮汐水流模拟的问题。不仅如此,本文还采用精细网格下的平面二维模型对长江口流场进行模拟,获得与实际流动较为一致的结果。由于采用多种模型对长江河口水流进行数值模拟,便于相互印证,从而为长江口推移质输沙计算提供了可靠的水力依据。 本文首次利用基于随机—力学模式建立的非均匀沙推移质公式和经过断面修正的Meyer-Peter公式,对长江口断面推移质输沙进行计算,获得了逐时的推移质通量,进而计算出逐月和全年推移质输沙量。结果表明,1998年长江口自徐六泾断面净入海推移质数量约为600万吨,占总输沙量的1.2%,而通过数值计算获得长江口非均匀沙的推移质数量至今未见报道。文章进一步分析了各个水力要素对推移质输沙的影响,发现长江口推移质输沙总体上受大通流量控制,潮差对于推移质输沙的影响只有在洪季才变得明显。 本文结合一维水力计算,根据非均匀推移质公式计算了长江口南支河段一维推移质输沙,并分析了南支推移质运动与水下沙体活动之间的关系。在此基础上,将非均匀推移质公式推广到二维计算,并与一维计算结果作了对比,发现两种计算所获得的净输沙量相差不大,但二维输沙过程线峰值较一维计算要大,这正是河道内推移质运动横向不均匀性的体现。


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