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河网、河口及海岸整体联解数值模式及其在珠江口咸潮上溯研究的应用

邹华志  
【摘要】: 珠江河口水系以“河网如织,八口入海”为特征,其河网、河口和近海水域构成了一个相互贯通的多河道、多河口的水流系统,上游径流、外海潮汐等因素在这个系统内相互作用、相互影响,形成了极为复杂的水动力环境。本文研究目的是要实现对河网-河口-近海这一连续水体的整体数值模拟,以期更真实的反映河网与河口、河口与近海及河口各口门间的相互影响和耦合作用,并在此基础上对珠江河口咸潮上溯问题进行相应的数值模拟研究。 为此,本文首先建立了适用于复杂河网的一维水流、盐度数值模式,并在数值模式的求解过程中引入了节点水位法,有效提高了计算效率;其次,引入了基于无结构三角形网格、有限体积法和三维海洋原始方程组的海洋河口模式FVCOM,充分利用其网格布置灵活的特点,对计算网格进行了优化布置,实现了珠江河口大范围高分辨率的三维数值模拟;基于守恒定律,推导了两种适用于一、三维模式联解的算法,与以往算法不同,河网模式的水动力部分直接与FVCOM的二维外模联解,有效提高了计算效率;最后,基于联解算法成功实现上述两模式的整体联解。利用丰富的实测、遥感资料分别对模式进行了率定和验证,计算结果和实测、遥感数据吻合较好,模式能较好的模拟相应的水动力和盐、淡水混合与扩散过程,具有较好的精度,证明本文所发展的模式是可以应用于珠江河口咸潮上溯问题研究的。 将模式应用于珠江河口,利用整体联解模式,创造性的实现了珠江河口水系河网-河口-近海的整体数值模拟,且计算网格具有较高的分辨率,能够准确拟合曲折岸线和多变的水下地形,使得模式能够充分体现河网与河口,河口与近海及河口各口门间的相互影响和耦合作用,计算精度得到了一定程度的提高;利用计算结果,对珠江河口水系咸潮上溯过程和机理进行了详细、深入的分析,提出了珠江河口盐、淡水输移“盐水东进,淡水西飘,深入浅出”的基本动力机制;开展了基于机理研究的(Process oriented)数值模拟试验,依据计算结果分析了径流、潮汐、地形、风、人类活动等各影响因素对珠江河口咸潮上溯的影响。


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