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近岸区波流耦合下三维水流模型及在悬浮物质运动中的应用

谢媛媛  
【摘要】: 从全球范围看,海岸及河口区域人口密集,人类的各种活动频繁,是经济发展的重要区域。在自然条件上它处于陆海交界地区,各种水动力要素关系复杂,并且由于人们对近岸海洋资源的开发和利用,使得近岸区的环境变得脆弱。近年来人们愈加关心近岸区的环境问题,如泥沙、盐度、污染物的扩散等。这些环境问题都和近岸区的水动力条件息息相关,所以我们需要对近岸区的水动力环境做出正确的计算和预测。由于实际观测在时间空间都存在局限性,人们开发出了各种水动力数值模型,使用计算机进行相关分析和计算,并且随着基础理论的完善和计算机性能的提高,使用数值模型模拟近岸区的水动力场越来越受工程部门的重视。 本文使用水动力-生态耦合模型COHERENS以及第三代波浪产生模式SWAN模拟了近岸区波流耦合下的三维水流。首先,按照Zhang推导的辐射应力垂向分布公式,编写FORTRAN程序模块引入COHERENS,完善其水动力模块。其次,使用完善了的COHERENS建立荣喜海域的水流模型,模拟本海域在波流耦合作用下的三维水流,其边界条件使用逐步嵌套得来,区域里面的各波浪要素调用SWAN计算。使用观测站点数据验证引入辐射应力垂向分布的COHERENS的正确性。最后使用本模型模拟了大宇船厂海域的泥沙以及董家口的污染物扩散运动。通过上述研究,可以得到以下的结论: 1、在研究近岸流场以及悬浮物质运动时应该考虑波流耦合作用,波流耦合作用下流场产生较大变化,尤其在潮流高、底潮时刻,波生沿岸流十分的明显。考虑波流耦合作用时,近岸悬浮物质的扩散更加剧烈,并且离岸传播率也会加大。 2、当地近岸水深对波流耦合效果影响较大。当地水深较小时,波浪在浅水效应等的作用下变形较大,波浪产生的辐射应力梯度较大,波流耦合作用明显,产生较强的波生沿岸流,流场变化较大。当水深较大时,波浪受近岸地形等的影响较小,产生的辐射应力梯度较大,波流耦合作用不明显,流场变化较小。 3、在使用辐射应力计算波生流时,本文发现在在深水区,辐射应力随波浪周期、波高变化;水深减小到有限水深后,辐射应力不再随波浪的周期、波高变化。并且在相同点处, S yy、S xx垂向呈直线变化, S xy垂向呈对数变化。在不同水深点处的表面辐射应力,随当地水深呈折线变化。 4、本文在研究近岸流对波浪的影响时发现:离岸流的流速和梯度对波浪向岸传播时的波高变化都有较大的影响。沿岸流流速大小对波浪的向岸传播影响不大。但是沿岸流流速梯度绝对值越大,波浪向岸传播时损失越剧烈。


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