强潮河口三维水流泥沙湍流数学模型研究

1、强潮河口三维水流泥沙湍流数学模型研究1、项目研究意义沿海地区是浙江省经济最发达地区，河口地区的GDP约占整个沿海地区GDP的70%，其经济发展与潮汐河口的整治与开发息息相关。河口地区拥有丰富的水资源、港口岸线资源、滩涂资源、潮汐能资源、景观资源（钱塘江河口拥有涌潮资源）以及湿地资源，开发保护好这些资源，需要研究现有水文条件下以及修建涉水工程后河口的形态（水流形态和河床形态）变化。本项目在统计分析浙江省强潮河口的水文泥沙以及水下地形资料的基础上，建立非正交曲线坐标系、非静压假定下、具有自由波动水面的强潮河口水流泥沙三维湍流数学模型，这在国内外同类研究中尚属先进水平。它可以进一步提高对浙江省强潮河

2、口水动力、泥沙输运模拟的精度和可靠性，更合理、有效而经济的解决实际工程问题，为本模型进一步发展成三维水流、泥沙、水质的动力学模型以及河床演变动态模型打下坚实的基础，可为我省强潮河口的规划、整治、开发、水环境保护及生态建设等提供科学依据和可靠的手段，具有十分重要的理论价值和广阔的应用前景。2、项目研究目标及与申请者研究工作长期目标的关系；2.1 研究目标通过开展该项目的研究与应用，可进一步认识浙江省强潮河口水流泥沙运动规律，结合横向科研项目开展具体涉水工程对水流、泥沙以及局部范围河床地形影响的模拟计算，可以更方便、快捷、经济地为工程规划、设计和施工提供决策依据。2.2 与研究工作长期目标的关系本

3、项目的研究工作将作为浙江省强潮河口水流、泥沙和污染物扩散输移相耦合的三维湍流数学模型研究前期成果，预期成果可以进行浙江省强潮河口水流、泥沙、河床演变、水质以及水环境容量综合预报研究，与具体的工程项目相结合可以提高浙江省强潮河口的防灾减灾能力、水资源的综合利用能力，缓解浙江省水资源短缺现状，促进浙江省国民经济的可持续发展。3 项目研究内容，研究方案和进度安排3.1 研究内容本项目以研究浙江省强潮河口水流泥沙输运规律和河床演变对涉水工程建筑物响应的非线性关系为目标，广泛涉及强潮河口在径流、潮流等波浪等共同作用下水流结构、泥沙输运、河床响应之间关系的理论和方法。首先，利用丰富的实测水文、泥沙以及水下

4、地形资料进行分析，对泥沙的来源进行定性分析，并进一步开展定量研究，为数学模型提供合理的边界条件。基于Reynolds平均的RANS方程建立非恒定、非静压假定、具有自由波面、非正交曲线坐标系下三维水流泥沙湍流数学模型，通过实测的天然强潮河口的水文、泥沙及河床地形资料进行验证，并进行天然情况强潮河口的水沙动力过程的预测，结合实测资料和经验公式进行长时期河床演变预测分析，借助OpenGL技术和VTK软件包建立起模型流场和泥沙场的动态图形显示系统。3.2 拟采取的研究方案本项目采用水力学基本理论分析、现场实测资料的统计分析和三维湍流数学模型数值模拟方法对强潮河口的水流结构、泥沙输运规律以及河床变形进行

5、综合研究。其具体技术路线如下:首先开展长时段实测水文、泥沙及波浪资料的分析，分析径流过程、涨落潮过程、泥沙来源、沉积过程及波浪统计数据，建立径流-泥沙、潮流-泥沙、波浪-泥沙等之间的相关关系。开展长时期水下地形资料的分析，分析强潮河口的历史演变规律，并预测其演变趋势。分析涉水工程建设前后工程附近水域的水下地形变化及水流泥沙分布特征，建立结构物尺度与水流、泥沙分布、河床变形之间的非线性关系。根据水流、波浪、潮汐以及泥沙运动的基本方程，推导非静压假定下具有水波自由面的三维水沙输运方程，在动量方程中引入表面风应力、浮力、柯氏力、波浪辐射应力以及波流阻力的作用，在泥沙输运方程中的源汇项引入絮凝影响的泥

6、沙沉速、挟沙力参数。并将其转换到非正交曲线坐标系下，建立强潮河口的水流泥沙输运的三维湍流模型。模型的离散采用控制体积法，首先积分控制方程组，然后在曲线网格上离散，对流项具有二阶精度的迎风格式。利用水槽试验提供泥沙方程中的各参数，根据天然实测资料对模型进行验证。将模型应用于典型强潮河口的三维水沙动力学模拟，并借助OpenGL技术和VTK软件包建立起模型流场和泥沙场的动态图形显示系统。3.3 拟解决的关键问题(1) 强潮河口边界条件变化与水流、泥沙及河床地形响应之间的非线性关系确定；(2) 非正交曲线坐标、非静压假定、具有自由波动水面的三维水流泥沙和湍流数学模型的建立及验证；(3) 所建三维湍流数

7、学模型在钱塘江河口水流泥沙运动的模拟计算；3.4 研究进度计划起止年月研究内容第一年度（2006.12006.12）开展长时段实测水文、泥沙、波浪及水下地形资料的分析，以及强潮河口的历史演变趋势和涉水工程建设前后工程附近水域水流结构、泥沙分布特征和水下地形变化分析，建立强潮河口径流-泥沙、潮流-泥沙、波浪-泥沙等之间的相关关系和结构物尺度与水流、泥沙分布、河床变形之间的相关关系，并为数学模型提供可靠的边界条件。推导非正交曲线坐标、非静压假定下、具有水波自由面的三维水沙输运方程，建立强潮河口水流泥沙输运的三维湍流模型。采用控制体积法离散模型，首先积分控制方程组，然后在曲线网格上离散，对流项采用具

8、有二阶精度的迎风格式，模型的数值求解通过Fortran90编写程序实现，并初步完成模型的调试工作。第二年度（2007.12007.12）通过整个强潮河口和局部重点区域的实测资料，对本项目所建数学模型的水流、泥沙进行验证，并与物理模型进行相互验证。进行强潮河口长时段水流、泥沙多数值模拟工作，结合实测资料和经验公式进行长时期河床演变预测分析。应用数学模型对横向科研项目开展具体涉水工程对水流、泥沙以及局部范围河床地形影响的模拟计算，更方便、快捷、经济的为工程规划、设计和施工提供决策依据。4、项目创新之处(1) 通过丰富的强潮河口实测水文、泥沙以及水下地形测量测验资料，进行河口长历时径流、潮汐相互作用

9、下的河床演变分析，以及修建涉水工程前后水流结构、泥沙输运和水下地形的变化相关关系研究，可建立边界条件变化与水流、泥沙及河床地形响应之间的非线性关系。(2) 本项目所建数学模型是具有水波自由面、采用非静压假定、基于非正交曲线坐标系建立、非恒定条件下、三维水流泥沙的湍流数学模型，可以揭示强潮河口水流结构、泥沙输运规律，在国内外处于先进水平。5、工作基础与工作条件申请者在攻读博士学位期间参加了导师主持的多项纵向科研课题的研究工作，其中包括国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金重点项目等。在博士学位论文研究中采用坐标变换的方法，推导了Reynolds平均RANS方程的平面二维坐标变换、立面二维坐标

10、变换和三维坐标变换公式；对于网格变量的布置，采用了B-交错网格、C-交错网格和同位网格三种网格系统；建立了曲线坐标系下平面二维、立面二维和三位标准湍流模型和代数应力湍流模型，并进行了初步验证工作，取得了多项创新性研究成果。在国内外学术刊物和国际会议上发表论文20篇（被SCI、EI收录10条），其中作为第一作者的12篇，作为第四参加人获教育部自然科学二等奖，为本课题研究取得了丰富的前期研究成果，全面掌握了国内外这方面的研究现状、存在问题以及发展前景，为本课题的研究奠定了重要的前期研究基础。一方面，申请者在攻读博士学位期间参加了多项波浪和潮流的海岸工程物理模型试验，拥有一定的实验基础。另一方面，申

11、请者所在的试验室，具有国内一流的实验设备、计算条件和协作条件，这些都是使我们得以完成本项目的客观条件。另外，申请者在攻读博士学位过程中，担任过助教工作，协助导师辅导研究生硕士学位论文研究，具有一定的科研协调能力。在此基础上，经过课题组2年的努力完全可以达到预期研究目标。6、预期研究结果及其利用研究结果的计划和今后发展的思路6.1 国内外现状、发展趋势和对比预测浙江省潮汐河口和近海水域，一方面由于地形地貌、工程几何形态尺度以及各种障碍物的影响，其水流形态为湍流。另一方面径流、潮流、波浪以及风、柯氏力等因素是影响河口地区物质输运及沉积的主要动力条件，这些动力因子的分别或耦合作用给河口的泥沙、盐分、

12、污染物及热量的输运研究带来了复杂性。国际上对潮汐河口水动力数值模拟始于20世纪60年代后期。基于简化过的三维浅水方程，Leedertse(1973)开创性地在垂直方向采用固定分层法建立了河口、海湾三维潮流、盐度模型。为了更好地模拟河床地形变化，研究人员将Phi1ips(1957)提出的坐标变换应用到河口与海岸三维模型中。以Princeton大学Mellor为首的海洋动力环境数值模拟小组从20世纪80年代开始一直致力于三维数模的开发与应用研究，其代表性软件为POM，以及MIT的陈长胜等人在POM基础上发展起来的适合于河口计算的ECOM-SED；德国汉堡大学海洋研究所Backhaus(1983)等

13、人发展的汉堡陆架海模式HAMSOM在全世界的许多陆架海上也得到广泛的应用。Sheng(1987)建立了一般曲线坐标下的三维水动力学模型(CH3D)，该模型也采用坐标系，水平方向的运动方向采用水平流速矢量的逆变分量来表示，荷兰的Delft建立起来Delft3D也得到了比较广泛的应用。我国对潮汐河口的数值模拟研究，以平面二维模型最为普遍，开始于80年代初期，赵世清、汪德爟、成安生、刘桦等等先后以不同方法开展了对长江口的模拟，取得了大量的科研成果，模拟结果实现了可视化。对于长江口三维数学模型的研究，赵世清、宋元平、徐贵泉、诸君达等等作了很多开创性的工作，目前我国已经自行开发出长江口三维数学模型CJK

14、3D系统，成功的应用于长江口潮流、盐度以及泥沙的模拟。但国内外对于强潮河口的水沙输运规律及其造床作用研究，由于其水流泥沙动力条件极其复杂，目前流行平面二维模型以及基于静压假定下的三维模型，不能够反映强潮河口的垂向流速、泥沙的分布情况，更不能有效反映出自由水面波的传播情况。而且强潮河口的泥沙来源和泥沙输运都在探索阶段，需用通过分析大量水文资料以及进行悬沙动床物理模型进行专门研究。6.2 预期研究成果及应用前景预期可以完成本申请书中所提出的各项研究内容，达到预定的研究目标，建立非恒定、非正交曲线坐标、具有自由波动水面、非静压假定下的三维水流泥沙湍流数学模型，它将正确地反映径流、潮流、波浪共同作用下

15、水流、泥沙的输运过程。结合动态显示技术，合理的预报强潮河口在修建涉水工程后的局部流态、河床冲淤变化，将构造功能齐全、理论比较先进和完善的水沙动力预报模型，并可为课题组将来要开发的强潮河口水质、水生态模型提供技术储备。此外，还将在国内外重要期刊上发表研究成果论文810篇。模型不仅具有重要的理论价值，而且具有十分广阔的应用前景，可以应用于：(1) 强潮河口大范围三维水流结构、泥沙输运特征的分析研究；(2) 强潮河口涉水工程建设对工程附近水水流、泥沙和局部冲淤变化研究；(3) 强潮河口滩涂预测技术及湿地保护研究；(4) 强潮河口治理过程中河床地形变化及预测技术研究；(5) 强潮河口出海航道的规划和整

16、治措施研究；(6) 钱塘江涌潮景观保护研究。6.3 今后发展思路利用研究结果的计划及今后发展思路：通过将该项研究成果与我院承接的浙江省各大河口的规划、治理和大型涉水工程建设的横向科研项目相结合，同时进一步开展河口泥沙运动理论和河床演变理论研究，申请国家自然科学基金项目，在理论和实践两方面得到提升，有效的协助浙江省强潮河口的综合治理和开发，为浙江省经济的可持续发展做出贡献。7、参考文献1 韩曾萃，戴泽蘅，李光炳等著，钱塘江河口治理开发，中国水利水电出版社，2003年9月2 毛汉礼，甘子钧，沈鸿书，杭州湾潮混合的初步研究I.上湾区，海洋与湖沼，1964, 23 毛汉礼，甘子钧，沈鸿书，杭州湾潮混合

17、的初步研究II.下湾区，海洋科学集刊，1989，第30集4 周济福等，河口泥沙研究的进展，泥沙研究，2003，65 耿兆铨等，杭州湾北岸深槽形成机理及其维护研究之三数学模型，浙江省河口海岸研究所科研报告，1991，36 黄冠鑫，杭州湾的潮波，浙江省河口海岸研究所科研报告，19807 韩曾萃，符宁平，徐有成，河口河相关系及其受人类活动的影响，水利水运工程学报，2001，18 沈焕庭，长江口入海物质通量，海洋出版社，2001年9 恽才兴，长江河口近期演变规律研究，海洋出版社，2004年10 郝瑞霞，韩新生，潮汐水域电厂温排水的水流和热传输准三维数值模拟，水利学报，2004，811 李孟国，曹祖德，

18、海岸河口潮流数值模拟的研究与进展，海洋学报，1999，21（1）12 沈焕庭等，河口最大浑浊带数学模拟研究的进展，地球科学进展，1994，9（5）13 毛汉礼等，杭州湾基本水文特征，海洋科学集刊，第一集，196514 曹沛奎等，杭州湾泥沙运移的基本特征，上海科学技术出版社，1989，815 李身铎等，杭州湾流场的研究，上海科学技术出版社，1989，816曾平. 近海水域三维非恒定排放场的全场数学模型 D. 大连: 大连理工大学博士论文, 199417沈永明, 郑永红, 邱大洪. 香港维多利亚港三维污染精细预报模型研究J. 水利学报, 2000, (8): 60-6418Casulli V and Cheng R T. Semi-implicit finite difference methods for three-dimens