渤海流场的数学模拟和应用Word文档格式.docx
- 文档编号:14208544
- 上传时间:2022-10-20
- 格式:DOCX
- 页数:23
- 大小:897.17KB
渤海流场的数学模拟和应用Word文档格式.docx
《渤海流场的数学模拟和应用Word文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《渤海流场的数学模拟和应用Word文档格式.docx(23页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
M2分潮;
二维潮流数学模型
黄河口滨海区及渤海深海流场特性是影响黄河口水沙运动的基础。
本文利用平面二维模型的水动力模块模拟渤海流场水位、流速大小和方向的动态变化;
在此基础上,分析了黄河口实体模型的水流控制的难点所在,分析了黄河口滨海地形测验资料整编传统方法的缺点关键技术,初步分析了用向深海延伸黄河口、治理黄河口的方法是否可行。
1.基本方程
基于水动力学和泥沙运动力学的河口模型能够计算在河流来水来沙、风、浪、潮汐、盐度、温度等因素共同作用下河口海域的水沙运动和地形演变。
其基本方程为水流连续方程和动量方程。
X方向动量方程:
Y方向动量方程:
式中,ζ为水位(m),d为河底高程(m),h为水深(=ζ-d)(m),p、q分别为x,y方向的单宽流量(m3/s/m),即p=hu,q=vh,u、v分别为流速在x、y方向的分量,C(x,y)谢才系数(m1/2/s),与曼宁系数的关系为c=n-1h1/6,g为重力加速度(m/s2)),f(v)为风摩擦系数,V、Vx、Vy分别为风速及其在x,y方向的分量(m/s),Ω科氏力系数s-1,pa为大气压力(kg/m/s2)),ρw水的密度(kg/m3),x,y为距离(m),t为时间(s),E为水流紊动粘滞系数,由Smagorinsky公式计算,
由于本研究重点在于分析渤海潮流场的基本特性,所以暂时不考虑潮汐以外的其他因素如风、浪、温度、盐度和河流入汇的影响。
2.模拟的基本条件和率定
本研究模拟范围为黄河口以外、渤海海峡以西的整个渤海。
黄河口附近海域地形采用黄河水利委员观测的1980年、1981年的滨海区地形,其他海域地形采用黄河水利委员设计院测绘总队和中国人民解放军4210工厂在1998年共同编汇的1:
1百万的渤海地形图。
计算网格为边长5000m的正方型网格。
边界条件:
利用渤海海峡的北长山、北隍城、羊头洼三站潮汐调和常数,用调和分析模型预报出三站的潮汐过程,做空间线性内差作为模型的边界条件。
模拟周期为1981年7月1日-8月22日,模拟时间步长为30秒。
模型的率定:
需要率定的参数主要为Smagorinsky公式子涡扩散系数(Cs)和反映河床糙率的曼宁系数(n)。
率定的结果为,曼宁系数为0.0125s/m1/3、Smagorinsky系数为0.5时,模拟结果,如M2分潮无潮点位置、渤海M2分潮潮差空间分布(图1)、渤海湾附近海域潮流逆时针方向旋转、K1、O1、S2等分潮潮差远小于M2分潮潮差等指标与实测资料相符。
(a)模型计算的M2分潮潮差
(b)基于实测资料的M2分潮潮差
图1实测和计算的渤海M2分潮潮差分布
3.模型参数的灵敏度分析
进行模型参数灵敏度分析的目的是研究每个参数对水流的影响程度,本文的可调参数为子涡扩散系数(Cs)和河床糙率。
由图2可知,在曼宁系数不变的情况下,随着Cs增大,潮位、流速降低,但是变幅很小。
由图3可知,在涡粘系数一定时,随着曼宁系数的增加,潮差和流速振幅明显变小。
图2曼宁系数为0.0125s/m3、不同Cs条件下的水位
图3Cs=0.5、不同曼宁系数(n)条件下的水位、流速过程
4.渤海流场特征
4.1水既向低水位处流、也向高水位处流
常见的河流水流特征是水向低水位处流,而在潮汐影响的水域,水流既可向低水位处流,也可向高水位处流,简述如下。
图4表示渤海湾中部某处的流速(流速方向以北向为基线,顺时针为正,单位为弧度),图5各图中等值线上的数字表示水位,箭头方向表示流向,箭头长短表示流速大小。
图4计算渤海湾中部某处的水位、流速、方向
9:
00时渤海湾处于较高水位(图4),由图5可知,此时渤海海峡水位较低,从渤海湾到渤海海峡水面比降向东,水向东流,呈现水向低水位处流的特征,而此时莱州湾水流却是向高水位处流。
其后,由于水流流出渤海湾,渤海湾水位逐渐降低、流速变大,与此同时,渤海海峡附近由于水流流入,潮位逐渐升高、流速变小。
(a)
(b)
(c)
(d)
图5(a)(b)(c)(d)计算的渤海水位和流速
12:
20时渤海湾水位接近低潮位、但水流继续东流,呈现水向高处流的特征,流速接近最大,此时渤海海峡附近水位接近高潮位,流速接近于零;
其后至至14:
20,渤海湾水位继续降低、流速开始降低,及至14:
20时渤海湾水流流速接近于零,渤海海峡附近水位较高,水向低水位处流(即向西流);
15:
20时,渤海湾水位由低逐渐升高、水流向西,呈现水向低水位处流的特征。
与渤海湾水流相似,莱州湾、辽东湾水流也具有水向低水位处流和水向高水位处流两种相互转化的过程。
这是典型的水流动能和势能相互转化的过程。
此特征表明,在某一时段内,渤海水面比降是水流的主动驱动力,而在其他时段,其是水流的阻力――此特征是一般河道水流所没有的。
这是黄河口实体模型试验水流不同于其他单向重力流的特征之一。
4.2旋转流和往复流
图4最大流速出现在半潮位时刻,而最小流速则出现在高、低潮位附近,表明渤海潮波为旋转型。
不同的地点流速矢量旋转的方向不同(顺时针、或逆时针)例如,在渤海湾为逆时针旋转。
越近岸边,潮流椭圆长轴相对较长,且平行于海岸线,表现为越为明显的往复流。
5.应用
5.1黄河口实体模型水流控制的难点
渤海水流既朝低水位处流,也朝高水位处流,同时,渤海水流为旋转流,神仙沟口外存在M2无潮点等,都是黄河口实体模型水流控制的难点所在。
5.2黄河口滨海地形测验中潮位的确定
测验断面某点的高程Hb,是通过水位Z和该点瞬时实测水深(h)得到的,即Hb=Z-h(图6)。
瞬时水位Z
海底高程Hb
h
高程基面
图6海底高程的求法
问题是,如何求出水位?
传统的方法是,假定任意测点水位等于附近岸边测点水位。
然而,这个假定常常造成黄河口滨海区深水区出现严重的淤积――显然不符合实际。
用数学模型检查这样的假定。
先看黄河口外滨海测验常用的35个断面中的第12断面(图7)。
点绘第12断面两端点瞬时水位,计算两端点水位差,如图8所示,可见测验断面两端点水位差不是像假定那样为零,而是-0.4m到+0.6m。
图7渤海湾滨海区地形测验断面分布
图8第12断面两端点处水位差
同理,可计算处其他34断面两端点的水位差(图9),可见35个断面两端点水位差约为-0.4m--+0.5m.
由上述可见,有必要使用数学模型为黄河口滨海区地形资料整编提供所需的水位。
图9黄河口滨海区每个断面两端点水位差
5.3筛选黄河口治理战略和方案
如何治理黄河口一直是大家关心的大事之一,不同的专家提出了各种不同的观点。
数学模型是筛选治理方案的经济手段之一。
5.3.1黄河口治理观点1研究:
黄河口向深海延伸
有专家提出,尽量向深海延伸黄河口,希冀突出的沙嘴造成的流速增大能够把泥沙输送更远。
下面用数学模型来论证此观点是否可行。
考虑两种情形:
黄河口向东延伸、以及黄河口向西延伸。
首先看黄河口向东延伸的情形。
用数学模型计算出当黄河口延伸0km、10km、20km、30km、40km、50km、60km、70km、80km、和90km时各点的流速,取流速最大值,然后用延伸后的流速最大值减去延伸前的流速最大值。
图10为当黄河口延伸30km时的流速最大值减去延伸20km时流速最大值所得的差值分布图。
可见,黄河口延伸的确可以增加沙嘴附近的流速,但是流速明显增加的区域面积较小。
.
这些结果表明,即使黄河口延伸造成口门局部流场增强,输送到黄河口的泥沙的较粗沙仍不会被水流带到较远的地方,仍将淤积在口门附近。
模拟结果初步否定了此种治河观点。
图10黄河口延伸30km、20km时流速最大值差值
几十年来黄河口研究表明,尽管专家们对黄河口淤积延伸对黄河下游河道演变影响有不同的认识,但是对黄河口淤积延伸必然反馈抬高其上游河道的看法还是一致的。
因此,用把黄河口延伸到深海、希冀借助突出沙嘴造成流速增大把泥沙带向深海的方法是既不可行、如果实施此方法,会加快黄河口上游河道河床抬升的速率。
5.3.2黄河口治理观点2研究:
加大入海流量,希望大流量把泥沙带到深海
有专家提出,黄河口治理可以通过加大入海流量,希冀大流量把泥沙带到深海。
用数学模型模拟了清水沟口门大流量(5000m3/s)、出流方向为0度(N)、45度(NE)、90度(E)、135度(SE)、180度(S)时黄河口口外的流场。
这些流场与清水沟口门流量(0m3/s)时的流场相比较,可看出当清水沟口门大流量时的影响范围(图11),其大致为口门附近40km(南北向)×
30km(向东)。
这个范围还是比较小的,无法把泥沙输送更远。
5.3.3黄河口治理的根本出路:
用堆沙空间换行河时间
黄河口来沙多时,河口延伸长,反之,来沙少时则短――钓口河1976年后停止行河后,钓口河附近海岸大量蚀退。
这些事实表明,入海沙量是决定黄河口地貌演变的关键因素,因此,如何控制黄河口入海水沙应是黄河口治理的关键。
图11黄河口流路向东时不同出流角度对向东西向流速的影响(河口流量5000m3/s)
从理想的角度,适量(既不太多、也不太少)的泥沙既能防止黄河口河道萎缩、也能使河口海岸处于冲淤平衡。
但是,实现起来可能不太容易:
需要为黄河口建立一个或多个分水分沙系统,还需要动态调度黄河口水沙过程。
黄河口治理的出路是,在尽量控制黄河口来沙量的基础上,先相对稳定地使用一入海流路,然后有计划地摆动到另一流路,由海洋动力蚀退非行河流路海岸,待蚀推达到一定程度后,伺机再使用。
即用有限的容沙体积换取黄河口流路的行河时间。
至于何时实施人工流路摆动等,需要大量的数学模拟工作。
6.结论
(1)平面二维数学模型能够再现渤海流场的基本特性。
(2)在平面二维潮流参数中,子涡扩散系数的变化引起的水流变化较小,而糙率的变化引起的水流变化较大。
(3)渤海流场的基本特性是:
渤海潮波、潮流是旋转型的,水流既可由高水位向低水位流,也可由低水位向高水位流。
这些特点决定了黄河口实体模型水流控制的难点所在。
(4)黄河口滨海区水位不是水平的,岸边与深海处水位相差约-0.4m--+0.5m;
至今黄河口濒海区地形整编时使用的假定(深水区水位等于岸边水位)造成深水区出现虚假的淤积现象,可由数学模型提供动态的水位加以消除。
(5)渤海水动力数学模型模拟表明,藉把黄河口牵引到深水区或增加黄河口入海流量的方法都只能增加口门附近局部的流场强度,对此小范围之外的流场影响不大,因此,这些方法无法把黄河口入海泥沙的较粗部分输沙到深海。
(6)黄河口治理的根本出路是,在控制黄河口的水沙量的基础上,同
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 渤海 数学模拟 应用