（环境科学专业论文）三维泥沙模型及其在港口航道工程建设中的应用.pdf

文计算过程中，对于垂向泥沙扩散过程的模拟显示，海阳港区域泥沙垂向分布 较为均匀，各层浓度差异较小。通过对模拟海阳港泥沙输运特征，本文提出了 港口航道建设过程中减小泥沙扩散对海洋环境影响的方法和措施，有利于解决 经济发展与环境保护的冲突。 关键词：e c o m s e d ；海阳港；泥沙输运；环境影晌 a3 - ds e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o nm o d e la n di t s a p p l i c a t i o n i np o r t ss e a r o u t ec o n s t r u c t i o n a b s t r a c t w i t hc h i n a se c o n o m i cl e a p f o r w a r dd e v e l o p m e n t ，t h er a p i dg r o w t ho ft h e n a t i o n a le c o n o m y ，i n t e n s i f yt h eb u i l d i n go ft h ec h a n n e lp o r ti n c r e a s i n g l yu r g e n t ，b u t t h ec o n s t r u c t i o no ft h ew a t e r w a yw i l lh a v eal a r g en u m b e ro fm a r i n ea n i m a l sa n d p l a n t sn o tc o n d u c i v et ot h eg r o w t ho fp o l l u t a n t s ，m a i n l yf o rs e d i m e n t ，a n do t h e r s u b s t a n c e s c h a n n e li nt h ep r o c e s so ft h es u s p e n d e ds e d i m e n tw i l lt h es u r v i v a lo f m a r i n ep h y t o p l a n k t o na n i m a l se n v i r o n m e n t a li m p a c t ，w h i l es e d i m e n tt r a n s p o r tf o r t h em a i n t e n a n c eo ff a i r w a y sa l s oh a v ev e r yi m p o r t a n ti m p l i c a t i o n s t h e r e f o r e ，t h e s e d i m e n to fav e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b yu s i n ga d v a n c e dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h es p r e a do fs e d i m e n tt r a n s p o r t e c o m s e d ，w h i l et h ei n t r o d u c t i o no fw a v em o d u l e s ，s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h e h a id u o n gh o n gk o n gw a t e r w a yc o n s t r u c t i o no ft h es e d i m e n tt r a n s p o r tl a w ，w h i l ea w a v eo fs e d i m e n tt r a n s p o r to nt h ei m p a c to nt h em a r i n ee n v i r o n m e n tc h a n n e lt h e i m p a c t i na d d i t i o n ，t h es e d i m e n tt r a n s p o r ti nt h ep r o c e s so fr e - s u s p e n s i o na n dt h e p r o c e s so fs e t t l e m e n ti nt h es e d i m e n tt r a n s p o r ti n f l u e n c ei nt h ep r o c e s so fd o i n ga p r e l i m i n a r ys t u d y ，a n a l y s i so ft h ed i f f e r e n tp h y s i c a lp r o c e s s e so nt h em a r i n e e n v i r o n m e n tu n d e rt h ei n f l u e n c e a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ea c t u a l p r o c e s so ft h em a r i n ew o r k su n d e rd i f f e r e n ts e d i m e n tt r a n s p o r to p e r a t i o n so nt h e m a r i n ee n v i r o n m e n ta f f e c t e d i nt h i ss t u d y ，at h r e ed i m e n s i o n a ls e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o nm o d e li sa p p l i e dt o s i m u l a t et h ec u r r e n t sa n dd r e d g e ds e d i m e n td i s p e r s i o na n dt r a n s p o r t a t i o no fh a i y a n g p o r t s f o u rs e c t i o n sa r ei n c l u d e d ：( 1 ) u s i n gn o n p o i n te x c a v a t i o nm e t h o d s ，n a m e l y ， 3 4 s h i p se x c a v a t i o n ，3 4s h i p sa r ee x c a v a t i n ga tt h es a m et i m e ，a n dt h ep r o c e s so f r e s u s p e n s i o ni sc o n s i d e r e d ( 2 ) u n d e rn o n p o i n tc o n s t r u c t i o nm o d e ，r e s u s p e n s i o ni s n o tc o n s i d e r e da n dt h er e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h o s et u m e dt h er e s u s p e n s i o no f f ( 3 ) t h es e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o n c h a r a c t e r i t i c su n d e ri n f l u e n c eo fw a v ea n d c u r r e n t s ( 4 ) w h e nt h i sp r o j e c t i sc o n d u c t e da s p o i n tm o d e ，n a m e l y o n l y o n e c o n s t r u c t i o ns h i pw i l lb ei no p e r a t i o na n di tm o v e sa l o n gt h et o - b e - c o n s t r u c t e dp o r t i nt h em o d e l ，t a k i n gi n t oa c c o u n tf l o wa n dt h er o l eo fw a v e so nt h es e a b e da n dt h e s e a b e dt h i c k n e s sc h a n g e sc a nb em o r ea c c u r a t et os i m u l a t es e d i m e n tm o v e m e n t i nt h i ss t u d y ，e c o m s e dm o d e li sa d o p t e dt os i m u l a t et h et i d a lc u r r e n t sa n d s e d i m e n t t r a n s p o r t a t i o n o fb a r o t r o p i cm o d e l w h e n s i m u a t i n g t h es e d i m e n t t r a n s p o r a t i o n ，c o n v e c t i o n d i f f u s i o ne q u a t i o ni ss o l v e db ya d ia r i t h m e t i c ，i nw h i c h t h ef i r s ts t e pi s s o l v i n gc o n v e c t i o np r o c e s sa n dt h es e c o n ds t e pi ss o l v i n gt h e d i f f u s i o np r o c e s s a f t e rt h o s et w os t e p s ，t h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o na te a c hg r i di s o b t a i n e d ，a n dt h e nt h ee r o s i o na n dd e p o s i t i o no fs e a b e di sa l s oc a l c u l a t e d h a i y a n gp o r t si sv a l u e da st h ee c o n o m i ch u bo fh a i y a n gc i t y ，a n dm e a nh e a v i l y t 0i t se c o n o m y ，t h u si t so fg r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d yt h es e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o no f h a i y a n gp o r t i nt h i ss t u d y ，t w ow a y so fe x a v a t i o ni ss t u d i e d ，a n dw h e nw o r k i n gi n t h ef i r s t w a y ，n a m e l yn o n p o i n tm e t h o d ，t h r e ep o s s i b l es i t u a t i o n sa r es t u d i e d ，w h i c h a rew i t hr e s u s p e n s i o no rn o t ，w i t hw a v eo rn o t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nw i t hr e s u s p e n s i o no ni so f m u c hh i g h e rt h a nt h o s en o t ，b u tt h es e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o ni sm a i n l yc o n t r o l l e db y c u r r e n t s ；u n d e ri n t e r a c t i o no fw a v ea n dc u r r e n t s ，t h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ni sa s t w ot i m e sl a r g e ra st h o s ew a v en o ti n c l u d e d s i n c et h em o d e li se v e n l yd i v i d e di n t o 10l a y e r sa n dt h ev e r t i c a lm i x i n gc o e f f i c i e n ti sc o n s i d e r e ds m a l l ，t h es e d i m e n t d i s t r i b u t i o na te a c hl a y e ri ss p r e a d e de v e n l y t h er e s u l t so ft h es t u d yw a t e r w a y d r e d g i n gd ot h ep r e l i m i n a r yp r e p a r a t i o n s k e yw o r d s ：e c o m s e d ， s e d i m e n t t r a n s p o r t a t i o n ，h a i y a n g p o r t ， e n v i r o n m e n t a li m p a c t 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注；地没直其他盖蔓挂别直明的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：弛 签字日期埘年月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络 向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 薹字 签字日期：唧年月6 日 v 电话： 邮编： 锣厶d巨钿 名 年 签以 者 玲 凇 耐 文 期 论 日 位 字 学 签 三维泥沙模型及其存港u 航道t 程建设中的应用 o 前言 随着国家经济的发展和对环境的关注重视，不断有新的港口、航道需要建 设以满足经济的发展，同时，在港口开挖疏竣回填的过程中会产生疏竣土， 这些会给该海区环境带来一定的影响。比如，悬沙、淤泥浓度超标的话会给海 洋生物植物带来负面影响。同时，为了保证航道的正常运行以及保证港口航道 建设不对海岸造成负面影响，需要对该区域的泥沙状况，建设前后流场变化， 冲淤变化及海床变化进行研究。 悬浮泥沙简称悬沙，它在风浪、海流等因素的作用下，经常处于沉积悬 浮一运移的不断循环运动过程中。悬沙运动对岸滩塑造、海港航道冲淤都有着 重要的影响。因此，对悬沙的数值研究有着非常重要的意义。随着国家经济的 发展和对环境的关注重视，不断有新的港口、航道需要建设以满足经济的发展， 同时，在港口开挖疏竣回填的过程中会产生疏竣土，这些会给该海区环境带来 一定的影响。因此有必要对开发工程中含沙污水排放对环境可能造成的影响范 围和程度进行研究，提出针对含沙污水的切实可行的预防或者减轻不良环境影 响的对策和措施，为管理部门提供决策依据，为开发工程的环境保护设计提供 科学依据，为作业者实施完善的环境管理措施提供可操作依据，对沿海社会、 经济的可持续发展也有着较为重要的现实意义。 本文将应用三维水动力泥沙模型e c o m s e d 研究分析海阳港航道建设产生的 悬沙对周围环境的影响。对港口工程提供科学依据，对其工作提供有科学价值 的参考，使航道更加稳定，起到保护海洋环境的作用。 三维泥沙模型及其在港u 航道t 程建没中的应用 1 概述及研究现状 1 1 泥沙输运研究的意义 泥沙运动是海岸河口地区一种重要的自然现象。人类在海岸河口地区从事资 源开发的生产活动，如建设港口、开挖航道、修建防波堤、围海造陆、架设桥梁 等，必须要考虑和了解泥沙运动，因为泥沙运动的结果会产生岸滩冲刷、淤积、岸 线变形、港口航道淤积、防波堤等建筑物根底部淘刷等问题，而这些问题是海岸 河口地区海岸工程、水利工程、港口航道工程等必须要考虑和解决的问题。泥 沙研究已经成为一门重要的学科。我国海岸线漫长，入海河流众多，泥沙问题严重 ( 李孟国，2 0 0 6 ) 。 随着人类自身文明的发展，人们己经认识到自然资源对人类的持续发展是至 关重要的，认识到环境问题和与之相关的生态问题是发展经济所应优先考虑的 问题。随着国家经济的发展和对环境的关注重视，不断有新的港口、航道需要 建设以满足经济的发展，同时，在港口开挖疏竣回填的过程中会产生疏竣土， 这些会给该海区环境带来一定的影响。比如，悬沙、淤泥浓度超标的话会给海 洋生物植物带来负面影响。悬浮颗粒物( 以下简称悬浮物) 在海水中的输运问题， 己经越来越引起人们的关注。因为悬浮物除了对海底沉积有作用外，还有其它 方面的影响。首先，悬浮的细颗粒物质是许多营养物质和污染物质的载体，这 些营养物和污染物将随着悬浮物而运移；其次，海水中的悬浮物会影响海水的透 光度，从而对生物的生长产生影响；再次，悬浮在海水中的这些物质，会被某些 滤食性生物食入体内，这样的话，这些颗粒及附着在其上的一些物质将直接进 入食物链。( 江文胜，1 9 9 7 ) 当然作为悬浮物的输运，还会通过其它一些方式对 海洋环境和海洋生态环境起到影响作用。这是近年来人们重视悬浮物研究的原 因。 悬浮颗粒物在三维潮流场中的输运数值研究浅海区的初级生产力、生物地球 化学循环及污染物的输送中起着十分重要的作用，是决定海水水质的关键因素 之一，同时也是陆架底质分布及演化中最重要的影响因素之一。所以近年来， 越来越多的科学家开始关注悬浮物数值模型的进展，他们还努力将悬浮物数值 模型与生物地球化学模型结合在一起最终集成到水质模型中去。早期，对这 问题的研究意义主要表现在研究岸界的变迁，岸滩的冲淤等问题上。后来，随 着生产力水平的提高，人们在海洋中的活动增加，这一问题的研究又在港口航 2 三维泥沙模型及其在港口航道t 程建设中的应用 道的淤积，海岸建筑物的安全性，以及海底电缆，输油管道的设计等方面起到 重要作用。由于悬浮质的运移对现代沉积结构的动力学解释是至关重要的，因 此，研究悬浮物的输运问题在这一领域中成为一个重要的研究方面。近几十年 来，动力沉积学的发展，使一部分沉积学家转而去研究那些正处于或刚刚发生 过侵蚀、沉积和输运过程的沉积结构j 而不是那些时间久远的，记录了历史沉 积过程的沉积结构，其原因也在于此。悬浮物输运问题，历来受到人们的普遍 关注。这一问题不仅对人们的生产生活有十分重要的实际意义，而且具有其本 身的学术价值。事实上，对这一问题很早就有人进行了研究，早期基本上是从 沉积物输运的角度来考虑的。作为沉积物输运，它有两种形式，一种称为推移 质输运，它的特点是沉积物颗粒只是沿着海底跳跃、翻滚、滑动，至多在短时 间内离开海底；另一种称为悬移质输运，也就是我们这里所说的悬浮物输运，指 颗粒能较长时间停留在水中，在向海底沉降的同时，随海水进行运动( 钱宁， 1 9 8 0 ) 。由此可见，研究悬浮物的输运问题，是研究沉积物输运问题的一条重要 途径。人们研究悬浮物质的输运有着十分重要的实际意义。例如，在海底钻探 和挖泥施工中，必然会扬起一些泥沙或产生一些钻屑、泥浆，出于对海洋环境 影响的考虑，人们应该对施工现场周围海域中悬浮物的浓度进行计算。 近年来，受人类活动的影响，近岸海域环境质量状况r 益下降。海洋虽有 巨大的自净能力，但是局部海域却因流体动力过程和生物化学过程不同，水体 的纳污和自净能力差别很大。了解某海域的物理与化学自净能力，掌握污染物 入海后的的输运规律，探明污染物在水体中的浓度分布及变化，研究污染物对 海洋生态环境的影响等是海洋环境研究的主要任务。深入了解港口航道建设中 泥沙输移规律，有助于提高人类对工程泥沙扩散机制以及对环境影响的认识， 从而更好的建设人与自然和谐大自然。 1 2泥沙输运研究历史和现状 我国海岸线漫长，入海河流众多，泥沙问题严重。我国的泥沙研究取得了巨大 成就，是少数几个保持国际领先水平的的学科之一( 李孟国，2 0 0 6 ) 。对于泥沙 研究，其研究手段主要有两类：一类是模型方法，包括数值模型和物理模型， 另一类则是近似估算法。后者相对简单，主要用于较简单的海洋环境预测。 模型是对实际事物高度的抽象和概括，包括物理模型和数学模型两类。物 三维泥沙模型及其在港口航道t 程建设中的麻用 理模型即常用的比尺模型，因其造价高、建设时间长，方案更改周期比较长， 对复杂自然环境条件不容易模拟，受时间和空间尺度限制较大等缺点，物理模 型实际应用中受到很大限制。数学模型是在对事物机理抽象的基础上建立起来 的数学物理方程。在合适的初、边值条件下，可以通过数值方法求得物理变量 的时空分布。数学模型除了能重现研究区域的流体运动和污染物的浓度分布外， 具有实践意义的是模型经过调整和验证可以用来预测由于大型海洋工程引起的 海域形态的变化对流场，浓度场，泥沙运动和生态系统的影响。数学模型以其 建造周期短，简单、经济和易调试等优点，目前已成为海洋环境研究的重要工 具。 河工物理模型试验可预测河流在自然情况下及修建水工建筑物后水库及河 道的水流泥沙运动规律、排沙特性、冲淤形态、河势变化等，是研究河床演变、 河道整治及洪水预测预演和水库运用方式等边界条件复杂、三维性较强问题的重 要手段。预测水沙运动和河床演变的另一重要手段为泥沙数学模型计算。一维 泥沙数学模型一般用于长河段、长时期和不同水沙组合及河床边界条件的泥沙冲 淤变形研究和预报；二维数学模型主要用于研究短河段、短时期的河床变形。利 用数学模型从事泥沙问题研究具有周期短、投资少的优势( 焦爱萍，2 0 0 2 ) 。 物理模型一直主要应用予各种水利工程，大型水利设施的建设，例如当今最 大的泥沙物理模型，三峡物理模型，物理模型根据量纲相似原理可以近真实的反 映水文特征，为工程建设提供可行性建议和研究。 河工物理模型一方面受模型尺寸( 实验场地) 、流量( 水库库容) 和水头( 水泵 扬程) 的限制，另一方面还受模型所用材料和实验时间的限制，同时还要受由河 工物理模型必须遵循的模型律所给定的条件限制( 焦爱萍，2 0 0 2 ) 。河工物理模型 在实用上的限制因素为：最小的模型比尺、模型尺寸( 上限) 、量测方法和数据采 集、边界和初始条件的已知程度。河工物理模型只能模拟有限的流动过程，而这 种限制在数学模型中是不存在的。数学模型的限制主要决定于储存能力、计算速 度。因为泥沙问题十分复杂，影响因素很多所以对于数学模型其根本性的限制 是水利工程中很多要研究的水流过程不能组成封闭的方程组。而在简化的方程组 中，假设关系的精度、系数的已知程度、空间与时间的分解程度( 下限) 、数值的 稳定性和求解方案的收敛性以及边界和初始条件的已知程度又成为数学模型实 4 三维泥沙模型及其在港u 航道丁程建设中的应用 用上的限制因素。因此，无论从泥沙运动机理、河床演变规律到建立模型数值求 解等各个方面都需要继续进行深入研究( 焦爱萍，2 0 0 2 ) 。要使数学模型趋于完善， 还需要大量的实测资料来进行验证和确定参数，故应加强流场及其变化特征的观 测，改进天然河道的观测方法和量测设备，提高数据采集的精度近年来，随着计 算机技术的迅速发展，河流过程的数学模型也随之发展起来，大型水利工程水沙 系统的数学模型为河流现象的研究提供了有力的手段。 在研究近岸地区泥沙输运问题时，往往根据当地泥沙底质的特征以及水动力 情况将泥沙的运动分为推移质输沙和悬移质输沙。由此，产生了许多的输沙率公 式，但主要是针对推移质输沙问题，比较有代表性的有：( 1 ) e i n s t e i n1 9 5 0 年的 推移质输沙率公式，该公式是基于概率和力学观点建立起来的，但其中不包含泥 沙临界起动流速的判别条件；( 2 ) b a g n o l d1 9 6 3 年的推移质输沙率公式；( 3 ) y a li n 输沙率律公式；( 4 ) e n g e l u n d1 9 7 6 推移质输沙律公式：( 5 ) a c k e r s 和w h it e1 9 7 6 年的总输沙率公式，这是一个包含推移质和悬移质在内的总挟沙力公式。钱宁 ( 1 9 8 0 ) 将这些公式进行了总结，并按的方法将它们统一转化为输沙强度和水流强 度的函数关系。经比较发现尽管这些公式具有不同的形式，但在本质上却是相似 的。朱玉荣对现有的这些主要输沙律公式在以潮流为主的浅海、陆架环境中适用 性进行了探讨。 对于波浪作用下的近岸泥沙输运主要集中在推移质方面和底部剪应力的计 算问题。因为不论从动力学、运动学还是功能观点来看，底沙的起动和输移都与 泥沙颗粒的受力状态有关。因此，对于底部剪应力的推求就成为了推移质输沙研 究的关键问题之一。另外，计算底部应力时都必需已知底摩阻系数，如何改进不 同底部边界层流态以及波、流共存时的底部摩阻系数的求法也成为不少学者致力 研究的课题。 对于悬移质，输沙率公式较少，主要有e i n s t e i n1 9 4 6 的悬移质输沙律和 b a g n o l d1 9 6 6 悬移质输沙律公式。但是在实际的应用中，这两个输沙律公式并不 多见。另外一类针对悬移质在近岸地区输运问题的方法是采用泥沙浓度扩散方程 结合水动力模型建立水沙模型的方法。目前此类方法在研究中被广泛采用并成功 应用到工程实际问题中。 泥沙数值模型的发展从空间上如同潮流数学模型一样经历了从一维岛三维 三维泥沙模型及其在港u 航道t 程建设中的应用 模型的发展阶段；考虑的物理因素上，也从早期的纯水流情况下的悬沙模拟、 纯波浪下的悬沙模拟发展到目前的波流共同作用下的悬沙模拟。近年来，波、 流共同作用下的泥沙运动获得了较大发展。练继建( 1 9 9 3 ) 对波流作用下的边界 层及床面剪切应力进行了研究，窦国仁( 1 9 9 5 ) 等给出了波流共同作用下的输沙 率公式，丁平兴( 2 0 0 1 ) 依据质量守恒将流场和悬沙场分别分解成3 种不同时间 尺度的速度和悬沙浓度的叠加，从理论上较严密的导出了适合海岸、河口区域， 能够反应波、流影响的三维流场方程和在波流共同作用下一般形式的三维悬沙 扩散方程。 在波流耦合的数学模式中，关键问题是周期有量级之差的波、流的耦合方 法。关于波、流耦合模型目前的大多研究成果( 郑永红，2 0 0 0 ：李孟国，2 0 0 3 ； 王厚杰，1 9 9 9 ) 均不关心波浪运动的瞬时变化，而只考虑波浪场的作用，将波浪 作用下产生的辐射应力、波浪共同作用的底部剪切应力融入到潮流动量方程中 去，构成波、流共存的控制方程。在二维模型中，学者们( 曹祖德，1 9 9 3 ；辛文 杰，1 9 9 7 ) 多采用波浪影响的床面剪切应力和波浪的辐射应力概念，建立水流泥 沙数学模型，研究浪、流共同存在情况下的水流泥沙运动情况。在三维模型中 考虑波浪对水流的影响，一般只考虑波浪对底部剪切应力的作用，也有部分学 者考虑了波浪对表面风应力的影响，x i ee t a l ( 2 0 0 1 ) 详细讨论了波流对表面和床面 剪切应力的影响。目前三维模型中很少考虑辐射应力对水流的影响，即使有些 考虑了，也是将二维的辐射应力沿垂向均分给各层。目前，许多研究者开始进 行波浪辐射应力的垂向分布的研究，m e l l o r ( 2 0 0 3 ) ，x i a ( 2 0 0 4 ) ，袁业立( 1 9 9 9 ) 等人初步得到了三维辐射应力的垂向分布。但由于垂向分布的辐射应力形式非 常复杂，该类模型还处于理论研究和探索阶段。目前一维和二维泥沙数学模型 比较成熟，在生产上得到了广泛的应用，但三维模型仍处于研究和探讨阶段。 三维泥沙数学模型起步于2 0 世纪8 0 年代，突出成果为e h e n ( 1 9 8 6 ) 矛l m c a n a l l y ( 1 9 8 6 ) 禾t j 用三维模型计算了河口的泥沙输运，以及w a n g ( 1 9 8 6 ) 等人利 用有限元方法建立河口三维泥沙数学模型。0 、c o n n o r 和n i c h o l s o n ( 1 9 8 8 ) 建立了 特征线方法计算泥沙输运方程对流项的方法。v a nr i j n ( 19 8 7 ) 在深入研究参数物 理特性的基础上，建立了一个三维悬沙输运模型，流场部分有一个深度平均的 二维模型和一个对数流速剖面来验证。c a n c i n oa n dn e v e s ( 1 9 9 9 ) 建立了一个三维 6 三维泥沙模型及其在港l 航道t 程建设中的应用 的考虑斜压效应的水动力和泥沙数值模型，模型中与细颗粒泥沙侵蚀、沉降和 絮凝有关的参数通过现场实测数据确定。l i na n df a l c o n e r ( 1 9 9 6 ) 用一三维悬沙模 型来预测h u m b e r 河口( 英国) 的悬沙通量。w a n ga n da d e f f ( 1 9 8 6 ) 和m a l c h e r e ke t a 1 f l o e ( 19 9 3 ) 发展了基于p e t r o v g a l e r k i n 方法的有限元模型来计算河流及河口 区域的泥沙输运。 国外成功的三维泥沙数学模型有b l u m b e r g ( 2 0 0 2 ) 在著名的e c o m 模式基础 上建立发展的三维悬浮泥沙数学模型e c o m s e d 。此外，还有很多如d e l t t3 d 、 m i k e 3 、e f d c 、f v c o m 等泥沙数学模型得到了广泛的应用。这几个模型都有 模拟粘性沙的能力。 国内的三维泥沙数模较少，丁平兴等( 1 9 9 9 ) 从理论上较严密地导出了适合 于河口海岸区域，波一流共同作用下三维悬沙扩散方程的一般形式，波浪、水 流对悬沙浓度的影响能清晰的在扩散方程中体现。为了研究渤海中悬浮的长时 间、大范围的影响，江文胜，孙文心( 2 0 0 1 ) 研究并改造了汉堡大学的粒子追踪模 式悬浮物输运的三维模式，利用该模式作者得出在潮流风海流和风浪作用驱动 下有黄海口排放的细颗粒物质的分布和输运。周华君建立了基于曲线网格的水 流、泥沙三维数值模型，应用于长江口最大混浊带附近的泥沙输运研究。朱建 荣等( 2 0 0 4 ) 应用改进的三维e c o m 模式，耦合泥沙输运模型，研究了理想河口 最大混浊带形成的动力机制。 悬浮物在陆架海岸动力学研究中一个极为重要的问题就是泥沙运动及其造 成的岸滩演变和港口、航道的冲淤问题( 赵今升，1 9 9 3 ) 。把握真实海岸物理过 程中风、浪、流共同作用下的泥沙悬扬、输移和沉积过程，一直以来都是海岸 动力学研究所努力的目标( 曹祖德，1 9 9 3 ) 。但由于近岸水域的动力过程和泥沙 运动的复杂性，以往针对近岸泥沙运动所进行的数值模拟，包括港口海岸工程 建筑物对泥沙运动影响的模拟研究，大多数是在对水动力做出许多简化假设的 条件下得到的，与海岸真实的物理过程尚有一定距离。特别是，在强风浪过程 中，泥沙的运动尤为剧烈，常常引发附近港口航道的骤淤。以往的工作中对这 一过程的体现和模拟并不多见。为了更加合理地反映近岸泥沙的运动规律尤其 是强风浪过程中泥沙的运动规律，十分有必要建立准确反映近岸复杂过程的水 动力模型，如包括风、浪、流耦合作用乃至和近岸建筑物的相互作用等，并在 7 三维泥沙模型及其在港口航道t 程建设中的应用 此基础上进一步建立描述泥沙运动的模型( 郗殿纲，1 9 9 6 ) 。为此，建立一套能 够比较真实地反映风暴过程中风、浪、流相互影响的近岸水动力模拟模型和泥 沙运动模型，并能分析实际海岸的泥沙运动规律和港口、航道的回淤现象是今 年来泥沙研究的重要方向之一。 近岸海域数值模式的研究是提高我国数值研究水平的需要，我国数值模式 研制同欧美发达国家有较大的差距，在国际上有广泛影响的数值模式比较少， 更多的是引用国外数值模式。因此，我国的泥沙数值研究应该加强底边界层理 论研究，观察，数值计算方法研究等，同时要加强国际合作，缩小与国际之间 的差距。 8 三维泥沙模型及其稿j 港口航道工程建设中的心用 2 三维泥沙输运模型e c o m s e d 2 1 模式简介 e c o m s e d 模式是建立在b l u m b e r g 和m e l l o r l 9 8 0 年代开发的p o m ( 普林斯顿 模式) 基础上开发的，p o m 模式中包含各种浅水环境( 如，河，湾，河口，海 岸，水库和湖泊) 的版本被命名为e c o m 。在9 0 年代中期，关于粘性泥沙的再 悬浮、沉积、固节过程被引入到e c o m 模式的开发中去。在过去的几年中，e c o m s e d 发展到了包含各种开边界条件，示踪物，通过模拟底边界层物理过程得到的更 好的底剪切力，波浪模型，非粘性泥沙输运，溶解态和被泥沙包围示踪物的输 运模拟。e c o m s e d 被实践证明为一个可靠、稳定的模式。它能真实的计算水循 环、温度、盐度、粘性和非粘性沉积物的混合和输运、沉积以及再悬浮。完整 的e c o m s e d 模型包括若干个模块：水动力、沉积物输运、风浪、热通量和颗粒 物追踪模块。图2 1 - 1 说明了e c o m s e d 的模型框架。 9 三维泥沙模型及其确j 港u 航道t 程建设中的麻用 2 2 水动力模块 2 2 1 控制方程 2 1 1e c o m s e d 模型框架 模型中使用了两个假设：( 1 ) 静压近似；( 2 ) b o u s s i n e s q 近似 连续方程 昀喀+ 警+ 半 ( 2 2 1 ) = 0 彩一仃 a a 红扛 卜 三维泥鲨塑型丝鉴垄鲞曼塾壅三堡壅丝!塑壁旦一一 一一一_ _ 一一 盟掣善警墨警+ 坎警+ 叫是+ 唾胡a西够一防 噶2 = 韵老一譬旄弓善争嗤昙c 髫， 嵩鲁嗟，鼍簧暖， 掣+ 警辈懒警糍+ pa西 一撕 ， 2 = 鹕毒等建篙争考鲁警 告鲁曙，嵩惫学 温度和盐度方程 学掣警+ 警懒警a凿鹳 留 = 壶噜4 嗟) 崔睦4 喔) 嗤昙b 翔 掣+ 警警掣蝴等a，1 彬 = 毒降4 嗟) 薏噎镌 喏未鲁) p = p ( o ，s ) 湍流闭合方程 矗绣警+ 百a s c t 4 , 矿) + 警m 警 蝴k t - d - 胁l c 瓦、2 ；+ 偿心哮，竽咄 嵩降雒鼍) + 毒魄犁鼍) + 警昙b 鼍) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 三维泥沙模型及其在港u 航道t 程建设中的应用 讹掣掣+ 掣蝴攀 a必“衍 啪降障) 2 + 但t , a o - 2 j 匙巧耄等珊 嵩俘t , e 44 罐c 髦, 心陵4 谨) 喏昙k 箬)0 亿2 石 j 其中，u ，彩是s i g m a 坐标系下的流速分量：仃= z d - q ，d = h + 7 7 d ，7 7 和h 分 别为瞬时水深，海面起伏，平均水深；f 为地转参数；k m 和彳m 分别为垂直和 水平粘性系数，k m 由2 吉阶湍封闭模式计算，彳m 遵从s m a g o r i n s k y 假设；譬， z 是湍动能，湍混合长；p 为海水密度，对于正压环流p 为常量；岛为参考密度： w 为面壁近似函数( w a l lp r o x i m i t yf u n c t i 。n ) 石= 1 + 易( 去) 扎 以为水平方向的扩散系数。垂直紊动粘滞系数如和垂向扩散系数蚝，分别 由下列公式确定： k m = q l s m ，k h = q s h ，k q = q l s q q 2 ，品，& 为稳定函数。根据m e l l o r a n d y a m a d a ，& ，s ，s q 由下列方程组确 定： 瓯= 上q ：d l t , 塑a o - ) 1 2 + ( 鲁) 2 1 睇= 石1 2 瓦g 石o p ( 2 2 8 ) s m ( 6 a i a 2 g 村) + s ，( 1 2 a 2 垦g 一1 2 a l a 2 g | i ，) = a 2 ( 1 + 6 a 1 2 g 0 9 a l a 2 g ，) 一s n ( 1 2 a i 2 g + 9 a l a 2 g 爿a 2 8 2 g 片) = a l ( 1 - 3 c i ) = 0 2 0 m e l l o ra n dy a m a d a 给出，韵经验常数 ( 4 ，4 ，蜀，垦，c l ，巨，最) = ( o 9 2 ，0 7 4 ，1 6 6 ，1 0 1 ，0 8 0 ，i 8 ，1 3 3 ) 2 2 2 边界条件 1 2 三维泥沙模型及其在港u 航道t 程建设中的应用 2 2 2 1 垂向边界条件 自由表面仃= 0 处为： 警孰= o = k ；警斜：。飞 q 2 = 互2 7 3 以 ( 2 2 9 ) 9 2 ，= 0 彩( x ，y ，0 ，t ) = 0 ( 2 2 1 0 ) ，是海表摩擦速度： t 0 f ：为风应力矢量云在缶，乞方向上的分量。 海表风应力r o 的参数化形式为 i = 岛c d i 圪l 巧( 2 2 1 1 ) 其中：成为空气密度，巧为风速矢量，c o 为海水对风的拖曳系数。c d 的计算基于 c d = i 2 1 0 。3 冈 1 l 所s c d = ( 0 4 9 + 0 0 6 5 1 巧1 ) 1 0 - 3 1 l m s 同 2 5 m s 警刮一。吲警料刊飞 9 2 = b r 2 仃吧 ( 2 2 1 3 ) k 。，k ：为底摩擦应力矢量瓦在磊，岛方向上的分量。u r b 是底摩擦速度；底应力 拖曳系数c d 由近海底g a b 处的流速呈对数分布计算。 铲m 1 名( 笥，o 眦s 其中k 为卡门常数，r = 0 4 ；z o 为海底粗糙度，一般取为o 0 0 1 0 0 0 2 m 。 2 2 2 2 侧边界条件 。 三维泥沙模型及其在港l j 航道工程建设中的心用 在侧边界上，法向流速为零，由于没有对流和扩散，温盐的法向梯度也为 零。 2 2 2 3 水边界条件 可以有两种方式指定： ( 1 ) 直接在开边界上指定有实测得到的水位或者嵌套的大网格计算所得到的水 位。 ( 2 ) 通过开边界上指定调和常数，用公式 嗍+ 乩c o s 降一9 ) ( 2 2 1 5 ， 计算得到。 式中：r o 为平均海平面，t 为时间，丁为第i 个分潮的周期，4 为第i 个分潮的振幅，包为第i 个分潮的相角。 2 2 3 数值计算方法 e c o m s e d 模式数值计算方法采用算子分裂法，将原来比较复杂的数学物 理问题的求解分解成三个简单问题的连续求解过程。对于动量和连续方程，空 间采用中央差格式，时间差分慢过程采用显式格式，快过程采用隐式格式，动 量方程和连续方程联立求解。 下面给出时间差分形式，在前1 3 步长显式差分求解对流部分，在2 3 时间 步长，隐式差分求解扩散部分，在后1 3 时间步长，隐式求解连续方程。该方 法编程简单、计算稳定性好、精度较高。 第一步，在 九“，z + 争刁时间过程，由对流和扩散效应，显式求解 堡垒垒竖：二丝丝鲨：u f f h + ! 望垒丝坠：二必丝咝：阡 ( 2 2 1 6 ) u f ，阡代表非线性平流项，科氏力项，密度梯度力项，水平涡动粘滞项， 1 4 三维泥沙模型垒茎鱼鲞旦塾垄三堡垄堡主塑窒里 一 和自由坐标产生的曲率项。所有这些i 贝均作显瓦处埋。 第二步，考虑垂向涡动粘滞项，作隐式处理。 业涮：丝杀f k mo u 口纠 3 a t da 口l 口盯 l 型涮a t：丝d 杀卜喾1 a 盯l “ a 盯 i 第三步，考虑外重力波产生的水位梯度力，这是个快过程，作隐式处理。 型幽a t咄g d 筹d 氧 必丝咝： 二a t 丝丝垡：! 一扛g d 娑0 6 2 ( 2 2 1 8 ) 上述方程整理得u 一，u 圳+ - _ 2 啐等 亿2 ， 2 + - = u 曩出去g 等 上述方程和连续方程联立求解，连续方程在垂向上积分，利用运动学边界 粲件。变化形式为2 反而：害+ 者扣叫仃+ 毒妒呐 ( 2 2 加， 缈= 者渺叫盯嵩扣叫害， 连续方程时间差分： 啊红华嗉脚叫m 素即掣加。 ( 2 2 2 1 ) 将w ，哦+ - 代入连续方程，得到关于矿+ 1 的五点隐式方程。用超松弛叠代方法 求解出7 7 川，反代求出w ”，u 。由7 7 槲，