1、本 科 毕 业 设 计 (论 文)基于 FVCOM 的连云港海域泥沙模拟实验Three-Dimensional Numerical Simulation Experiments of Sediment in Offshore Area of Lianyungang Based on FVCOM学 院 ：测绘工程学院 专 业 班 级 ：海洋技术 海洋 091 学 生 姓 名 ： 学 号：指 导 教 师 ：2013 年 6 月淮海工学院本科生毕业设计（论文）诚信承诺书1.本人郑重地承诺所呈交的毕业设计（论文） ，是在指导教师的指导下严格按照学校和学院有关规定完成的。2.本人在毕业设计（论文）中引用
2、他人的观点和参考资料均加以注释和说明。3.本人承诺在毕业设计（论文）选题和研究过程中没有抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。4.在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。毕业设计（论文）作者签名：年 月 日毕业设计（论文）中文摘要基于 FVCOM 的连云港海域泥沙模拟实验摘 要：本文运用 FVCOM，依据水文实测资料， 建立了连云港海域泥沙颗粒示踪模型，对海州湾开展了三维泥沙验证，结果基本满意。该应用模型通过粒子示踪法研究粘性泥沙的分布特征，成功再现了海州湾泥沙的运动轨迹。实验发现：随着涨落潮流、粒子沿着大致呈东南 西北向移动。在 26h 后，该粒子在 12
3、0.092E，34.462N 附近水下 0.6-2 m 处垂直方向上进行周期约为 M2 的上下运动。在前 20h 中，粒子在以零基准面做垂向运动，垂向运动的幅度约1.6m，此后，粒子在 24h 下沉到水下 2m 处，以 1.3m 深度为轴做垂向运动，垂向运动幅度约 2.6m。尽管模拟精度达不到平面二维模型的水平，但通过进一步大量的实测数据检验，本模型可为以后研究工作的开展提供参考，具有较好的运用前景。关键词： FVCOM；潮流泥沙；海州湾；三维模拟毕业设计（论文）外文摘要Three-Dimensional Numerical Simulation Experiments of Sediment
4、 in Offshore Area of Lianyungang Based on FVCOMAbstract: The region across the Haizhou Bay is one of the most economically developed areas in ChinaThere are lots of projects constructed in the Haizhou Bay，which change the transport of current and sediment in the water areaThe sediment transport in t
5、he Haizhou Bay，a huge tidal estuary，is very complicated due to the effects of river runoff，wave and tide The cohesive sediment is reciprocating its motion under the force of tide flowWith the hydraulic and coastal engineering construction，more precise research products are neededIn this paper，a 3D c
6、urrent and sediment model is established through FVCOMThe measured data of the current and sediment in the Haizhou Bay are collected to test the model， and the simulating process is generally consistent with real dataThe sediment transport with tide current during spring tide period is simulated，the
7、n planar and vertical sediment distribution are obtained in the studyAlthough the precision is not as good as the planar 2D model，it is an important attempt to model 3D sediment transport in a huge tidal estuaryThe model can be applied to analyze the engineering 3D effect on the territorial waters t
8、hrough ongoing improvementThere are broad application prospects in exploitation and protection of water ecologyKeywords: FVCOM ；cohesive sediment; Haizhou Bay; 3D simulation 目 录1 绪论.11.1 引言.11.2 研究的目的与意义.11.3 国内外研究的进展.21.4 本文的工作.32 FVCOM 模式简介.42.1 模式特点.42.2 泥沙模型 FVCOM-SED 介绍.52.3 控制方程组.52.4 边界条件.62.
9、5 三角形网格的设计.73 模型的配置与验证.83.1 模型配置.83.2 模型结果验证.114 FVCOM 模式的泥沙流动数值模拟分析.144.1 泥沙输送.144.2 小结.155 总结与展望.155.1 本文泥沙模拟研究的主要结论.155.2 存在问题.155.3 工作展望.16致谢.17参考文献.18淮海工学院二一三届本科毕业设计（论文） 第 1 页 共 19 页1 绪论1.1 引言近几十年以来，随着我国在长江、黄河以及其它各个流域研究工作的开展，长江三峡工程、黄河小浪底工程等都取得了诸多成就。但同时也因为缺乏经费、有效的组织及整体规划等问题，使得与我们生活息息相关的工程无法开展，理论
10、研究也滞留不前，长期下去这对泥沙研究在我国经济建设中的发展是十分不利的。同时，作为泥沙研究的重要手段之一，我国泥沙模拟技术得到了迅速的发展，它包含两部分:泥沙实体模型和泥沙数学模型。本文的重点在数学模型方面，我们通过建立系统的一维、二维以及三维数学模型，在数值计算、数值模拟、计算模式等方面取得相应成果。这使得国内在解决工程泥沙、河床的演变和治理等实际过程中可发挥重要作用。1.2 研究的目的与意义连云港海州湾位于江苏北部，北面起始于山东日照岚山镇(350555N 、1192153E) ,南面至连云港市连云区高公岛(344525N、1192945E )，是一个濒临黄海的敞口形海湾，湾口宽 42km
11、，海湾面积 876.39 km2，海岸线长86.81km。本文研究区域位于苏北潮滩北部，河口区域为典型的潮滩地貌，并且该海域它的潮汐为不正规半日潮，平均潮差是 3.68m，属强潮性质的海岸。近年来由于诸多地区为发展海水养殖，在河口两侧岸滩上开辟了围垦面积较大的养殖基地，水土流失严重,大量的泥沙被挟带到河流中,形成了多沙河流，不仅给水利水电工程建设带来了许多问题,也给河道防洪治理、沿岸工农业发展和人民的生活带来了严重的影响。因为相对滩面较为平缓的海区和在河口水深浅的粉砂质地区，它的泥沙活动性较强，易于起动，所以海底的含沙量会随着风浪的强弱而有所增减，因此海底的泥沙在波浪等的作用下形成悬浮和迁移成
12、为了河口海域泥沙的主要来源。本文通过建立连云港海域二维泥沙模型，对泥沙的运动过程进行数值模拟研究，可以掌握泥沙的运动轨迹、海域泥沙的浓度分布、泥沙迁移途径，从而可为全面落实“扎根淮海，服务沿海”战略部署，加快连云港海域的综合治理，全面改善海域生态环境质量提供科学的依据和技术支撑，所以本文具有相关的应用价值和实际意义。淮海工学院二一三届本科毕业设计（论文） 第 2 页 共 19 页1.3 国内外研究的进展1.3.1 泥沙数值模型的研究进展 泥沙研究主要是从认识水流的泥沙运动及河床演变规律开始,从而来解决水利工程中的泥沙问题。在长期治理河口的实践中,我们国内的泥沙科学发展相对迅速,其中主要包括:
13、高含沙水流的运动机理与理论、泥沙运动力学基本理论、水库泥沙的对策与管理、河流模拟的理论与技术、河道演变规律的认识及治河工程技术等。1958 年,窦国仁在苏联科学院物理化学研究所内进行了薄膜水的特性试验,目的在于求得对细颗粒泥沙起动流速研究的突破。在 1959 年,他在水科院河渠所又利用长 13m、宽 0.5m 的水槽,通过 9 组泥沙进行了起动泥沙流速实验 1。次年他撰写“论泥沙起动流速” 2理论首次提出起动流速公式。40 年后，窦国仁根据 30 多年间陆续进行的各种试验和其他研究人员的许多试验资料,对起动泥沙流速公式作了进一步的修改和完善，发表了 “再论泥沙起动流速” 3理论。在此之间，国内
14、张瑞瑾(1961)、沙玉清(1965)、钱宁(1983)等 1老一代科学家为泥沙学科的发展也同样奠定了基础，在理论研究上取得了国际领先的水平；同时在应用上，科学家们成功地解决了许多重大工程泥沙问题,如三峡工程、长江葛洲坝工程和黄河小浪底工程中的泥沙问题。国际泥沙研究培训中心于 1984 年 7 月 21 日在北京正式成立。在 1981 年, 教育部、水利部、外交部和国家科委联合向国务院上报“关于筹建国际泥沙研究培训中心”的报告，这表明泥沙研究在国际上已受到广泛的关注。同年,出席联合国第 21 次代表大会的中国代表团在会议上正式提出了在中国建立泥沙研究中心的议案,获得了大会的全力支持。在 198
15、3 年中教科文组织第 22 次代表大会通过了在中国建立泥沙研究中心的决定。在随后 30-40 年中国内的泥沙研究不断发展寻求在理论上的突破。现今泥沙数值模拟中的实体模型实验是研究河口在自然情况下以及修建水利建筑物后用来预测河床演变及其相关水沙运动的重要手段之一，特别对于一些三维性比较强的理论计算困难较大时，通过模型数值模拟的方法进行求解得到的结果往往更为可观。至于河流数学模型的发展始 20 世纪 60 年代，70 年代以后逐步发展成熟。1989 年第四次河流泥沙国际学术研讨会上，当时的国际水力学会主席 Kennedy指出泥沙研究的 10 个重要进展之一就是河流数学模型，也是 20 世纪 70
16、年代以后唯一的重要进展。在河流数学模型方面，国内较有代表性的一维模型是基于非均匀不平衡输沙理论发展起来的，可以较好地模拟河流中非均匀泥沙的含沙量变化、悬移质淮海工学院二一三届本科毕业设计（论文） 第 3 页 共 19 页泥沙的迁移、强烈冲淤与微冲微淤、床沙的粗化与细化、变动回水区冲淤、推移质冲淤、高含沙运动、水库翘尾巴等。在 20 世纪 80 年代末在国内开始建立起二维泥沙数学模型，之间该模型发展迅速并且得到了广泛的运用及研究。随后 90 年代以来，随着计算机的普及发展和计算机在泥沙研究领域的应用，使得泥沙研究水平不断探索，三维泥沙数学模型在河流局部湖泊、河段，尤其在河口泥沙问题研究方面取得了
17、发展与工程应用。针对目前泥沙理论和数学模型模拟的现状，对于未来泥沙方面的研究如果根据已有的理论建立实体模型和数学模型,原型验证的资料很相当有限的。我国泥沙研究总体处于国际领先水平，在泥沙异重流、非均匀不平衡输沙理论、高含沙水流运动、水流挟沙能力、水库淤积与调度运用方式、泥沙运动统计理论、河床演变与河道整治、河流模拟理论与技术等多钟研究领域处于国际领先水平。1.3.2 连云港海域泥沙研究进展自 20 世纪 60 年代河流数学模型初步建立，数值模拟在数学模型和实体模型方面都有很大的突破。就连云港海域的泥沙、水质及潮流等广泛学者也在不断地研究讨论中。近阶段，首先龚政 4等人于 2002 年在连云港海
18、域进行了陆源污染物对海域环境影响的研究。他们通过建立二维模型模拟了该海域的潮流特性，得到了几个主要的拉格朗日粒子轨迹及其余流场，并且综合探讨了连云港海区水体自净的能力。鉴于田湾核电站在国家大型工程中的重要性，2007 年初赵洪波 5等人同样通过建立核电站周围平面二维数学模型，通过模拟结果分析了田湾核电站海区的潮流特征，这同时也为局部模型的建立提供了边界条件。同年，谢飞 6于河海大学实验室建立了三维潮流模型。成功模拟了海州湾海区 M2 分潮潮流场的空间运动特征。在 2008 年 4 月，李孟国 9等人考虑到泥沙淤积对田湾核电站取水的影响，在充分验证了波浪破碎对潮流泥沙的影响下，建立不规则的三角形
19、网格模型，将核电站周围的潮流泥沙做了细致的数值模拟。结果表明：在连云港港口扩建之后，已建的田湾核电站取水明渠口门附近水域变成泥沙淤积环境，滩面将会淤高，设计的取水口门水深等深线将会外移，核电站正常取水将会受到影响 9。1.4 本文的工作基于上述原因，为了对连云港海域泥沙的整体结构进行更加细致的认识与了解，对整个海区内泥沙的运动规律有整体的把握，为近岸小区域的数学模型提供更加有利的开边界条件，特地开展了本项研究工作。本次的主要内容包括：淮海工学院二一三届本科毕业设计（论文） 第 4 页 共 19 页(1)绪论：主要介绍了有关泥沙理论的发展以及国内外泥沙研究历史及现状；(2)FVCOM22的模式简
20、介；(3)FVCOM 计算模型的配置与验证；(4)分析模型计算区域内的泥沙分布特征；(5)对模型区域内的泥沙运动轨迹、浓度分部、迁移路径情况进行计算与分析；(6)总结与展望。2 FVCOM 模式简介2.1 模式特点 本文采用的是 FVCOM(Finite Volume Coast and 0cean Model)海洋数值模式，它是一种目前正在广泛应用的模式，这个模式是由陈长胜（美国麻州大学海洋科技学院教授）的博士生研究组组建的，它在有限体积法基础上，采用三角形网格、三维(3D)、原始方程组的一种近岸海洋模式。有限差分法的优点是它的运行模式简单、计算速度比较快，并有明确的动力学基础，它的缺点是对
21、于复杂的海底地形和海岸线模拟效果不好；有限体积法因为使用的是不规则三角形网格，所以它能更加精确的模拟复杂的海岸线，并且能对局部三角形网格进行指定加密处理，但是它的计算速度比较慢。FVCOM 模式结合了有限差分法和有限体积法的优点，通过使用体积通量的积分方法来求得流体动力学方面的原始控制方程组，如连续方程、动量方程、温度、盐度和密度方程和湍流闭合方程等。这样它可以保证在单一的网格和整个计算区域部分上都可以同时满足能量、质量和动量的守恒定律，所以利用这些控制方程组可以解决海洋数值计算中一些最关键的问题。此外，这模式还有以下主要的特征： 垂向混合系数FVCOM 模式的垂向混合系数由二阶湍流闭合模型所确定的，可以很好地模拟湍流层之间的动力因素，在一定程度上排除了人为因素的干扰。但是因为风场在时间和空间上过度平滑，所以这模型计算出来的的厚度比较浅。 坐标系FVCOM 模式在垂直方向上采用 坐标系，当模拟大陆架斜坡与河口等变化显著的地形时使用 坐标系是非常有效果的。此外，底边界层是否模拟成功，
