1、本科毕业论文（20 届）长峙岛填海工程对海洋水动力场的影响所在学院 专业班级 海洋技术 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目录摘要 .IAbstract.II1.引言 .11.1 数值模拟技术的发展 .11.2 国内外研究动态 .21.3 海洋水动力数值模拟的发展 .32工程海域的概况 .43.数值模式与网格设置 .53.1 ECOMSED 模式介绍 .53.2 模式初始及边界条件 .163.3 网格设置 .164.结果与分析 .184.1 模拟结果验证 .184.1.1 潮位验证 .184.1.2 潮流验证 .184.2 潮流场分析 .204.3 加固工程后结果分析 .234
2、.4 冲淤变化预测 .235.结论 .276.参考文献 .268.致谢 .28I长峙岛填海工程对海洋水动力场得影响陈瑞志（海洋科学学院 海洋科学学院 浙江 舟山 316004）摘要本文根据时代发展、社会的进步、海洋环境保护等等的需要，研究的是长峙岛填海工程对海洋水动力环境的影响，努力做到边发展边保护，实现可继续发展，首先介绍了其研究方法，并介绍其研究方法和研究意义，数值模拟的国内外研究动态，本文主要采用海洋数值模式(ECOMSED)对长峙岛填海工程前后的水动力场变化进行模拟,并做出预测。其模型模拟结果与实测基本吻合。本文还介绍了数值模拟理论的发展历程，和本领域研究的主要方法，目前三维模式(EC
3、OMSED)是研究潮流变化的重要模式，本文通过详细的叙述，介绍了这种模式的设置，对潮位、潮流进行验证，根据测量得到的图谱对工程前后的水动力变化进行对比，详细介绍了冲淤变化，并对其作出预测。通过对三维模型的模拟，对实际案例工程的模拟研究作出了总结。【关键词】 水动力场；数值模拟；潮流；填海工程IIZhou Shan Changzhi reclamation projects on the impact of ocean currentsChen rui zhi(ocean science academy 沈育疆等(1984 对整个东中国海潮流数值模拟;奚盘根等(1984)建立的非线性三维潮波边值
4、问题模型9;孙英兰等(1990)建立的渤海三维斜压模型 15;石磊等(1995)用分步杂交方法建立的三维浅海流体动力学模型，采用 6坐标，时间上采用分步方法，模型采用三角形网格，模型具有较好的灵活性;白玉川(1998)用分层拟三维水流数学模型对广西廉州湾潮流进行了模拟 1;方国洪(1998)的斜压海洋动力学三维数值模式采用内外模式分离，外模态采用 ADI方法，内模态采用半隐半显格式，可用于潮潮汐、潮流和风暴潮的模拟 3。近岸海域和漫滩过程的潮流数值模拟近年来也取得了满意的结果。张燕等采用三维变边界的 ECOM 模型对宁波- 舟山海域的潮流进行了数值模拟 23。国外的三维模型应用开始于 1970
5、年代末，基于简化过的三维浅水方程Lendertse(1973)的工作具有开创性，他在垂直方向采用固定分层方法建立了海湾三维潮流、盐度模型;为更好模拟底地形的变化 Philips提出的坐标变化方法被应用到三维模型中;为了较严格地确定涡动粘性系数和扩散系数，湍流模式理论在潮流模型中得到了应用。在 princeton大学以 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值模拟的开发和研究；德国汉堡大学海洋研究所 Backhaus(1983)和他的同事发展的汉堡陆架海模式-3HAMSOM(Hanburg Shelf Ocean Model)在全世界许多陆架海上夜得
6、到广泛使用；Sheng(1987)建立了一般曲线坐标下的三维水动力模型（CH3D） ；Wang(1994)将三维谁动力学模型的控制方程用普遍张量得形式，并复演了美国海湾的三维流动和盐度分布。与其他发达国家相比，国外具有较早的模拟软件的开发研究，已开发成商业软件，得到广泛的应用，而国内模拟软件的研究比国外迟，还局限于在水流、水质、风暴潮等领域的研究，在泥沙研究方面还没有相关的模拟软件。POM 和ECOM模式是国内应用较多的模型。 1.3 海洋水动力数值模拟的发展水动力数值模拟是海岸工程、水运工程和环境工程中重要的模拟方法，它随着近代电子计算机和数值计算方法的发展而发展.根据电子计算机在水动力学科
7、中的应用情况，水动力数值模拟经历了三个发展阶段:第一为数值计算阶段.本阶段的特点是利用电子计算机对水力学公式或方程直接求解，解决了工程技术人员用简单计算工具难以完成的工作.由于操作简单，方法实用，受到了工程技术人员的欢迎，但它的计算能力有很大的局限性.第二为水动力数值模拟低级阶段(单因素模拟).其特点为采用离散方法将整个计算水域划分为若干单元，然后利用各种数值分析方法(例如有限差分法、有限元法、边界元法等)在单元节点上求解描述水力学现象的微分方程.在这阶段中，要研究各种离散方法数值格式的构成和求解方法;它与原微分方程的相容性;计算过程的稳定性和收敛性等问题，形成了一门崭新的学科计算水力学.由于
8、上述问题的复杂性，使得水动力数值模拟不易为工程技术人员和科学工作者所掌握，这种水动力数值模拟通常是针对某一水力现象而开发的专用数学模型，其特点是专用化和一次性使用.第三阶段为水动力数值模拟高级阶段(多因素的过程模拟).本阶段以实用化、系统化为标志，使多动力因素影响下的复杂水力现象实现过程模拟，一 ，并进一步引入人工智能和专家系统，达到水动力数值模拟的自动化.在这个阶段，还采用水动力数值模拟与水力模型有机地结合的复合模型，大大地开拓了模型的应用范围.另外，模拟过程和模拟结果的彩色仿真显示，也是本阶段水动力数值模拟的重大进展.根据第三阶段水动力数值模拟的特点和目前国内外研究情况，结合笔者的实践经验
9、，我们认为，在今后的研究中，以下三个方面的发展方向是值得重视的:(l)多动力因素作用的过程模拟.(2)与水力模型相结合的复合模型.(3)模拟过程的实用化、智能化和模拟过程的仿真显示.42工程海域的概况长崎岛的地理位置在距离舟山临城较近的西南处，是 临 城 新 区 的 一 部 分 ，该 岛 南 为 国 家 石 油 储 备 基 地 岙 山 岛 ， 东 为 沈 家 门 ， 西 为 定 海 、 盘 峙 岛 两 大 旅 游重 点 开 发 区 ， 正 好 位 于 市 区 、 旅 游 区 、 国 家 石 油 基 地 三 大 主 要 功 能 区 之 间 ， 对 三者 均 有 较 好 的 服 务 辐 射 半 径
10、 。 长 峙 岛 地 势 平 坦 ， 有 利 于 成 片 开 发 ， 形 成 规 模 效 应。 长峙岛的填海工程，其南部沿海海域受张水动力影响较大，其水流流经长崎岛与其南面岱山的狭长水域，水流从东南方向流入此水流通道，水流转而向西流动，因此研究此加固工程对潮流影响很重要，水流流进此地受地形影响所带来的流速与潮位的变化，是引起海岸泥沙淤积和冲刷首要影响因素，也会对海况造成一定影响，根据其地理位置状况，适合采用数值模拟测量。53.数值模式与网格设置 3.1 ECOMSED 模式介绍ECOMSED模式是由 Blumberg2等人在美国普林斯顿大学的三维海洋模式POM(Princeton 0cean
11、Model)及其后来发展的河口、陆架和海洋模式ECOM(Estuarine Coastal and Ocean Model)的基础上发展而来的(Blumberg 和Mellor，1987)，是一个成熟的集海浪和沉积输运为一体的浅海三维水动力学模式，其中三维变量包括水动力速度分量、温度、盐度、密度、悬浮泥沙浓度以及代表湍流的两个特征量:湍动能和湍宏观尺度作为预报变量（Mellor 和Yamada，1974，1982；Galperin 等,1988） 。ECOMSED 模式采用基于静力和Boussinesg近似下的海洋原始方程，水平采用正交曲线网格，垂向用 坐标，变量空间配置采用 Arakawa
12、C格式，自由海表面，二阶半湍流闭合模型求解垂向湍流粘滞和扩散系数；水平湍流粘滞和扩散系数基于 Smagorinsky参数化方法（Smagorinsky，1963） 。完整 ECOMSED模式包括 6大部分:水动力、粘性/非粘性泥沙输运、示踪、水质、床沙运动、风浪。所有的模块都采用相同的计算网格和计算框架，垂向上采用 坐标，该坐标系的采用，使模式既可以处理具有复杂的海底地形，又可以提高浅水区的垂直分辨率。为了计算动量和热量的垂直扩散系数，模式中包括了一个二阶半的湍流闭合子模式，即将动量和热量的垂直扩散系数认为是湍流动能的函数，从而引入湍流预报方程，包括湍流动能和湍流宏观尺度两个方程。水动力模块中
13、耦合湍流封闭模块求解垂向粘性和扩散系数。ECOM 模式从原始纳维-斯托克斯方程出发，以自由水位、三方向速度分量、温度、盐度、密度和代表湍流的两个特征量作为预报变量，对海洋非线性动力过程进行刻画。SED 模型是基于沉积动力学的物质输运数值模拟系统，它包含了粘性和非粘性沉积物的输运、沉积及再悬浮过程，因而可以计算出分层深度内的悬浮泥沙浓度，使得模型模拟的结果更为精确。其中，对非粘性泥沙的输运、沉积及再悬浮过程采用的是 Van Rijn(1984,1993)模式，而对于粘性泥沙的再悬浮、沉降等过程则是采用 Gailani等（1991）和 Krone（1962）等学者的研究成果。经过垂向 坐标、水平方
14、向正交曲线坐标变换后，得到一系列方程（HydroQual，2002） 。6(1)潮波运动方程连续方程：(4-1),0)()(21211221 whDUht其中： ,),(),( 222121 11 yxhyxHzyxyx ,/211111 jie 2122222 ,/)( eUVyxjyix 动量方程： )34(,()()2( )()()()( )24(,)( )()()(2212121 1212121 221212121 12122 1212122 12121212 UKDhUAUDhA DhAPIgfhwth UKDhUAUDA DhAPIgfhh wt MMM MMM（2）湍动能运输方程
