完整版基于FVCOM的连云港海域泥沙模拟实验本科毕业论文.docx
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完整版基于FVCOM的连云港海域泥沙模拟实验本科毕业论文
本科毕业设计（论文）
基于FVCOM的连云港海域泥沙模拟实验
Three-DimensionalNumericalSimulationExperimentsofSedimentinOffshoreAreaofLianyungangBasedonFVCOM
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120.092°E，34.462°N附近水下0.6-2m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-DimensionalNumericalSimulationExperimentsofSedimentinOffshoreAreaofLianyungangBasedonFVCOM
Abstract:
TheregionacrosstheHaizhouBayisoneofthemosteconomicallydevelopedareasinChina．TherearelotsofprojectsconstructedintheHaizhouBay，whichchangethetransportofcurrentandsedimentinthewaterarea．ThesedimenttransportintheHaizhouBay，ahugetidalestuary，isverycomplicatedduetotheeffectsofriverrunoff，waveandtide．Thecohesivesedimentisreciprocatingitsmotionundertheforceoftideflow．Withthehydraulicandcoastalengineeringconstruction，morepreciseresearchproductsareneeded．
Inthispaper，a3DcurrentandsedimentmodelisestablishedthroughFVCOM．ThemeasureddataofthecurrentandsedimentintheHaizhouBayarecollectedtotestthemodel，andthesimulatingprocessisgenerallyconsistentwithrealdata．Thesedimenttransportwithtidecurrentduringspringtideperiodissimulated，thenplanarandverticalsedimentdistributionareobtainedinthestudy．Althoughtheprecisionisnotasgoodastheplanar2Dmodel，itisanimportantattempttomodel3Dsedimenttransportinahugetidalestuary．Themodelcanbeappliedtoanalyzetheengineering3Deffectontheterritorialwatersthroughongoingimprovement．Therearebroadapplicationprospectsinexploitationandprotectionofwaterecology．
Keywords:
FVCOM；cohesivesediment;HaizhouBay;3Dsimulation
目录
1绪论............................................................1
1.1引言..........................................................1
1.2研究的目的与意义..............................................1
1.3国内外研究的进展..............................................2
1.4本文的工作....................................................3
2FVCOM模式简介................................................4
2.1模式特点......................................................4
2.2泥沙模型FVCOM-SED介绍.....................................5
2.3控制方程组....................................................5
2.4边界条件......................................................6
2.5三角形网格的设计..............................................7
3模型的配置与验证................................................8
3.1模型配置......................................................8
3.2模型结果验证..................................................11
4FVCOM模式的泥沙流动数值模拟分析..............................14
4.1泥沙输送......................................................14
4.2小结..........................................................15
5总结与展望......................................................15
5.1本文泥沙模拟研究的主要结论....................................15
5.2存在问题.......................................................15
5.3工作展望......................................................16
致谢..............................................................17
参考文献..........................................................18
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（35°05′55″N、119°21′53″E）,南面至连云港市连云区高公岛（34°45′25″N、119°29′45″E），是一个濒临黄海的敞口形海湾，湾口宽42km，海湾面积876.39km2，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。
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:
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1983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：
（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）FVCOM[22]的模式简介；
（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。
2FVCOM模式简介
2.1模式特点
本文采用的是FVCOM（FiniteVolumeCoastand0ceanModel）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。
·α坐标系
FVCOM模式在垂直方向上采用α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α坐标系是非常有效果的。
此外，底边界层是否模拟成功，对于研究深水的形成过程也具有重要作用。
·网格分布
FVCOM模式的水平方向采用的是无结构化的三角形网格模式，可以对关心区域进行局部加密处理，并且可以比较好的地模拟复杂的海岸线边界和海底地形。
2.2泥沙模型FVCOM-SED
2.2.1实体模型
鉴于泥沙的实体模型模拟其化学过程比较难，而且没有很大的必要，所以实体模型它是指将发生在原来模型里的力学过程，把它在相似的物理条件下，经过放大或缩小后在经验证后的模型中重演，由此对模型的各方面参数进行测量、记录及分析，然后根据相关条件还原到原来的模型中，达到研究模型力学过程等目的。
由于它可以人为控制一些相对主要的因素而省略其次要因素，这使得研究人员容易改变流量、水位等其他研究因素，所以泥沙实体模型典型性比较强，能够较方便的优化研究的设计方案。
2.2.2数学模型
泥沙数学模型它是在计算机的基础上，以流体力学和数学理论作为支撑，对泥沙和水流及其它力学现象通过局部加密处理求得近似值来模拟实际力学效果。
这种理论预测计算方法因为泥沙模型的控制方程是不封闭的，并且本身的基础数学理论有一些空白，这使得研究人员必须作出某些相关的假定，运用半理论半经验的控制方程来完善所研究的问题，从而各式各样的泥沙数学模型相继产生。
2.2.3复合模型
二十世纪七十年代,有学者提出将物理模型和数学模型联系在一块进行模拟，复合模型理念由此产生。
一般而言，物理模型可用来模拟细节问题，比如网格感兴趣区域加密处理，泥沙数学模型可对实体模型进行整体把握，对于开边界的处理比较恰当，模型初始条件的设置也较为合理。
复合模型综合了上述两者的优点，完成了三峡工程、长江葛洲坝工程和黄河小浪底工程中的泥沙问题等。
无论是物模还是数模，都是简化研究的一种手段，但就复合模型而言，这肯定比数学模型和实体模型更具有生命力。
2.3控制方程组
FVCOM模式它垂向采用的是α坐标系，它与Z坐标系之间的变化关系如下：
（2-1）
其中x，y，z分别是笛卡尔坐标系的空间变量，t是时间变量；x*，y*分别是α坐标系的空间自变量，t*是α坐标系的时间自变量；H为水深，ζ为海平面的波高。
那么可得到海面为α=0，海底α=-1。
FVCOM模型的控制方程组由连续方程、动量方程、温度、盐度和密度方程以及湍流闭合方程组成，它们在α坐标系中如下：
（1）连续方程
（2—2）
（2）动量方程
（2—3）
（2—4）
（3）温度、盐度和密度方程
（2—5）
（2—6）
（2—7）
（4）湍流闭合方程
（2—8）
（2—9）
其中，u、v和w为x、y和z三个方向上各自速度的分量；T为位温；S是盐度；f是科氏力参数；P为压力；是密度；
2.4边界条件
海面的边界条件是在σ=0处：
；（2—10）
（2—11）
（2—12）
海底的边界条件是在σ=-1处：
；（2—13）
（2—14）
（2—15）
其中与分别是海面的风应力与底应力。
陆地的边界条件分别取通量与法向速度为0，即
（2—16）
2.5三角形网格的设计
三角形网格法与有限元法有相似之处，这个模式将计算的区域划分成许多不重合、无结构的三角形网格。
它的每个划分出的三角形单元是由一个中心和三个节点外加三边组成的。
用N和M来分别表示所研究的海域区域内三角形中心和节点的总数目，则三角形中心的坐标就可以被我们表示为
[X（i）,Y（i）]，I=1:
N
同样，节点的坐标可以表示为
[Xn（j）,Yn（j）]，j=1:
M
由于三角形网格相互不重合，所以N也是三角形网格的数目。
在我们划分的三角形单元内，三角形的三个节点可以用整数Nj（j）来表示，其中，j的值按规定是顺时针方向由l到3。
有公共边的相邻三角形我们用整数NBEj（j）来标号，其中，j按顺时针方向由l到3来记数。
在海岸固定边界处和开边界处，NBEj（j）取值为0。
然后在每个节点上，与这些边界处相邻三角形的个数计录为NT（j），并且每个三角形用整数NBj（m）来标号，其中，m是按顺时针由1到NT（j）来标号[11]。
3模型的配置与验证
3.1模型配置
3.1.1计算区域与网格剖分
本次模型的开边界范围为34.39o--35.54oN和119.93o--120.89oE，其中涵盖了整个模拟的海岸线及其相关岛屿。
并通过SMS软件生成了无结构化的高质量不规则三角形网格，如下图1（a）在海岸线、岛屿、海区的水平分辨率分别为50m，100m，2000m，实现了在近岸和岛屿区域对网格的加密处理。
整个计算区域共计44824个网格节点，最后效果图如下图1（b）。
图1（a）计算域及网格示意图
图1（b）计算域及网格示意图
当划分好三角形网格后，共得到113个开边界点，经纬度坐标如下：
表1开边界点经纬度坐标
ID
纬度
经度
1
35.467249
119.933254
2
35.470109
119.938268
3
35.47405
119.955941
4
35.480813
119.976421
5
35.487572
119.996904
6
35.494327
120.017391
7
35.501079
120.037881
8
35.507827
120.058375
9
35.514572
120.078872
10
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