近海三维泥沙输运数值模拟研究及其应用进展.pdf

鲁东大学学报(自然科学版)()():收稿日期:修回日期:基金项目:中国科学院海洋地质与环境重点实验室开放基金()设施渔业教育部重点实验室(大连海洋大学)开放课题()通信作者简介:詹思楚()女工程师研究方向为工程地质:.:././.近海三维泥沙输运数值模拟研究及其应用进展李 帅田 洁詹思楚王晨曦任雨欣王 婷(.大连海洋大学.海洋科技与环境学院.应用海洋学研究所辽宁 大连.中国科学院 海洋地质与环境重点实验室山东 青岛.辽宁省地质学会沈阳)摘要:本文总结了近海泥沙在波浪、潮流、波流耦合、风暴和陆架环流等动力作用下的输运特点概述了较为著名的近海海域三维泥沙输运模型的特点及其在港口航道工程、海底地貌演变、海水水质监测等方面的应用进展 泥沙输运数值模型构建需要物理海洋学、沉积学、生态学、计算机科学等多学科理论支撑现已从泥沙输运路径模拟向多模型耦合方向发展 因此开展泥沙动力学、环境生态学、地貌动力学等相关理论的研究能够拓宽泥沙数值模拟研究的应用场景使其服务于更多涉海领域关键词:近海海域泥沙输运数值模拟动力过程耦合模拟中图分类号:文献标志码:文章编号:()近海海域的泥沙输运与人类合理开发利用海洋资源、安全从事海事活动息息相关深刻理解泥沙输运过程及结果对海洋工程建设、海域管理等具有重要意义 依托于海洋调查技术的高速发展近海海域的海底地貌和水深数据、泥沙输运和其强迫场的相关海洋数据大量增加 海洋数据具有范围广、时间序列长、分辨率高的特点加之从获取到利用的快捷性被广泛应用于近海海域泥沙输运研究同时得益于数值模型在时空范围内描述泥沙运输的优势高时空分辨率的泥沙输运模型评估泥沙动力学成为了泥沙输运的研究热点在过去的 多年里随着流体力学中数值方法的飞速发展和计算机技术的快速提高许多泥沙输运计算模型相继被研发 世纪 年代初到 年代初泥沙输运的一维模型和二维模型应用较为广泛但二者侧重于分析平面特征垂直方向上一般采用均一的方法 然而泥沙输运除了水平扩散外在垂直方向上沉降也是其输运的重要组成部分 因此使用三维泥沙输运模型来解决实际问题是目前的主流研究方法三维泥沙输运模型主要采用有限差分法、有限元法或有限体积法求解连续性方程、方程及泥沙输运平衡方程求解的控制方程是雷诺平均的 方程 很多文献 都 对 此 进 行 了 论述 本论文将论述不同水动力条件下的泥沙输运特点对较为著名的三维泥沙输运模型进行总结归纳并列举其在港口冲淤预测、海底地貌演变和水质监测等方面的应用实例最后对三维泥沙输运模型在近海海域的应用前景进行展望 近海三维泥沙输运的动力学描述近海海域水动力条件复杂波浪、潮流是泥沙输运的主要动力因素它们对泥沙输运的动力学过程主要是通过施加在海床上的摩擦产生的波浪可以对陆架海域的沉积动力学作出重大贡献通过在水动力系统中引入搅拌机制从而保持泥沙悬浮并在潮流作用下发生泥沙的净运输在强潮汐海域潮流和余流的存在对泥沙输运起到重要作用在波流耦合作用下泥沙通过波浪作用再悬浮然后被底部边界层的潮流搬运 风暴和陆架环流也能在泥沙输运过程中起到关键的动力作用 第 期李 帅等:近海三维泥沙输运数值模拟研究及其应用进展.波浪作用下的泥沙输运由于对大气(风)强迫的变化很敏感波浪成为泥沙输运年际变化的主要机制 在近岸直至水深达到 深时波浪都能在泥沙动力学中发挥作用使泥沙发生再悬浮 当波浪作用于海底时泥沙颗粒在垂直方向受到的力会发生变化主要表现为粒间粘结力和薄膜水附加压力等上扬动力变大并大于泥沙颗粒的水下重力从而引起泥沙再悬浮在非破波带海底附近的沉积物浓度远高于海面的沉积物浓度泥沙波纹迁移与波浪运动方向一致泥沙输运方向由海向岸相反波浪破碎显著增强了底部剪切应力更多海底的沉积物悬浮到海面 由于波浪破碎作用产生了强涡旋下的离岸流泥沙输运方向为由岸向海.潮流作用下的泥沙输运潮流又称非恒定流是海岸带、海湾、海峡和潮汐河口地区的主要水动力之一在这些地区泥沙、盐分、各类污染物及热量的传导均随潮流而动 潮流对泥沙的输运改变了海洋环境一方面潮汐作用引发潮位和潮流的变化将泥沙从原来的位置搬运到其他地方另一方面泥沙的再悬浮和沉降改变了地形和水体密度进而影响了潮流条件潮流流速的变化影响不同粒级的泥沙输运过程当潮流流速较慢时粉砂质沉积物能够发生沉积而当潮流流速较快时粉砂质沉积物保持悬浮而相对粗糙的泥沙沉积物沉积在海底.波流相互作用下的泥沙输运波流相互作用增强了底部边界层的再悬浮作用可以对浅水泥沙输移起到重要作用 等发现表面波和潮流的非线性相互作用造成了波边界层中的波生湍流增大了底部粗糙度进而增强了波边界层中的剪应力 同时等认为由于波边界层上方的波轨道速度切变较小其产生的波贡献可以忽略不计 因此底部边界层的平均流量流体动力学只受波浪的影响通过增加底部粗糙度的方式增加阻力系数从而影响泥沙输运过程.风暴作用下的泥沙输运风暴是陆架泥沙输运的主导因素之一在风暴期间海面风压增大产生风生流同时波浪增强有效波高增大底部剪切应力增大海底泥沙再悬浮 水体在垂向上强烈混合内部表现为弱结层 因此在垂向上泥沙浓度较为均一的海水中风暴产生的强流将再悬浮的泥沙进行输运.陆架环流下的泥沙输运陆架环流能控制泥沙输运的路径和方向如我国黄、东海的悬浮体在苏北沿岸流和台湾暖流向东分支作用下跨越陆架向西太平洋方形输运辽南沿岸流西南向扩散使得北黄海西部泥质区的西侧以沉积鸭绿江来源物质为主陆架环流还能对泥沙进行分选如新西兰陆架的泥沙粒径展布特征分别受奥塔哥陆架上的南部环流、纳尔逊西北部的西部环流和迪尔维尔流等陆架环流的控制 近海三维泥沙输运模型概述过去几十年近海三维泥沙输运模型得到了较快发展 目前考虑泥沙输运过程的不同影响因素、基于不同假定方程、搭建不同类型网格、应用不同求解模式的大量三维泥沙输运模型逐渐成熟且得到广泛应用比较著名的有()模型区域 海 洋 模 型()和 有 限 体 积 海 洋 数 值 模 型()等这些模型各有特色对泥沙输运的概括程度和适用条件都不一样 模型在浅水环境动力学模型 的基础上加入了开边界条件表面波模块泥沙输运模块以及溶解物和颗粒物的示踪等内容 因此 模型集合了水动力模块、波浪模块和沉积物输运模块等多种功能用于模拟海洋和淡水环境中的粘性和非粘性沉积物的时空分布 模型是三维非线性的斜压原始方程模式在计算时可以耦合大气模型、波浪模型、生物地球化学模型和沉积物模型也可以通过计算直接获取大气强迫、波浪影响 等 已 被 广 泛 用 于 泥 沙 输 运 研 究 模型是基于非结构网格的三维有限体积海洋模型控制方程由动量方程、连续性方程、温度方程、盐度方程和密度方程组成非结构网格的灵 鲁东大学学报(自然科学版)第 卷活性使其更适用于岸线复杂的近海海域 中的泥沙输运模块在原始版本()的基础上增加了动力学参数、海床初始参数细化了粘性和非粘性沉积物参数发展为社区泥沙输运模型()可用于河口、近岸的泥沙输运研究 以上模型在模拟非破浪区域的大尺度泥沙输运研究中较为可行近年来物理海洋学、海洋生态系统、海岸工程等相关理论的完善促进了近海海域三维泥沙输运模型逐渐发展完善 作为海水物质组成的重要成分泥沙在输运过程中是沉积物由源到汇的重要研究对象其在输运过程中产生的悬浮泥沙增加海水浊度加速污染物以及营养盐的释放改变海水水质降低海洋初级生产力进而破坏海洋生态系统同时随着人类海洋活动的加剧近海海域泥沙输运除了受海洋、大气、陆地径流的影响外其路线和强度也被海岸工程显著影响 要精准预测泥沙输运除水动力条件外还需考虑海洋物理生物过程、海洋环境演变等关键因素 施沈阳等利用 框架将 与 模型耦合构建了适用于近岸复杂地形并完整描述了低营养级生态系统的物理生物地球化学耦合模型 等结合 水动力模型和 波浪模型开发了包含悬沙粒径分组、底床分层等先进特性的波流共同作用下的三维泥沙输运模型 纪超等基于 水动力模型和 波浪模型研发了一个非结构化网格三维波流实时耦合模型利用 耦合器实现水动力和波浪模型的数据交换模型综合考虑了三维辐射应力、波面水滚、波流共同作用下的水平涡粘系数和底部切应力 可见三维泥沙输运模型有向集合化发展的趋势 三维泥沙输运模型在近海的应用.港口航道工程海洋港口活动对全球经济发展具有重要作用全球贸易总量的 以上在港口完成经济总量达 为了满足快速发展的世界海洋经济的需要大量新的港口、航道得以建设随之而来的问题也引起了广泛关注 港口的建设极大地阻碍了水体交换降低了水动力条件使得港口航道发生淤积 在泥沙输运模拟方面主要关注港口建设对水动力变化和泥沙冲淤的影响可为海洋港口的后续建设和港口的运营维护提供理论依据和参考赵群利用 风浪模型和 模式对黄骅港海域的潮流、泥沙输运进行了模拟对黄骅港骤淤进行了数值模拟 匡华等利用 三维近岸水动力泥沙数学模型对山东省烟台市凤城港附近海区的潮流场进行了较高分辨率数值模拟在此基础上进一步建立了凤城港航道清淤工程过程中三维悬沙输运扩散数学模型 等于 年利用 模型搭建了长江口潮汐流和泥沙输运三维数值模型分析了横沙航道对长江口深水航道上游沉积物沉积的影响探讨了深水航道上部沉积物沉积的原因贾宁利用三维水动力泥沙模型 和 波浪模型分析胶州湾海域浪流共同作用下的泥沙输运情况 陈家淼基于 搭建了海口市如意岛水三维潮流和三维推移质和悬移质全沙数学模型并对其工程前后该区域的三维潮流场和三维泥沙运动场进行了计算分析 李可萌利用 大气模型、风浪模型、水动力泥沙模型及二维浮泥运动和固结模型组成的集成模型对泉州港锦尚湾港区在台风影响下的粘性泥沙和悬沙运动进行了模拟研究.海底地貌演变海洋中的泥沙尤其是推移质泥沙的运动会引起海底地貌的迁移变化 陆上径流携带的泥沙在海流、波浪、潮汐等水动力条件下进行搬运、沉积形成形式多样的海底地貌 针对海底地貌演变的泥沙输运模型研究和应用主要侧重于底层泥沙冲淤变化对海床底形的影响白涛利用 三维水动力数学模型对龙口海域水动力进行了数值模拟在考虑、个分潮的基础上建立泥沙输运、冲淤模型并根据龙口附近区域的中值粒径分布给定初始值对海底泥沙冲淤情况进行数值模拟王星驰等利用 模式首先采用大小区嵌套的方式模拟渤海湾的三维潮汐潮流分布随后利用 模式的泥沙输运模块模拟了小范围内泥沙冲淤情况讨论了人工岛的建设和大风条件对模拟区域泥沙淤积的影响 吴伦宇基于有限体积方法三角网格的水动力模型、海浪模型、泥 沙 模 型 第 期李 帅等:近海三维泥沙输运数值模拟研究及其应用进展 充分总结了当今先进的耦合技术引进了三维辐射应力、与浪、流、泥沙皆有关的底边界模型、海表面应力模型、地形反馈等机制建立了一套浪流泥沙耦合系统.海洋水质监测人类活动、生物化学过程等因素会对海洋水质产生影响如排放到港口的重金属被泥沙吸附后在适宜的条件下沉积下来从而造成港口周边海域重金属污染问题因其具有毒性强、持久性、降解慢、积聚快等特点已成为全球港口环境关注的焦点生活污水、工业废水的排放造成海水的富营养化引起赤潮爆发降低海水的初级生产力并且其产生的有毒物质毒害海水养殖品质造成严重的经济损失 通过建立水动力水质耦合模型能够有效地预测水质状态变量的变化趋势为近海海域水质监测、海水养殖等提供技术支撑 等研究调查了三维多组分水文沉积模型 在预测英吉利海峡近地表悬浮沉积物浓度方面的性能并对开放边界的 输入以及沉降速度和临界剪切应力的简单参数化进行了改进 张立博使用 建立黄渤海三维水动力模型利用实测数据进行可靠性验证通过保守物质示踪剂和拉格朗日粒子追踪方法研究了黄渤海水交换与物质输运过程的季节性特征和动力机制并使用模型实验探究了不同动力因素对季节性水交换和物质输运的影响 邓格斐基于 模型采用非结构化三角网格构建了湄洲湾三维斜压水动力泥沙波浪耦合模型并基于围填海工程前后的模拟结果从粒子轨迹、滞留时间、纳潮容量、余流场、污染物输运特征、泥沙输运特征和风暴潮增水波浪等 个方面研究了围填海工程对湄洲湾水动力环境和泥沙输运的影响.新兴海洋工程建设近年来随着海洋经济的繁荣海洋工程建设项目日益增多 码头、航道、海上风电、海底管道管线、海洋牧场建设、填海造陆、防波堤等涉及的抛石、爆破、疏浚、打桩、开沟、吹填溢流等作业环节产生的悬浮物在水动力作用下输移、扩散 在不同的海洋工程中为了精准模拟泥沙输运对海洋环境和海底底质的影响泥沙输运模型的侧重点有所差别林军等基于海洋数值模型 及其泥沙计算模块将嵊泗马鞍列岛的人工鱼礁简化为密闭空间模拟了人工鱼礁山的潮流场并对表层和底层泥沙输运进行了模拟计算 吴修广等为了更准确地预报模拟港池和航道疏浚过程中的悬浮泥沙扩散过程采用了挖泥船底部的浓度监测结果 李思远等指出倾倒、吹填、溢流、疏浚、铺设水下管道或电缆等海岸工程会引起悬浮泥沙在海洋环境影响评价中进行悬浮泥沙扩散预测时必须考虑施工期不利风向和不利风速的影响 结语随着计算资源性能的提高泥沙输运数值模拟研究提高了空间分辨率模拟的物理过程也变得复杂同时其应用范围也越来越广泛 从现有的研究成果可以看出泥沙输运数值模拟涉及物理海洋学、沉积学、生态学、计算机等多学科理论知识模型已从泥沙输运路径模拟向多模型耦合方向发展 数值模拟研究中各水动力模块的控制方程基本相似径流、潮流为基本考虑因素根据具体情形再考虑其他次要因素而对泥沙输运的计算依赖于水动力模块以及地形边界、泥沙的物理性质等 因此针对具体研究区具体问题的计算需在综合借鉴其他水动力模型的基础上进行基本理论的分析和关键技术的处理与此同时需根据研究区自身的水动力、泥沙、地貌、生态等方面的特征建立具有针对性的数学模型因此开展泥沙动力学、环境生态学、地貌动力学等相关理论的研究能够拓宽泥沙数值模拟研究的应用场景使其服务于更多涉海领域参考文献:王亚妮.近岸潮流泥沙输运的三维数值模拟.太原:太原理工大学.:():.:.:():.鲁东大学学报(自然科学版)第 卷 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