网格尺度对三维水动力模型模拟滨海地区潮流特性影响的数值分析

构建了三门湾三维水动力模型,将计算结果与实测资料进行对比分析后设置了不同的网格尺度,对三个断面和四个典型点的潮流特性进行了分析。结果表明:当研究水域为港汊较多、地形复杂的海湾时,数值模拟计算值的相对偏差会随着网格尺度增大而增大,当网格尺度增大到一定值时,相对偏差会由于多种误差的正负累积而趋于稳定。地形是影响潮流计算的关键因素,在地形变化剧烈和水深较小的潮间带水域的潮差和流速值相对变化较大,在水深较大的平坦区域则几乎不受网格尺度的影响;流向对网格尺度的敏感程度较低,与网格尺度无明显关系;水平涡粘系数与网格面积呈正相关,且网格面积对流速变形率Sij较大处影响较大。综合分析,在进行潮流计算时,需要在地形复杂的岸边、水深较小的潮间带以及岛屿间进行网格的加密处理,考虑计算时间、模型计算的稳定收敛以及计算值的精确度等因素,确定合适的计算网格尺度,使得计算结果满足精度要求。

洱海湖泊及湖湾三维水动力模型构建及特征分析

基于环境流体动力学模型EFDC(Environmental Fluid Dynamic Code),建立了洱海湖泊及湖湾的三维水动力模型.利用洱海2010和2011年实测的水位、库容、流速和温度资料对模型进行了率定和验证.水动力模拟结果与实测资料吻合度较好,表明水动力模型能够很好地反映洱海的水位、流速和水温等变化过程.应用模型对洱海湖泊及湖湾的水动力状况进行模拟,研究八个典型风场作用下洱海全湖及局部湖湾的特征流态.最后,利用模型研究在主导风作用下的洱海风生流过程,分析各个阶段的流场特征及风应力平衡情况.研究结果初步揭示了洱海的水动力过程,为洱海的水环境管理和水质改善提供理论基础和技术依据.

基于三维水动力模型的海砂开采对海洋环境的影响分析

作为一种重要的海洋矿产资源,海砂已成为目前工程建设开发利用的焦点。但在海砂开采过程中,势必会对海洋水文动力环境产生影响。该文基于三维水动力数学模型,通过理论基本方程建立工程项目海域模型,并将模型计算数据与已有站点记录数据进行对比,表明该模型可以用来模拟研究工程实施造成的海洋水动力变化情况。通过模型计算得出海砂开采工程现状和施工后近水海域的大潮涨急、落急时的海域表层、中层、底层的潮流场,并对比和分析得出采砂工程对采砂区内流场的影响主要集中于采砂区内,采砂区2.5km以外海域潮流场基本无变化,对大范围海域潮流场的影响较小的结论。

基于三维水动力模型的溢油扩展迁移规律的数值模拟

以长江常州段船舶溢油事故为例,采用无结构三角网格划分计算区域,采用有限体积法离散控制方程,构建了非稳态三维水动力模型,结合Fay溢油模式开展了河流中溢油扩展迁移过程的数值模拟研究.数值模拟结果表明,本文构建的模型更加精确地模拟了水流流态,并在此基础上预测了油膜在垂向上的分布规模,能够较好地模拟河流中溢油扩散迁移规律。可为溢油污染的防控、治理提供技术依据。

三维水动力模型在水环境影响评价中的应用

文章运用三维水动力模型进行跨江大桥施工期水环境影响评价。模型分别选用石埠桥桥位的枯季、洪季实测资料进行了潮位、流速及流向等的验证,在模型验证的基础上,将该模型用于跨江大桥水环境影响评价中桥墩施工悬浮物影响模拟计算。通过研究表明,本模型能够很好地用于工程引起的悬浮物污染影响模拟计算。

二、三维耦合水动力模型研究I:模型的建立

利用基于非结构网格的有限体积法分别建立了二维和三维水动力模型。在实际工程应用中,二维模型一般用于模拟浅水自由表面流动,而三维模型在水流参数垂向结构变化较大时适用性更强。结合两者的特点,建立了二、三维耦合水动力模型。首先通过2个经典的算例来分别验证二维和三维水动力模型的精度和可靠性,最后通过一个潮流在斜坡地形上的传播实验来比较研究二、三维耦合水动力模型的实用性。结果表明,耦合模型在保证计算精度的同时,可有效提高工作效率。

三维水动力学模型高精度差分格式和解法研究

采用高精度差分格式对三维水动力学问题的时均化Navier Stokes方程进行了数值模拟,进而采用广义共轭剩余法(GCR方法)求解压力泊松方程,并采用显式三级二阶Runge Kutta格式模拟了时间步进过程.傅立叶分析表明,文中所采用的三阶迎风紧致差分格式具有较高的精度.数值实验进一步验证了上述数值模型的准确性和有效性.

三维海洋水动力计算σ坐标转换存在的问题及改进方法

三维水动力模型在准确模拟海洋物理特性中起着重要的作用,传统的σ坐标转换由于当时计算机能力所限,舍去了复杂的高阶项,在实际复杂地形(或水深变化)环境下,会带来一定的误差或计算失真等问题.由此,为了适应高精度计算结果的需求,对原有σ坐标三维水动力模型进行了重新修正.在改进后的模型中,综合考虑了经σ坐标变换引入的与流速、水位、地形相关的复杂高阶项,选用特定的插值函数,利用有限元和差分相结合的方法,进行求解σ坐标下的完整三维浅水模式方程.相比原模型,改进的模型对底坡、水深、潮汐振幅等变化适用范围更为广泛,能更好地模拟出复杂水深变化下的垂向流动分布特征,计算结果具有更高的精确度;改进的模型针对一些极端水位条件(潮汐振幅与水深比大于0.15),其计算误差同样可保持在一个较低的范围内;同时,改进的模型只需更短的时间就可运行至稳定状态.

一种基于表面状态参数的三维海洋动力学模型数值求解方法

大面积的海洋表面实时运动状态可以通过遥感技术获取,而海洋内部的运动状态只能进行定点观测,无法达到大面积的实时监测。基于海洋动力学基本原理,在正压浅海大陆架模式下,在三维空间构建海洋表面与内部运动状态的关系模型;利用遥感探测的海洋表面流速与流向数据,结合海域的浪高、风速状态参数,运用有限差分法反演出深层海流的流速与流向信息。反演结果符合海洋动力学规律,反映出了深层流整体分布状态,扩展了雷达遥感应用范围。

苏北灌河口海域三维水动力数值模拟

基于无结构网格海洋模型(FVCOM),建立了灌河口海域三维潮流数学模型。模型水平方向采用三角形网格,使得能够更好地拟合灌河口不规则岸线边界,垂向采用σ坐标。模型计算结果与实测结果吻合良好,较好地模拟了灌河口潮流场时空分布。水平潮流以旋转流为主,流速由北到南逐渐增大,近岸余流方向都是由北向南的沿岸流。灌河口和海州湾的水动力交换主要受潮流驱动,余流漩涡形成的主要机理可能是潮波和地形及岸线的相互作用。

南黄海辐射沙脊群海域三维水动力数值模拟

基于无规则网格的有限体积海岸海洋模型(FVCOM),建立适用于辐射沙脊群海域的三维潮流数学模型。为了更好地贴合不规则海岸边界,平面采用三角形网格剖分,垂向采用σ坐标进行模拟。结果表明,模型的计算值与观测值吻合良好,较好地反映了研究海域流场的时空分布特征。整个海域流场由南、北两股潮流向弶港辐聚辐散,各深槽流速较大而集中,流向与深槽走向十分一致;弶港以北,表、底层余流方向都是从南到北的沿岸流,南部海域的近岸余流有逆时针的旋转流,近深槽余流大都指向深槽。

基于水动力-水质模型的湖库纳污能力量化

"湖库纳污红线的核定"是我国最严格水资源管理制度中三大核心内容之一,也是保障城市供水安全、水资源可持续利用的关键问题之一。我国现行纳污能力的计算往往采用对稳态水质模型的解析求解,但无法获得不同来水、排污和内源污染等多种因素影响下水体纳污能力的时空动态变化。水动力-水质模型能够反映湖库水质和外部营养负荷之间的定量关系,可精细模拟水质指标在库区内的时空变化过程。基于EFDC模型,以深圳市重要饮用水源地——石岩水库为例,构建了水库三维水动力-水质模型,动态模拟了水位和水质的时空变化;并按照水功能区目标要求,探讨了该水库典型年的纳污能力的季节性变化。结果表明:EFDC模型能够准确模拟石岩水库水动力和水质要素的变化过程,水位、COD_(Mn)和NH_3-N模拟的相关系数达到了0.97、0.60和0.90;基于构建的三维水动力-水质模型,考虑到排放口位置和条件、水质的时空分布特点、底泥释放等实际因素,计算得到石岩水库2011年COD_(Mn)和NH_3-N纳污能力分别为2 158、511 t/a;纳污能力的季节性差异很明显,夏季和秋季较大,春季和冬季较小。研究成果可为我国饮用水源地水质管理和污染控制提供科学依据,也可为我国最严格水资源管理制度的实施提供一定的参考和借鉴。

三峡库区水环境模型系统构建

流域水环境受地形、气象、水文和社会经济等诸多方面的因素影响,其模拟分析是当前的研究热点也是一大难点。基于流域水循环机理,通过识别污染物主要来源和迁移途径,对流域及其内部发生的复杂污染过程定量化描述,构建了包含陆地模型、三维水动力模型和水质水生态模型的空-地-水一体化水环境模型体系,实现了大流域尺度水环境系统的高效模拟。通过模型条件节点和应用节点的协调运作,提升了水环境自动监控能力,实现了对全流域水环境状况实时模拟预测的业务化运行和突发事故的快速预警。将系统应用于三峡库区,验证了模型的有效性。研究成果可以为三峡库区的水环境管理提供可靠的技术支撑,对保障三峡库区水环境安全具有十分重要的现实意义。

利用非结构化网格三维模型探讨桥墩周围流动现象

本文简要介绍了一种基于非结构化网格的三维水动力模型,模型采用有限体积法的思想,考虑水流垂直方向流速,建立三维水动力控制方程。引用通量差分分裂(FluxDifferenceSplitting)算法对控制方程进行了数值求解。最后基于该模型建立了日本川上河上的包含两个桥墩河段的三维水动力模型。通过模拟计算,对两个桥墩周围的流动状态进行了分析。结果表明,该模型能够体现复杂情况下桥墩周围的流动现象。

“引江济巢”工程中水动力及水质数值模拟

利用三维水动力学模型(ELCOM)模拟了"引江济巢"工程对巢湖的水质影响,并利用2007年6月25～30日的现场调水试验监测成果对模拟结果进行了验证.结果表明,模拟值与实测值吻合较好,可应用于工程实施中的水动力及水质状况的模拟和预测.同时进一步分析了不同调水线路及引江调度方式对调水效果的影响,结果表明,在相同流量条件下,西线菜子湖的调水效果优于中线白荡湖.不同的引江调度方式对巢湖东、西半湖及中部湖区的改善效果也不同,可以根据改善水质的不同需求选择相应的调度方式.

大规模围垦对香港维多利亚港水动力环流的影响

运用一个已校正的珠江口三维水动力数学模型，研究现存的大规模围垦和进一步最大可能的中环围垦对香港维多利亚港（维港）水动力环流的影响．数值计算显示，与1975年（大规模围垦前）海岸线相比，现存的大规模围垦使维港的水动力有几点关键性变化：①流量峰值降低了8％～17％，平均降低约11．5％；②维港东部流速峰值由于流量的减少而减少，维港西部，尽管流量减少，但由于横断面剧减，流速峰值反而增加；③雨季由于珠江径流的作用，盐度垂向分布呈明显的二层结构，而在枯季则比较均匀；④枯、雨季的潮流冲洗时间分别增加约30％和50％．在现存的海岸线下，维港枯、雨季的潮流冲洗时间分别为5～7d和1．5～2．5d．进一步的中环围垦不会对维港潮流冲洗率和流量产生明显影响．

中华鲟产卵栖息地的三维水力因子适宜性分析

建立三维水动力学模型分析中华鲟产卵栖息地水力因子的时空分布和中华鲟产卵时的适宜水力特性,为设计最佳的生态调度方案提供科技支撑。研究结果表明,中华鲟产卵栖息地的上产卵区水深和流速的变化主要受流量影响,涡量的变化主要受地形影响;中华鲟产卵前需要高流量脉冲刺激产卵。坝下与隔流堤之间流速和涡量值的大小与波动远大于其他区域,均值为2.4 m/s和11 m2/s。产卵栖息地水体表层、中层和底层的流速和水平涡量分布格局相似,均是在上产卵区值较大,空间分布多样性高。水体中层垂向涡量的值远大于底层和表层。产卵栖息地水体表层、中层和底层水力分布特征为中华鲟繁殖提供了有利的水力条件,体现出中华鲟对产卵栖息地不同功能区的自主选择性。

贝加尔湖典型风况下三维流场数值模拟

采用Delft3D模型,模拟分析了在典型的西北风况下,贝加尔湖的水位变化及三维流场结构。数值计算结果表明：①因贝加尔湖纬度高、面积大,所以科氏力的作用十分明显,致使表层风生流流向偏于风向右侧。②在西北风作用下,湖区出现增减水现象,在湖的北部出现减水而南部产生增水,增减水的幅度范围为-10-15 mm。③风生流场的三维结构明显,湖区水体表层水流主流向由北向南;水体中层在湖的南部形成逆时针的环流,在北部形成顺时针的环流;湖区底部水体在中北部出现补偿流。④湖区横剖面上存在弱的顺时针方向的垂向环流。

基于Delft3D模型对深圳湾近岸海域污染物迁移模拟

以深圳市深圳湾近岸海域为研究对象,基于Delft3D软件,建立深圳湾三维水动力水质耦合模型。利用实测数据对模拟结果进行验证,分析深圳湾海域水质时空变化规律。模拟结果表明,深圳湾内的污染物浓度整体较高,浓度分布受潮汐变化敏感性强,不仅受各污染源点源强与流量的影响,而且受湾内的潮汐动力影响,污染物浓度值总体从湾口向湾顶逐渐增大,浓度梯度由外向内递增。

基于三维水动力水质数值模型的象山港排污策略研究

本文以象山港(半封闭港湾)为研究对象,采用Delft 3D软件建立三维水动力数值模型,对其潮位、潮流、温度、盐度的时空变化进行验证分析,计算结果与实测结果基本吻合,表明该模型能够较好地模拟象山港海域的水动力特征。为进一步研究象山港内污染物的迁移转化过程,在上述水动力模型的基础上构建三维水质模型,水质模拟结果与实测数据吻合良好,可以反映水质的变化趋势。利用验证后的水质模型,针对排污口的落潮排放、排放量减少和排污口整合3种排污策略进行模拟计算,分析排污口对象山港水质变量的影响程度。模拟结果表明,象山港水质环境受排污口影响明显,3种排污策略均可以直接降低港内DIN浓度,但不同的工况表现出不同的影响特征。