渤海水动力环境的数值模拟研究

《渤海水动力环境的数值模拟研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、天津大学博士学位论文渤海水动力环境的数值模拟研究NumericalSimulationStudyofHydrodynamicsinBohaiSea学科专业：流体力学研究生：李原仪指导教师：袁德奎研究员天津大学机械工程学院2017年3月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论

2、文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日II万方数据中文摘要渤海被津、冀、辽、鲁四省市环抱，是中国最大的内海。环渤海地区人口密集、经

3、济发展活跃，是中国经济发展的重要引擎之一。然而，在经济社会快速发展的同时，渤海面临的环境压力也日益增长。水动力环境是影响渤海整体环境质量的重要因素，是保护和治理渤海环境的关键所在。本文以水动力学数学模型为主，结合现场调查及地球化学分析，对渤海水动力环境进行了研究和探讨。建立了一种新的地下水-地表水全耦合数学模型。基于海滩地下水和地表水自然联系的事实，从基本的控制体出发，推导出了一组形式统一的、适用于地下水和地表水运动耦合模拟的方程，对该方程组进行差分离散，建立了一种新的地下水-地表水全耦合数学模型，并对模型进行了

4、基本验证。该模型不区分地下水和地表水，将二者视为统一整体，采用统一的方程和数值格式进行计算，为地下水和地表水的全耦合计算开辟了新的途径。在模拟具有广阔潮间带的海域的地表水运动时，由于该模型可以将地下水纳入计算域统一计算，无需为处理移动边界而对水深进行截断，从而具有很好的质量和动量守恒性。将水动力学模型与地球化学分析相结合，对渤海三大海湾之一的渤海湾的水动力条件、沉积状况和沉积物中重金属含量的分布及三者的关系进行了研究。对表层沉积物中重金属含量进行了分析，发现在渤海湾西部及西北部、中部和湾口北部附近存在三个沉积物重

5、金属含量峰值区。通过水动力学模型和粒子示踪模型分析了渤海湾环流及水动力状况，结果表明，水流可以将主要排污口的污染物输运至以上三个重金属含量的峰值区，这三处分别为渤海湾中三个环流的中心且环流中心水动力较弱，利于泥沙及其携带的重金属沉积。进一步对沉积物柱状样中放射性同位素活度分布进行了分析，结果表明渤海湾中沉积物重金属含量峰值区也正是稳定的沉积区域。沉积物重金属含量峰值区、稳定沉积区和渤海湾环流结构三者显著相关，印证了本文所发现的渤海湾沉积物中重金属的分布规律，表明水动力条件是影响渤海湾内重金属输运和分布的关键机制之

6、一，也从地球化学的角度间接证明了本文水动力学模型及由该模型得到的渤海湾环流结构的可信性。基于所建立的二维水动力学模型和已有的物质输运模型建立了平均年龄模型，并结合分区研究的方法，对渤海环流及渤海各部分的水交换特性进行了数值模拟研究。采用年龄模型计算了海水进入渤海后的平均年龄分布，结果表明，进入渤海的海水到达辽东湾、渤海湾和莱州湾的平均时间（年龄）分别约为2~6年、10年和11年，表明渤海总体上存在一个逆时针环流，渤海海峡在较长的时间尺度上存在“北进南出”的状况。采用分区的方法对渤海各部分水体的来源和去向及各部分的

7、水交换能力进行分析，结果表明：渤海中部是渤海各海湾之间及同外海进行水交换的枢纽；渤海各海湾水交换能力差异较为显著，但总体来看，莱州I万方数据湾水交换能力强于渤海湾和辽东湾，渤海湾和辽东湾与渤海其他海域及外海的水交换都较为困难。基于所建立的水动力学模型和SWAN风浪模型，用NCEPCFSR风场作为驱动模型的风场，建立了波流耦合模型，并对渤海风暴潮的特性、影响因素及成因进行了数值模拟研究。利用实测风速数据对NCEPCFSR风场进行了修正。采用实测数据对水动力学模型和SWAN模型进行了验证，并在此基础上利用实测风暴潮增

8、水数据对耦合模型进行了整体验证，结果表明：所建立的波流耦合模型可以较好地模拟风暴潮增水过程的特征。利用该波流耦合模型对渤海风暴潮特性、影响因素和成因进行分析，结果表明：渤海风暴潮增水较大的区域主要为浅水区，波浪引起的辐射力对增水的影响也主要集中于此；波浪破碎和波能耗散导致的沿岸流是影响渤海南部风暴潮增水的重要因素；缓变地形导致的方向一致的波能梯度和辐射力对渤海湾南部、莱州