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基于流量函数的海水交换数值模拟研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容及路线

1.3.1 本文的研究内容

1.3.2 本文的技术路线

第2章 水体交换能力的常用计算方法

2.1 水交换的描述方法

2.1.1 时间尺度

2.1.2 纳潮量

2.2 水交换研究中的常用模型

2.2.1 箱式模型

2.2.2 粒子示踪模型

2.2.3 随机游动模型

2.2.4 对流扩散模型

2.2.5 三维潮流场及物质输运模型

2.2.6 关联矩阵模型

2.3 本章小结

第3章 水体交换能力的计算

3.1 水体交换能力相关指标的定义

3.2 流量函数的引入

3.2.1 流函数

3.2.2 流量函数

3.3 水动力模型介绍

3.3.1 控制方程

3.3.2 水动力模型的定解条件

3.3.3 水动力模型的数值解法

3.4 双开口水动力模型的构建

3.4.1 模型范围的确定

3.4.2 模型条件及参数设置

3.4.3 流场分析

3.5 单开口水动力模型的构建

3.5.1 模型范围及网格划分

3.5.2 流场分析

3.6 Qx和Qy的计算

3.6.1 双开口模型流量计算

3.6.2 单开口模型流量计算

3.7 流线分布图的绘制

3.7.1 函数程序“flowfun”和“Gumsimp”

3.7.2 双开口模型流线分布图

3.7.3 单开口模型流线分布图

3.8 水体交换能力的计算

3.8.1 双开口模型水体交换能力的计算

3.8.2 单开口模型水体交换能力的计算

3.9 本章小结

第4章 水体自净能力的计算

4.1 水体自净能力相关指标的定义

4.2 对流扩散模型的建立

4.2.1 控制方程

4.2.2 模型初始条件及参数设置

4.2.3 浓度场分析

4.3 水体自净能力的计算

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介

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摘要

海洋对人类的生活和发展起着至关重要的作用。近年来,由于陆地资源匮乏以及经济的快速发展,人类对海洋的开发活动逐渐增多,这就不可避免地对海洋环境造成一定的影响。水体交换能力和水体自净能力是决定水环境质量的重要指标,是海洋环境科学研究中的基本问题。研究海湾的水体交换能力和水体自净能力对于研究和评价海湾水环境质量有着重要意义。
  水体交换能力只与水体的流动性有关,目前有关水交换的研究大多是通过指示物质浓度来计算水体交换率以及交换时间,其结果不能准确地体现海水交换能力。本文以简化的T形区域为例,提出一种基于流量函数的水体交换计算方法,而该流量函数是与流函数类比得出的。由于流函数通常只用于二维平面流动,故须先将三维连续方程沿水深方向积分得到水深平均的二维浅水方程,即将三维问题转化为二维问题;然后对二维浅水方程进行积分并类比流函数引入流量函数;之后通过建立双开口和单开口水动力模型得出流速、水深等数据;最后根据模拟得出的数据计算流量值,作出流量函数对应的流线分布图。从流线分布图中可以清晰地看出模拟区域内一半以上的水体能被交换至域外,并经计算得出双开口模型前、后半周期的海水交换率分别为0.6396和0.6465,单开口模型前半周期的海水交换率为0.7847。结果表明:采用这种基于流量函数的数值模拟方法来评价某区域的水体交换能力是简单而可行的,通过流线分布图能够直观的反映出区域水体的水交换能力,这将为今后水交换的研究和海湾综合整治提供一定的参考。
  水体自净能力除了与水体的流动性有关,还与物质的扩散有关。为了与水体交换能力进行区分,本文还对双开口模型的水体自净能力做了研究。首先通过建立对流扩散模型模拟了该区域某标志性物质的浓度随时间变化过程,然后计算并分析了模拟区域的水体自净能力,并提出要在海湾、港口的建设和运营过程中重要排污阶段实施有效的监督管理,以防污染物质进入水体交换能力和自净能力较弱的区域,从而危及到水环境质量。

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