收稿日期:2007-10-30 作者简介:范学平,女,南京交通职业技术学院公路系,助教,硕士研究生。 文章编号:1001-4179(2008)02-0023-02 COHERENS 模型的三维潮流及物质输运数值模拟 范学平1 曾 远 2 (1.南京交通职业技术学院公路系,江苏南京210032; 2.国家环保总局南京环境科学研究所,江苏南京210042)摘要:目前我国海州湾水域污染形势严峻,为了合理确定海州湾近岸水域的环境容量,对该水域进行潮流模拟及污染物质输运数值模拟显得极为迫切与必要。基于COHERE NS 模型对海州湾潮流及污染物输运进行模拟,并根据实测数据进行了验证,结果表明计算值和实测值误差较小,满足精度要求,可用于实际。通过模拟发现,这一海区几乎没有形成环流,这将有利于入海污染物质的输运,对该地区近岸海域的环境保护起到重要作用。关 键 词:C OHERENS 模型;三维;物质输运;数值模拟中图分类号:X143 文献标识码:A 海州湾属江苏省连云港市东部海域,东起岚山头与连云港外的东西连岛的连线为界与黄海相通,标准岸线全长162km,面积约820km 2。该海域的潮汐处于连云港北部的海州湾,为潮波波腹所在,潮汐指标类型为0.36,按目前我国的潮汐类型划分,属半日潮。据1951~1985年实测潮位资料统计,最大潮差为5.80m,平均潮差为3.36m,平均高潮位为4.61m,平均低潮位为1.28m,涨落潮时不等。 近年来随着经济的发展,苏北连云港地区沿海岸线废水排放量增加明显,特别是沿岸临洪河口、沙旺河口排放的废水量逐年上升,对海州湾水环境形成较大压力,近海水环境污染问题已日益突出。为此,对该水域进行了潮流模拟及污染物质输运数值模拟。 1 COHERENS 模型简介 COHERENS [1](A Coupled Hydrodyamical-Ecological Model for Regional and Shelf Seas)是Luyten P.J [2~4]等人在1990~1999年间为预测大陆架海域生物区条件改变所产生的影响和模拟污染物 输移与扩散而开发的,是耦合生态的水动力模型,其主要特点是: (1)在垂直方向采用 坐标网格; (2)模型求解采用过程分裂法,将求解过程分为内模式和外模式,其中以时间步长满足CFL 条件的二维模型求解作为外模式来计算潮波传播的物理过程;以求解动量和物质输运的三维模型作为内模式来计算潮流的垂直结构; (3)湍流采用Galperin [5] 修正后的Mellor Yamada 2.5阶封闭格式。COHERENS 模型可根据具体问题需要对源代码进行修改,从而达到最佳模拟效果。该模型主要用于解决水生态问题,而引用其物质输运模块对潮汐水域污染物迁移规律的研究甚少,本文尝试将其用于我国海州湾近海水域的三维潮流及物质输运的数值模拟。 2 计算范围及参数 为了能充分反映海州湾近岸海域潮流特性,计算区域选定为西至连云港市陆边界,东至E119.65 开边界,北至N35.15 开边界,南至N34.65 开边界的44km 56km 的近似矩形区域,面积约为1900km 2。网格间距 x = y =400m,垂向分10层。计算所需的潮位边界条件由东中国海模型提供,计算糙率根据水深分区域取值,曼宁系数范围在0.020~0.034之间。按连云港实际纬度算出地转参数。 入海河口污染贡献最大的因子为化学需氧量,即COD,故将沙旺河口和临洪河口COD 污染物排放量和排放速率作为污染源计算条件,见表1。 表1 污染源水质条件 入海河口COD 排放量 (t !a -1)排放速率 (g !s -1) 入海 河口COD 排放量 (t !a -1)排放速率 (g !s -1)沙旺河口 4180 264 临洪河口 20444 1296 COD 浓度的纵向扩散系数、横向扩散系数、垂向扩散系数分别取值为4.0、6.0、0.5;降解系数k 取0.03。 3 结果及验证 3.1 潮位验证 采用1997年3月枯水期潮位实测资料对模型进行验证,计算区域内共布置水位测点4个、流速测点2个、水质测点4个,如图1所示。 图2为同步潮位实测值与计算值的比较结果。由图2中潮位验证曲线可看出,两个测点的计算水位无论是相位上或量值上都与实测值相近。计算值基本反映了两个测点附近水域的水面实际升降情况,与实测值吻合较好。 第39卷第2期人 民 长 江Vol.39,No.22008年1月 Yangtze River Jan.,2008
第七章 一维非恒定河流和河网水量水质模型 对于中小型河流，通常其宽度及水深相对于长度数量较小，扩散质（污染物质、热量）很容易在垂向及横向上达到均匀混合，即扩散质浓度在断面上基本达到均匀状态。这种情况下，我们只需要知道扩散质在断面内的平均分配状况，就可以把握整个河道的扩散质空间分布特征，这是我们可以采用一维圣维南方程描述河流水动力特征或水量特征（水位、流量、槽蓄量等）；用一维纵向分散方程描述扩散质在时间及河流纵向上的变化状况。特别地，对于稳态水流，可以采用常规水动力学方法推算水位、断面平均流速的沿程变化；采用分段解析解法计算扩散质浓度沿纵向的变化特征。但是，在非稳态情况下（水流随时间变化或扩散质源强随时间变化）解析解法将无能为力（水流非恒定）或十分繁琐（水流稳态、源强非恒定），这时通常采用数值解法求解河道水量、水质的时间、空间分布。在模拟方法上，无论是单一河道还是由众多单一河道构成的河网，若采用空间一维手段求解，描述水流、水质空间分布规律的控制方程是相同的，只不过在具体求解方法上有所差异而已。 7.1 单一河道的控制方程 7.1.1 水量控制方程 采用一维圣维南方程组描述水流的运动，基本控制方程为： (1) 023/42 2=+-++R Q u n g x A u x Z gA x Q u t Q ???????? (2)
式中t 为时间坐标，x 为空间坐标，Q 为断面流量，Z 为断面平均水位，u 为断面平均流速，n 为河段的糙率，A 为过流断面面积，B W 为水面宽度（包括主流宽度及仅起调蓄作用的附加宽度），R 为水力半径，q 为旁侧入流流量（单位河长上旁侧入流场）。此方程组属于二元一阶双曲型拟线性方程组，对于非恒定问题，现阶段尚无法直接求出其解析解，通常用有限差分法或其它数学离散方法求其数值解。在水流稳态、棱柱形河道条件下，上述控制方程组退化为水力学的谢才公式，可采用相应的方法求解水流特征。 7.1.2 扩散质输运控制方程 描述河道扩散物质运动及浓度变化规律的控制方程为：带源的一维对流分散（弥散）方程，形式如下： S S h A KAC x c AE x x QC t AC r x ++-???? ??=+????????)()( (3) 式中，C 为污染物质的断面平均浓度，Q 为流量， 为纵向分散系数，S 为单 位时间内、单位河长上的污染物质排放量，K 为污染物降解系数，S r 为河床底泥释放污染物的速率。 此方程属于一元二阶偏微分方程，对于非恒定水流问题，微分方程位变系数的偏微分方程，现阶段尚无法直接求出其解析解，通常用有限差分法或其它数学离散方法求其数值解。在水流稳态、污染源源强恒定条件下，可按水动力特征将河道分为若干子段，在每个分段上，上述控制方程简化为常系数的常微分方程，可采用解析方法秋初起理论解。 7.2 单一河道一维水量水质模型
堤坝溃决洪水演进的理论分析 摘要：崩滑堵江事件在世界范围内，尤其在山区广泛存在。每年因为类似事件 的发生都会至少造成数以千万计人的生命财产受到不同程度的威胁及伤害，崩滑堵江事件及其灾害链已严重影响人类的工程经济活动。因此对于堤坝溃决洪水的演进分析便显得尤为紧迫。本文对洪水演进进行了理论分析，得出了相关结论，为日后的工程实际活动很好地提供了理论指导。 关键词：堤坝溃决；洪水演进；理论分析 Theoretical analysis of flood routing after dam break The natural damming of rivers by landslides is a significant hazard in many areas. Landslide damming is particularity common in mountainous regions.Every year,related events have caused at least tens of millions of people's life and property being threatened and damaged.Debris blocking river events and disasters chain has serious impact on human engineering activity.So it’s necessary to carry on theoretical analysis of flood routing after dam break.This paper has worked on the theoretical analysis,related conclusions have been drawn,which could well provide a theoretical guidance on further engineering practical activity. Key words: dam break;flood routing;theoretical analysis 1.研究目的与意义 崩滑堵江形成的天然堵江(堆石)坝高几米至几百米,其最大坝高比目前世界上已建、在建或拟建的人工土石坝均高;堰塞湖体积从几十万方至上百亿方,大者足以与人工水库相媲美;存在时间由几十分钟至上千年;溃坝后形成的洪水异常凶猛,洪峰高几米至几十米,演进过程中造成严重灾害[6]。 因此, 认识掌握堤坝溃决机理并对堤坝溃决过程进行模拟, 对于建立堤坝溃决的早期预警体系、人员紧急疏散预案和基于风险的堤坝设计方法等都具有重要意义.对于洪水演进进程作理论研究与分析，旨在了解整个发生过程，为实际发生的工程事件提供理论支撑。 2.国内外研究动态
河口、海岸水动力模拟技术数值模拟 1题目： 近似的，辽东湾纵长120海里，辽东湾宽60海里，平均深度21米。请模拟该海域的潮位、潮流的时空分布。 采用二维潮波方程: ()0u v h t x y ????++=??? 连续方程 ku x g fv t u -??-=-??ζ 运动方程 kv x g fu t v -??-=+??ζ 边界条件：H=2.0米，t 小时，?=Hcos(30o t) 初始条件：u=v=0 2 计算模型 在本模型计算中，采用SMS 软件生成无结构网格，并将生成后的网格导入MIKE21的HD 模块（水动力模块）进行计算。以下将简单的对MIKE21的HD 模块的计算原理进行简要介绍。 MIKE21水动力模型是基于二维平面不可压缩雷诺（Reynolds ）平均纳维埃-斯托克斯（Navier-Stokes ）浅水方程建立的，对连续方程和水平动量方程在d h +=ζ范围内进行积分得到二维深度平均浅水方程。在对控制方程的离散上，对于空间导数项的离散，MIKE21FM 模块采用非结构化三角形，在岸边界和工程结构物或者岛屿附近采用非等距三角形网格进行单元划分，大大增强了系统对岸线变化河结构物形状的适应性，提高了计算精度。模型对计算区域的空间离散采用的是有限体积法。 3 计算及结果分析 将计算区域简化成如下图所示：
图1 计算区域简化图 东、南、北三边为岸边界，西边为开边界。 在闭边界处0 v，即在平行y轴的边界上u=0,而在平行x轴的边界上u=o, = n 界外点0 ζ。在开边界处，给定已知的随时间变化的潮位值，即开边界强迫水 = 位：H=2米，t为小时，) ζ = H? ( cos t 30 1海里=1852米，120×60海里=222240×111120米，H为水深，21米。本算例选用的网格步长为DS=2海里=3704米，时间步长为ΔT=900秒，网格数为60×30，计算时间为2天，共3个完整周期，48小时，不考虑底摩阻。 选取网格中心点处的u，v，z的变化过程线进行分析，它们的变化过程线如下图所示： 计算区域如下图所示，其中褐色边界为陆地边界，蓝色边界为水边界。 图5 MIKE的计算区域和网格
溃坝水流数值模拟研究进展 史宏达,刘 臻 (中国海洋大学工程学院,山东青岛 266071) 摘要:溃坝问题在水利工程的设计管理中具有重要地位,也是广大学者长期以来一直关注和研究的课题。回顾和总 结了国内外对溃坝水流演进问题的研究进展:介绍了溃坝水流的数学模型及解析解法存在的困难,进而讨论了数 值解法的最新进展;论述了求解溃坝水流一维问题的有限差分法、近似黎曼解的G odunov 格式法、Boltzmann 法、 K FVS 法和二维问题的T VD 格式法、间断有限元法、有限体积法、特征线法,并分析了各种方法的适用范围和优缺 点,及讨论了限制函数的使用;介绍了利用自由水面追踪方法计算溃坝水流的研究进展,并根据目前存在的不足和 实际工程的需要,提出了进一步研究的方向和发展趋势。 关 键 词:溃坝水流;数值模拟;研究进展 中图分类号:T V1391231;G 353111 文献标识码:A 文章编号:100126791(2006)0120129207 收稿日期:2005206220;修订日期:2005209221 作者简介:史宏达(1967-),男,浙江宁波人,中国海洋大学副教授,主要从事工程水动力学研究。 E 2mail :hd 2shi @2631net 在水利工程的设计和管理中预报坝体溃决这一灾害性水流现象十分重要。溃坝计算是对水库和堤防的失事影响做出定量估算,并合理确定水库或堤坝防洪设计标准以及避险措施的有效手段。溃坝计算的主要内容是算出溃坝坝址的流量和水位过程线,以及下游洪水演进过程中沿程各处的流量、水位、流速、波前和洪峰到达的时间等。溃坝水流的构成复杂,通常包含激波,亚临界流,超临界流等区域。通过数值解与试验数据比较,认为浅水方程能够较好的描述溃坝水流。问题最终归结为求解控制水流运动的非恒定流拟线性双曲型偏微分方程组的有间断问题。 1 溃坝水流的控制方程 对于一维溃坝问题,瞬间全溃引起的不稳定流动可视为一维流动,如果假定为静水压力分布和小底坡,则可用圣维南方程[1～4]描述。对于二维溃坝问题,在静压假定和忽略风应力和柯氏力的条件下,描述溃坝洪水演进的二维控制方程为浅水方程[1～4]。 2 溃坝问题的理论解法 尽管数值计算方法在模拟溃坝水流运动方面取得了一定成功,但其效果及优劣通常需要将其与解析法所得结果作比较来判断。因此,解析解的重要意义是不容置疑的。1957年,Stoker 将坝址流态分为连续波流、临界流和不连续流三个流态,推导了矩形河谷和下游有水但起始流速为零情况的瞬间全溃坝址峰顶流量公式[5]。1982年,谢任之在吸收前人经验的基础上,综合连续波与间断波的解法,用抛物线概化河谷断面,去掉对下游水深和流速的控制条件,推出了“统一公式”,可用于各种情况的瞬间全溃的坝址峰顶流量计算,并给出了便于查用的表格[6]。伍超从溃坝决口形状的任意性出发,定义了断面形态组合参数,提出了组合参数的分离方法,定义了溃坝特征数,探讨了相似性的解结构,建立了一个新的数学模型,反应了真实发生的复杂的溃坝决口的水力特性[7]。1995年,谢任之对平底无阻力解进行了简化和延伸化的扩展,研究了无限水体的平底有阻力河床瞬间全溃的一阶和二阶渐近解,并提出了有限水体的平底有阻力的渐近解[8]。 第17卷第1期 2006年1月 水科学进展ADVANCES I N W ATER SCIE NCE V ol 117,N o 11 Jan.,2006
水环境数值模拟—SIM PL E算法研究与进展 范辉, 曾凡棠, 郭森 (国家环境保护局华南环境科学研究所,广州 510655) 摘 要:在查阅了众多国内外有关水环境数值模拟文献的基础上,重点考察应用SIMPL E类算法进行数值模拟并同时提出改进的研究。从算法的收敛速度;校正方程;所采用的网格形式三个方面对SIMPL E算法以及在该算法的基础上经改进得到的SIMPL ER、SIM2 PL EC、SIMPL EX等SIMPL E类算法的研究状况进行了论述。最后,在以上论述的基础上,对SIMPL E类算法的发展趋势进行了分析预测。 关键词:SIMPL E算法; 水位校正方程; 非交错网格 中图分类号:X11 文献标识码:A 文章编号:100326504(2006)增20136204 用数值模拟的方法来描述流体的运动可以一直追 溯到1919年,Defant最早应用一维数值计算方法计算 近海浅水问题,,英吉利海峡的潮波解。 Hansen是第一个应用二维数值模型来模拟潮流的运 动,于1956年应用二维全流模式模拟了北海的潮汐运 动。在国内,数值方法模拟潮流运动始于20世纪70年 代,并于70年代末以后有大量研究成果问世。目前,应 用较多的模拟方法主要有:有限差分法、有限元法、控制 体积法、边界拟合坐标法等。本文论述的SIMPL E算法 便是随着其中的控制体积法的提出而提出的。 1 控制体积法和SIMPL E算法简述 1.1 控制体积法 控制体积法基本思想是:将计算区域划分成若干个 互不重迭的规则的正方形或矩形控制体,每个控制体包 含一个计算格点(速度的控制体在各自的方向上与水位 控制体错开半个网格),然后将连续方程和动量方程: 5z 5t+5[u(z+h)] 5x+ 5[v(z+h)] 5y=0; 5u 5t+u 5u 5x+v 5u 5y=f v-g 5z 5x-g u u2+v2 c2(z+h) +ξx 2u+ τ x (z+h)ρ; 5v 5t+u 5v 5x+v 5v 5y=-f u-g 5z 5y-g v u2+v2 c2(z+h) +ξy 2v+ τ y (z+h)ρ 在每一个控制体积上进行积分。这样,便可以获得一组包含了计算格点变量值的离散方程。用该方法所得的离散方程表示了在有限控制体积上该变量的守恒原则。 1.2 SIM PL E算法 在控制体积法提出的同时,将当时正在建立的计 作者简介:范辉(1980-),男,硕士,研究方向为水环境数值模拟,(电话)020*********(电子信箱)fanhui0818@https://www.doczj.com/doc/5b16407806.html,。算流动场的方法取名为SIM PL E———对压力连接方程的半隐式方法。SIM PL E算法属于以压力为基本变量的原始变量法。其具体的步骤是(对二维情况): (1)给出试探的压力场P3; (2)求解动量方程: a e u e3=∑a n b u n b3+b+A e(p p3-p E3), a n v n3=∑a n b v n b3+b+A n(p p3-p N3),得到u3和v3; (3)求解压力校正方程: a p p p’=∑a n b p nb’+b,得到p p’; (4)由p=p’+p3求解压力p; (5)利用速度校正公式:u e=u e3+d e(p p’-p E’),v n =v n3+d n(p p’-p N’)和已知的u3和v3计算u和v; (6)如果其它的变量(如温度、浓度和湍流量)会影响流动场的话,就求解它们的离散方程; (7)把校正过的压力p作为新的试探压力p3,回到第二步,重复整个过程直至得到收敛解为止[1]。 自SIMPL E算法问世以来,其被广泛应用于求解不可压流体的Navier2Stocks方程,并且也被成功的应用在压缩流体流场的模拟计算中,成为国际上主要算法之一。为了使SIMPL E算法能够更广泛的应用于流体力学及计算传热学中,各国研究者先后提出了许多改进SIMPL E算法的方案,以下是通过三个方面以及众多的研究实例对SIMPL E算法的研究进展进行论述。 2 SIMPL E算法的研究进展 2.1 收敛速度的改进 2.1.1 SIMPL ER算法 Patanka等进一步提出了一个修正的算法———SIMPL ER[223]。相对SIMPL E,在SIMPL ER算法中,压力校正方程的应用只是为了校正速度以及提供某些其他手段来得到一个改善的压力场,而并没有进行压力的校正。对压力,采用直接求解压力方程的方法,因而没有引入近似,所以,如果给出正确的速度场的话,那么 ? 6 3 1 ?
中国近海潮波运动数值模拟 本文基于球面坐标系下的二维垂线平均潮波运动方程建立中国近海潮波数学模型，模型区域包括渤海、黄海、东海、南海、泰国湾和环台湾岛海域，网格尺寸2′×2′，网格数1175×955。在考虑引潮力情况下，计算模拟了中国近海的复合潮波运动；并对分布于各个海域的281个潮位站的4个主要分潮 （M2、S2、K1、O1）潮位调和常数以及13个海洋预报站的潮流资料进行了验证，验证结果基本合理。针对计算结果绘制了主要分潮包括浅水分潮（以M4为例）的潮汐同潮图和潮流同潮图，对中国近海潮汐和潮流分布即潮波运动进行了分析，并和前人的结果进行比较，结果基本吻合。 整个东中国海的潮波主要是太平洋潮波经台湾和九州之间的水道传入的协振波，南海的潮波主要是太平洋潮波经吕宋海峡传入的协振波。东海和南海主要通过台湾海峡进行水量和潮能交换。在东中国海基本以半日潮为主，尤其是 M2占优，而在南海基本以全日潮为主。 由于受到地形影响、边界的反射、地转偏向力和陆架浅海的摩阻作用，潮波在各海区或以前进波或以无潮点和圆流点为主要特征的旋转潮波系统组成了复杂的潮波系统。在模型计算的基础上对台湾海峡的M2分潮的潮汐分布特征和传播机制进行了探讨。认为台湾海峡的M2分潮主要是有北部的前进波和南部的前进驻波系统组成，由吕宋海峡进入的太平洋潮波和广东、福建沿海岸线的相互作用形成了南端前进驻波现象和北部地形边界的放大效应产生的潮能幅聚现象是台湾海峡M2分潮分布特征的主要原因。 海峡内的潮能消耗以南下的前进潮波为主，其传播到台湾浅滩位置。另
海岸海洋潮流模拟可视化与虚拟现实建模* 马劲松，朱大奎 （南京大学大地海洋科学系，南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室，南京，210093 电话：86-25-3593770(O)，86-25-3593756(H)，Email ：majs@https://www.doczj.com/doc/5b16407806.html, ） Visualization Modeling and Virtual Reality for Coastal Ocean Tidal Current Numerical Simulation MA Jingsong ，ZHU Dakui （Dept. of Geo & Ocean Sciences, Nanjing University,The Key Laboratory of Coast and Island Development of Ministry of Education P .R.China Nanjing, 210093,Tel: 86-25-3593770(O), 3593756(H), Email:majs@https://www.doczj.com/doc/5b16407806.html, ） Abstract: The technology of scientific visualization and virtual reality (VR) for tidal current numerical simulation is one of the most important modern methods utilized in coastal ocean science. This paper firstly illustrates a data model used for tidal current simulation from the viewpoint of Geographical Information Systems (GIS), presents an object-oriented modeling methodology suitable for hydrodynamic numerical simulation. Secondly, discusses the field visualization technique of tidal current velocity and describes the utilization of VR in simulation. The authors also designed and implemented a prototypic software system--VROcean, used in visualization of coastal ocean tidal simulation as well as oceanographic studies, and verified the results in the research program of tidal current numerical simulation on the sand ridges in South Yellow Sea of China. Keywords: Tidal Current Numerical Simulation; Virtual Reality; Visualization Model; Coastal Ocean 摘 要:潮流数值模拟的科学可视化与虚拟现实是海岸海洋科学研究重要的现代技术手段之一。本文首先从地理信息系统的角度对潮流数值模拟系统的数据模型进行了论述，提出了适合水文数值模拟的对象模型方法；其次探讨了空间流场的可视化技术，阐述了虚拟现实在潮流数值模拟中的作用；最后设计并实现了一个海岸海洋潮流模拟虚拟现实的原型软件系统VROcean ，并在南黄海辐射沙洲等的潮流数值模拟试验中进行了实际对比检验。 关键词：潮流数值模拟；虚拟现实；可视化模型；海岸海洋 1概述 * 实验室论文编号：SCIEL21101102 基金项目：国家自然科学基金资助项目（49701013）；“九五”国家科技攻关项目（96-922-03-01） 作者简介：马劲松（1969-），男（回族），南京人，南京大学副教授，博士，2000年赴加拿大滑铁卢大学作为访问学者，著有《地理信息系统与空间可视化》，主要从事GIS 空间数据结构理论、技术及其在海岸海洋方面的应用研究。 潮流是海岸海洋主要的水动力因素之一，它影响着诸如泥沙、盐分、各类污染物及能量的输运过程[1][2]。潮流的数值模拟是海岸海洋科学研究中一个重要且经济快速的技术方法，它通过离散化描述潮流运动的控制方程，用近似的求解方法模拟潮流的运动规律，达到对海岸海洋潮流场特征及其变化的科学认识，并指导对海岸海洋的管理、 开发和利用[5]。 然而，数值模拟方法在具有经济快速特点的同时，也存在形象性与直观性差的问题。潮流数值模拟的计算结果往往是大量枯燥的数据，以及根据这些数据所绘制的静态流场图和水位过程曲线，这就阻碍了进一步
乐清湾潮波变形特点及其数值模拟分析 利用乐清湾8个潮位站半个月的观测资料及11条垂线两个航次的实测海流资料，采用调和分析、准调和分析方法，从潮差、涨落潮历时的变化， M2、M4、M6沿湾振幅、迟角的变化等方面分析了乐清湾的潮汐特征；以及从潮流历时、涨落潮平均流速变化，分潮流 M2、M4、M6北方向、东方向上的调和常数，潮流运动性质、运动形式、余流的变化等方面分析了乐清湾的潮流特征。从潮汐的变化来看，潮差沿湾逐渐增加，平均潮差在大门岛为4.13米，到东山头增加到4.60米。涨潮历时稍大于落潮历时，且向湾顶涨落潮历时差逐渐增大，涨落潮历时差从洞头的4分钟，到东山头增大为15分钟。 M2分潮振幅从湾口到湾顶缓慢增加，从湾口的2.米到湾顶增加到2.2米；M4振幅增加了近10倍，湾口大门岛M4振幅不到1厘米，湾顶的东山头M4振幅增加到9厘米，并从乐清湾的地学形态为湾内存在M4分潮的共振提供了证据。对潮位的FFT（傅立叶分析）的结果发现，湾内涨落潮历时不等和非线性而产生的倍潮有关。倍潮中1／4日分潮的作用较大，湾内的1／4日分潮是造成了涨、落潮历时的变化和涨落流速的不等主要原因，236≤2gM2-gM4≤328说明湾内一直是涨潮历时大于落潮历时。 通过对湾内的谐振潮分析，解释了平均潮差向岸逐渐增加。从潮流在湾内变化来看，湾内涨潮平均流速小于落潮平均流速。湾内垂线呈现为涨潮历时长于落潮流历时的特征。 潮流的调和分析后，M2分潮流在整个水域中占主导地位，在湾
第22卷第6期2006年11月水资源保护 W ATER RES OURCES PROTECTI ON V ol.22N o.6N ov.2006 作者简介:唐迎洲(1979— ),男,江苏姜堰人,硕士,主要从事水环境规划和水生态修复等方面的研究。E 2mail :hhutyz @https://www.doczj.com/doc/5b16407806.html, WASP5水质模型在平原河网区的应用 唐迎洲1,阮晓红2,王文远2 (1.上海市水务规划设计研究院,上海 200232;2.河海大学环境科学与工程学院,江苏南京 210098) 摘要:以平原河网区水环境为研究对象,选择了W ASP5系统作为平原河网水质模拟的基本工具,针对W ASP5系统自带的DY NHY D5水动力模型功能的局限性,以及平原河网水力调控系统复杂的特征,选择了具有产汇流模拟、闸坝控制模拟及河网水流模拟等功能的三级联解平原河网水动力模型。通过利用C ++语言编程,实现了三级联解平原河网水动力模型与W ASP5水质模型的耦合,使之可以应用于平原河网水环境的模拟。并把研究成果运用到实际引调水工程中去,模拟引调水工程中不同实施方案下的环境效益,为引调水工程实施方案的确定提供了理论依据。 关键词:平原河网;水环境;水动力模型;水质水量耦合模型;引调水工程中图分类号:X824 文献标识码:A 文章编号:1004Ο6933(2006)06Ο0043Ο04 Application of w ater quality model WASP 5in w ater environment simulation of plain river netw ork areas TANG Ying 2zhou 1,RUAN Xiao 2hong 2,WANG Wen 2yuan 2 (1.Shanghai Water Planning and Design Research Institute ,Shanghai 200232,China ;2.College o f Environmental Science and Engineering ,Hohai Univer sity ,Nanjing 210098,China ) Abstract :This paper focused on the water environment of plain river netw ork areas ,and W ASP5system was selected as the basic simulation tool.It is found out that the fundamental functions of hydrodynamic m odel DY NHY D5in W ASP5are weak in these areas as the natural hydraulic regularity and controlling hydraulic w orks are com plicated in these netw orks.A three 2step hydrodynamic m odel suitable for s olving plain river netw ork was selected ,which has the functions of simulating runoff and con fluence ,dam and sluice control ,current in river netw orks ,etc.The idea of coupling the hydrodynamic m odel with W ASP5water quality m odel is realized and the coupling m odel is created with C ++.The coupling m odel can properly simulate the water environment in plain river netw ork.The coupling m odel and the present methods were applied to the simulation of practical water diversion projects.The environmental benefits of different water diversion plans were com pared by using numerical simulation method ,which provided theoretical references for selection of the executive plan. K ey w ords :plain river netw ork ;water environment ;hydrodynamic m odel ;coupling m odel of water quality and water quantity ;water diversion project W ASP5模型系统由美国国家环保局环境研究实验室开发,该模型系统是按照软件工程的思想来 开发的[1Ο3] 。它由两个独立的程序组成:水动力模型程序DY NHY D5和水质模型程序W ASP5。水质模型由两个模块组成:模拟常规水质的E UTRO5模型和 模拟有毒物质污染的T OXI5模型。E UTRO5模型用来分析常规的污染项目,包括溶解氧、生化需氧量、氨氮、叶绿素a 、有机氮、硝酸盐、有机磷、无机磷等8种物质在水体中的迁移变化情况;T OXI5模型用来模拟有毒物质的污染,包括有机化学物质、金属和泥 ? 34?
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地下水流数值模拟的基本理论及应用
王旭升 博士
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目
录
1. 地下水系统及其概念模型 2. 地下水流的数学描述与参数 3. 三维有限差分模型与MODFLOW 4. 模块及其作用 5. VMODFLOW的应用
2
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1. 地下水系统及其概念模型
地下水系统：含水层+补给区+径流区+排泄区+开采井
Q1 Q2 Q3
潜水含水层
McWhorter and Sunada (1977)
承压含水层
3
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1. 地下水系统及其概念模型
地下水系统
潜水面 水井
地层 透水性 边界
弱透水层
含水层
深部地质循环
4
承压
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1. 地下水系统及其概念模型
含水层概念模型：潜水含水层 模型范围
潜水面
底板 只有水平流动
5
底板
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1. 地下水系统及其概念模型
含水层概念模型：承压含水层 测压水位面
顶板 底板 只有顺层流动
6
顶板 底板
地下水数值模拟任务、步骤及常用软件1地下水模拟任务 大多数地下水模拟主要用于预测，其模拟任务主要有4种： 1)水流模拟 主要模拟地下水的流向及地下水水头与时间的关系。 2)地下水运移模拟 主要模拟地下水、热和溶质组分的运移速率。这种模拟要特别考虑到“优先流”。所谓“优先流”就是局部具有高和连通性的渗透性，使得水、热、溶质组分在该处的运移速率快于周围地区，即水、热、溶质组分优先在该处流动。 3)反应模拟 模拟水中、气-水界面、水-岩界面所发生的物理、化学、生物反应。 4)反应运移模拟 模拟地下水运移过程中所发生的各种反应，如溶解与沉淀、吸附与解吸、氧化与还原、配合、中和、生物降解等。这种模拟将地球化学模拟(包括动力学模拟)和溶质运移模拟(包括非饱和介质二维、三维流)有机结合，是地下水模拟的发展趋势。要成功地进行这种模拟，还需要研究许多水-岩相互作用的化学机制和动力学模型。 2模拟步骤 对于某一模拟目标而言，模拟一般分为以下步骤： 1)建立概念模型 根据详细的地形地貌、地质、水文地质、构造地质、水文地球化学、岩石矿物、水文、气象、工农业利用情况等，确定所模拟的区域大小，含水层层数，维数(一维、二维、三维)，水流状态(稳定流和非稳定流、饱和流和非饱和流)，介质状况(均质和非均质、各向同性和各向异性、孔隙、裂隙和双重介质、
流体的密度差)，边界条件和初始条件等。必要时需进行一系列的室内试验与野外试验，以获取有关参数，如渗透系数、弥散系数、分配系数、反应速率常数等。 2)选择数学模型 根据概念模型进行选择。如一维、二维、三维数学模型，水流模型，溶质运移模型，反应模型，水动力-水质耦合模型，水动力-反应耦合模型，水动力-弥散-反应耦合模型。 3)将数学模型进行数值化 绝大部分数学模型是无法用解析法求解的。数值化就是将数学模型转化为可解的数值模型。常用数值化有有限单元法和有限差分法。 4)模型校正 将模拟结果与实测结果比较，进行参数调整，使模拟结果在给定的误差范围内与实测结果吻合。调参过程是一个复杂而辛苦的工作，所调整的参数必须符合模拟区的具体情况。所幸的是，最近国外已花费巨力开发研究了自动调参程序(如PEST)，大大提高了模拟者的工作效率。 5)校正灵敏度分析 校正后的模型受参数值的时空分布、边界条件、水流状态等不确定度的影响。 灵敏度分析就是为了确定不确定度对校正模型的影响程度。 6)模型验证 模型验证是在模型校正的基础上，进一步调整参数，使模拟结果与第二次实测结果吻合，以进一步提高模型的置信度。 7)预测 用校正的参数值进行预测，预测时需估算未来的水流状态。
基金项目：水利部２０１０年度公益性行业科研专项经费项目：渭河下游洪水演进模拟研究（２０１００１０５９） 摘要 本文以二维洪水演进模拟研究提供的水文数据和三维场景数据为基础，以ｓｋｙｌｉｎｅ为开发平台，进行组件式开发，采用了Ｂ／Ｓ网络体系结构，将水文栅格数据和场景数据集成到可视化系统中，构建了渭河下游洪水演进三维可视化系统，模拟了渭河下游典型洪水的三维动态演进过程，再现了洪水淹没场景，实现了实时汛期查询分析，为防汛管理提供了决策支持。 关键词 Ｓｋｙｌｉｎｅ；洪水演进；三维可视化 中图分类号：ＴＶ１２２ 文献标识码：Ａ 基于ｓｋｙｌｉｎｅ的渭河下游洪水演进三维可视化 系统研究 李茜１骆建文２ （１．陕西省河流工程技术研究中心陕西西安７１００１８；２．西安长庆科技工程有限责任公司陕西西安７１００１８） １引言 渭河是陕西的母亲河， 自三门峡水库修建后渭河下游河道淤积抬高，洪涝灾害频发，渭河下游一直是陕西省防汛的重中之重，渭河洪水灾害的预测、预报工作愈显重要。水沙数学模型能够模拟洪水演进的过程和特点，为洪水的监测、预报和抢险指挥提供参考；同时，水沙数学模型也是数字渭河工程建设的一项关键任务。现在水利科学从不同角度深入探讨利用水沙数学模型及时、准确地预测、预报洪水演进行为。２０世纪９０年代中期，按照国家防办洪水风险图计划，陕西省三门峡库区管理局自主开发了渭河下游洪水风险分析计算模型，但受当时技术水平的限制，洪水演算成果的稳定性、精度及图形显示效果等方面存在许多不足。当前，国家防办大力开展了“全国洪水风险图编制实施方案”，各大流域机构也积极开展了洪水风险图编制工作。作为洪水风险图编制的基础工作，洪水演进三维可视化技术亟待攻破。因此，开展渭河下游洪水演进三维可视化研究，是数字渭河建设的需要，也是流域洪水风险图编制的重要基础，更是按照新时期治水思路推进流域综合管理的一项重要战略举措。随着地理信息系统（ＧＩＳ）技术的发展，以其强大的空间信息处理和分析功能在各个行业间广泛应用。借助其空间处理功能，可以为洪水演进三维 可视化研究提供对多源地表空间信息的综合分析。三维可视化技术能够直观表现洪水发生的过程，因此它是开展洪水演进模拟研究的最佳选择，可以提供计算结果的可视化输出，能够对洪水演进路线、到达时间、淹没水深、淹没范围及流速大小等过程特征进行预测，为洪水灾害预防和防汛抢险提供决策支持。 ２系统总体设计思路 ２．１开发工具选择 洪水演进数学模型的计算结果大多数是以数据文件的形式输出，常规的分析手段，如水位变化过程线、流速（流量）变化过程线、瞬时等深线和瞬时流场图等已不能满足当前数学模型发展和水利信息化的要求，因此有必要利用一些新的技术和手段开发出洪水演进数值模拟结果的三维可视 化系统【１】 。国内外，出现了一些以ＧＩＳ技术 为主流的洪水演进模拟软件，为洪水演进的研究提供了基础，但现有软件都不能够直观、动态模拟流域洪水的三维淹没过程，不能实时提供流域防洪对策。在国内外研究的基础上，比较了各软件的优缺点，选取ｓｋｙｌｉｎｅ系列软件中的ＴｅｒｒａＥｘｐｌｏｒｅｒＰｒｏ作为系统开发工具。作为一款先进、实用的浏览编辑工具，ＴｅｒｒａＥｘｐｌｏｒｅｒＰｒｏ可以真实地浏览三维交互场景，进行编辑、分析、标注等操作，并提供开发组建接口，方便用户根 据需求进行系统定制。２．２技术路线 在二维洪水演进模拟研究的基础上，以二维计算提供的水文数据和三维场景数据为基础，以ｓｋｙｌｉｎｅ为开发平台，采用面向对象的高级编程语言Ｃ＃，利用ＴｅｒｒａＥｘｐｌｏｒｅｒ Ｐｒｏ 中的 ＩＳＧＷｏｒｌｄ６１、 ＩＰｒｏｊｅｃｔＴｒｅｅ６１、ＩＣｏｍｍａｎｄ６１等接口，进行ｓｋｙｌｉｎｅ的组件式开发，采用了目前主流的 Ｂ／Ｓ网络体系结构，将水文栅格数据和场景数据集成到可视化系统中，构建了渭河下游洪水演进三维可视化系统，模拟了渭河下游典型洪水的三维动态演进过程，再现了洪水淹没场景，实现了实时汛期查询分析，为防汛管理提供了决策支持。 ３三维可视化系统构建 ３．１数据来源 水文数据是采用１９５４年、１９８１年、２００３年等典型年历史洪水的水沙资料，根据典型年来水来沙特性、水位流量关系、河床冲淤变化特性，提供洪水演进计算边界条件，然后通过Ｄｅｌｆ３Ｄ软件进行模拟的后缀名为．ｘｙｚ的数据。地形数据是采用西安煤航信息产业有限公司２０１１年的ＤＥＭ数据，并叠加航拍遥感数据，分辨率为０．５ｍ， 上游为１ｍ。３．２数据格式的转换 Ｄｅｌｆ３Ｄ软件模拟生成的后缀名为．ｘｙｚ 陕西水利SH A ANXI SHUILI 科 技 137/138 ２０１４．１