河口、海岸水动力模拟技术

FVCOM在长江口水动力数值模拟中的应用李春良;倪晓雯;梅国永【摘要】本文以“大江河口湿地演变退化的评价体系”项目为背景,应用FVCOM 潮流及形态动力学模型建立长江口三维潮流数值计算模型,建立了包括长江口、杭州湾及邻近海域大范围的三维潮流数值模型,基于Linux平台下的并行计算使得变尺度大范围河口地区的模拟效率得到了很大的提高.运用实测潮位、流速、流向对模型的相似性进行验证,计算验证结果与实测值比较吻合,模拟流场能够比较好的反映长江口地区往复流场和口外区域顺时针旋转流特征,可以用于长江口潮流的进一步研究.【期刊名称】《港工技术》【年(卷),期】2016(053)003【总页数】5页(P1-5)【关键词】长江河口区;潮流界;三维;数值模拟【作者】李春良;倪晓雯;梅国永【作者单位】山东省交通规划设计院,山东济南250031;山东省建筑科学研究院,山东济南250031;山东省建筑科学研究院,山东济南250031【正文语种】中文【中图分类】TV148+.51.1 概况长江口是长江在东海入海口的一段水域，属于较为典型的潮汐河口，潮区界位于安徽省铜陵市和芜湖市之间，距离长江河口约640 km，潮流界在江苏省江阴市以下，长度约240 km。

按照河口地区潮流潮汐特征，通常把上自安徽省铜陵市大通镇，下至水下三角洲地区前缘（约东经123°）的河段称为河口区［1］。

在徐六经以下，由于科氏力的作用，落潮流偏向南、涨潮流偏向北的现象较为明显，长江在崇明岛西侧被分为南支和北支，在吴淞口以下南支又被长兴岛和横沙岛分为两支，即南港和北港，南港又因为九段沙的分割分为南槽和北槽，河槽自西往东呈现较有规律的分叉。

最终南、北支，南、北港，南、北槽呈三级分汊、四口入海的格局［2］（图1）。

1.2 潮汐与潮流长江河口地区属于不正规浅海半日潮，潮汐现象主要受外海的潮流潮波影响，潮汐日不等现象较为显著［2］。

潮波进入长江河口地区后，受到岸滩、河底河床抬高和上游径流等因素的影响，潮波在上游的变形要大于下游，上游潮位要高于下游，上游潮差要小于下游，越往上游涨潮历时逐步缩短，落潮历时相应逐步延长［3］。

被推荐为河流、湖泊、河口和海岸水流的二维仿真模拟工具。

1.3 水动力模块原理1.3.1 控制方程 模型是基于三向不可压缩和Reynolds 值均布的Navier-Stokes 方程，并服从于Boussinesq 假定和静水压力的假定。

二维非恒定浅水方程组为：hS yv h x u h t h =¶¶+¶¶+¶¶ （1-1） ()()202000012a xy sx bx xx xx xy s p hu hu huv h f vh gh t x y x xs s gh x xy hT hT hu S x yh r t t r r r r r ¶¶¶¶¶++=---¶¶¶¶¶¶æö¶¶+--++ç÷¶¶¶èø¶¶++¶¶ （1-2） （1-3）式中：t 为时间；, x y 为笛卡尔坐标系坐标；h 为水位；d 为静止水深；h d h =+为总水深；, u v 分别为, x y 方向上的速度分量；f 是哥氏力系数，2sin f w j =，w 为地球自转角速度，j 为当地纬度；g 为重力加速度；r 为水的密度；xx s 、xy s 、yy s 分别为辐射应力分量；S 为源项；(,)s s u v 为源项水流流速。

字母上带横杠的是平均值。

例如，u 、v 为沿水深平均的流速，由以下公式定义：d d hu u z h -=ò，d d hv v z h-=ò （1-4） ()()S hv hT y hT x y s x s y gh yp h y gh h u f y v h x uv h t v h s yy xy yy yx by sy a +¶¶+¶¶+÷÷øöççè涶+¶¶--+¶¶-¶¶-¶¶--=¶¶+¶¶+¶¶000020212r r t r t r r r h 雷诺纳维耶斯托克斯方程质的各向同性的线性半空问表面上作用一集中力Ｐ，在线性变　形体内任何点Ｍ的应力分布的弹性理论公式ij T 为水平粘滞应力项，包括粘性力、紊流应力和水平对流，这些量是根据沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程得出的：2xx u T A x ¶=¶，()xy u v T A y x ¶¶=+¶¶，2yy v T A y¶=¶ （1-5） 1.3.2 数值解法（1）空间离散 计算区域的空间离散是用有限体积法（Finite V olume Method ），将该连续统一体细分为不重叠的单元，单元可以是任意形状的多边形，但在这里只考虑三角形和四边形单元。

1 基本参数与设置度可以忽略时，湖泊、河口、海湾、海岸和海洋的水动力、环境现象的模拟。

共分为4个模块：• 水动力模块（Hydrodynamic ）；• 平流扩散模块（Advection-Dispersion ）； •泥沙输运模块（Mud Transport ）； •生态过程模块（ECO Lab ）。

其中，水动力模块是基础，为其他三个模块的计算提供动力。

泥沙输运模块可以用来模拟波流共同作用下粉砂、淤泥和粘土的冲刷、输移与沉降。

适用范围：矩形网格。

• 水动力模块（Hydrodynamic Module ） • 输运模块（Transport Module ）• 生态过程、溢油模块（ECO Lab/Oil Spill Module ） •淤泥输运模块（Mud Transport Module ） • 粗砂输运模块（Sand Transport Module ） • 粒径追踪模块（Particle Tracking Module ） •波谱模块（Spectral Wave Module ）其中，水动力模块与波谱模块是最基本的两种。

适用范围：三角网格。

Alternative Direction Implicit Method ）：交替方向隐式方法。

把每一个时间步长分成两步进行，前半步隐式计算x 方向流速分量及潮位，显式计算y 方向流速分量；后半步隐式计算y 方向流速分量及潮位，显式计算x 方向流速分量。

2.9m 。

simulation start time ）、总步数（no. of time steps ）及时间步长（time step interval ）。

时间步长一方面决定了结果文件的最大输出频率，另一方面实现了不同模块的同步耦合。

具体计算时的时间步长则是在solution technique 中定义的。

水动力、平流扩散和波谱模型的计算步数是动态的，只要满足稳定性要求即可；对于泥沙输运和水质模型，进程可能多个步长更新一回。

海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程
海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程是指检测并以计算机方式模拟海岸、河口及相关水
域的潮流泥沙运动规律，为研究及阐明潮流-泥沙模型的运动规律、工程设计及调查评价
提供技术支持，使工程设计及竣工后复核与现场监测情况精确符合，从而改善水污染防治、水质保护和湿地修复的效果。

下面是海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程的内容：
1、提出相关研究目的，确定工程实施的区域、范围及具体解决问题的条件；
2、结合前期资料、实测数据及初步调查信息，估算相关参数，使模拟初始条件与实
际情况接近；
3、确定泥沙参数，搭建水力及泥沙数学模型，计算水深及流速及泥沙粒径分布情况；
4、根据实际情况设置工程量化指标，以实现工程的功能要求，评估模拟效果；
5、综合考虑计算结果与工程功能要求，确定河口涂及海岸防护技术方案；
6、广泛调查水域历史资料、气候及影响潮流泥沙运动的其他因素，形成潮流泥沙模
拟的知识库，及时反映区域的变化；
7、定期以模拟技术检测实际情况，对比模拟结果，进行系统评价，不断改进技术及
配置合理技术参数；
8、定期重新构建水力及泥沙数学模型，以保证模拟结果精确性；
9、编写记录技术规程、数据记录及报告，保持实施过程的质量控制；
10、定期维护及更新计算模型，以保证技术数据准确性。

以上就是海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程的内容，以供大家参考。

此技术规程的主
要目的就是检测并以计算机方式模拟海岸、河口及相关水域的潮流泥沙运动规律，为研究
及阐明潮流-泥沙模型的运动规律、工程设计及调查评价提供技术支持，使工程设计及竣
工后复核与现场监测情况精确符合，从而改善水污染防治、水质保护和湿地修复的效果。

河口海岸泥沙数学模型研究河口海岸是地球上一种独特而重要的地理环境，具有复杂的动力和物质输运过程。

其中，泥沙输运是河口海岸过程的重要部分，它影响着河口海岸的形态、地貌和生态系统的功能。

为了更好地理解和预测河口海岸的行为，我们构建并研究了一个新型的泥沙数学模型。

我们的模型基于以下假设：河口海岸的泥沙输运主要受到水文条件、地形和海洋环境的影响。

我们用一系列偏微分方程来表达这个系统，包括水流速度、泥沙浓度、地形变化等。

我们还考虑了泥沙的沉积和侵蚀，以及与周围环境的相互作用。

我们选取了一个具体的河口海岸作为案例，将我们的模型应用于此，以检验其有效性和准确性。

通过与实地观测数据进行比较，我们的模型在预测泥沙输运、沉积和侵蚀方面表现出良好的性能。

这表明我们的模型可以有效地应用于实际问题的解决。

我们的模型具有几个主要的优点。

它考虑了多种影响因素，如水流、泥沙浓度、地形等。

我们的模型具有良好的灵活性，可以适用于不同的河口海岸环境。

然而，我们的模型还有一些局限性，例如在处理一些极端环境条件时，可能需要更复杂的物理机制和更精确的参数设定。

我们的河口海岸泥沙数学模型提供了一种有效的工具，可以帮助我们理解和预测河口海岸的行为。

尽管还有改进的空间，但这个模型已经展示出其在研究和应用中的重要价值。

希望我们的工作能为未来河口海岸研究提供有价值的参考和启示。

我们将继续研究和改进我们的数学模型，以更好地理解和预测河口海岸的行为。

我们将以下几个方面：一是提高模型的精度和适应性，以应对更复杂的环境条件和需求；二是将模型与其他相关模型进行集成，形成更完整的河口海岸系统模型；三是加强模型的验证和测试，以确保其准确性和可靠性。

我们也将利用先进的计算技术和算法，提高模型的计算效率和性能。

这将使我们能够更有效地解决实际问题，并为河口海岸的研究和管理提供更强大的支持。

河口海岸泥沙数学模型研究是一项富有挑战性和实用性的工作。

通过建立和应用数学模型，我们可以更好地理解和预测河口海岸的行为，为相关研究和应用提供有力的支持。

港口、海岸及近海工程（081505）（Harbor, Coastal and Offshore Engineering）学科门类：工学（08）一级学科：水利工程（0815）港口、海岸及近海工程学科属水利工程一级学科，河海大学坚持“港航并重，海河兼顾”的办学特色，在近六十年的教学和科研实践中，为国家培养了一大批栋梁之才、完成了一批原创性成果、解决了一批重大工程关键技术问题，获国家科技进步奖6项（其中一等奖3项），是我国同类专业中设立最早、培养学生最多的学科之一。

本学科为国家重点学科，拥有“水文水资源与水利工程科学国家重点实验室”（“河口海岸综合治理与保护”方向）和“海岸灾害及防护”教育部重点实验室。

现有教授15人、副教授25人、讲师41人，其中博士生导师13人、硕士生导师40人。

“十一五”以来承担科研经费达1.8亿元，出版专著、教材25部，获40余项省部级科技奖励，发表学术论文1300 多篇。

本学科专业毕业生就业去向主要面向水运、水利、海洋等部门和海军部队，主要从事港口、航道、海岸与海洋工程等相关的规划、勘测、设计、施工、管理、教学、科研等工作。

一、培养要求本学科专业培养港口、海岸及近海工程领城的高层次人才，要求具有坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识，掌握本学科理论研究和工程技术的前沿动态，具备独立从事科学研究工作的能力并取得系统的研究成果。

二、主要研究方向1、河口海岸及近海工程水动力环境(Hydrodynamics of estuary, coastal and offshoreengineering)2、海岸风暴灾害与防灾减灾(Coastal storm disaster and its mitigation)3、港口航道工程泥沙与疏浚(Sedimentation in harbor and navigation engineering and dredging)4、工程结构物及其与周围介质的相互作用(Engineering structure and its interaction withsurrounding medium)5、水运工程经济、规划与管理(Economy, planning and management of waterway transportationengineering)三、学分要求博士生课程总学分为18个学分，其中学位课程为12个学分，非学位课程为6学分。

河口-陆架-大洋耦合的海洋动力学机制和环境生态效应1. 引言1.1 概述河口、陆架和大洋是地球上重要的海洋环境，它们之间存在着紧密的相互作用关系。

河口是河水与海水交汇的地方，具有独特的地貌特征和水动力过程。

陆架是从海岸线延伸出去的浅海区域，具有丰富的生物资源和复杂多变的水文环境。

而大洋是全球最大的水体，呈现出广阔深邃的质感和巨大的动力特征。

在这三个海洋环境中，河口-陆架-大洋形成了一个微妙而复杂的耦合机制。

河口与陆架之间存在着物质和能量交换过程，比如由于河流输入带来了丰富的营养盐等溶质导致了土壤侵蚀、泥沙运移等现象。

这些物质通过沉积过程被输送到陆架上，并对生物活动产生一定影响；同时，受益于受潮湿度较高且营养物质含量较高等自然条件，陆架生态系统也会对外部环境进行反馈。

另一方面，大洋的环流和水柱特性也在一定程度上影响着河口-陆架系统的水动力过程和生态环境。

大洋环流与陆架之间存在较为复杂的相互作用关系，例如季风演变导致了海洋表层水温、盐度等条件的变化。

同时，大洋中溶解氧和营养盐的输运对于陆架生态系统也具有重要影响。

1.2 文章结构本文将从河口与陆架的相互作用、大洋与陆架的耦合机制以及环境生态效应研究方法和案例分析三个方面进行探讨。

首先，在第二部分将介绍河口地貌与水动力过程以及陆架特征与水文环境这两个主题。

随后，在第三部分，将提出大洋环流与陆架水动力相互作用、大洋温盐特征对陆架环境以及大洋溶解氧和营养盐输运对陆架生态系统的影响这几个问题。

最后，在第四部分中，将介绍海洋动力学模型、生物标志物以及河口-领域工具和典型案例分析等研究方法，并通过一个具体的案例，深入分析河口-陆架-大洋系统中的生态演替过程及其影响因素。

最后，在第五部分，总结与讨论主要研究结果，并提出存在的问题以及未来的展望。

1.3 目的本文旨在全面了解和研究河口-陆架-大洋耦合的海洋动力学机制和环境生态效应。

通过分析河口与陆架之间以及大洋与陆架之间相互作用关系，揭示其对水动力过程和环境生态系统的影响。

水动力数值模型
水动力数值模型是描述水流受力与运动相互关系的数学模型，它依据流体力学的基本方程建立数学模型，对流动的水体进行数值模拟。

水动力数值模型通常是微分方法的定解问题，并采用数值方法求解。

根据不同的应用需求，可以选择不同的模型，如零维模型、一维模型、二维模型和三维模型等。

这些模型适用于不同的场景和问题，如模拟小而浅的河流、湖泊和河口等。

此外，水动力数值模型还涉及到湍流模型、混合模型、曲线坐标系下的方程等方面。

湍流模型主要描述水流中非规则、随机性的运动；混合模型则关注水体中的物质混合和传输过程；曲线坐标系下的方程适用于复杂形状的水域，如海岸线、湖泊等。

在水动力数值模型的建立过程中，还需要注意数据的获取和处理。

由于水动力现象的复杂性和不确定性，需要大量的数据来支持模型的建立和验证。

同时，数据处理也是水动力数值模型中非常重要的一环，它涉及到数据的采集、处理、分析和可视化等方面。

总之，水动力数值模型是研究水流运动的重要工具之一，它可以帮助我们更好地理解水流运动规律，预测水流变化趋势，为水资源管理、环境保护和工程建设等领域提供科学依据和技术支持。

港口航道的水动力模型研究一、引言港口航道作为海洋与内陆之间的重要连接通道，其水动力特性对于港口的运营、船舶的航行安全以及周边环境的保护都具有至关重要的意义。

水动力模型作为研究港口航道水流、波浪等水动力现象的有效工具，能够为港口的规划、设计和管理提供科学依据。

二、水动力模型的基本原理水动力模型通常基于流体力学的基本方程，如连续性方程、动量方程和能量方程等。

这些方程描述了水流的运动规律和物理特性。

在港口航道的水动力模型中，还需要考虑边界条件，如海岸线、港口建筑物、船舶等对水流的影响。

同时，模型还需要对波浪、潮汐等因素进行合理的模拟。

三、常见的水动力模型类型（一）二维水动力模型二维水动力模型主要考虑水平方向上的水流运动，适用于研究大面积的水域，如海湾、河口等。

它能够较好地模拟水流的平均状态和宏观趋势，但对于垂直方向上的水流变化和局部复杂地形的模拟能力相对较弱。

（二）三维水动力模型三维水动力模型能够更全面地考虑水流在空间三个方向上的运动，对于港口航道中复杂的水流结构、漩涡和分层现象等具有更好的模拟能力。

然而，三维模型的计算量较大，对计算资源和数据要求较高。

（三）浅水方程模型浅水方程模型是一种简化的水动力模型，适用于水深相对较浅的港口航道。

它在保证一定精度的前提下，能够大大提高计算效率。

四、水动力模型的构建过程（一）数据收集构建水动力模型首先需要收集大量的基础数据，包括地形数据、水文数据、气象数据等。

地形数据如海岸线、水深等对于准确模拟水流的流动路径至关重要；水文数据如潮位、流速、流向等能够为模型提供初始条件和验证依据；气象数据如风场、气压等则会影响波浪的生成和传播。

（二）网格划分根据研究区域的大小和复杂程度，将其划分为一系列的网格单元。

网格的大小和形状会直接影响模型的精度和计算效率。

在港口航道等重点区域，通常需要采用较精细的网格，以捕捉局部的水动力特征。

（三）参数设置模型中涉及到众多的参数，如糙率系数、涡粘系数等，这些参数的取值需要根据实际情况进行合理的估计或通过现场观测和实验数据进行率定。