錢塘江河口物質(zhì)輸移與能量數(shù)值研究.pdf

1、河口是陸海相互作用最為劇烈的區(qū)域，在徑流和潮流的雙重作用下水動力特性復(fù)雜，尤其在錢塘江河口，潮強流急、涌潮洶涌、洪水暴漲暴落、河床急沖驟淤，鹽水入侵、污染物和泥沙輸移等各類物質(zhì)輸移及相應(yīng)的能量變化問題十分突出，對河口水環(huán)境、水生態(tài)和飲用水源質(zhì)量以及河口工程安全有顯著影響。因此研究錢塘江河口的物質(zhì)輸移和能量無論在河口學(xué)的理論上還是工程實踐上均具有重要意義。
　　 本文在分析強潮河口物質(zhì)輸移的多樣性、復(fù)雜性以及一定程度的危害性的基礎(chǔ)

2、上，介紹了對此類輸移問題的主要研究方法和國內(nèi)外對此相關(guān)問題的研究現(xiàn)狀，并采用數(shù)值模擬的方法對各類物質(zhì)輸移的問題進(jìn)行了系列研究。
　　 針對鹽度輸移引起的強潮河口鹽水入侵對飲用水源地危害極大的問題，基于笛卡爾坐標(biāo)系中雷諾平均N-S方程及鹽度輸運方程的有限體積法離散，建立了水動力鹽度耦合的二維模型，首次用于錢塘江強潮河口水源地附近河段的潮流及鹽度輸移過程的數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)潮汐河口彎道段鹽度等值線呈明顯的舌狀分布，鹽水入侵的最遠(yuǎn)端受漲潮

3、主流線主導(dǎo)，據(jù)此認(rèn)為河口水源地取水口不宜靠近漲潮流主流線。水庫下泄徑流具有抑制鹽水入侵的作用，但當(dāng)徑流量增加到一定程度后，單位下泄徑流量產(chǎn)生的抑成效果有所減弱，即水資源利用率降低，此時應(yīng)考慮從蓄淡水庫取水，這為蓄淡避成水庫建設(shè)、有效提高水資源綜合效益提供了技術(shù)依據(jù)。
　　 采用正交曲線坐標(biāo)系中N-S程和污染物輸移方程以及ADI離散方法，建立了平面二維污染物輸移模型，成功模擬了錢塘江河口污染物的輸移過程。結(jié)果表明，潮汐河口污染物隨

4、漲落潮流往復(fù)輸移，水體污染物濃度在潮周期內(nèi)變化趨勢與各點自身潮位漲落趨勢相反，而濃度峰區(qū)呈現(xiàn)往返遷移、其峰值呈降低-增加-再降低的過程，此與無潮河流濃度峰值不斷下移、降低的過程顯著不同。濃度的減小是通過擴散稀釋、濃度峰區(qū)逐漸分裂的過程來實現(xiàn)的。并說明了強潮河口在突發(fā)污染事故后用加大水庫下泄流量的方法以在最短時間內(nèi)實現(xiàn)水源水質(zhì)安全是可行的。
　　 結(jié)合N-S方程、對流擴散方程和河床變形方程建立了正交曲線坐標(biāo)系下的三維泥沙輸移模型，

5、模擬了特大洪水條件下5天內(nèi)的泥沙輸移。得到錢塘江河口在不同頻率洪水條件下的泥沙輸移量，與小流量情形相比，大流量條件下河床更快進(jìn)入劇烈沖刷狀態(tài)，但單日輸移量比值逐日遞減，最后一天的泥沙輸移量已趨于相同。大流量持續(xù)沖刷數(shù)天后，最大沖刷深度將不再增加，代之以斷面底部的橫向擴展。受丁壩影響的斷面，深槽位置會向另一側(cè)轉(zhuǎn)移。
　　 從流體機械能概念出發(fā)，結(jié)合三維流場數(shù)學(xué)模型，首次精細(xì)計算了錢塘江河口聞家堰至倉前段的能量分布場?；跉W拉法觀點

6、分析研究了強潮河口不同時刻重力勢能和動能空間變化特征，發(fā)現(xiàn)在強潮河口重力勢能一般居于主導(dǎo)地位，相同時間內(nèi)水體勢能變化值量級大于動能變化值量級。隨著大洪水下泄河床發(fā)生大幅度沖刷時，重力勢能與動能之比趨于減小，且水深越大的區(qū)域單位體積水體重力勢能越小、動能越大。在彎道段凹岸水體重力勢能與動能之比小于凸岸水體。在上下彎道間急劇過渡的情況下，下彎道的能量分布格局與上彎道恰好相反，凸岸的重力勢能與動能之比顯著增加以致超過凹岸。沖深越大的區(qū)域重力勢