【文章內(nèi)容簡介】 學(xué)者也在不斷地研究討論中。近階段，首先龔政[4]等人于2002年在連云港海域進(jìn)行了陸源污染物對(duì)海域環(huán)境影響的研究。他們通過建立二維模型模擬了該海域的潮流特性，得到了幾個(gè)主要的拉格朗日粒子軌跡及其余流場，并且綜合探討了連云港海區(qū)水體自凈的能力。鑒于田灣核電站在國家大型工程中的重要性，2007年初趙洪波[5]等人同樣通過建立核電站周圍平面二維數(shù)學(xué)模型，通過模擬結(jié)果分析了田灣核電站海區(qū)的潮流特征，這同時(shí)也為局部模型的建立提供了邊界條件。同年，謝飛[6]于河海大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建立了三維潮流模型。成功模擬了海州灣海區(qū)M2分潮潮流場的空間運(yùn)動(dòng)特征。在2008年4月，李孟國[9]等人考慮到泥沙淤積對(duì)田灣核電站取水的影響，在充分驗(yàn)證了波浪破碎對(duì)潮流泥沙的影響下，建立不規(guī)則的三角形網(wǎng)格模型，將核電站周圍的潮流泥沙做了細(xì)致的數(shù)值模擬。結(jié)果表明：在連云港港口擴(kuò)建之后，已建的田灣核電站取水明渠口門附近水域變成泥沙淤積環(huán)境，灘面將會(huì)淤高，設(shè)計(jì)的取水口門水深等深線將會(huì)外移，核電站正常取水將會(huì)受到影響[9]。 本文的工作基于上述原因，為了對(duì)連云港海域泥沙的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加細(xì)致的認(rèn)識(shí)與了解，對(duì)整個(gè)海區(qū)內(nèi)泥沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有整體的把握，為近岸小區(qū)域的數(shù)學(xué)模型提供更加有利的開邊界條件，特地開展了本項(xiàng)研究工作。本次的主要內(nèi)容包括：(1)緒論：主要介紹了有關(guān)泥沙理論的發(fā)展以及國內(nèi)外泥沙研究歷史及現(xiàn)狀；(2)FVCOM[22]的模式簡介；(3)FVCOM計(jì)算模型的配置與驗(yàn)證；(4)分析模型計(jì)算區(qū)域內(nèi)的泥沙分布特征；(5)對(duì)模型區(qū)域內(nèi)的泥沙運(yùn)動(dòng)軌跡、濃度分部、遷移路徑情況進(jìn)行計(jì)算與分析；(6)總結(jié)與展望。2 FVCOM模式簡介 模式特點(diǎn) 本文采用的是FVCOM(Finite Volume Coast and 0cean Model)海洋數(shù)值模式，它是一種目前正在廣泛應(yīng)用的模式，這個(gè)模式是由陳長勝（美國麻州大學(xué)海洋科技學(xué)院教授）的博士生研究組組建的，它在有限體積法基礎(chǔ)上，采用三角形網(wǎng)格、三維(3D)、原始方程組的一種近岸海洋模式。有限差分法的優(yōu)點(diǎn)是它的運(yùn)行模式簡單、計(jì)算速度比較快，并有明確的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，它的缺點(diǎn)是對(duì)于復(fù)雜的海底地形和海岸線模擬效果不好；有限體積法因?yàn)槭褂玫氖遣灰?guī)則三角形網(wǎng)格，所以它能更加精確的模擬復(fù)雜的海岸線，并且能對(duì)局部三角形網(wǎng)格進(jìn)行指定加密處理，但是它的計(jì)算速度比較慢。FVCOM模式結(jié)合了有限差分法和有限體積法的優(yōu)點(diǎn)，通過使用體積通量的積分方法來求得流體動(dòng)力學(xué)方面的原始控制方程組，如連續(xù)方程、動(dòng)量方程、溫度、鹽度和密度方程和湍流閉合方程等。這樣它可以保證在單一的網(wǎng)格和整個(gè)計(jì)算區(qū)域部分上都可以同時(shí)滿足能量、質(zhì)量和動(dòng)量的守恒定律，所以利用這些控制方程組可以解決海洋數(shù)值計(jì)算中一些最關(guān)鍵的問題。此外，這模式還有以下主要的特征： 垂向混合系數(shù)FVCOM模式的垂向混合系數(shù)由二階湍流閉合模型所確定的，可以很好地模擬湍流層之間的動(dòng)力因素，在一定程度上排除了人為因素的干擾。但是因?yàn)轱L(fēng)場在時(shí)間和空間上過度平滑，所以這模型計(jì)算出來的的厚度比較淺。 α坐標(biāo)系FVCOM模式在垂直方向上采用α坐標(biāo)系，當(dāng)模擬大陸架斜坡與河口等變化顯著的地形時(shí)使用α坐標(biāo)系是非常有效果的。此外，底邊界層是否模擬成功，對(duì)于研究深水的形成過程也具有重要作用。 網(wǎng)格分布FVCOM模式的水平方向采用的是無結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格模式，可以對(duì)關(guān)心區(qū)域進(jìn)行局部加密處理，并且可以比較好的地模擬復(fù)雜的海岸線邊界和海底地形。 泥沙模型FVCOMSED 實(shí)體模型鑒于泥沙的實(shí)體模型模擬其化學(xué)過程比較難，而且沒有很大的必要，所以實(shí)體模型它是指將發(fā)生在原來模型里的力學(xué)過程，把它在相似的物理?xiàng)l件下，經(jīng)過放大或縮小后在經(jīng)驗(yàn)證后的模型中重演，由此對(duì)模型的各方面參數(shù)進(jìn)行測量、記錄及分析，然后根據(jù)相關(guān)條件還原到原來的模型中，達(dá)到研究模型力學(xué)過程等目的。由于它可以人為控制一些相對(duì)主要的因素而省略其次要因素，這使得研究人員容易改變流量、水位等其他研究因素，所以泥沙實(shí)體模型典型性比較強(qiáng)，能夠較方便的優(yōu)化研究的設(shè)計(jì)方案。 數(shù)學(xué)模型泥沙數(shù)學(xué)模型它是在計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，以流體力學(xué)和數(shù)學(xué)理論作為支撐，對(duì)泥沙和水流及其它力學(xué)現(xiàn)象通過局部加密處理求得近似值來模擬實(shí)際力學(xué)效果。這種理論預(yù)測計(jì)算方法因?yàn)槟嗌衬Ｐ偷目刂品匠淌遣环忾]的，并且本身的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)理論有一些空白，這使得研究人員必須作出某些相關(guān)的假定，運(yùn)用半理論半經(jīng)驗(yàn)的控制方程來完善所研究的問題，從而各式各樣的泥沙數(shù)學(xué)模型相繼產(chǎn)生。 復(fù)合模型二十世紀(jì)七十年代,有學(xué)者提出將物理模型和數(shù)學(xué)模型聯(lián)系在一塊進(jìn)行模擬，復(fù)合模型理念由此產(chǎn)生。一般而言，物理模型可用來模擬細(xì)節(jié)問題，比如網(wǎng)格感興趣區(qū)域加密處理，泥沙數(shù)學(xué)模型可對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行整體把握，對(duì)于開邊界的處理比較恰當(dāng)，模型初始條件的設(shè)置也較為合理。復(fù)合模型綜合了上述兩者的優(yōu)點(diǎn)，完成了三峽工程、長江葛洲壩工程和黃河小浪底工程中的泥沙問題等。無論是物模還是數(shù)模，都是簡化研究的一種手段，但就復(fù)合模型而言，這肯定比數(shù)學(xué)模型和實(shí)體模型更具有生命力。 控制方程組 FVCOM模式它垂向采用的是α坐標(biāo)系，它與Z坐標(biāo)系之間的變化關(guān)系如下： （21）其中x，y，z分別是笛卡爾坐標(biāo)系的空間變量，t是時(shí)間變量；x*，y*分別是α坐標(biāo)系的空間自變量，t*是α坐標(biāo)系的時(shí)間自變量；H為水深， ζ 為海平面的波高。那么可得到海面為α = 0，海底α = 1。FVCOM模型的控制方程組由連續(xù)方程、動(dòng)量方程、溫度、鹽度和密度方程以及湍流閉合方程組成，它們在α坐標(biāo)系中如下：（1）連續(xù)方程 （2—2）（2）動(dòng)量方程 （2—3） （2—4）（3）溫度、鹽度和密度方程 （2—5） （2—6） （2—7）（4）湍流閉合方程 （2—8）（2—9） 其中，u、v和w為x、y和z三個(gè)方向上各自速度的分量；T為位溫；S是鹽度；f是科氏力參數(shù)；P為壓力；是密度； 邊界條件 海面的邊界條件是在σ = 0處：； （2—10） （2—11） （2—12）海底的邊界條件是在σ = 1處：； （2—13） （2—14） （2—15）其中與分別是海面的風(fēng)應(yīng)力與底應(yīng)力。陸地的邊界條件分別取通量與法向速度為 0 ，即 （2—16） 三角形網(wǎng)格的設(shè)計(jì) 三角形網(wǎng)格法與有限元法有相似之處，這個(gè)模式將計(jì)算的區(qū)域劃分成許多不重合、無結(jié)構(gòu)的三角形網(wǎng)格。它的每個(gè)劃分出的三角形單元是由一個(gè)中心和三個(gè)節(jié)點(diǎn)外加三邊組成的。用N和M來分別表示所研究的海域區(qū)域內(nèi)三角形中心和節(jié)點(diǎn)的總數(shù)目，則三角形中心的坐標(biāo)就可以被我們表示為[X(i),Y(i)]，I = 1:N同樣，節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)可以表示為[Xn(j),Yn(j)]，j =1:M由于三角形網(wǎng)格相互不重合，所以N也是三角形網(wǎng)格的數(shù)目。在我們劃分的三角形單元內(nèi)，三角形的三個(gè)節(jié)點(diǎn)可以用整數(shù)Nj(j)來表示，