植被作用下近岸海域的水动力数值模拟研究

论文摘要

河流径流、潮流,特别是海啸、风暴潮等极端海洋灾害在传播至近岸时不仅能够改变近岸水环境,还会影响物质输运和导致河床变形,当其形成的洪水入侵陆地的生产、生活密集区时,更会对当地的工程结构、生态系统、甚至居民的生命和财产造成极大的破坏。红树林（Mangrove）、露兜树（Pandanus odoratissimus）、芦苇（Phragmites australis,简称为P.australis）和翅碱蓬（Suaeda heteroptera,简称为S.heteroptera）等水生植物,作为水生生态系统中不可或缺的一部分,普遍存在于近岸潮滩、湖泊和天然河道中。这些水生植被的存在会增大水体的阻力,因而在消散波能、削弱流速、保护海岸线及岸堤免受侵蚀,以及调节极端海洋灾害（海啸、风暴潮）方面发挥重要的作用。综上所述,关于近岸海域波-流-植被的相互作用研究是当前工作的热点,其研究成果可为近岸湿地植被、防护林等生态缓冲区的建立提供理论指导和技术支持。基于质量和动量守恒的浅水方程,本文建立了考虑植被作用的深度平均二维水动力数值模型。该模型采用有限体积法在非结构化三角形网格内离散方程,界面处的法向通量通过Roe格式的近似Riemann解计算得到,并引入干/湿边界技术处理潮汐涨落、海啸和风暴潮等陆地入侵过程中出现的动边界问题。植被对潮流、海啸和风暴潮等水体的阻力作用通过在动量方程中添加一个植物拖曳力项来表示。本文通过一系列经典的实验室算例验证了模型具有较高的计算精度,该模型能够较好地模拟水波在有无植被工况条件下的传播。进一步将深度平均二维水动力模型应用于辽河口湿地水域水动力特性研究中,辽河口红海滩湿地植被类型—芦苇和盐地碱蓬、及其空间分布由遥感技术反演获得,植被拖曳力系数CD、密度、直径等参数通过现场调查和文献资料法获得。所建模型在实际海域的计算能力通过实测潮位、流速、流向数据等加以验证,验证后的模型首先模拟分析了辽河口海域大、小潮期的潮流运动以及该海域的流场结构,然后重点解析了不同植被工况条件下（有无植被、植被密度、拖曳力系数CD）红海滩湿地水域潮流的变化来揭示植被对红海滩湿地水动力特性的作用机制。由海底地震、滑坡、火山爆发等扰动激发的海啸在到达近岸时,由于地形原因其水深变浅,致使波高增加,能量巨大的海啸波对陆地区域产生强烈的破坏,因而被认为具有强大破坏力的海洋灾害之一。相关研究人员通过现场调查发现:分布在近岸潮滩的露兜树和木麻黄、红树林等树木对海啸在海滩爬坡和陆地入侵的明显的衰退作用。本文基于深度平均二维水动力模型模拟首先探究了有无植被工况条件下海啸在近岸海滩上的传播,以及植被对海啸爬坡和陆地淹没的消减作用;然后重点研究了不同植被参数（如密度、宽度、植被空间和类型组合）和不同海啸波高工况下海啸在植被海滩上的爬坡和陆地淹没,进一步揭示了植被-海啸相互作用机制。此外,将本文发展的水动力模型用于解析风暴潮在红海滩湿地水域的陆地入侵程度,以及分析在入侵过程中风暴潮-翅碱蓬植被的相互作用。通过不断调试,最终选择Jelesnianski 65台风模型预测台风风场和气压场。当研究区域离台风中心的距离较远时（距离>500km）,Jelesnianski 65台风模型并不能很好的模拟台风过程,必须考虑背景风场的影响,因此本文由亚太数据研究中心（http://apdrc.soest.hawaii.edu/）下载获取了背景台风数据。基于考虑台风应力、气压的深度平均二维水动力模型,首先模拟探究了0509号台风“麦莎”和9711号台风“温妮”过境期间北黄海及渤海海域的风场、气压场,以及台风对研究海域增减水的影响;然后重点研究了9711号台风“温妮”期间红海滩湿地水域风暴潮陆地入侵程度、增减水和风暴潮流特征,以此揭示台风对红海滩湿地潮流的影响。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张洪兴

导师: 张明亮

关键词: 水动力模型,有限体积法,格式,干湿边界技术,植物水动力作用,海啸,风暴潮

来源: 大连海洋大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 大连海洋大学

分类号: P731.2

DOI: 10.27821/d.cnki.gdlhy.2019.000164

总页数: 91

文件大小: 9948K

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