河口抛泥数学模型及应用
河口泥沙研究综述
人类活动加剧情况下渤海湾河口泥沙运动及减淤研究一、研究目的与意义泥沙运动问题的早期关注起因于海洋暴风潮和波浪对海岸、滨海地区的破坏及其由此引发的洪水问题，其它相关问题还包括：全球海平面变化引起的海岸缓慢侵蚀，海岸土地资源流失及海滨亲和环境丧失；可通航水道因泥沙淤积而断航，港口疏浚与维护，船舶在海图未标明浅滩上搁浅；海底人为垃圾、重金属和辐射等污染物堆积而导致的泥沙颗粒污染物藏匿等等。
土木工程师由于直接负责防浪墙、码头、海岸治河工程、港口疏浚等工程设计，因而他们对于泥沙运动研究的重要性体会最为深刻[1]。
河口是河流沉积物向海传输的通道，动力环境和盐淡水混合，使得河口泥沙传输过程相当复杂。
河口泥沙运动是河口地区可持续发展中的重要科学问题之一。
如：长江口的航道整治、黄河口造陆过程和湿地演变、海河口的河道萎缩等等。
全球河流每年向海洋输送的泥沙约为100～200亿t，主要部分沉积在河口三角洲区域，同时河流沉积物是诸多化学物质的输运载体。
因此河口泥沙输运过程不仅是河口陆海相互作用的重要研究内容，对研究河口和近岸生物地球化学循环也有很好的参考意义[2]。
尤其是近年来关于河口生态环境与泥沙输运过程关系问题，都需要对河口泥沙输运的基本规律进行深入的研究[3-4]。
河口泥沙运动是河口地区可持续发展中的重要科学问题之一。
如：长江口的航道整治[5-6]、黄河口造陆过程和湿地演变、海河口的河道萎缩等等，尤其是近年来关于河口生态环境与泥沙输运过程的关系问题，都需要对河口泥沙输运的基本规律进行深入的研究[3]。
渤海占我国4大海区总面积的1.6%，面积近8万km2，从环渤海地区中的黄河、海河、辽河、滦河、鸭绿江、锦江等河流输往渤海的沉积物通量达7.5×108t/a的量级，从地质尺度来看，这意味着渤海环境的巨大变化，在短短十几年至数十年的尺度上，入海沉积物的输运和堆积可以使渤海的物理环境发生显著的变化，直至渤海的消失。
黄河口泥沙输运三维数值模拟_黄河口切变锋
动力学边界条件
:ρAv
H
9z
u
z=1
= τsx
,ρAv
H
9z
v
=τsy ,其中海面风应力项τsx 和τsy 由下式确定 :
2006 年 4 月
泥沙研究 Journal of Sediment Research
第2期
黄河口泥沙输运三维数值模拟 Ⅰ
———黄河口切变锋
王厚杰 ,杨作升 ,毕乃双
(中国海洋大学 河口海岸带研究所 ,山东 青岛 266003)
摘要 :采用三维数学模型研究黄河口泥沙输运过程 ,并利用实测资料对模型进行了检验 。数值模拟结果揭示 了黄河口切变锋的时空运动过程及其对河口泥沙传输的作用 。黄河口切变锋在涨 、落潮时段存在两种不同的 形态 ,分别历时 2 小时左右 。切变锋在浅水区域产生 ,向深水区移动 ,经历 2 小时左右消失 ,它的产生是由于 近岸区域与 10 m 深线以外区域的潮汐相位差所导致 。切变锋对河口泥沙的向海传输有重要的阻隔作用 ,导 致河口泥沙集中在切变锋的向岸一侧随落潮流向北侧传输 ,在涨潮时河口向海排沙量降低 ,少量泥沙随涨潮 流沿岸向南传输 。长期的地貌演化表明切变锋对河口的淤积和侵蚀分区有重要的控制作用 ,导致河口泥沙在 其向岸一侧沉积 ,是长时间尺度的河口地貌演化对短时间尺度河口沉积动力过程的重要响应 。 关键词 : 黄河口 ;泥沙输运 ;数学模型 ;切变锋 ;地貌响应 中图分类号 :TV147 文献标识码 :A 文章编号 :04682155X(2006) 0220001209
(5)
0
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对连续方程 (4) 在垂向区间 (0～1) 内积分 ,并考虑运动学边界条件 (在自由表面处和海底边界上的
垂向速度分量为 0) ,有
潮流泥沙数学模型计费定额计算实例
潮流泥沙数学模型计费定额计算实例（原创实用版）目录一、潮流泥沙数学模型概述1.定义及背景2.模型建立与应用二、计费定额计算实例介绍1.实例背景2.计算方法及过程三、潮流泥沙数学模型在计费定额计算中的优势与应用前景1.优势分析2.应用前景展望正文一、潮流泥沙数学模型概述潮流泥沙数学模型是一种模拟河流中泥沙运动规律的数学模型，它主要通过数学方程来描述河流中泥沙的输移、沉积和侵蚀等过程。
该模型起源于 20 世纪 60 年代，经过多年的发展与完善，已经在河流治理、水土保持、河道整治等领域取得了广泛的应用。
二、计费定额计算实例介绍以某河道整治项目为例，项目涉及的计费定额主要包括土方工程、石方工程、混凝土工程等。
为了准确计算各项工程的计费定额，项目方采用了潮流泥沙数学模型进行模拟计算。
首先，项目方根据实际河道的地形、地貌、泥沙来源等因素，建立了一个符合实际情况的潮流泥沙数学模型。
然后，通过该模型模拟了不同工程情况下泥沙的输移、沉积和侵蚀等过程，得到了各项工程的泥沙损失量。
最后，根据泥沙损失量，结合相关计费标准，计算出了各项工程的计费定额。
三、潮流泥沙数学模型在计费定额计算中的优势与应用前景1.优势分析潮流泥沙数学模型在计费定额计算中的优势主要体现在以下几点：（1）模拟精度高：该模型基于泥沙运动的基本物理规律建立，具有较高的模拟精度。
（2）适用范围广：该模型可以适用于不同类型、不同规模的河流整治项目。
（3）计算简便：通过该模型计算泥沙损失量，相较于传统经验法和实地测量法，具有计算简便、效率高的优点。
2.应用前景展望随着河流整治、河道治理等水土保持项目的不断增多，对计费定额的准确计算提出了更高的要求。
潮流泥沙数学模型具有较高的模拟精度、适用范围广和计算简便等优点，将在未来的计费定额计算中发挥越来越重要的作用。
潮流泥沙数学模型在青岛港挡沙堤工程的应用
潮流泥沙数学模型在青岛港挡沙堤工程的应用李大鸣;阳婷;李杨杨;欧阳锡钰【摘要】考虑波浪辐射应力对潮流场和泥沙运动的影响,建立了青岛港前湾三期码头前沿挡沙堤工程二维潮流泥沙数学模型.在采用实测资料验证的基础上,运用模型对本海域在无挡沙堤及不同挡沙堤长的各种方案的流场变化和泥沙回淤情况进行计算研究.结果表明,无挡沙堤时,由于三期工程的建设缩窄了河口至海区的断面面积,断面西侧的浅水区水流速度增大,容易掀起泥沙输移至断面东侧开挖后的深水区,使泥沙在码头前港池中落淤,码头前沿最大淤积强度约为0.818 m/day;而建设挡沙堤后将显著减小码头前沿的泥沙淤积.经过比较,从挡沙堤附近流场与港池航道回淤情况的角度考虑,认为方案二对码头前沿拦沙的效果较好.【期刊名称】《海洋通报》【年(卷),期】2016(035)001【总页数】9页(P103-111)【关键词】波浪辐射应力;潮流;泥沙;数学模型;挡沙堤;青岛港【作者】李大鸣;阳婷;李杨杨;欧阳锡钰【作者单位】天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TV148近岸水动力环境对海岸带及港工建筑物的影响十分重要，而潮流、波浪和泥沙等相互作用又使得海岸带附近的水动力环境非常复杂。
在对其的诸多研究方法中，以数学模型最为方便经济，并成为研究大范围水动力条件变化的主要手段之一（韩亮，2010）。
近岸潮流、波浪和泥沙运动规律的基本方程大多都是由偏微分方程来描述的。
通过数值计算方法求解这些方程，首先要将这些方程进行离散形成代数方程组，然后在计算机上求解（严恺，2002）。
常使用的方法有有限差分法、有限单元法、有限体积法、有限分析法和边界元法等；按差分网格形状的不同可以分为三角形、矩形、四边形、多边形、曲线坐标网格以及不同网格的组合等（张涤明，1991）。
河流水流泥沙数值模拟始于20世纪60年代
河流水流泥沙数值模拟始于20世纪60年代，20世纪70年代以后逐步成熟，一维水沙数学模型发展最早，目前已建立了相对比较成熟的不同输沙理论体系的模拟系统；在20世纪80年代末也建立起平面二维水流泥沙数学模型和针对水流和泥沙侧向变化较小的立面二维模型。
尤其是平面二维泥沙数学模型用来解决泥沙运动和河床变形在平面上的分布问题, 近年来也得到了迅速发展,建立了为数众多的平面二维泥沙数学模型，在生产上得到了广泛应用, 并能部分替代物理模型试验[18]；但是一、二维水流泥沙数值模型只能反映断面平均及垂线平均水流泥沙运动特征，不能反映它们沿水深的变化,而天然水流泥沙运动都是三维运动，在实际工程建筑物影响下，水沙运动三维特性更为显著。
尤其是泥沙沿垂线几乎均为非均匀分布, 因此只有三维泥沙数学模型才能完全满足要求。
20世纪90年代以来，随着计算机的发展和水流泥沙研究领域的扩展和研究水平的不断深入，基于工程实际需要和水沙运动的三维性，三维水流泥沙数值模型应用前景广阔。
目前，在我国一、二维泥沙数学模型应用已相对比较成熟，尤其是一、二维泥沙数学模型在港口与航道工程中的应用，近年来得到了迅速的发展。
但是由于泥沙运动基本理论研究与应用上的局限性，三维泥沙模型却发展比较缓慢，仍有许多问题尚有待深入研究，如泥沙扩散系数、紊动粘性系数、底部水流挟沙力等。
而相对来说，在近海流域，我国一些学者在国外模型的基础上，根据我国海域特点开展了河口海岸水沙模拟及工程影响分析，在河口的三维泥沙运动研究中取得了相应的进展，如周华君[26]（1992）建立了基于曲线网格的水流、泥沙三维数值模型，应用于长江口最大混浊带附近的泥沙输运研究。
朱建荣等(2004)应用改进的三维ECOM模式，耦合泥沙输运模型，研究了理想河口最大混浊带形成的动力机制。
而在我国内河流域中，由于普遍认为工程中的泥沙问题，一、二维数学模型已经能够分析问题，不需要三维数学模型；加之三维泥沙数学模型结构复杂，节点多，计算工作量大, 不易进行研究和应用，导致内河流域三维泥沙数学模型发展滞后于海潮、河口冲淡水等海洋工程的应用。
辽河河口水动力学数值模拟模型的发展与应用
辽河河口水动力学数值模拟模型的发展与应用辽河河口是中国河北沿海地区的一个重要河口，也是辽宁省境内最大的河口。
辽河河口水动力学是研究河口地区水流的力学性质和规律的学科，对河口区域的海岸工程、生态环境等方面具有重要意义。
本文将探讨辽河河口水动力学数值模拟模型的发展与应用。
一、辽河河口水动力学数值模拟模型的发展历程辽河河口水动力学数值模拟模型的发展经历了多个阶段。
早期的模型主要是基于经验公式和简化假设，无法全面准确地描述河口区域的复杂水流运动。
随着计算机技术的进步和数值模拟方法的发展，如有限元法、有限差分法等，辽河河口水动力学数值模拟模型开始逐渐得到改进和完善。
随着时间的推移，研究人员不断积累了大量的观测资料和实验数据，并结合河口地区的特点，提出了一系列适用于辽河河口水动力学模拟的数学方程和物理模型。
这些模型包括雷诺平均模型、湍流能量方程模型、河口悬浮物输运模型等，可以模拟河口区域的水流、泥沙输运、生物运动等过程。
二、辽河河口水动力学数值模拟模型的应用领域1. 海岸工程规划与设计辽河河口地区的海岸工程建设对水动力学的研究有着重要的参考价值。
通过水动力学数值模拟模型，可以模拟不同建设方案下的水流运动情况，确定合理的河口水道设计，保证航道深度和航行安全，减少泥沙淤积和河口冲淤变化。
2. 河口湿地保护与恢复辽河河口地区拥有丰富的生态资源和湿地生态系统，保护和恢复这些湿地对于生态环境的改善和维护具有重要意义。
水动力学数值模拟模型可以模拟湿地内的水流、盐度、温度等变化，为湿地保护策略的制定提供科学依据。
3. 河口水质管理河口地区的水质管理是保障河口生态环境和居民生活用水安全的重要内容。
通过水动力学数值模拟模型，可以模拟水污染物在河口水域内的传输和分布情况，以及河口对海洋环境的影响，为河口水质管理的制定提供科学依据。
4. 港口规划与管理辽河河口地区是一个重要的港口区域，水动力学数值模拟模型可用于模拟港口内的水流、波浪等情况，为港口规划和管理提供可靠的参考，确保港口的安全运营。
黄河口泥沙输运三维数值模拟Ⅱ——河口双导堤工程应用
黄河口泥沙输运三维数值模拟Ⅱ——河口双导堤工程应用王厚杰;杨作升;李海东
【期刊名称】《泥沙研究》
【年(卷),期】2006()2
【摘要】黄河口双导堤工程是继国家“八五”攻关项目:“延长清水沟流路行水年限”完成后提出的黄河口治理的重大工程设想。
本文利用河口海岸三维数学模型(HEM-3D)对黄河口双导堤工程实施后河口高、中流量条件及低流量与东北风组合条件下的河口泥沙输送过程进行了数值计算。
对比不同方案下的计算结果发现,当河口流量控制在1 500m3/s以上时,泥沙可以经由河口双导堤顺畅入海,在潮流作用下向导堤两侧输送,这对疏通河口拦门沙并进一步稳定黄河入海流路能够起到积极的作用。
在低流量与东北大风的组合条件下,河口泥沙难以通过双导堤顺畅入海,大部分的泥沙可能会在导堤内部淤积。
因此,在目前形势下如何通过水库调度保证充足的入海径流量是工程实施前需要深入研究的重要问题。
【总页数】8页(P29-36)
【关键词】黄河口;双导堤工程;数学模型;泥沙通量;拦门沙
【作者】王厚杰;杨作升;李海东
【作者单位】中国海洋大学河口海岸带研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TV147
【相关文献】
1.黄河口泥沙异重流的数值模拟 [J], 庞重光;杨作升
2.丰水期珠江口黏性泥沙输运的三维数值模拟 [J], 朱泽南;王惠群;管卫兵;曹振轶
3.黄河钓口河口行水期泥沙输运过程的三维数值模拟 [J], 邢国攀;宋振杰;张勇;吴晓;毕乃双;王厚杰
4.黄河口泥沙输运三维数值模拟Ⅰ——黄河口切变锋 [J], 王厚杰;杨作升;毕乃双因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
河口海岸泥沙数学模型研究
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。
抛泥扩散淤积计算模式初步研究
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收稿 日期 ：２０ ．２１； 收修 改稿 日期 ：２０ ．１ ６ ０ ６１．２ ０７１． ０
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维普资讯
针 对抛 泥 时泥沙 扩散 淤积 的这 一特 殊 问题 ，本 文采 用 欧拉一 拉格 郎 日质 点漂 移法进 行 计算 处理 ，将 整
个 计算 过程 分拆 开 ，共分 为 ３步 ：① 平面 二 维潮 流场 计算 ；② 质 点扩 散漂 移计 算 ；③ 泥沙冲 淤 计算 。
１ 潮流场计算
二 维潮流 基 本方程 为 ：
９ ２
海 洋 通 报
．
２ ６卷
式 中：ｈ 为水 位 ；Ｈ 为水 深 ； Ｕ ，分别 为 Ｘ 、１ 、Ｙ 方 向的 流速 分量 ；厂为哥 氏力 系 数 ；Ｃ 为谢 才系 数 ，
Ｃ 日， ｔ 时间 ｇ为 力加 ： ・； 为 ； 重 速度； 、 分 、 别为 Ｙ方向 扩散 数， ： ｘ ５ ３ｇ 的 系 其中 Ｅ ＝ ．√ 日／ ９ Ｃ，
（国家海 洋 局东海 海 洋工 程勘 察 设计研 究 院，上 海 ２０ ９ ０００）
摘
要 ：本模式 将抛 泥扩 散 淤积 分三 步进行 ：（ ）流 场采 用平 面 二维 欧拉场 ；（ １ ２）用 有 限个质 点代 表 “ 水 团 ” 污 ，采用 拉格 郎 日法计
算质 点漂 移 ：（３）用 恰 当的泥 沙公 式模 拟每 个质 点泥 沙落 淤 。 以此三种 模 式 的组合 描述 抛泥 扩散 淤积 状 况 。本模 式可 以给 出 “ 水 污 团 ”扩 散漂移 过 程 ，模拟 泥沙 淤 积 范围和 淤 积厚 度 。通过 对 长江 口北槽 拟选 倾倒 区抛 泥 淤积 模拟 计 算 ，结果 与 示踪 沙现 场试 验状 况 基本 吻合 ，说 明本 方法 对抛 泥淤 积 计算 是一种 值得 深 入研 究 的可行 方法 。 关键 词 ：抛泥 ；扩 散 ；淤积 ：质 点 中图分 类号 ：Ｐ ５ ７ 文献 标识 码 ：Ａ 文章 编号 ：１０ —９２２０ ）６０９ ．０ ５ ０ １６３ （０ ７０－０ １ ０ ０
利用二维泥沙冲刷模型探讨洪水时河口冲沙现象
利用二维泥沙冲刷模型探讨洪水时河口冲沙现象【工程概况】熊野河位于和歌山県和三重県交界处，河口面向太平洋。
流向太平洋的河流有一个共同特点是，受海洋波浪的影响，来自海洋的漂沙堆积在河口，造成河流出口被堵塞。
由于河口被堵，洪水时的过水面积大幅度减小引起水位上涨，造成河口附近洪水泛滥。
图-1中显示河口堆沙位置，可以看出洪水前的河道出口非常窄小。
现在河流规划中，如果河口有泥沙堆积，一般不采用平均潮位作为下游边界水位,而是采用高出平均潮位很多，考虑堆砂影响的水位。
这种方法没有定量分析洪水时的泥沙冲刷，缺少理论依据。
该工程的目的是，通过实际洪水时的泥沙冲刷模拟，验证泥沙冲刷计算模型，把握河口泥沙冲刷机理。
表-1 概况图-1 河口地形图堆砂位置 洪水前河道出口图-2 河道地形立体图【解决的问题】工程概况中提到，河流规划时无法合理的设定河口边界水位，存在很多问题。
如果通过考虑泥沙移动的模拟计算，可以算出规划洪水流量的相应河口水位，这样设定的下游边界水位更接近实际水位。
下图是河口的实测流量，水位时间变化图。
图中显示，水位最大和流量最大的发生时刻不一致，时差达到7小时。
水位在13:00达到最高，此时流量在继续增加，但是水位没有随着流量增加而上涨。
因为过了13:00以后，堆积在河口的泥沙被冲刷，瞬间增大了过水面积，引起水位急剧下降。
如果不采用泥沙冲刷模型进行计算，无法验证这种现象。
【工程意义】通过冲刷模拟计算得到的下游边界水位比现在规划边界水位低，可以避免洪水位的过大评价，减少河道工程投资。
【成果】1.水位验证利用二维浅水泥沙冲刷计算模型，模拟洪水时河口冲刷。
得到的结果显示，计算水位和实测水位基本吻合，验证了模型的可靠性。
图-4 水位比较图2.时间变化图河床的时间变化6:009:0012:0015:0018:0021:0024:00水面的时间变化流速的时间变化。
海岸河口水动力数值模拟研究及对泥沙运动研究的应用
海岸河口水动力数值模拟研究及对泥沙运动研究的应用一、本文概述随着全球气候变化和人类活动的不断加剧，海岸河口地区的水动力环境和泥沙运动特性发生了显著变化，这对海岸河口地区的生态、环境和经济发展产生了深远影响。
因此，对海岸河口的水动力数值模拟及泥沙运动研究具有重要的理论和实践意义。
本文旨在探讨海岸河口地区的水动力数值模拟方法，并分析其在泥沙运动研究中的应用。
本文将对海岸河口的水动力数值模拟进行概述，介绍数值模拟的基本原理、常用模型和方法，以及模型建立和验证的一般流程。
本文将重点分析水动力数值模拟在泥沙运动研究中的应用，包括泥沙输移、沉积和再悬浮等方面的模拟和研究。
本文将通过具体案例，探讨水动力数值模拟在海岸河口地区泥沙运动研究中的实际效果和应用前景。
通过本文的研究，旨在为海岸河口地区的水动力数值模拟和泥沙运动研究提供理论支持和实践指导，为海岸河口地区的可持续发展和生态环境保护提供科学依据。
二、海岸河口水动力数值模拟基础海岸河口水动力数值模拟是对海岸河口地区水流运动进行量化分析和预测的重要手段。
它基于流体力学的基本原理，结合数值计算方法，对水流、潮汐、波浪等动力因素进行模拟，揭示这些动力因素在海岸河口地区的运动规律。
在进行海岸河口水动力数值模拟时，需要首先建立数学模型。
这些模型通常包括控制方程、边界条件、初始条件等。
控制方程一般基于Navier-Stokes方程，描述水流运动的基本规律。
边界条件和初始条件则根据具体的研究区域和实际问题进行设定，如河口的开敞程度、潮汐的影响、风的作用等。
数值求解方法是数值模拟的核心。
常用的数值求解方法包括有限差分法、有限元法、谱方法等。
这些方法各有优缺点，需要根据具体的问题和模型选择合适的方法。
例如，对于复杂的海岸河口地形，有限元法可能更适合；而对于大尺度的海洋流场模拟，谱方法可能更有优势。
在进行数值模拟时，还需要考虑模型的验证和校准。
这通常通过与实际观测数据进行对比来实现。
河道及河口一维及二维嵌套泥沙数学模型
2001年10月水 利 学 报SH UI LI X UE BAO 第10期收稿日期:2000208230基金项目:国家自然科学基金及水利部联合资助重大项目(59890200).作者简介:张修忠(1972-),男,山东临沂人,博士生.文章编号:055929350(2001)1020082206河道及河口一维及二维嵌套泥沙数学模型张修忠1,王光谦1(11清华大学水沙科学教育部重点实验室,北京 100084)摘要:建立了一种河道及河口一、二维嵌套的泥沙数学模型,对基本的控制方程、方程的离散和求解方法、嵌套连接条件以及非均匀沙的处理等问题进行了研究.以非恒定非均匀不平衡输沙理论作为本文建模的基础,为方便处理二维计算域的不规则边界,采用有限元数值离散格式.验证算例对河道做一维简化,对口外海域做二维处理,通过交界面的水位、流量和含沙量等的传递,在每一迭代步内进行耦合计算.数值模拟结果与实测资料吻合较好,且计算省时,表明本文建立的嵌套模型是一种解决某些实际工程问题的可靠的和高效的工具.关键词:河口;泥沙输运;嵌套连接;有限元离散中图号:T V149 文献标识码:A泥沙数学模型作为研究和解决河流、水库和近海等水域的水流运动和泥沙冲淤问题的有效工具,已得到了较为普遍的应用.一维模型计算省时,可快速方便地进行长河段、长时期的洪水和河床演变预报,但无法给出各物理量在平面范围的分布,因而在模拟河床细部变形、河口和港湾等水域的流动和冲淤问题时,显得无能为力.水深积分的二维模型克服了一维模型的缺陷,但因计算量剧增,模拟长河段、长系列、平面大范围的水流运动和河床演变问题时很不经济,即使是短时期问题也不易做到实时预报.因此,将一维和平面二维模型嵌套连接,发挥其各自的优势,对于解决许多生产问题是必要的和有意义的.文献[1]在这方面做了比较细致的研究工作,文献[2]应用一、二维嵌套技术成功的模拟了黄河口的演变.1 水流泥沙数学模型及其求解方法111 河道一维非恒定流水沙方程 河道水流运动的圣维南方程:5A 5t +5Q 5x=0(1)5Q 5t +55x (Q 2A )=-gA 5ζ5x -gA Q 2K 2(2)悬移质不平衡输运方程及河床变形方程:5(AS k )5t +5(QS k )5x=-αωk B (S k -S 3k )(3)γ′5A sk 5t=αωk B (S k -S 3k )(4)式中:A 、B 、Q 、ζ分别为河道的过水面积、河宽、流量和水位;K 为流量模数,由谢才公式计算;S k 、S 3k 、ωk 、A sk 分别为第k 粒径组泥沙的含沙量、挟沙力、沉速及冲淤面积;α为恢复饱和系数;γ′为淤积物干容量;x 、t 为空间和时间变量.112 口外平面二维水沙运动基本方程 对于平面大范围的自由表面流动,由于水深尺度一般远小于水面尺度,可以引入浅水假定以简化基本守恒方程.假定压力沿水深服从静压分布,对基本方程(N 2S 方程)沿水深积分,可得到如下守恒型的浅水方程:55t (h )+55x j (q j)=0(5)55t (q i )+55x j (u j q i )=f δij q j -gh 5ζ5x i -λq i +55x j (νt 5q i 5x j)(6)悬移质不平衡输沙方程和海床变形方程:55t (Ψ)+55x j (u j Ψ)=αωk s 3k -βΨ+55x j (εs 5Ψ5x j)(7)γ′5Z b 5t =∑N s k =1αωk (s k -s 3k )(8)式中:u j 、q j 为x j 方向的平均流速和单宽流量;f 为柯氏力系数;δ为系数矩阵,除δ12=1和δ21=-1外其余元素均为0;λ=g u j u j Π(C 2h );C 为谢才阻力系数,可由曼宁公式计算;β=αωk Πh ;Ψ=hs k ;涡粘性系数νt 由νt =κu 3h Π6.计算,κ为卡门常数,u 3为摩阻流速;泥沙紊动扩散系数εs 假定与水流涡粘性系数相等;h 表示水深;水位函数ζ由水深和床底高程确定,即ζ(x j ,t )=h (x j ,t )+Z b (x j ,t );i ,j =1,2.113 水流挟沙力 潮汐河口挟沙力可由下式表示[3]:s 3=K V 2gh (9)在风、浪和潮流联合作用下,流速应该是风、浪和潮的合成流速,即:V =| V T + V b |+|V w |(10)式中:V T 为潮流速度;V b 为风吹流的平均速度;V w 为波流的平均速度;V b =0102W ,W 为平均风速;V w =012ch c Πh ,c 为波速;h c 为波高;K 为率定系数.114 基本方程的有限元离散11411 河道单元的离散 河道单元的流动守恒方程和泥沙输运方程可写成如下统一形式的对流方程:5φ5t +5(U φ)5x=F (11)式中:φ=[A ,Q ,AS k ]T ,F =[0,-gA (5ξ5x +Q 2K2),-αωk B (S k -S 3k )]T ,U =Q ΠA .对流方程的有限元离散可写成:M 5φi 5t =C ij φj +F i (12)式中:M 表示集中质量矩阵,M =∫ΩN i N j d Ω;C ij 表示对流矩阵,C ij =-∫Ωw i5UN j 5xd Ω;F i 代表源项,F i =∫Ωw i F d Ω.11412 口外平面二维单元的离散 有限元在本质上属于非结构化网格离散方法,便于处理复杂边界问题.因此,本文对控制方程采用有限元法离散,方程(5)～(7)的弱解形式经分部积分后可得如下的空间半离散方程:M 5h i 5t=C ij h j (13)M 5<i 5t=C ij <j +D ij <j +F 1+M ・F 2<i (14)<=[q x ,q y ,hs ]T ,F 1=[F x ,F y ,F z ]T ,F 2=[-λ,-λ,-αωΠh ]T式中:Cij为对流矩阵;D ij为扩散矩阵;由下列各式表示:C ij=-∫Ωw i5uN j5x+5νN j5y dΩD ij=-∫Ωνt5N i5x5N j5x+5N i5y5N j5y dΩF x=-∫Ωgh5ζ5x w i dΩ F y=-∫Ωgh5ζ5y w i dΩ F z=∫Ω(αws3)w i dΩ式中:N、wi分别为插值函数与权函数.若上述离散中的权函数与插值函数相等,则构成经典的G alerkin有限元法.对于对流占优问题, G alerkin法等价于中心差分格式,因缺乏足够的耗散,往往导致数值振荡.为此,本文采用高分辨率格式对流项进行重构,即通过引入几乎相等的扩散与反扩散以保证格式的高精度,同时利用限制因子保证影响系数的非负性及解的保单调性[4].115 离散方程的求解 为使计算收敛或加快收敛,离散中对源项M・F2<进行负坡线性比.离散后的方程(13)、(14)为常微分方程,可采用多种显式或隐式方法求解.本文对时间导数项采用C2N格式离散,对离散后的代数方程采用QMR[5]方法迭代求解,该方法具有节省内存,收敛快的优点.本文顺序求解离散后的方程.对于二维海域,先由二维对流扩散输运方程(6)计算流速,由对流输运方程(5)计算水深,由悬沙对流扩散方程(7)计算含沙量,最后由河床变形方程(8)计算节点的冲淤深度.对于河道一维计算,运动方程的单元离散转化为求解流量Q的方程,连续方程的单元离散方程则转化为求解水位ζ的方程.2 嵌套连接条件一、二维嵌套模型是通过交界面连接的,由于一维模型只给出物理量的断面平均值,二维模型给出节点的水深平均值,因此在交界面上存在各物理量断面平均值和节点垂线平均值的相互转化和衔接问题.水沙运动在交界面上的连续性是模型嵌套连接的基本原则,因此,一、二维嵌套的连接条件是:水位相等,即:ZB=∫B0z d y.式中:Z为断面平均水位;z为节点的水位;B表示交界断面的水面宽度.流量相等,即:Q=∫B0uh d y.式中:Q为通过交界面的流量:u、h分别是节点的垂线平均流速和水深.悬移质输沙量相等,即:SQ=∫B0uhs d y.式中:S、s表示交界面的断面平均含沙量和节点垂线平均含沙量.此外,还有阻力、挟沙力、河床变形等连续条件.本文口门水位由二维控制,流量由河道一维计算给出,含沙量进行相互传递.3 非均匀沙水流挟沙力级配及床沙级配计算311 挟沙力级配计算 鉴于水流中的泥沙源于上游水流挟带和床沙紊动扩散进入,因此由水流条件和床沙组成推求非均匀沙的分组挟沙力的做法是较为合理的.本文采用李义天通过建立输沙平衡状态下的床沙质级配和床沙级配间的关系以及垂线平均悬沙浓度和河底悬沙浓度之间的关系得到的挟沙力级配公式[6].312 床沙级配计算 床沙级配随河床冲淤而变化,对阻力、输沙率及河床冲淤影响显著.若已知各粒径组泥沙的冲淤厚度ΔH sk及总的冲淤厚度ΔH s,则床沙级配调整计算可分为以下两种情况.(1)ΔH s>0,即发生淤积的情况,床沙活动层级配由下式计算:ΔP t+Δt bk =[ΔHs k +ΔP t bk (H t m -ΔHs )]ΠH t +Δtm 式中:ΔP t bk 、ΔP t+Δt bk 分别为t 时刻和t +Δt 时刻的床沙活动层级配;H tm 、H t+Δt m 为相应时刻的床沙活动层的厚度.(2)ΔH s <0,即发生冲刷的情况,床沙活动层级配由下式计算:ΔP t+Δt bk =[ΔHs k +ΔP t bk H t m +|ΔHs |ΔP remk ]ΠH t +Δt m式中:ΔP t bk 、ΔP t+Δt bk 、H tm 、H t+Δt m 同前,ΔP remk 为若干个记忆层内的床沙平均级配.床沙活动层是指河床发生冲淤变化过程中,河床表层参与河床冲淤变形的那一层床沙,水流挟带的泥沙与床沙的交换在这里发生,河床冲淤变形也在这一层里发生[7].床沙活动层厚度是指一个冲淤计算时段内感受到水流作用并且泥沙组成发生变化的床沙厚度[7,8].受河床变形和来水来沙条件的影响,活动层的厚度和组成不断变化.由于问题的复杂,要从数学上严格定义和表达活动层厚度目前还比较困难.尽管有许多学者对这一问题进行了研究,给出了一些计算方法.但这一问题不能考虑过细,一方面缺乏床沙级配沿垂向变化的实测资料;另一方面考虑过细不一定能提高精度.故本模型采用较常用的处理方法,即取一固定值2m.313 床沙级配的分层记忆模式 为了模拟床沙组成的变化过程,将床沙划分为床沙活动层及其下面的记忆层[8]两部分.记忆层可根据实际情况分n 层.计算中,当河床发生淤积时,记忆层层数增加,增加层的级配为t 时刻的床沙活动层级配ΔP t bk .当河床发生冲刷时,根据冲刷量的大小,记忆层数相应减少,且级配作相应的调整.4 模型的验证411 计算条件 漳卫新河是海河流域南系的一条尾闾河道,担负着漳河、卫河的泄洪排涝任务.自1973年扩大治理以来,由于入海径流少,辛集闸闸下河道被潮汐动力所控制,源源不断的海相来沙使河道严重淤积.据94年实测地形资料分析[9],淤积河道长达26km ,淤积总量达到1262万m 3,河道行洪能力下降47%.本文验证计算的河道一维计算域取自漳卫新河的辛集闸至河口,长3716km ;口外海域的下边界至-20m 等深线,纵向长30km ,横向宽20km.河道地形资料采用94年大断面资料,口外地形采用1∶50000海图.412 边界条件 河道进口给定流量、含沙量过程,口外开边界条件采用潮位控制,岸边界采用水流无滑移条件.口外各角点水位由实测潮位根据潮波传播相位差推延得到,再根据域内测点流速过程验证情况稍作调整,以90年实测大潮潮型概化计算潮型.一、二维连接断面采用流速边界,并按曼宁公式进行分配.413 有关参数的选取[10] 在现有的认识条件下,河口水沙预测的关键是选取可靠的基本参数,如糙率、挟沙力系数和泥沙恢复饱和系数等.为此,需对河口现状水流泥沙条件进行验证,它一方面是对数学模型本身的检验,另一方面也是率定水流泥沙基本参数,为各方案科学预报提供依据.河道糙率采用01025,河口二维海域糙率采用0102;水流挟沙系数采用海河口数据K=100;淤积物干容重取0165t Πm 3;根据验证计算确定泥沙恢复饱和系数α冲=011,α淤=0125;波高取大口河测波站平均波高.图1 计算与实测潮位过程对比图2 计算与实测流速过程对比414 验证计算结果 图1～3给出了94年8月26～27日河口处的潮位、流速和含沙量计算与实测的对比,图中零时刻对应于26日14时.可以看出计算与实测潮位、流速吻合良好,表明水流计算参数的选取是合理的,计算方法也是可靠的.含沙量过程计算与实测有一定差别,主要是由于在潮流和波浪共同作用下泥沙参数的选取还有待进一步改进.图4给出了83年～93年河道累计淤积量计算与实测的对比,全河段累计淤积量计算值约590万m3.图5～6给出了河口局部涨急和落急流场,可以看出,涨潮流速明显大于落潮流速,与实测资料一致.这也是涨、落潮输沙不平衡,河道淤积的一个重要原因.受资料限制,口外海床变形未作验证.图3 计算与实测含沙量过程对比图4 计算与实测河道累计淤积量对比图5 涨急局部流速矢量场图6 落急局部流速矢量场5 结语对口外海域进行平面二维计算,对河道采用一维模拟;或者对河道流动复杂段应用二维模型,流动简单或顺直河段应用一维模型的一、二维耦合算法,既具有一维模型的快速方便,又能获得局部河段或平面大范围的细部信息.这样可以用较少的机时复演和预测长河段的河床变形及其重点段的细部变形,是一种解决某些实际工程问题的有效方法.致谢:论文得到大连理工大学土木系金生教授的指导和帮助,在此表示衷心的感谢.参 考 文 献:[1] Wu W M,Li Y T.One2and T w o2Dimensional nesting mathematical m odel for river flow and sedimentation[C],5thInternational sym posium on river sedimentation,1992,K arlsruhe547-554.[2] Zhang S Q.One2D and T w o2D combined m odel for estuary sedimentation[J],Int.J.Sediment Research,1999,14(1):37-45.[3] 刘家驹,张镜潮.淤泥质海岸航道、港地、淤积计算方法及其应用推广[J].水利水运科学研究,1993(4).[4] 张修忠,王光谦,金生.浅水流动有限元分析及其高分辨率格式[J].长江科学院院报,2001(1).[5] Freund R W,Nachtigal N M.An im plementation of the QMR method based on coupled tw o2term recurrence[J].SI2AM.J.Sci C om put.,1994,15(2):313-337.[6] 李义天.冲淤平衡状态下的床沙质级配初探[J].泥沙研究,1987,(3).[7] 李义天,胡海明.床沙混合活动层计算方法探讨[J].泥沙研究,1994,(1):64-71.[8] 吴卫民,等.河床床沙组成数值模拟方法[J].武汉水利电力大学学报,1994,27(3):320-327.[9] 王文治,梁永立.漳卫新河冲淤变化及发展趋势的分析[R].水利部天津勘察设计研究院,1996.[10] 金生.漳卫新河河口泥沙冲淤计算[R].大连理工大学,2000.12D and22D nesting sediment transport model for rivers and estuariesZH ANG X iu2zhong1,W ANG G uang2qian1(11T singhua Univer sity,Beijing 100084,China)Abstract:A12D and22D combined sediment transport m odel for rivers and estuaries is presented.The basic equation,the numerical method,the coupling conditions and the treatments for non2uniform sediment are stud2 ied.The m odel is based on unsteady non2uniform and non2equilibrium sediment transport theory.The finite el2 ement method is abopted to solve the g overning equations for its capability of accepting com plex geometry.The m odel is verified by the simulations of the flow and sediment transport in the estuaries of the Zhangweixin River,in which the river area is treated as12D and the sea area is treated as22D.By trans ferring the water level,dis2 charge and sediment concentration at the interface,the coupling calculations are conducted in each iterative step.The results are in g ood agreement w ith the measured data and a lot of CPU time is saved,which shows that the proposed m odel is reliable and high efficiency in solving practical engineering problems.K ey w ords:estuary;sediment transport;nesting linking;finite element discretization。
水沙数学模型技术在长江河口整治中的应用
第50卷第2期2019年2月人民长江Yangtze Ｒiver Vol．50，No．2Feb．，2018收稿日期：2017－08－28作者简介：徐学军，男，教授级高级工程师，硕士，主要从事水利规划设计及河口整治工作。
E －mail ：jianhuatang2004@126．com文章编号：1001－4179（2019）02－0042－05水沙数学模型技术在长江河口整治中的应用徐学军，唐建华，王玉臻，赵升伟（长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司，上海200439）摘要：为给河口整治提供参考和借鉴，基于DELFT3D 模型系统建立了长江河口水沙数学模型，并利用实测水文、泥沙数据进行了率定、验证。
大量实测资料验证结果表明，该模型的潮位、潮流和含沙量模拟平均精度分别可达91%，86%和72%，模型具有较好的模拟精度。
该模型在长江河口治理规划研究、整治工程方案设计、施工设计、航道治理等方面应用效果良好，可为相关整治工程的决策和设计提供一定的技术支撑，值得进一步推广应用。
关键词：潮流数学模型；泥沙数学模型；整治工程；长江河口中图法分类号：TV148．1文献标志码：ADOI ：10．16232/j．cnki．1001－4179．2019．02．008长三角地区是目前中国经济发展速度最快、经济总量规模最大、最具发展潜力的区域，长江河口水土资源的开发利用对该区域经济社会的可持续发展举足轻重。
目前，包括长江口河势控制、航道治理等在内的一系列整治工程正在如火如荼的进行中。
水沙数学模型作为重要的技术手段，在长江河口大量整治工程的规划、设计、研究工作中发挥了重要作用，为相关整治工程的决策和设计提供了重要的技术支撑［1－4］。
笔者长期从事长江河口治理的相关工作，建立和完善了一套长江河口潮流、泥沙数学模型系统，该系统在长江河口治理规划研究、整治工程方案设计、施工设计、航道治理等方面发挥了一定的作用。
本文对该水沙数学模型及其在长江河口整治中的应用进行了阐述，旨在进一步推广该模型技术，为类似的研究和河口整治提供参考和借鉴。
黄河下游河道准二维泥沙数学模型研究
黄河下游河道准二维泥沙数学模型研究摘要：本文首先简要回顾了以往黄河河道泥沙数学模型研究成果，再以水流运动方程及经过作者修正的泥沙运动方程为基础，同时引入与实测资料相符合的水流挟沙力、动床阻力、泥沙级配等计算公式作为补充方程，构造出黄河下游河道准二维泥沙数学模型。
然后，采用1986年11月～1996年10月这10年长系列实测资料，开展了验证计算。
其结果表明，该模型不仅能计算黄河下游河道一般洪水引起的河床冲淤变形，还能成功地模拟出大沙年下游处于强烈淤积时的规律。
关键词：黄河下游河道准二维泥沙数学模型1 黄河河道数学模型研究的简要回顾黄河数学模型的研究，是与流域规划、工程建设和管理运用等生产紧密结合的。
早在1955年编制黄河综合利用规划技术经济报告中，就曾在黄河三门峡水库规划阶段用初级的一维恒定平衡输沙模型对水库淤积和下游河道的河床冲刷变形进行计算[1]。
当时的计算结果认为，在桃花峪下游冲刷9年后河床刷深27m，冲刷量及冲刷速度显然比实际夸大甚多。
三门峡水库投入运用后，库区严重淤积，并迅速向上游延伸，与原来的计算结果截然不同。
为研究改建方案，通过实测资料建立了许多泥沙冲淤量与水文要素之间的经验关系式。
麦乔威、赵业安、潘贤娣等学者在分析下游河道冲淤变化及挟沙能力变化规律的基础上，提出了三门峡水库下游河床冲淤计算的方法[1]。
在1975年～1977年进行治黄规划过程中，为研究各种规划方案对黄河下游的减淤作用，黄河水利委员会及其有关科研、设计部门的科技人员，使用两种河道冲淤计算的经验模型开展了大量的计算工作，麦乔威、李保如两位学者进行了总结。
其中，在规划方案的初步比较阶段，使用的是李保如提出的框算模型，只考虑影响输沙能力的最主要因素（来水、来沙）。
对于问题比较复杂和初选的方案，则使用较详细的经验模型[2]。
20世纪80年代，刘月兰、韩少发、吴知等学者在上述经验模型的基础上，根据不同河段汛期、非汛期输沙经验公式，引入水流连续方程、动量方程及泥沙平衡方程式，建立了一套颇具特色的黄河下游河道冲淤计算模型[3]。
黄河河口海岸二维非恒定水流泥沙数学模型
黄河河口海岸二维非恒定水流泥沙数学模型曹文洪，何少苓，方春明(中国水利水电科学研究院泥沙研究所)摘要：针对黄河河口海岸岸线变化剧烈和含沙量变幅大的特点，开发和建立了适合黄河河口海岸应用的平面二维动边界非恒定水流泥沙数学模型。
验证表明，本模型可以较好地模拟黄河河口海岸泥沙输移和冲淤变化，为研究和解决多沙河口海岸的泥沙问题提供技术手段。
关键词：黄河口；挟沙能力；窄缝法；非恒定流；数学模型收稿日期：2000-01-06基金项目：国家重点基础研究发展规划项目(G1*******)资助作者简介：曹文洪(1963-)，男，(满族)，黑龙江省人，中国水利水电科学研究院教授级高工，博士。
自本世纪七十年代以来，由于计算机技术的迅猛发展，国内外相继出现了众多的河口海岸泥沙数学模型[1-7]，有力地促进了河口海岸的泥沙研究的发展。
然而，已有的河口海岸数学模型大多是模拟含沙量较低的河口海岸的泥沙运动，而能够模拟多沙和岸线延伸剧烈的河口海岸泥沙数学模型还极为少见。
近年来，已有个别学者尝试用泥沙数学模型模拟黄河河口海岸的泥沙运动，如张世奇开发了一套黄河口平面二维泥沙冲淤数学模型，得到了较好的效果[18～20]。
为了全面系统地反映黄河三角洲海陆动态交互影响机理和泥沙运动与湿地演替关系，本文开发和建立了径流、潮流和波浪作用下的黄河河口海岸平面二维动边界非恒定流非均匀沙不平衡输沙数学模型。
1 模型结构1.1 水流运动基本方程(1)(2)(3)为谢才式中：U、V分别为潮流速在x及y方向的垂线平均值分量；Z为潮位；Cf系数；F为柯氏系数，F=2ωsinφ，式中ω为自转角速度，φ为地理纬度；h为水深；Z为海底起始高程。
b1.2 潮流和波浪共同作用下泥沙运动方程在河口海岸地区，潮流和波浪是泥沙运动的最主要动力。
“波浪掀沙和潮流输沙”使河口海岸地区的泥沙运动极为活跃，但也更为复杂。
因此，在计算和预报河口海岸地区的泥沙运动和冲淤变化时，仅仅考虑潮流的作用是不全面的，还应考虑波浪的作用。
河口底泥盐度释放模型研究及应用
河口底泥盐度释放模型研究及应用
河口底泥盐度释放模型是根据植物的生长、饮用水的用途和底泥的盐成分等因素，利
用流体力学、化学和生物学等概念，建立了有关河口底泥中盐分释放的新模型。
它不仅考
虑了水土流失对水土流失过程的影响，而且将河口底泥、海洋大西洋和河口水体内部影响
有机地结合起来。
河口底泥盐度释放模型只需要很少的有关数据，就可以迅速地实现预测。
河口底泥盐度释放模型的建模工作主要是两个阶段，第一个阶段是建立河口底泥池模式，主要采用双氧水分解和池底沉积的原理，计算池容积、池面积和淤泥沉积的比率，以
及河口淤泥的变化情况。
第二个阶段是建立河口底泥水量模型，它涉及底泥的折射指数，
反射率，颜色强度和盐度等，并可以计算河口水体流入和流出的总量，水深变化，流量变
化等工作。
最后，模型还能定量评价河口水体的环境效应。
河口底泥盐度释放模型的应用主要为决策者提供了参考，可用于检测河口底泥盐度的
变化情况，以及相应的海洋生态系统和区域大气环境，并可根据实际情况，对河口环境水
质采取有效的改善措施。
此外，该模型也可以用于风景体验，以及合理利用河口资源和防
止河口污染等方面。
可以说，河口底泥盐度释放模型研究和应用具有较高的应用价值，其有效的预测结果
对于对河口环境的管理和规划工作具有重要的参考价值，同时也可以帮助政府有效地控制
河口环境的污染和改善水体环境质量。
潮流泥沙数学模型计费定额计算实例
潮流泥沙数学模型计费定额计算实例（最新版）目录一、引言1.1 背景介绍1.2 目的和意义二、潮流泥沙数学模型概述2.1 定义和分类2.2 模型建立与应用三、计费定额计算实例3.1 计算方法3.2 实例分析四、结论4.1 模型优点4.2 存在问题与展望正文一、引言1.1 背景介绍随着我国经济的快速发展，水利工程建设在国民经济中的地位日益突出。
其中，河流治理、港口航道等项目的泥沙运动问题成为研究的热点。
潮流泥沙数学模型作为泥沙运动研究的重要手段，可以为治理工程提供科学依据。
1.2 目的和意义本文旨在通过实例分析，探讨潮流泥沙数学模型在计费定额计算中的应用，为实际工程项目提供参考。
二、潮流泥沙数学模型概述2.1 定义和分类潮流泥沙数学模型是研究河流泥沙运动的一种理论方法，主要通过建立数学方程组来描述泥沙的搬运和沉积过程。
根据泥沙运动特性，模型可分为悬移质模型、床沙质模型和混合质模型等。
2.2 模型建立与应用在建立潮流泥沙数学模型时，需要对河流的基本特征、泥沙来源和运动过程进行综合分析。
模型应用于河流治理、港口航道、水利枢纽等工程项目的设计、论证和评估。
三、计费定额计算实例3.1 计算方法计费定额是依据工程项目的具体情况，按照一定标准和方法计算出的工程造价。
在潮流泥沙数学模型中，可以通过以下几个步骤进行计费定额计算：（1）确定工程项目的基本特征，如河流宽度、水深、流速等；（2）分析泥沙来源和运动过程，确定泥沙粒径分布；（3）建立潮流泥沙数学模型，并根据实测数据进行模型参数优化；（4）运用模型预测工程项目的泥沙运动情况，计算工程量；（5）根据工程量和工程项目的具体情况，计算计费定额。
3.2 实例分析本文以某河流治理项目为例，采用潮流泥沙数学模型进行计费定额计算。
首先，根据实测数据和项目资料，确定项目的基本特征。
然后，通过分析泥沙来源和运动过程，建立潮流泥沙数学模型。
最后，运用模型预测工程项目的泥沙运动情况，计算工程量，并根据工程量和项目具体情况，计算计费定额。
二维潮流泥沙数学模型理论及工程应用的开题报告
二维潮流泥沙数学模型理论及工程应用的开题报告一、研究背景和意义潮流泥沙是河流流域中非常重要的物质组成部分，对于河流交通、水文环境工程建设、土地利用等方面的影响较大。
因此，建立潮流泥沙数学模型并研究其理论和工程应用，对于改善河流流域的环境、保护河流生态系统、开展水利工程建设等方面具有重要的现实意义。
二、研究目的和内容本文主要以二维潮流泥沙数学模型理论与工程应用为研究对象，旨在通过对潮流泥沙数学模型理论的深入剖析、建模、验证和应用实例剖析等方面的研究，进一步完善潮流泥沙数学模型在实际工程中的应用，提高潮流泥沙数学模型的预测精度，为实际工程应用提供数据和理论支持。
三、主要研究内容（1）二维潮流泥沙数学模型理论分析及建模；（2）二维潮流泥沙数学模型参数获取方法研究；（3）二维潮流泥沙数学模型验证方法和实验设计；（4）二维潮流泥沙数学模型在实际工程中的应用实例分析；（5）针对现有模型存在的问题对二维潮流泥沙数学模型优化的研究。
四、研究方法和流程本文主要采用数学模型与实验相结合的研究方法，通过对二维潮流泥沙数学模型理论的建模以及对模型进行实验验证，探究模型存在的不足之处并利用相关算法进行优化，力求探究二维潮流泥沙数学模型的科学性和可操作性，并为实际工程应用提供理论与相关数据。
五、预期研究成果（1）建立二维潮流泥沙数学模型并进行相关分析与验证；（2）提出针对模型存在的问题的解决方案；（3）应用二维潮流泥沙数学模型成功开展相关水文环境工程建设；（4）在环境保护、生态建设和水利工程等方面提供相关数据和理论支持。
六、论文框架本文计划包括绪论、潮流泥沙数学模型理论分析、模型应用实例分析、模型优化研究等章节，具体结构如下：1.绪论1.1 研究背景与意义1.2 国内外研究现状1.3 研究目的与意义1.4 研究方法与流程1.5 预期研究成果2.潮流泥沙数学模型理论分析2.1 潮流泥沙数学模型建立原理2.2 潮流泥沙数学模型的基本参数2.3 潮流泥沙数学模型的数学表达式分析3.模型应用实例分析3.1 模型应用实例介绍3.2 模型应用实例分析3.3 模型实例验证及评估结果4.模型优化研究4.1 模型存在的问题及原因分析4.2 模型优化解决方案4.3 优化后的模型应用实例研究5.结论与展望5.1 研究成果总结5.2 研究意义和价值5.3 研究展望七、研究进度安排1. 绪论部分2. 阅读相关文献并进行文献综述3. 完成潮流泥沙数学模型的建立和原理分析4. 采集相关数据并进行模型的参数获取5. 完成模型应用实例研究6. 完成模型优化研究7. 确认论文框架并完成论文初稿8. 完成论文修改9. 论文定稿及论文答辩10. 准备论文终稿提交和答辩。
河流泥沙数学模型
河流泥沙数学模型Sedimentation Dept., IWHR 郭庆超中国水科院泥沙所2007年10月Sedimentation Dept., IWHR 内容1.简介2.控制方程3.模型建立与使用1. 简介随着计算机技术的高速发展和河流泥沙基本理论的进步，水沙数学模型得到了快速发展，被广泛地应用于水利工程、江河治理和河口海岸与泥沙运动有关的领域中，解决了很多生产难题，发挥了巨大效益。
1. 简介¾水沙数学模型：1D, 平面2D，立面2D，准3D，完全3D；¾能够严格总收物理原理；¾能够严格遵守边界和初始条件；¾节省时间、人力和成本；¾方案比选与优化解决实际问题：•河道演变•水库泥沙淤积•水利工程的下游冲刷•取水口稳定性•引航道及港池回淤•河口海岸工程泥沙问题模型的功能1.简介1.模型的功能1. 简介模型应满足以下基本要求：•满足物理的基本原理•被分析方法所检验：分析解(线性)/人工解(非线性)•被实验和实测资料所检验•可以预测主要的物理过程•数值解是稳定的•数值解是收敛的•数值结果是可接受的•数值结果符合实际情况被理论/分析解证实模拟结果与实测资料相符被原型实测资料证实被实验室数据证实好的数学模型应该满足模型使用者的经验对模型质量影响也很大1.2.2. 3D2.2.2. 1D3.数学模型建立流程3.数学模型运行流程3. 1D3.微分方程离散3.微分方程离散3.微分方程离散3.挟沙能力3.挟沙能力3.挟沙能力3.挟沙能力从高低含沙量统一公式可以看出：（1）含沙水流的挟沙能力不仅与水力因子（如U , h ）和泥沙因子（如ω0）有关，而且也受上游来流含沙量的影响；（2）对于低含沙水流（如S < 100kg/m 3），挟沙能力受上游含沙量影响甚微，然而，随着含沙量的进一步增加，挟沙能力受上游来流含沙量的影响渐趋明显，而且来流含沙量越高，水流挟沙能力越大，这正是高含沙水流多来多排的缘故。
射阳河口二维潮流、泥沙数模研究的开题报告
射阳河口二维潮流、泥沙数模研究的开题报告
一、研究背景
射阳河口是长江下游区域中的一个典型河口，是江苏省南通市的一
条重要的出海航线，也是运输航道，是南通港口的重要组成部分。
射阳
河口水流、泥沙输移特征是研究该河口水文及海洋动力过程的重要方面。
因此，对射阳河口的潮流和泥沙数值模拟具有重要的科学意义和实际意义。
二、研究目的
通过对射阳河口的潮流和泥沙数值模拟研究，对河口水文和海洋动
力特征进行深入分析和探讨，对河口周边的生态和经济环境提供科学的
参考和决策支持。
三、研究内容和方法
1.研究内容：
（1）射阳河口潮流特征的数值模拟
（2）射阳河口泥沙输移特征的数值模拟
（3）对河口水动力和泥沙输移的影响因素进行分析
2.研究方法：
（1）收集射阳河口相关实测数据
（2）建立射阳河口二维潮流、泥沙数值模拟模型
（3）对模型进行校验和验证
（4）模拟并分析河口水动力和泥沙输移的影响因素
四、研究意义
1. 对射阳河口的水动力和泥沙输移特征进行深入分析和研究，为该区的生态环境和经济建设提供科学支持和决策参考。
2. 丰富河口水文和海洋动力研究领域，扩大模拟模型的应用范围和科学价值。
3. 对于其他地区的类似研究具有借鉴和参考意义。
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（ ．Ｄｐ ｒ ｅｔｏ ｙ ｄ＆ Ｅ ｇｎｅｉ １ ｅａｔ ｎ Ｈ ￣ａ ｍ ｆ ｎ ｉ ｒ ｇ，Ｔｉｇ ｕ ｎｖｒｔ ，Ｂ ｉｎ １ ０ ８ ｅ ｎ ｓ ｈ ａ Ｕ ｉ ｓｙ ｅｉｇ ０ ０ ４，Ｃ ｉａ ．Ｃ ｌ ｇ ｃ ｎｅ ｎ ｅｉ ｊ ｈｎ ；２ ｏ ｅｅｏ Ｓｉ ｃ ｌ ｆ ｅ
第 １期
陈祖华 ， ： 口抛泥数学模 型及应用 等 河
４ ５
１ 河 口平 面二维粘 性泥沙运 动数 学模 型
河 口地 区泥 沙颗 粒 一般 较 细 ， 属粘 性 泥沙 ， 与无 粘性 沙 相 比 ， 性 沙 的运 动不 仅受 水 动力 作 用 的影 响 ， 粘 而 且 还受 泥 沙 物理 化学 性 质及 水 体 化 学 性 质 （ 盐 度 、Ｈ 值 ） 影 响 ， 得 模 拟 粘 性 沙 比模 拟 无 粘 性 沙 要 复 即 ｐ 的 使 杂 ， 之 粘性 泥沙 的运动 相 当复杂 ， 加 以往 建 立 的 粘 性 泥 沙 输 运 模 型 （ 括 平 面二 维 模 型 ＬＩ］和一 些 三维 模 包 ｌ４， 型 ） 往偏 重 于 粘 性 沙 运 动过 程 的一 个 方 面 ， 往 而且 还 具 有 很 大 的 经验 性 ． 然一 些 模 型 参数 通 过 实 测 或 虽
自由沉降阶段 ， 这时的沉速可按 Ｓ ｋｓ ｔ ｅ 公式计算［ ： ｏ ９ ］
＝
（ ＜Ｃ） ｃ ｆ
其 中 ： 为悬 浮 絮 团的 密 度与 水密 度 之 比 ； ｇ为重 力加 速 度 ； 为絮 团 中值 粒径 ； 清水 的动力 粘 滞 系数 。 ｄ 为
当悬沙浓度较高 （ ＜Ｃ＜ ０ｇＬ 时 ， Ｃ 一１ ／ ） 处于絮凝沉降阶段 ， 沉速随悬 沙浓度增 高而增大 ， 这时 的沉
Ｄ ＝ｍａ （ ，． ） ｘ ０ １ ０一 Ｃ
丁ｃ ｄ
和 丁 根据 冲刷试验或通过实测 资
丁 为临界沉降切应力 ， 需通过实测资料率定 ， 为泥沙沉速． 由于粘性泥沙 的絮凝过程将不断改变絮凝颗粒的粒径大小和级配 ， 而影 响泥沙 的沉降 ， 从 因此 ， 计算泥
沙 沉速 时 要考 虑 絮凝 的 影响 ． 当悬沙 浓 度较 低 （ ＝ ． ０ ３ｇＬ 时 ， 团间 的相 互影 响 不 显著 ， 处 于 Ｃ＜ Ｏ １～ ． ／ ） 絮 则
ａ ｄ Ｔ ｃｎ ｌ ｙ Ｍａａ ｎｖｒ ｔ， ｃａ ，Ｃ ｉ ） ｎ ｅｈ ｏ ｇ ， ｃｏ Ｕ ｉ ｓｙ Ｍａｏ ｏ ｅ ｉ ｈｎ ａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ａ ｅ ｔ ｏ ｉ ｌ ｔ ｇ ｔ ｅ ｍｏ ｅ ｎ ｆ ｄ ｍｐ ｄ ｓｌ ｉ ｐ ｎ ｅ ｔ ａ ｉ ｅ ｗ ｔｒ ｓ ｄ ｖ ｌｐ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｎ ｗ ｍｅｈ ｄ ｓｍｕ ａ ｉ ｈ ｖ ｍｅ ｔｏ ｕ ｅ ｉ ｎ ｏ ｅ ｓｕ ｒ ａ ｅ ｓ ｉ ｅ ｅ ｏ ｅ ｎ ｎ ｔ ｎ ｈ ｍｏ ｅ ｎ ｒ ｃ ｓ ｆ ｄ ｍｐ ｄ ｓ ｔ ｉ ｅ ｓ ｒｏ ｎ ｉ ｇ ｗ ｔ ｒ ｂ ｄ ｆ Ｍａ ａ ｓ ｎ ｍｅ ｃ ｌ ａ ｃ ｌ ｔｄ ｂ ｓｎ ｖ ｍｅ ｔｐ ｏ ｅ ｓ ｏ ｕ ｅ ｉ ｎ ｔ ｕ ｒ ｕ ｄ ｎ ａ ｅ ｏ ｙ ｏ ｃ ｏ ｉ ｕ ｒ ａｌ ｃ ｌ ｕ ａ ｅ ｙ ｕ ｉ ｇ ａ ｌ ｈ ｉ ｙ ｄ ｓ ｂ ｔ ｄ ｐ ｉ ｔ ｏ ｒ ｅ ｄ ｆ ｓｏ ｄ ｌ ａ ｄ ａ ２ Ｄ ｖ ｓ ｏ ｓ ｄ ｍｅ ｔｍａ ｅ ｔ ａ ｄ ｅ ． Ｒｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ａ ｅ ｓ ｔ ｉ ｒ ｕ ｅ ｏ ｎ — ｕ ｃ ｉ ｕ ｉｎ ｍｏ ｅ － ｉｃ — ｅ ｉ ｎ ｔ ｍａｉ ｌ ｍｏ １ ｔ ｉ ｓ ｆ ｎ ｈ ｃ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ｔｔ ｉ ｓ ｈ ｈ ｌ ｍａ ｎ ｙ ｄ ｐ ｓｔ ｉ ｍａ ｌ ｓ ｏ ｅ ａ ｏ ｎ ｅ ｄ ｍｐ ｎ ｏ ｎ ｄ ｔ ｅ ｈ ａ ｙ ｄ ｐ ｓｔ ｎ ｉ ｎ ｔ ｃ ｒｅ ｐ ｎ ｉ ｇ ｔ ｅ ｉ ｌ ｅ ｏ ｉ ｎ ａ ｓ ｌ ｃ ｐ ｒ ｕ ｄ ｔ ｕ ｉ ｇ ｐ ｉ ｔ ａ ｅ ｖ ｅ ｉ ｏ ｓ ｏ ｏ ｒ ｓ ｄ ｎ ｏ ｔ ｓ ｈ ｎ ｈ ｏ ｉ ｏ ｈ ｄ ｍｐ ｎ ｏｎ ｅ ａ ｓ ｆｔ ｅ ｉ ｆ ｅ ｃ ｓ ｏ ｄ ｕ ｅ ｔ ｕ ｉ ｇ ｐ ｉｔｂ ｃ ｕ ｅ ｏ ｎ ｕ ｎ ｅ ｆｔ ａ ｃ ｒ ｎ ． ｈ ｌ ｉｌ
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水 利 水 运 工 程 学 报
２０ ０ ３年 ３月
流 扩散 方 程里 的附加 源 项 ， 通过 将 一 次抛 泥 总量 平均 或 加权 分 配 到抛 泥 区域 的各个 计算 网格 ， 以确定 抛 泥 引
起 的源项强度 ． 这时 ， 往往需要假设抛泥人水后形成悬移质泥沙和沉降到底泥沙各 占的比例． 实际上 ， 这一比
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第 １ 期 ２０ ０ ３年 ３月
水
利
水
运
工
程
学
报
Ｎ ． ｏ １
Ｍ ａ ． ２０ ｒ ｏ３
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河 口抛 泥 数 学 模 型 及 应 用
陈祖 华 ，王 光谦 ，王 志 石
（ ．清华大学 水利水 电工 程系 ，北京 １ １０ ８ ；２ ０ ０ 采用分布点源扩散模型结合平面二维粘性泥沙数学模型建立了模拟河 口区开放水域抛泥输移的新方
法 ， 对澳 门水域 疏浚抛泥 的迁移过程进 行 了数值计 算． 算结 果表 明 ， 潮汐 水流 的影响 ， 并 计 受 淤积 主要 在抛泥 点 附近较 小范 围内 ， 淤积量最 大点不在抛 泥点．
例 受 到具 体 的受 纳 环境 水 流条 件 的影 响 ， 动 态 变 化 的 ． 的文 献 中 给 出 的悬 沙 比例 占抛 泥量 的 １％ ［ 是 有 ０ １ ，
有 的则按 ５ ％ ０ 考虑． 这种较大 的人为因素定将影响结果的合理性． 为了估计抛泥后在抛泥附近区域 内泥沙浓度场的变化及初期沉积量的分布 ， 本文将抛泥人水后 产生一 定体积的高浓度水沙混合物视作瞬时分布源引人平面二维模 型计算 中． 了便于数值计算 瞬时分 布源的扩 为
沙在 ， Ｙ向的混合扩散系数 （ 紊动扩散系数加离散系数） ５ 为抛泥引起的附加源项 ； 面冲淤源项 Ｓ ＝ ；。 床 ｃ Ｅ— Ｄ， 中 ， 其 冲刷通 量 ］
Ｅ ＝ ｍａ （ 一１ ｘ ０， ）
７ｏ ｅ
为冲刷率常数 ， 为床面切应力 ， 为临界冲刷切应力． 型参数 丁 模 料率定． 沉降通量
速可 按 如 下根 据试 验 建立 的 经验 公式 计 算 ： 叫
＝
Ｋｌ ｌ ＣＮ
其 中 ： 为经 验 常数 ， ＝（ ２ ， 均 可取 为 ４３ 。 Ｎ。 １～ ）平 ／．
当悬沙浓度很高（ Ｃ＞Ｃ ） ， 时 处于阻碍沉降阶段 ， 这时的沉速随泥沙浓度增大而变小．
＝
Ｋ －１一 （ ｌ ［ Ｃ—Ｃ ） ｃ ］
收稿 日期 ： ０ ２— ６—１ ２０ ０ １
基 金项 目：国家 自然科 学基金资 助项 目（９ ７ ０ ５ ４ ９６ ２ ） 作者 简介 ：陈祖华 （ ９ ４一） 男 ， １７ ， 贵州毕节人 ， 博士 ， 主要 从事河 口海岸 泥沙数学模型研究 ．
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实验室资料率定后 ， 使模型能较成功地模拟实测泥沙浓度过程 ， 但在参数取值或模拟计算式等方面往往是因 地 而异 ， 因而 应用 在 工程 上 具有 较 大 的局 限性 ．
为 了模拟 疏 浚抛 泥 在水 体 中的远 区输 移 ， 本 文 建 立 的模 型 中 ， 要 考 虑 悬 移 质 在 水 体 中 的对 流 扩 散 在 主
土水抛后 ， 一部分泥沙会沉积在抛泥点附近， 其余泥沙将在抛泥点 的局部区域形成高浓 度含沙水体 ， 随潮 并 汐水流运动． 因此 ， 研究疏浚土水抛以后在水体 中的输移 ， 可分析其对生态环境 的影响． 疏浚土进入水体后 的初期运动 比较复杂． 目前 ， 对抛泥初始 阶段的泥沙运动机理 的研究 尚不充分． 根据 现场调查发现 ， 疏浚土水抛后 ， 大部分泥沙将快速沉积在抛泥点附近的水底 ， 另一部分则随潮汐水 流对 流扩 散输 移 ， 随着 泥沙 浓度 的降低 ， 在水 中 的运 动逐 渐接 近 于 一般 水 流 中泥 沙 的对 流扩 散 运 动． 果不 特 别 关 其 如 心 抛泥 近 区 的运 动 ， 只要 对初 始 阶段 抛 泥 的运 动 作 合 理 的概 化 ， 然 可 以采 用 常 用 的平 面二 维 泥 沙数 学 模 仍 型， 对抛 泥 后期 疏 浚土 随 潮 流迁 移扩 散 趋 势作 出一 定程 度 的预 测 ， 以评 价 抛 泥对 工 程 水 域 的 影 响． 现采 用 瞬 时 分布 点 源扩 散模 型 建立 的抛 泥远 区数 值 模拟 方 法 ， 以在 澳 门水 域抛 泥 为例 ， 抛 泥 引起 的泥 沙迁 移 作数 并 对 值模 拟 分 析 ．
Ｋｅ ｒ ｓ ｕ ｅ ｉ ；ｄ ｆ ｓｏ ｙ ｗｏ ｄ ：ｄ ｍｐ ｄ ｓ ｔ ｉ ｕ ｉ ｎ；ｍａ ｅ ｔ ａ ｄ ｅ ；Ｍａ ａ ｔ ｒｂ ｄ ｌ ｈ ｔ ｍａ ｉ ｌ ｍｏ ｌ ｃ ｃ ｏ ｗａｅ ｏ ｙ
港 池 和航 道 的开 挖 、 护疏 浚均 需 涉及 到对 疏 浚 泥土 的处 理 ， 见 的 处理 方 法 有 陆抛 和水 抛 两 种 ． 浚 维 常 疏
散 ， 其 离散 为一 系列 的微元 体 ， 每 个微 元 体 中泥 沙 的 扩散 分 布 ， 采 用 一 个 瞬 时 点 源 引起 的浓 度 分 布 来 将 对 可
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词： 抛泥 ； 扩散 ； 数学模型； 澳门水域
中 图分类 号 ： ６ ６ ２ Ｕ １．６
文 献标 识码 ： Ａ
文章 编 号 ： ０９— ４Ｘ（ｔ ｝１ ０ ４ （ １０ ６０ ２ ０ — ｏ４一１ ￣ ５
Ｍ ａ ｈ ｍ ａ ｉａ ｏ ｌｆ ｒ ｔ ｅ ｍ ｏ ｅ ｅ ｔｏ ｍ ｐ ｄ ｓｌ ｎ ｅ ｔ ａｒ ｔｅ ｔｃ ｌｍ ｄｅ ｏ ｈ ｖ ｍ ｎ ｆｄｕ ｅ ｉ ｉ ｓｕ ｙ ｔ ａ ｔ ｐｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｎｄ ｉｓａ ｌｃ ｔｏ