Delft3D在鳌江口外平阳咀海域流场模拟中的应用

第６期摘要：Ｄｅｌｆｔ３Ｄ是以ＦＬＯＷ水动力模块为主体，建立在Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程的基础上，由一系列模块组成的模型软件，可

以对水流、波浪、泥沙、水质、地貌等建立二、三维模型。本文介绍了Ｄｅｌｆｔ３Ｄ数值模拟软件的程序模块及数值理论基本方程，对鳌江口外平阳咀海域的流场进行了模拟研究。研究表明：计算结果与实测结果吻合较好，能够较好地反映该海区真实的流场情况，可以为工程研究提供基本的流场背景。关键词：数值模拟；Ｄｅｌｆｔ３Ｄ；河口海岸工程；应用中图分类号：Ｐ３３８＋．９

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００－０８５２（２００７）０６－００５５－０４

Ｄｅｌｆｔ３Ｄ在鳌江口外平阳咀海域流场模拟中的应用

左书华

（交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津３００４５６）

水文ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＨＩＮＡＨＹＤＲＯＬＯＧＹ

第２７卷第６期２００７年１２月

Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．６Ｄｅｃ．，２００７

随着计算机技术的发展，数值模拟技术也得到空前的发展，数值模拟是综合流体力学、计算机数学以及各种生产应用技术而发展成长起来的一门科学。它具有耗资省、速度快、修改灵便等优点，其应用的领域已日益广泛，在研究河口及河口工程的可行性方面也越来越普遍，并被工程界所认可和采纳。目前国际上应用较多的河口海洋数值模拟软件有美国普林斯顿大学的

ＰＯＭ、ＥＣＯＭ模式，丹麦水力学研究所的ＭＩＫＥ２１软件，荷兰ＤＥＬＦＴ水力学研究所的Ｄｅｌｆｔ３Ｄ软件，还有美国Ｂｒｉｇｈａｍ大学环

境模型研究实验室开发的ＳＭＳ软件等等。

Ｄｅｌｆｔ３Ｄ软件是由荷兰ＤＥＬＦＴ水力学研究所开发的，集水

流、泥沙、环境于一体的程序软件包，既可以进行二维计算，也可以进行三维计算，可以进行潮流泥沙输移计算、台风风暴潮计算、温排水计算、水质计算、溢油扩散、质点跟踪模拟等。

１Ｄｅｌｆｔ３Ｄ包含的程序模块

Ｄｅｌｆｔ３Ｄ软件是由一系列模块组成，具有高度的可视化性，

每个模块都有自己单独的可视化界面，图１为Ｄｅｌｆｔ３Ｄ３．２６主菜单界面。Ｄｅｌｆｔ３Ｄ主要包括：水动力模块ＦＬＯＷ、波浪模块ＷＡＶＥ、

水质模块ＷＡＱ、泥沙输移模块ＳＥＤ、地形模块ＭＯＲ、质点跟踪模块ＰＡＲＴ、生态模块ＥＣＯ、化学模块ＣＨＥＭ、工具模块

Ｕｔｉｌｉｔｉｅｓ，其中在３．２６版本里ＳＥＤ、ＭＯＲ模块包含在水动力模块

ＦＬＯＷ里，化学模块ＣＨＥＭ、

生态模块ＥＣＯ包含在ＷＡＱ里。（１）水动力模块ＦＬＯＷ。Ｆｌｏｗ模块是一个三维的水动力和输运模块，也可以进行二维计算，在此模块里，给定开边界条件、初始条件以及有关的参数，如水位、流速、流量和糙率等，关于泥沙和地形的计算也包含在此模块里。与此模块相关联的模块有

ＷＡＱ、ＷＡＶＥ、ＰＡＲＴ。

（２）波浪模块ＷＡＶＥ。此模块主要是用来研究一定水流、

地形条件下，波浪的产生、

传播、非线性波浪之间的折射以及由于波浪破碎和底摩擦引起的耗散。此模块里主要包含着两个模型，ＨＩＳＷＡ波浪模型和ＳＷＡＮ波浪模型，ＳＷＡＮ模型可以研究宽阔海域中的波浪，而ＨＩＳＷＡ模型主要研究近岸波浪，其中

ＨＩＳＷＡ模型是Ｄｅｌｆｔ３Ｄ提供的标准波浪模块，不过ＳＷＡＮ模型

也是可以用的。

（３）质点跟踪模块ＰＡＲＴ。它能通过及时的质点跟踪评估一个动态的浓度分布过程，用浓度等值线的形式来详细描述盐度、油、温度或其他极易衰减物质的瞬间或连续释放过程。主要应用在近岸污水排放、海上溢油扩散、河口赤潮的发生、以及电厂的热力排放等方面。

（４）水质模块ＷＡＱ。

它是一个三维的水质模拟框架，它能解决预先确定好的计算网格里的水平对流扩散问题，它的水流信息来自Ｆｌｏｗ模块。它可以用来模拟营养盐、有机物质、溶解氧、ＢＯＤ、ＣＯＤ、

重金属等问题。收稿日期：２００７－０３－２７

作者简介：左书华（１９７９－），男，河北邯郸人，硕士，主要从事河口海岸泥沙及海岸工程研究。

图１

Ｄｅｌｆｔ３Ｄ３．２６主菜单界面

第２７卷

水文!"!ｔ＋

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（６）

另外，软件还包含着一些前期、后期处理的程序，如网络生产、处理程序ＲＧＦＧＲＩＤ和ＱＵＩＣＫＩＮ；后期图像显示与处理程序

ＧＰＰ和ＱＵＩＣＫＰＬＯＴ；潮汐调和分析程序ＴＩＤＥ。２Ｄｅｌｆｔ３Ｄ软件数值模型理论基础［１］

Ｄｅｌｆｔ３Ｄ是以Ｆｌｏｗ水动力模块为主体的多模块模型，水动

力模块建立在Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程的基础上，求解基于有限差分法—ＡＤＩ（ＡｌｔｅｒｎａｔｉｎｇＤｉｒｅｃｔｉｏｎＩｍｐｌｉｃｉｔ）法［２］。

ＡＤＩ法实质上是把时间步长Δｔ分成２个半步长，前半步在

ξ

方向用隐格式，η方向用显格式，后半步在η方向用隐格式，在ξ

方向用显格式，这样可以把较大的系数矩阵化为２个三角形系数矩阵，可用“追赶法”

求解。Ｄｅｌｆｔ３Ｄ基本方程是建立在正交曲线坐标上（ξ，η），在垂直方向上采用&坐标，表示如下：

&＝ｚ－"ｄ＋"＝ｚ－"

Ｈ

（１）

式中：ｚ为在垂直方向的坐标，在模型参照平面上取为０，往下到底部为ｄ；ｄ为相对模型参照平面的水深；"为相对于模型参照平面的水位；Ｈ为全水深，Ｈ＝ｄ＋"。

２．１连续方程

沿水深积分平均的二维潮流连续性方程：

式中：Ｑ为每个单元上的源项；Ｇξξ!＝ＲＣＯＳ)，Ｇ$$!＝Ｒ；*为

纬度；Ｒ为地球半径。

２．２动量方程

ξ

，$方向的动量方程为：垂向速度%在&坐标系中由下式计算得出：

２．３

物质传输方程

传输方程在平面上采用正交曲线坐标系，垂向上采用&坐

标系，方程如下：

式中：Ｇξξ!、Ｇ$$!为曲线坐标系至直角坐标系的转换系数；Ｕ、Ｖ分别为ξ、$方向的平均流速；ｕ、ｖ和%分别为ξ、$和&方向的流速；ｆ为科氏力系数；Ｐξ和Ｐ$是ξ、$方向压强梯度；Ｆξ和

Ｆ$是ξ

、$方向的紊动动量通量；Ｍξ和Ｍ$分别是ξ、$方向上动量的源或汇；ｃ为保守物质浓度；Ｓ为源汇项，’ｄ为第一项衰减。

３Ｄｅｌｆｔ３Ｄ在鳌江口外平阳咀海域流场模拟中的应用

在河口海岸工程的研究中，数学模型已经成为重要的研究

手段，逐步替代了过去必须是物理模型试验才能解决的问题，而且应用范围越来越广，几乎涉及河口海岸工程的所有分支。

Ｄｅｌｆｔ３Ｄ数值模拟软件在河口海岸工程中的应用也越来越广，储

鏖［３］利用Ｄｅｌｆｔ３Ｄ以长江口地区为例建立了台风风暴潮、天文潮耦合数值预报模型，对台风风暴潮、天文潮两潮耦合预报模式进行探研和分析；刘成等［４］利用Ｄｅｌｆｔ３Ｄ对长江口水动力条件，上海市现有及拟建排放口污水排放的稀释扩散场进行了模拟；栗苏文等

［５］

在污染源调查和污染负荷估算的基础上，利用

Ｄｅｌｆｔ３Ｄ对大鹏湾现状和未来条件下的水质进行了数值模拟，并

采用模型试算法估算出大鹏湾的水环境容量；黄坚等［６］

应用

Ｄｅｌｆｔ３Ｄ通过数值模拟深水航道工程及横沙东滩促淤工程对长江口流场的影响进行研究。

３．１二维潮流数学模型的建立３．１．１

边界条件

模型计算区域及网格如图２、

图３。最大网格间距５００ｍ，最小网格间距８０ｍ，南、东、北三侧为开边界，有潮位过程控制，潮位由中国海域潮汐模型［７］计算给出；由于鳌江口流量较小，给一多年平均流量值６５ｍ３／ｓ。

３．１．２初始条件和参数选取

初始条件为上节方程初始时刻的潮位和流速，计算时取流

速为０；初始潮位取各边界的平均值。根据海域水深不同，海底糙率取０．０１８～０．０２２。水平涡粘系数和扩散系数均取１００ｍ２／ｓ。

３．１．３模型建立过程

本文应用Ｄｅｌｆｔ３Ｄ对鳌江口外平阳咀水域进行了二维潮流

数值模拟，过程主要包括：①根据陆地边界在ＲＧＦＧＲＩＤ里生产网格文件；②根据实际需要在ＱＵＩＣＫＩＮ里对网格文件进行处理，如水深文件的生产、糙率的设定、观测点的设置等；③然后

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（３）

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（２）

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