河口环流和盐水入侵I——模式及控制数值试验

本应用ECOM模式，设计1个控制试验，研究理想河口环流和盐水入侵的动力过程。数值计算结果表明，盐水入侵产生盐度锋面，在锋面处底层存在着向陆的密度流，为保持断面上质量连续，上层的流速趋于增大；近口门附近底层流有偏南分量，表明有横向环流存在。在口门外因斜压和底形的作用，产生明显的上升流。盐水入侵在空间上具有不对称性，高盐水位于北岸的下层。在拦门沙上游出现上下2个相反方向的横向环流，而在口门外只出现1个顺时针方向的横向环流。从动力机制上分析了盐水入侵的空间不对称性和横向环流的产生。     

河口环流和盐水入侵Ⅱ-径流量和海平面上升的影响

本文利用本序列上篇论文建立的理想河口数值模式，研究径流量和海平面上升对河口环流和盐水入侵的影响。在径流量增大的情况下，口门内表层向海的流速增大，底层向陆的密度流减弱，滞流点下移。口门外侧向口门的密度流增大，上升流趋于增强。口门内盐水入侵减弱，口外盐度减小、冲淡水扩展范围增大。在口门上游北岸底层盐度下降明显，口门处南岸表层盐度下降明显。径流量变化对盐水入侵影响十分巨大。在海平面上升的情况下，拦门沙区域向陆的密度流增强，滞流点上移，表层向海的流动增大。口门内盐水入侵增强，口外盐度增大，冲淡水扩展范围减小。海平面上升对盐水入侵影响十分明显，北岸底层盐度增大尤为特出。     

河口形状对最大浑浊带形成的影响

利用改进的ECOM模式和耦合进的悬沙输运模式,通过设计一个平直和喇叭形理想河口,研究河口形状对最大浑浊带的影响.在滞流点处存在着最大浑浊带, 中心位于南岸, 从动力机制上揭示了最大浑浊带形成的原因.与平直河口相比,喇叭形河口因口门内河口变宽,使得表层向海的流辐散而流速减小,从而造成喇叭形河口段盐水入侵加剧,进而造成底层向陆的密度流及其向西流动的距离增加,盐水在平直河道内向西入侵的距离增加.喇叭形河口悬沙浓度减少,但存在着两个最大浑浊带.一个在平直河道段,因滞流点上移,而相应向上游移动,另一个在喇叭形河口段南岸,主要是由挾带悬沙的径流受科氏力的作用向南岸偏转以及底层横向环流向南岸输送高浓度悬沙造成的.河口形状对河口环流、盐水入侵和最大浑浊带的影响明显.     

长江河口水位上升对流场和盐水入侵的影响

基于长江河口水动力和盐水入侵三维数值模式ECOM-si,通过数值模拟分析长江河口水位上升对径流、潮流和风生流的影响,以及在多种动力因子综合作用下对流场和盐水入侵的影响.数值实验结果表明,在长江河口水位上升30 cm的情况下,各河道横截面面积增大,向海的径流流速减小;潮流随水深增深略微增大;枯季北风作用产生的北港进、南港出的水平风生环流加强,在北支向陆的风生流有所加强.水位上升后,北支盐水入侵增强;南支中段盐度变化不明显;北港、北槽盐水入侵随水位增加变化最为显著,小潮期间盐度增大值大于1,大潮期间增幅有所降低,北港北汊受水深增加盐水入侵变化最为强烈;南槽口门处滩地由于水位增加,非线性效应减弱,盐度不同程度的降低.水位上升后南支水源地三个水库取水口盐度均有所上升,减少了可取水时间,不利于供水安全.     

冬季陆架环流对长江河口盐水入侵的影响

应用改进的三维ECOM模式,研究冬季陆架环流对长江河口盐水入侵的影响。模式计算结果较好地再现了台湾暖流、苏北沿岸流、长江入海径流和长江河口盐水入侵的基本特征。在不考虑台湾暖流情况下,沿岸向南的苏北沿岸流向南扩展,使长江口门处盐度增大,整个河口盐水入侵加剧。在不考虑苏北沿岸流情况下,台湾暖流由于北上的阻力减弱,北上加深,使长江冲淡水的扩展方向整体向北偏转,苏北沿岸和北支口盐度明显减小,北支盐水入侵和倒灌减弱,而北港、北槽和南槽盐水入侵加强。在不考虑台湾暖流和苏北沿岸流情况下,长江入海径流向北偏转,大量长江入海冲淡水向北输运,导致北支口和苏北沿岸盐度显著下降,北支盐水入侵明显减弱。入海向北冲淡水输运的增加,导致相应的向南冲淡水输运的减小,北港、北槽和南槽口门处盐度上升,北港、北槽和南槽盐水入侵加强。长江口外陆架环流对盐水入侵和口外盐度分布起着重要的作用,是一个不能忽略的动力因子。     

长江河口盐水入侵影响因子分析

本文根据大量实测资料,研究了径流,潮汐,地形等几个重要因子对长江口盐水入侵的影响,并对长江口盐度变化的一些特殊现象作了初步解释,还探讨了北支盐水倒灌的基本规律及其对南支盐度变化的重要意义。     

三维理想河口盐水入侵对径潮驱动变化的响应

为探究在人类活动与气候条件改变的影响下,径潮动力以及水深的改变对河口区域盐水入侵的影响,建立了三维理想河口盐水入侵数值模型,分析了纵向环流及盐度的垂向与横向沿程分布,研究了垂向与横向剪切作用以及潮泵效应引起的纵向盐输运对盐水入侵的影响以及盐分输运过程对径潮动力与水深变化的响应。结果表明:盐水上溯程度对流量与潮振幅的变化有明显响应,流量增大与潮振幅增大对盐水入侵均有抑制作用;在较浅的河口,潮驱动增大在河口上下游引起相反的潮平均盐度变化趋势,这与横向、纵向剪切与潮泵效应分别引起的纵向盐输运对径潮水深条件的响应相关。     

长江河口北支建闸对减轻盐水入侵的数值模拟

枯季长江河口盐水入侵的最大特色是北支盐水倒灌,它是南支东风西沙、太仓和陈行水库盐水的唯一来源,也是青草沙水库盐水的主要来源.考虑潮汐和气候态1月和2月的径流量与风况,采用已严格验证过的长江河口盐水入侵三维数值模式,模拟和分析北支上段建闸前后盐水入侵的变化.模拟结果表明:在北支上段建闸后,整个南支全为淡水,北支盐水倒灌南支的现象消失,北支上段盐度明显下降;在东风西沙、太仓和陈行水库取水口盐度接近0;在青草沙水库取水口盐度大幅下降,几乎所有时间盐度都低于0.45,全为淡水.数值试验中,闸门的运行方式采用两种方案:全天落潮流期间开闸、夜里涨潮流期间关闸、白天涨潮流期间开闸,以及全天落潮流期间开闸、夜里和白天涨潮流期间关闸.两者的试验结果中南支盐度变化几乎一致,原因在于前者的运行方式已经使得北支上段盐水入侵大幅减弱,出现盐度接近0.45的淡水区域;即使白天涨潮流期间开闸,其间进入南支的也是淡水,并且增加了南支向海的总余流.从数值模拟的结果和闸门运行的成本考虑,推荐前者的北支建闸运行方案.北支建闸极大地提高了上海东风西沙、陈行和青草沙水库取水时间,同样极大地提高了江苏太仓水库的取水时间,保障了两地的供水安全.     

河口盐水入侵垂向二维数值计算

为描述潮汐河口盐水入侵特性而建立了垂向二维数学模型.数值计算格式采用帕坦卡和斯波尔丁提出的控制体积法,并以幂函数格式作为对流扩散项的离散格式.以长江口南槽实测资料作为计算验证,潮流,盐度和潮位的计算结果与实测值相比,吻合良好.由于模型所使用的数学方程组有一定的普遍意义,所以将方程中的盐度改为其它物质浓度,原则上也可应用于悬沙或污染物质输运扩散的垂向二维的数值模拟计算.     

长江河口北支新村沙围垦工程对盐水入侵的影响

长江河口北支新村沙围垦和南水道封堵工程于2012年实施,人为改变了北支河势.本文采用长期应用、改进和验证的长江河口三维盐水入侵数值模式,考虑1月和2月平均径流量和风况,计算和分析北支新村沙围垦工程对北支盐水倒灌以及南支青草沙水库、陈行水库和东风西沙水库取水的影响.在北支新村沙下游,围垦工程导致盐水入侵加强,盐度上升0.05~0.10;在新村沙上游,盐水入侵减弱,盐度下降0.05~1.0.工程导致在大潮后中潮、小潮、小潮后中潮、大潮期间北支上段断面平均倒灌盐通量分别下降百分比分别为7.52%、16.48%、10.17%、6.94%.北支倒灌的减弱,导致南支盐度低于0.45的淡水面积增大.大潮后中潮、小潮、小潮后中潮、大潮期间表层平均盐度在东风西沙水库取水口分别下降了4.52%、10.23%、9.15%、5.81%,连续不宜取水时间由10.1 d减少到9.3 d;陈行水库取水口分别下降了10.59%、13.11%、32.89%、13.95%,连续不宣取水时间由5 d减少到4.4 d;青草沙水库取水口分别下降了10.50%、8.19%、9.17%、11.99%,连续不宜取水时间由6.2 d减少到5.1 d.北支新村沙围垦工程缩窄了过水断面,减弱了北支倒灌,有利于南支水源地淡水资源的利用.     

长江口盐水入侵三维数值模拟

建立了河口区盐水入侵计算的三维数学模型。该模型将整个计算水域通过简单的坐标变换转换成单位方位，三个坐标方向的空间网络均可采用非均匀网格，对变换后的基本方程进行差分离散，水平方向的空间导数采用显式中心差分，垂直方向的空间导数采用隐式中心差分，三角方程用ＴＤＭＡ法求解。水位采用回代计算以提高精度。该模型运用长江口水域的盐水入侵计算，结果表明，算出的含盐度时空分布与实测一致。模型的主要特点是：变换简单、     

磨刀门水道枯季盐水入侵成界运动规律研究

利用磨刀门水道天河以下至挂定角水闸之间8个水厂/水闸的表层盐度数据,通过拉格朗日插值方法并结合Surfer工具作出磨刀门水道近3个月的纵向逐时咸界分布图,给出了0.5‰,2‰,5‰和8‰咸界的逐时变化情况,并对其运动规律进行了初步探讨。特别对0.5‰每日最远咸界进行了分析,结果发现:磨刀门水道盐水入侵咸界运动有半月的周期,同时上半月和下半月又不完全一致,下半月因潮差较大产生2次盐水上溯。盐水在小潮期间向上游推进,在大潮期间向下游推移。每日咸界上溯最远点发生时间要比每日最高潮时延后5h。0.5‰每日最远咸界与潮差的运动关系图表现出在上半月潮差较小呈圈型,而在下半月潮差较大产生2次盐水上溯呈勺型。     

上游大通径流量对长江盐水入侵影响研究

建立二维盐度数值模型,计算区域包括大通至长江口及其邻近海域,设计高分辨率网格,数值模拟和分析在不同大通流量等级下长江口盐水入侵形势,计算出中小潮期间长江口重要水库取水口处盐度均值为0.5‰时对应的临界大通流量。利用模型分析长江口盐度场对上游大通流量的敏感性。本文对临界大通流量的计算研究有助于提高预报长江口盐水入侵模型精度,为长江口水库避咸蓄淡提供参考;盐水入侵对流量的敏感性研究可以为改善盐水入侵情况提供技术指导。     

不同潮型和风况下青草沙水库取水口盐水入侵来源

本文应用2013年12月和2014年2月青草沙水库取水口实测盐度和数值模式计算的流速流向,分析水库取水口盐水入侵的来源.2013年12月枯季在一般径流量和风况的情况下,大潮、大潮后中潮和小潮前期水库取水口盐水来源于上游的北支倒灌,小潮中后期、小潮后中潮盐水入侵来源于北港下游外海的盐水入侵.观测资料发现2014年2月长江河口盐水入侵是近几十年来发生过的最严重盐水入侵事件,导致青草沙不宜取水的时间达到23 d,对上海的安全供水造成了严重威胁.2014年2月枯季在一般径流量和持续偏北大风15 d情况下,所有4个潮型中青草沙水库取水口盐水均来自北港外海的正面入侵.     

新型电磁制动下漏斗形结晶器流场的数值模拟

针对薄板坯漏斗形结晶器宽侧壁形状的不规则性,设计了新型全幅一段电磁制动装置.通过改变其在竖直方向的位置高度和磁通势(电流和匝数乘积)的大小,采用数值模拟的方法分析了电磁制动作用下钢液流场分布.结果显示,两种参数的改变对磁场分布趋势的影响不大,结晶器内的磁场分布不均匀,最大磁感应强度的区域位于磁场中心位置略向下靠近结晶器窄壁处.通过与未施加电磁力的结果比较,电磁制动的位置高度在250~300 mm,磁通势为8 000 A或以上时,结晶器内的钢液流股被抑制,流场情况得到显著改善.     

基于偏最小二乘回归与支持向量机耦合的咸潮预报模型

利用偏最小二乘回归对影响咸潮的因素进行分析,提取出对因变量影响强的成分,从而克服了变量之间的多重相关性问题;同时利用支持向量机在解决小样本非线性问题上的优势,采用将偏最小二乘回归与支持向量机耦合的方法,建立了咸潮预报模型(PLS-SVM),并应用该模型对珠海市平岗站盐度的变化进行了模拟和预测,研究结果表明,所提出的PLS-SVM模型模拟和预测精度明显优于常用的BP人工神经网络、多元回归模型,可更好地应用于咸潮预报。     

循环圆对液力缓速器制动转矩的影响分析

基于CFD软件平台,采用RNGκ-ε湍流模型对不同循环圆形状液力缓速器的内流道进行数值模拟.结果发现:循环圆形状为圆形时,液力缓速器内流场定子与转子间的静压力值、压力差、相对速度最大,液力缓速器产生的制动转矩也最大.