[发明专利]一种环抱式港区水体交换通道的设计方法

摘要

一种环抱式港区水体交换通道的设计方法，包括如下步骤在已建立并验证的二维潮流数学模型基础上，增加对流扩散模块，计算物质的传输过程；计算对流扩散模型对港区的水体交换效果进行评价分析；分析决定环抱式港区水体交换能力的关键因素及水体交换通道的选用原则；建设单通道和多通道的港区水体交换效果研究；形成环抱式港区水体交换通道的设计方法。本发明通过模拟建设不同工程方案的环抱式港区，分析它们的水体交换效果，揭示决定环抱式港区水体交换能力的关键因素及水体交换通道的选用原则；研究港区建设单通道和多通道的水体交换效果。

主权项

一种环抱式港区水体交换通道的设计方法，其特征是包括如下具体步骤：步骤一，建立平面二维对流扩散数学模型：在已建立并验证的平面二维潮流数学模型的基础上，增加平面二维对流扩散数学模块，利用平面二维潮流数学模型的水动力结果计算物质的传输过程；在进行平面二维潮流数值计算时，平面二维潮流数学模型的开边界由东中国海潮波数学模型提供，平面二维潮流数学模型的闭边界据不可入原理取法向流速为0，同时采用干湿判别方法进行动边界处理，利用实测的水文资料对平面二维潮流数学模型的参数进行率定，验证达到精度要求后，再进行平面二维潮流数值模拟，平面二维潮流数学模型的控制方程式有：式(1)水流连续方程及式(2)和式(3)水流运动方程，如下：∂h∂t+∂hu‾∂x+∂hv‾∂y=0---(1)]]>∂hu‾∂t+∂hu‾2∂x+∂hvu‾∂y=fv‾h-gh∂η∂x-τbxρ0+∂∂x(hTxx)+∂∂y(hTxy)---(2)]]>∂hv‾∂t+∂hv‾2∂y+∂huv‾∂x=-fu‾h-gh∂η∂y-τbyρ0+∂∂y(hTyy)+∂∂x(hTxy)---(3)]]>其中，x、y为笛卡尔坐标；t为时间变量；η为水位；h代表总水深，且有h＝d+η，d为静水深；为x、y方向深度平均速度；τbx、τby为x、y方向底部应力；ρ0为水的密度；f为科氏力系数，且g为当地重力加速度；Txx、Tyy、Txy为水平粘滞应力项；在验证符合要求的平面二维潮流数学模型的基础上，添加平面二维对流扩散数学模块，建立平面二维对流扩散数学模型，平面二维对流扩散方程见式(4)和式(5)：∂hC‾∂t+∂hu‾C‾∂x+∂hv‾C‾∂y=hFC---(4)]]>FC=[∂∂x(Dh∂∂x)+∂∂y(Dh∂∂y)]C---(5)]]>其中，—垂线平均标量；FC—水平扩散项；Dh—水平扩散系数；利用平面二维潮流数学模型的水动力结果计算物质传输过程；平面二维对流扩散数学模型中的浓度开边界规定为入流时水体浓度为0，出流时忽略扩散项；步骤二，计算平面二维对流扩散数学模型，对港区的水体交换效果进行评价分析：平面二维对流扩散数学模型的计算前提假定水体浓度为均匀分布，并给定初始港区内污染物浓度为G0＝1，港区外水体浓度为G1＝0；在潮流作用下，港区内外水体产生交换，通过交换，港区内水体不断更新，浓度逐渐减小，港区内平均浓度变为：0＜G＜1，当港区内的平均浓度降低到0.5时所用的时间即为水体的半交换周期；以水体半交换周期作为评价指标，半交换周期短，表明水体交换能力强；半交换周期长，则表明水体交换能力弱；步骤三，工程方案计算，分析决定环抱式港区水体交换能力的关键因素及水体交换通道的选用原则：在上述建立的平面二维对流扩散数学模型的基础上，在港区水体交换效果较差的水域设置水体交换通道，建设成单通道港区和多通道港区，通道断面为矩形，由于不同的断面尺度对港区的水体交换效果会产生一定的影响，按照不同宽度和底面高程设计工程方案，分别进行平面二维潮流运动及平面二维对流扩散运动的模拟；对各方案的模型计算结果进行处理和对比分析，得出决定环抱式港区水体交换能力的关键因素及水体交换通道的选用原则；步骤四，建设单通道和多通道的港区水体交换效果研究，分析环抱式港区水体交换通道的布设方法及注意事项：以港区水体交换通道的断面尺寸完全相同的工程方案为基础，改变多通道港区的通道设置方案，使其成为单通道港区，并进行平面二维潮流运动及平面二维对流扩散运动的模拟计算，分别与工程方案时的两港区水体交换效果对比，得出环抱式港区水体交换通道的布设方法及注意事项；步骤五，形成环抱式港区水体交换通道的设计方法：水体交换通道选用进潮占优的通道，且通道设置在潮波传播方向的上游端，以增加通道与口门之间潮位过程线的相位差，提高进潮量和水质改善能力；另外建设多通道的环抱式港区，避免出现其邻近港区分别为进潮占优和出潮占优通道的情况。