一種環(huán)抱式港區(qū)水體交換通道的設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種環(huán)抱式港區(qū)水體交換通道的設計方法，屬于港口航道工程技術領 域。
【背景技術】
[0002] 近年來隨著我國港口經(jīng)濟的快速發(fā)展，深水岸線資源日益短缺。建設環(huán)抱式港區(qū) 可以有效增加岸線資源，同時還能防浪擋沙，改善泊穩(wěn)條件。然而，環(huán)抱式港區(qū)存在水體交 換能力弱的特點，水體交換通道是改善環(huán)抱式港區(qū)水體交換能力的有效方法。
[0003] 目前，對采用水體交換通道改善環(huán)抱式港區(qū)水體交換能力的研究主要是關于對流 擴散模型的數(shù)值方法在實際海域應用的研究和對水體交換通道的工程改善措施的探討。何 杰等人在《水利學報》增刊2007年10月發(fā)表的"挖入式港池水體交換能力研究"一文中提 出，以廣州港南沙港區(qū)挖入式港池為例，通過潮流運動的數(shù)值模擬和河涌斷面潮量的計算， 探討連通河涌的位置和開通方式，可有效地起到港池與外界水體交換的作用，但該方法還 存在如下明顯不足：一是對水體交換能力機理認識尚不清晰，所述工程措施方案缺乏理論 依據(jù)；二是未對水體交換通道的斷面尺寸進行研究，沒有給出具體的工程措施的設計參數(shù)。 張瑋等人在《水運工程》2013年04期發(fā)表的"環(huán)抱式港池水體交換與改善措施研究"一文 中提出，以規(guī)劃中的連云港徐圩港區(qū)為例，利用對流擴散模型方法，模擬計算潮流作用下環(huán) 抱式港池水體半交換周期，以探討改善港池水質的工程措施及其效果，但該方法同樣存在 如下明顯不足：一是未對港區(qū)水體交換的機理進行研究；二是未具體給出工程措施的設計 參數(shù)。因此，如何克服現(xiàn)有技術的不足已成為當今港口航道工程技術領域中亟待解決的重 點難題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述存在的問題，本發(fā)明公開了一種環(huán)抱式港區(qū)水體交換通道的設計方 法，具體的技術方案如下：
[0005] -種環(huán)抱式港區(qū)水體交換通道的設計方法，包括如下具體步驟：
[0006] 步驟一，建立平面二維對流擴散數(shù)學模型：在已建立并驗證的二維潮流數(shù)學模型 的基礎上，增加對流擴散模塊，利用潮流模型的水動力結果計算物質的傳輸過程；在進行潮 流數(shù)值計算時，模型的開邊界由東中國海潮波數(shù)學模型提供，模型的閉邊界據(jù)不可入原理 取法向流速為0,同時采用干濕判別方法進行動邊界處理，利用實測的水文資料對模型的參 數(shù)進行率定，驗證達到精度要求后，再進行潮流數(shù)值模擬，平面二維潮流數(shù)學模型的控制方 程式有：式（1)水流連續(xù)方程及式（2)和式（3)水流運動方程，如下：
【主權項】
1. 一種環(huán)抱式港區(qū)水體交換通道的設計方法，其特征是包括如下具體步驟： 步驟一，建立平面二維對流擴散數(shù)學模型：在已建立并驗證的二維潮流數(shù)學模型的基 礎上，增加對流擴散模塊，利用潮流模型的水動力結果計算物質的傳輸過程；在進行潮流數(shù) 值計算時，模型的開邊界由東中國海潮波數(shù)學模型提供，模型的閉邊界據(jù)不可入原理取法 向流速為〇,同時采用干濕判別方法進行動邊界處理，利用實測的水文資料對模型的參數(shù)進 行率定，驗證達到精度要求后，再進行潮流數(shù)值模擬，平面二維潮流數(shù)學模型的控制方程式 有：式（1)水流連續(xù)方程及式（2)和式（3)水流運動方程，如下：
y為笛卡爾坐標；t為時間變量；η為水位；h代表總水深，且有h = d+η，d為靜水深；泛、▽ 為X、y方向深度平均速度；T bx、τ by為X、y方向底部應力；P。為水的密度；f為科氏力系 數(shù)，且/ = 2ihinp ; g為當?shù)刂亓铀俣?；Txx、Tyy、Txy為水平粘滯應力項； 在驗證符合要求的平面二維潮流數(shù)學模型的基礎上，添加對流擴散模塊，建立對流擴 散數(shù)學模型，對流擴散方程見式（4)和式（5):
一垂線平均標量；F。一水平擴散項；Dh-水平擴散系數(shù)； 步驟二，計算對流擴散模型，對港區(qū)的水體交換效果進行評價分析：對流擴散數(shù)學模型 的計算前提假定水體濃度為均勻分布，并給定初始港池內(nèi)污染物濃度為Gtl= 1，港池外水體 濃度為G1= 0 ;在潮流作用下，港灣內(nèi)外水體產(chǎn)生交換，通過交換，灣池內(nèi)水體不斷更新，濃 度逐漸減小，灣池內(nèi)平均濃度變?yōu)椋憨枴碐〈l，當灣池內(nèi)的平均濃度降低到0. 5時所用的時間 即為水體的半交換周期；以水體半交換周期作為評價指標，半交換周期短，表明水體交換能 力強；半交換周期長，則表明水體交換能力弱； 步驟三，工程方案計算，分析決定環(huán)抱式港區(qū)水體交換能力的關鍵因素及水體交換通 道的選用原則：在上述建立的對流擴散模型的基礎上，在港池水體交換效果較差的水域設 置水體交換通道，建設成單通道和多通道的港區(qū)，通道斷面為矩形，由于不同的斷面尺度對 港池的水體交換效果會產(chǎn)生一定的影響，按照不同寬度和底面高程設計工程方案，分別進 行潮流運動及對流擴散的模擬；對各方案的模型計算結果進行處理和對比分析，得出決定 環(huán)抱式港區(qū)水體交換能力的關鍵因素及水體交換通道的選用原則； 步驟四，建設單通道和多通道的港區(qū)水體交換效果研究，分析環(huán)抱式港區(qū)水體交換通 道的布設方法及注意事項：以港區(qū)水體交換通道的斷面尺寸完全相同的工程方案為基礎， 改變多通道港區(qū)的通道設置方案，使其成為單通道港區(qū)，并進行潮流運動及對流擴散的模 擬計算，分別與工程方案時的兩港區(qū)水體交換效果對比，得出環(huán)抱式港區(qū)水體交換通道的 布設方法及注意事項； 步驟五，形成環(huán)抱式港區(qū)水體交換通道的設計方法：水體交換通道選用進潮占優(yōu)的通 道，且通道設置在潮波傳播方向的上游端，以增加通道與口門之間潮位過程線的相位差，提 高進潮量和水質改善能力；另外建設多通道的環(huán)抱式港區(qū)，避免出現(xiàn)其鄰近港池分別為進 潮占優(yōu)和出潮占優(yōu)通道的情況。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種環(huán)抱式港區(qū)水體交換通道的設計方法，其特征是所述模 型計算區(qū)域的離散采用無結構三角形網(wǎng)格，工程區(qū)域網(wǎng)格平均尺度40~70m。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種環(huán)抱式港區(qū)水體交換通道的設計方法，其特征是所述陸 邊界根據(jù)不可入原理取法向流速為〇。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種環(huán)抱式港區(qū)水體交換通道的設計方法，其特征是所述在 已驗證的潮流數(shù)學模型的基礎上，添加對流擴散模塊，利用潮流模型的水動力結果計算物 質傳輸過程；對流擴散模型中的濃度開邊界規(guī)定為入流時水體濃度為0,出流時忽略擴散 項。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種環(huán)抱式港區(qū)水體交換通道的設計方法，其特征是所述利 用對流擴散模型對港區(qū)水體濃度進行模擬，計算時間不少于一個月。
【專利摘要】一種環(huán)抱式港區(qū)水體交換通道的設計方法，包括如下步驟：在已建立并驗證的二維潮流數(shù)學模型基礎上，增加對流擴散模塊，計算物質的傳輸過程；計算對流擴散模型對港區(qū)的水體交換效果進行評價分析；分析決定環(huán)抱式港區(qū)水體交換能力的關鍵因素及水體交換通道的選用原則；建設單通道和多通道的港區(qū)水體交換效果研究；形成環(huán)抱式港區(qū)水體交換通道的設計方法。本發(fā)明通過模擬建設不同工程方案的環(huán)抱式港區(qū)，分析它們的水體交換效果，揭示決定環(huán)抱式港區(qū)水體交換能力的關鍵因素及水體交換通道的選用原則；研究港區(qū)建設單通道和多通道的水體交換效果。
【IPC分類】E02B5-04, E02B1-02
【公開號】CN104631377
【申請?zhí)枴緾N201510106842
【發(fā)明人】張瑋, 韓衛(wèi)東, 陳禎, 曹昊, 劉博雅
【申請人】河海大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年3月11日