近岸波浪增水与近岸流的计算方法研究：Ⅱ.数值模式与模拟计算

本文建立了一套计算近岸复杂地形上由二维随机波浪引起的波浪增水与近岸流的数值模式,并在模拟地形上实施了计算实验。结果显示,波浪增水基本发生在破碎线以内,增水强度因地而异,岸边最大增水幅度可达深水有产波高的３１％;波浪增水可导致漫滩过程,以近岸波浪的计算具有较大影响;近岸流以流包形式存在,流速量级与以往观测值相近。     

辐射应力在黄河三角洲近岸波浪和潮汐风暴潮相互作用中的影响

基于考虑辐射应力机制的近岸高分辨率的波浪和潮汐风暴潮相互作用耦合数值模式 ,研究了辐射应力在黄河三角洲胜利油田近岸海域波浪和潮汐风暴潮相互作用过程中对水位的影响 ,并与两个中等强度天气过程引发的实测水位过程进行比较。结果表明 ,考虑辐射应力机制的波浪和潮汐风暴潮相互作用耦合模式模拟的结果与实测更接近 ,特别在极值增水位处吻合很好。对本研究的中等强度天气过程 ,辐射应力可增水 40cm ,在黄河三角洲近岸区有 2 0cm以上最大增水区域 ,这在工程上非常重要。可以预见 ,对引发黄河三角洲沿岸强增水的台风及强寒潮过程 ,辐射应力对增水的影响会更明显。本研究结果表明 ,在实际工程应用中 ,应采用波浪和潮汐风暴潮相互作用耦合数值模式。     

近岸波浪破碎区不规则波浪的数值模拟

基于近岸不规则波浪传播的抛物型缓坡方程和两类波浪破碎能量损耗因子,对近岸波浪破碎区不规则波浪的波高分布进行了数值模拟,并结合实验结果对数值模拟结果进行了验证分析,结果表明采用两类波浪破碎能量损耗因子所模拟的破碎区波高与实测值均吻合良好,波浪破碎能量损耗因子及波浪破碎指标对破碎区波浪波高分布影响较明显。     

波浪作用下渤海湾近岸海域污染物的输移扩散规律

用物理模型实验和数学模型计算相结合的方法,研究了均匀缓坡岸滩上,规则波及不规则波浪作用下形成的沿岸流及其对岸边排放污染物输移扩散的影响。针对渤海湾的地形和主要波浪方向,研究了渤海湾主要排污口附近单纯波浪以及波浪、潮流共同作用下近岸海域内流动速度分布与相应污染物输移扩散规律。结果表明,在渤海湾近岸海域(一定范围内),污染物输移扩散受到波浪作用的影响,表现为平行岸线方向。波浪作用使得远离污染物排放口的滩涂受污染的影响增大。     

近岸过程与海岸侵蚀机制研究进展

首先简单介绍了砂质海岸近岸地形动力过程的时空多尺度特征及其复杂性,海岸系统相互依存的3个方面和近岸带地形动力基本特征;进而从5个方面论述了国内外对砂质海岸侵蚀地形动力过程与机制研究的进展:1)长重力波运动与海岸侵蚀;2)近岸环流、波增水、底流运动与岸滩侵蚀;3)海滩-碎波带地形动力状态与岸滩侵蚀方式;4)波生沿岸流、沿岸输沙与海岸长期变化;5)海岸侵蚀终极平衡形态规律。最后概括了未来需优先探索的地形动力学问题和研究策略。     

近岸岛屿周围波生流的数值模拟

基于非结构网格有限体积法的环流模型,建立了相位平均的波流作用模型。模型中考虑了波浪破碎效应的三维辐射应力和波流作用下的扩散系数。通过模拟试验水池中人工岛和天然岛屿周围的波生流,对岛周围波生流的运动特征进行了分析。当波浪垂直入射到均匀斜坡上的人工岛时,岛周围产生回流和对称的环流,流速沿水深分布稍有差异。在天然岛屿中,入射波浪在近岸形成沿岸流。靠近岸线岛屿周围的沿岸流比离岸较远岛屿周围的流速大。这和辐射应力在浅水区域作用有关,岸线区域波生流特征明显。近岸岛屿周围在波浪辐射应力下产生不同的波浪增水,该波浪增水形成压力梯度进而促进岛屿周围的流态变化。     

近岸波、流作用下结构物附近海岸演变的数值模拟

针对与砂质海岸在波浪作用下的演变有关的波浪、近岸流及输沙问题进行了系统的研究,并对结构物附近海岸演变进行了数值模拟。考虑了波浪折射-绕射及波浪破碎的综合作用,在近岸流场的模拟中用沿水深积分形成的K方程模型确定涡粘系数。计算岸滩地形变化时,综合波浪、近岸流作用的底沙和悬沙输沙率,并考虑波浪对泥沙作用的影响。模型对防波堤和近岸沉船附近地形变化进行了模拟,效果良好。     

结合椭圆型缓坡方程模拟近岸波流场

波浪向近岸传播的过程中,由波浪破碎效应所产生的近岸波流场是近岸海域关键的水动力学因素之一.结合近岸波浪场的椭圆型缓坡方程和近岸波流场数学模型对近岸波浪场及由斜向入射波浪破碎后所形成的近岸波流场进行了数值模拟.计算中考虑到波浪向近岸传播中由于波浪的折射、绕射、反射等效应使局部复杂区域波向不易确定,采用结合椭圆型缓坡方程所给出的波浪辐射应力公式来计算波浪产生的辐射应力,在此基础上耦合椭圆型缓坡方程和近岸波流场数学模型对近岸波流场进行数值模拟,从而使模型综合考虑了波浪的折射、绕射、反射等效应且避免了对波向角的直接求解,可以应用于相对较复杂区域的近岸波流场模拟.     

非结构化网格下近岸波生流数值模拟

波浪破碎产生的近岸流是近岸海域关键的水动力因素之一。基于近岸波浪的椭圆型缓坡方程和二维近岸波生流方程,建立了非结构化网格下近岸波浪破碎形成的近岸流数值模型。数值模型中,在空间上采用有限体积法进行数值离散,在时间上采用欧拉向前格式数值离散。数值计算结果表明,该数值模型可以有效地模拟近岸波浪破碎产生的近岸流。     

浪致近岸水位变化及流场的数值计算

本文探讨了单频波浪入射到具有复杂地形（缓变坡度）的近岸水域所导致的水位变化和近岸流场的数值计算问题。用了联合折射－绕射波浪场模型方程确定波要素，对一个模型海区和一个实际海区进行了实际计算。讨论了考虑和不考虑绕射效应的波浪场对水位变化及近岸流场的影响。数值计算结果表明，计算的水位变化和近岸流场都是（定性）合理的，岸坡水位最大升高达深水入射波高的１１．２％～１５．３％（以上）；考虑和不考虑绕射效应的波浪场对计算的水位变化和近岸流场都有影响，特别是对流速量值影响很大。     

基于Boussinesq方程近岸波浪演变的数值研究

首先对目前描述近岸波浪传播变形的数学模型进行了回顾与总结;对不同数学模型的特点、适用范围和发展情况进行了阐述与对比。应用基于Boussinesq方程的Coulwave模式针对几个经典实验地形进行了数值实验,数值结果和实验实测数据吻合较好。此外,分别采用不同的近岸波浪模型模拟了某渔港附近波浪的传播变形,结果表明:当考虑波浪的折射、绕射、反射联合作用时,Coulwave模式计算结果明显较缓坡方程及SWAN模型计算结果更加合理。     

近岸区直墙波浪力的模拟

在水槽中进行了几种不同坡度的斜坡平台上规则波作用下直墙波浪力试验，系统分析了直墙上相对最大压强和相对最大总力，给出了它们之间的比较关系。还进行了不同坡度的不规则波模型试验，并讨论了波浪力之间的特性。结果表明采用1：10、1：15的斜坡与平台相结合的试验室模拟，可得到与平底地形相近的直墙波浪力。     

近岸水域波浪变形数学模型

本文采用波数矢量无旋和波能守恒方程建立了一个近岸水域波浪变形数学模型,模型中采用Ｂａｔｊｅｓ关系与波数矢量无旋,波能量守恒方程一起来求解近岸水域波浪折射绕射的联合影响的波浪要素。利用本文提出的数学模型对一个斜坡浅滩水域波浪折射绕射现象进行了验证,结果表明本文提出的近岸水域波浪变形的数学模型是可靠的,计算所得结果与试验结果是吻合的。     

近岸浪-风暴潮耦合模型在天津沿海的应用

为了精细化描述天津沿海台风天气下近岸浪和风暴潮特征,基于非结构三角网格,建立近岸浪与风暴潮的耦合模型,其中台风风场采用藤田台风模型,近岸浪采用SWAN波浪模型,风暴潮采用ADCIRC模型。通过对几次典型台风暴潮数值模拟的验证,耦合模型对风速、有效波高和增水的计算结果与实际观测资料符合性均较好,能够很好地反映台风过程中天津沿海近岸浪和风暴潮特征,可以为天津的防灾减灾工作提供科学依据。     

近岸区域波流耦合作用的数学模型

本文提出了一个讨论近岸波浪和波生流耦合作用的二维数学模型。在波浪场中运用波数矢量无旋和波作用量守恒方程求解波浪在波生流作用下的折射、绕射变形,以辐射应力作为波生流场的驱动力,考虑地转柯氏力和海底底摩擦的作用。文中采用Dingemans（1987）的地形对波流耦合作用进行了分析。数值计算结果表明波流耦合作用对近岸波浪场和波生流场的影响比较显著,在工程实际上应当综合考虑波流耦合问题。     

基于蚁群优化的近岸影像水边线变化分析方法

由于近岸视频监测技术具有构建成本低、时空分辨率高的特点,近年来已成为海岸动态监测的互补手段。在近岸视频监测中,水边线可作为岸滩边缘位置变化的替代指标,受复杂海滩地形及不规则的波浪及潮汐变化影响,如何从视频图像中准确检测水边线是近岸视频监测所面临的挑战问题之一。本文针对传统图像处理方法在水边线提取中存在的效率不高和抗噪声能力差等问题,将CIELab颜色模型和蚁群优化算法相结合,对台风风暴潮期间石老人海滩的水边线进行提取和定量分析,并与传统算法进行对比。对青岛石老人海滩2011年台风期间的实时影像资料分析结果表明,与传统的提取算法相比,本文提出的方法在数字视频影像的水边线监测应用中可靠性高,并具有良好的细节呈现能力和抗边缘噪声能力,适用于弱边缘水边线的提取。分析结果验证了本方法在极端天气条件下对视频影像中水边线动态变化的自动提取可行性,对构建长时序海滩岸线动态变化影像自动分析系统具有较好的应用价值。     

波浪作用下近岸区污染物输移扩散的数学模型及其实验验证

在近岸缓坡浅水海岸,波浪破碎产生沿岸流是近岸海域流场的重要组成部分,它对污染物输移扩散规律的影响重大,在高阶近似抛物化缓坡方程求解大面积波浪场基础上,建立了波浪作用下污染物输移扩散数学模型.计算结果与不同坡度均匀斜坡地形上具有不同波高、周期的规则波及不规则波浪作用下污染物输移扩散实验结果进行了比较,分析了各种因素对波浪作用下沿岸流分布规律影响,所得结论认为地形坡度及入射波高对污染物输移扩散的影响较大,波浪作用将使缓坡海滩上污染物的输移扩散平行岸线方向.     

近岸区不规则波成工模型的研究：1.模型的建立

以不规则波在缓变地形和缓变流场水域的折射－绕射理论以及风浪的成长,衰减理论为基础,得到近岸区不规则波长成模型,结合近岸波浪特性和海洋工程应用的实际情况,建立综合考虑海岸,折射,白浪,底摩擦,流,风和非线性作用诸因素的近岸不规则波数值计算模型,该模型具有二维波谱特性及实用性,文章力图使模式更合理地反映近岸波浪的传播,成长和衰减规律而整个计算工作量则较小,可在微型电子计算机上得以实现。     

近岸区不规则波成长模型的研究 Ⅰ.模型的建立

以不规则波在缓变地形和缓变流场水域的折射-绕射理论以及风浪的成长、衰减理论为基础,得到近岸区不规则波成长模型。结合近岸波浪特性和海洋工程应用的实际情况,建立综合考虑海岸、折射、白浪、底摩擦、流、风和非线性作用诸因素的近岸不规则波数值计算模型。该模型具有二维波谱特性及实用性。文章力图使模式更合理地反映近岸波浪的传播、成长和衰减规律,而整个计算工作量则较小,可在微型电子计算机上得以实现。     

波浪增减水的实用数学模型及其数值模拟

提出了一种模拟近岸区波浪增减水的实用数学模型.首先采用考虑波能损失的抛物型缓坡方程数值模拟波浪破碎引起的波浪复振幅变化,接着根据计算得到的波浪复振幅,采用一种新的辐射应力公式计算辐射应力分量,然后采用深度平均方程计算波浪破碎产生的增减水.采用该模型对规则波和不规则波破碎引起的增减水进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果吻合良好,表明该模型可有效模拟近岸区由于波浪破碎引起的增减水.