本文關(guān)鍵詞：象山港物質(zhì)輸運(yùn)特性的描述方法及相關(guān)問(wèn)題研究

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【摘要】：近年來(lái)海洋環(huán)境問(wèn)題受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注,研究海洋環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵是了解水體中物質(zhì)輸運(yùn)特征和污染物演化規(guī)律。本文針對(duì)近海海域典型的海灣水環(huán)境,以半封閉海灣象山港為研究海域,引入多種描述物質(zhì)輸運(yùn)特性的拉格朗日方法,采用數(shù)值模擬技術(shù)分別對(duì)不同描述方法進(jìn)行對(duì)比研究,發(fā)展適用于研究復(fù)雜水流運(yùn)動(dòng)下物質(zhì)輸運(yùn)特性的描述方法。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮非保守性物質(zhì)在水體中的輸移轉(zhuǎn)化規(guī)律,建立包含浮游植物、氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、溶解氧和含碳生化需氧量的水質(zhì)模型,并引入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,建立了象山港海域的三維水質(zhì)模型。采用基于三維不可壓縮流體運(yùn)動(dòng)基本方程和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有限體積法的FVCOM海洋模型,對(duì)研究海域的三維潮汐、潮流和溫鹽的時(shí)空變化進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算中考慮了潮流、風(fēng)應(yīng)力、海表熱交換和徑流因素的影響。通過(guò)與實(shí)測(cè)資料以及前人研究成果對(duì)比,證明模型很好的再現(xiàn)了海灣的水動(dòng)力特性和溫鹽分布特征�；跀�(shù)值模擬結(jié)果,對(duì)研究海域的潮汐、潮流動(dòng)力特性和溫鹽分布特征進(jìn)行了分析,為進(jìn)一步研究物質(zhì)輸運(yùn)等問(wèn)題提供了準(zhǔn)確的動(dòng)力場(chǎng)。引入時(shí)變系統(tǒng)分析工具——拉格朗日相干結(jié)構(gòu),融合粒子追蹤、拉格朗日余流和概要圖等多種描述物質(zhì)輸運(yùn)特性的方法,分別將其應(yīng)用于研究海域物質(zhì)輸運(yùn)特征的研究中。通過(guò)對(duì)不同描述方法結(jié)果的分析和對(duì)比,發(fā)展了結(jié)合拉格朗日余流、相干結(jié)構(gòu)和概要圖三種基于拉格朗日理論的綜合物質(zhì)輸運(yùn)描述方法。該方法分別從物質(zhì)的輸運(yùn)和分布、水體的分區(qū)特性、水體與外海之間水交換能力等多角度揭示了海灣的物質(zhì)輸運(yùn)規(guī)律,有助于全面深入理解海灣的物質(zhì)輸運(yùn)和分布特征。余流作為海域物質(zhì)輸運(yùn)的載體,其分布及驅(qū)動(dòng)因素是描述水體物質(zhì)輸運(yùn)能力及特征的手段；拉格朗日相干結(jié)構(gòu)和概要圖是揭示流場(chǎng)內(nèi)部物質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程和水體歸宿的有力工具。利用拉格朗日綜合物質(zhì)輸運(yùn)描述方法對(duì)象山港海域不同季節(jié)的余流、物質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程及時(shí)間尺度進(jìn)行了研究,通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)分析了潮、風(fēng)應(yīng)力、海表熱交換等不同驅(qū)動(dòng)力作用和臺(tái)風(fēng)過(guò)程對(duì)海灣物質(zhì)輸運(yùn)特征的影響,研究結(jié)論有助于了解海灣物質(zhì)輸運(yùn)的主驅(qū)動(dòng)力及不同因素對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)特征的影響程度和方式。在水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上,建立了包含浮游植物生長(zhǎng)和死亡、營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)、溶解氧和含碳生化需氧量的三維水質(zhì)模型。模型不僅考慮了污染物在水流作用下的物理對(duì)流擴(kuò)散過(guò)程,而且反映了污染物的化學(xué)和生物轉(zhuǎn)化過(guò)程。針對(duì)模型中大量參數(shù)難以確定的問(wèn)題,建立了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)理論的水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)優(yōu)化方法,在實(shí)測(cè)水質(zhì)資料的基礎(chǔ)上分別對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了選擇和優(yōu)化。結(jié)果表明模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好,重現(xiàn)了研究海域水質(zhì)變量的時(shí)間和空間變化,驗(yàn)證了該方法對(duì)水質(zhì)模型參數(shù)優(yōu)化的有效性。進(jìn)一步利用建立的水質(zhì)模型研究了污染物排放量對(duì)研究海域水質(zhì)的影響。
【關(guān)鍵詞】：象山港 物質(zhì)輸運(yùn) 余流 拉格朗日相干結(jié)構(gòu) 海洋水質(zhì)模型 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)理論
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P731.2;X55
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目錄8-11
• TABLE OF CONTENTS11-14
• 圖目錄14-18
• 表目錄18-19
• 主要符號(hào)表19-20
• 1 緒論20-41
• 1.1 研究背景與意義20-22
• 1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)工作研究進(jìn)展22-40
• 1.2.1 水動(dòng)力模型研究進(jìn)展22-24
• 1.2.2 近海物質(zhì)輸運(yùn)研究進(jìn)展24-32
• 1.2.3 近海水質(zhì)模型研究進(jìn)展32-37
• 1.2.4 象山港水動(dòng)力及物質(zhì)輸運(yùn)研究現(xiàn)狀37-40
• 1.3 本文的研究工作40-41
• 2 三維水動(dòng)力學(xué)模型及其驗(yàn)證41-72
• 2.1 水動(dòng)力學(xué)模型41-48
• 2.1.1 控制方程41-43
• 2.1.2 邊界條件43-45
• 2.1.3 方程離散與求解45-47
• 2.1.4 干濕邊界處理技術(shù)47-48
• 2.2 水動(dòng)力模型驗(yàn)證48-59
• 2.2.1 計(jì)算設(shè)置48-50
• 2.2.2 潮位與潮流驗(yàn)證50-57
• 2.2.3 溫鹽驗(yàn)證57-59
• 2.3 潮汐、潮流和溫鹽分布特征59-70
• 2.3.1 潮汐和潮流特性分析59-65
• 2.3.2 溫鹽分布特征分析65-70
• 2.4 本章小結(jié)70-72
• 3 拉格朗日物質(zhì)輸運(yùn)描述方法的數(shù)值試驗(yàn)72-108
• 3.1 拉格朗日物質(zhì)輸運(yùn)描述方法72-79
• 3.1.1 拉格朗日質(zhì)點(diǎn)追蹤法72-73
• 3.1.2 拉格朗日余流計(jì)算方法73-74
• 3.1.3 拉格朗日相干結(jié)構(gòu)74-78
• 3.1.4 拉格朗日概要圖78-79
• 3.2 潮周期內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡分析79-83
• 3.3 M_2分潮潮致拉格朗日余流分析83-89
• 3.3.1 Lagrangian余流空間分布83-85
• 3.3.2 初始相位對(duì)Lagrangian余流的影響85-87
• 3.3.3 時(shí)均周期對(duì)Lagrangian余流的影響87-89
• 3.4 拉格朗日相干結(jié)構(gòu)分析89-96
• 3.4.1 相干結(jié)構(gòu)的計(jì)算89-92
• 3.4.2 相干結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化92-94
• 3.4.3 水體輸運(yùn)過(guò)程分析94-96
• 3.5 拉格朗日概要圖分析96-100
• 3.6 結(jié)果和討論100-106
• 3.7 本章小結(jié)106-108
• 4 象山港物質(zhì)輸運(yùn)特征及其影響因素108-140
• 4.1 不同驅(qū)動(dòng)因素下象山港物質(zhì)輸運(yùn)特征108-125
• 4.1.1 多分潮作用下的物質(zhì)輸運(yùn)特征108-112
• 4.1.2 風(fēng)生-潮致作用下的物質(zhì)輸運(yùn)特征112-118
• 4.1.3 風(fēng)生-熱鹽-潮致作用下的物質(zhì)輸運(yùn)特征118-125
• 4.2 臺(tái)風(fēng)過(guò)程對(duì)象山港物質(zhì)輸運(yùn)特征的影響125-138
• 4.2.1 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的計(jì)算125-127
• 4.2.2 風(fēng)暴潮的模擬及驗(yàn)證127-131
• 4.2.3 臺(tái)風(fēng)過(guò)程對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)特征的影響131-138
• 4.3 本章小結(jié)138-140
• 5 象山港水質(zhì)模擬研究140-174
• 5.1 海域水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型140-145
• 5.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)理論的模型參數(shù)優(yōu)化方法145-149
• 5.2.1 模型參數(shù)優(yōu)化方法的基本原理145
• 5.2.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)理論145-148
• 5.2.3 模型參數(shù)優(yōu)化方法實(shí)施過(guò)程148-149
• 5.3 象山港海灣水質(zhì)模型的建立及應(yīng)用149-172
• 5.3.1 研究海域水質(zhì)現(xiàn)狀分析150-152
• 5.3.2 水質(zhì)模型設(shè)置152-153
• 5.3.3 控制參數(shù)的選擇153-159
• 5.3.4 模型參數(shù)優(yōu)化159-163
• 5.3.5 結(jié)果和討論163-172
• 5.4 本章小結(jié)172-174
• 6 結(jié)論與展望174-178
• 6.1 結(jié)論174-176
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)176
• 6.3 展望176-178
• 參考文獻(xiàn)178-190
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果190-191
• 致謝191-192
• 作者簡(jiǎn)介192

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本文編號(hào)：670179