一種灘淺海水動(dòng)力模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種涉及海岸動(dòng)力模擬技術(shù)，尤其涉及一種灘淺海水動(dòng)力模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 灘淺海是指水深較淺的近岸灘涂區(qū)域。我國一些灘淺海區(qū)域不僅是重要的灘涂濕 地自然保護(hù)區(qū)，同時(shí)也蘊(yùn)藏著豐富的石油、天然氣等資源，如黃河三角洲區(qū)域。在海岸帶的 開發(fā)過程中，需要對工程所在海域進(jìn)行數(shù)值模擬，以掌握該海域的水動(dòng)力規(guī)律，預(yù)測工程建 設(shè)對水動(dòng)力要素、生態(tài)環(huán)境、地貌形態(tài)等的影響，為海岸的合理開發(fā)、科學(xué)保護(hù)提供指導(dǎo)依 據(jù)。
[0003] 在灘淺海區(qū)域，潮溝多級發(fā)育，各級潮溝相互連接形成復(fù)雜的潮溝網(wǎng)系。潮溝網(wǎng)系 是灘淺海區(qū)域?yàn)┩?、濕地部分與外海進(jìn)行水體交換、泥沙輸運(yùn)的主要通道；潮溝-灘涂交錯(cuò) 的地形特點(diǎn)，使得水深在很小的距離上就發(fā)生較大的變化。這些特點(diǎn)決定了灘淺海水動(dòng)力 的復(fù)雜性，也構(gòu)成了對其進(jìn)行數(shù)值模擬的主要困難：模型中需要以很高的精度分辨出精細(xì) 的潮溝-灘涂地形。對于傳統(tǒng)的海岸水動(dòng)力模型，精度提高必然導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)增加、時(shí)間步長 減小，計(jì)算量大大增加。根據(jù)作者實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對于10平方千米的海域，采用傳統(tǒng)淺水方程模 型NearCoM，以2m精度模擬10天過程，采用800核并行計(jì)算時(shí)需要耗時(shí)3天。如此龐大的 計(jì)算量無論是在時(shí)間上還是經(jīng)濟(jì)上都難以承受，因而限制了其在大范圍、長時(shí)間、高精度的 灘淺海水動(dòng)力模擬中的應(yīng)用。
[0004] 在此背景下，如何發(fā)明一種適用于灘淺海動(dòng)力環(huán)境的多尺度、高效率模擬技術(shù)，是 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有模擬技術(shù)在應(yīng)對灘淺海特殊的動(dòng)力環(huán)境時(shí)，存在著計(jì)算量極 其龐大、干-濕算法不足和缺乏精確的底摩阻處理方法等問題，提出了一種灘淺海水動(dòng)力 模擬方法，可以解決上述問題。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種灘淺海水動(dòng)力模擬方法，包括以下步驟：
[0008] (1)、獲取目標(biāo)海域的水深數(shù)據(jù)；
[0009] (2)、網(wǎng)格劃分步驟，將目標(biāo)海域分別采用主網(wǎng)格和子網(wǎng)格兩套網(wǎng)格進(jìn)行劃分，所 述主網(wǎng)格的寬度大于所述子網(wǎng)格的寬度，每一個(gè)主網(wǎng)格內(nèi)包括若干子網(wǎng)格；
[0010] (3)、獲取曼寧系數(shù)的分布，根據(jù)目標(biāo)海域的海床泥沙特性、潮溝潮灘的分布以及 植被的空間分布，建立曼寧系數(shù)的分布；
[0011] (4)、建立邊界條件和初始條件；
[0012] (5)、基于改進(jìn)型淺水方程，在所述主網(wǎng)格上執(zhí)行改進(jìn)型淺水方程的離散和計(jì)算， 在所述子網(wǎng)格上計(jì)算孔隙率Θ、等效水深Y和等效底摩阻系數(shù)C d，最終計(jì)算輸出目標(biāo)海域 的流速、水位結(jié)果，所述改進(jìn)型淺水方程為：
[0016] 式中η為主網(wǎng)格水位，P和Q分別為所述主網(wǎng)格x和y方向上的流量，?為孔隙 率，所述孔隙率為所述主網(wǎng)格內(nèi)濕的子網(wǎng)格個(gè)數(shù)占其所在主網(wǎng)格的總子網(wǎng)格個(gè)數(shù)的比例，Y 為等效水深，也即所述主網(wǎng)格上所有濕的子網(wǎng)格水深的平均，Cd為等效底摩阻，也即所述主 網(wǎng)格的底摩阻，R為水體黏性導(dǎo)致的剪切應(yīng)力張量。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：本發(fā)明的灘淺海水動(dòng)力模擬方法， 不同于傳統(tǒng)水動(dòng)力模型中地形數(shù)據(jù)和計(jì)算網(wǎng)格采用同一套網(wǎng)格的做法，本發(fā)明同時(shí)采用兩 套網(wǎng)格，即較粗的主網(wǎng)格和較細(xì)的子網(wǎng)格。每個(gè)主網(wǎng)格中包含若干子網(wǎng)格，淺水方程的離散 和計(jì)算在主網(wǎng)格上執(zhí)行，而高精度的地形和底摩阻信息在子網(wǎng)格上給出，計(jì)算過程中，高精 度子網(wǎng)格上的信息以孔隙率、等效水深、等效底摩阻的形式反饋到主網(wǎng)格上。主網(wǎng)格計(jì)算效 率高，而子網(wǎng)格的信息精度高，本發(fā)明結(jié)合了這兩點(diǎn)優(yōu)勢，提高了計(jì)算速度的同時(shí)增加了計(jì) 算精度。
[0018] 結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明實(shí)施方式的詳細(xì)描述后，本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更 加清楚。
【附圖說明】
[0019] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020] 圖1是本發(fā)明所提出的灘淺海水動(dòng)力模擬方法一種實(shí)施例中所劃分的主網(wǎng)格和 子網(wǎng)格的不意圖；
[0021] 圖2是本發(fā)明所提出的灘淺海水動(dòng)力模擬方法一種實(shí)施例中主網(wǎng)格上的變量 MASK定乂不意圖；
[0022] 圖3是本發(fā)明所提出的灘淺海水動(dòng)力模擬方法一種實(shí)施例中灘淺海區(qū)域圖；
[0023] 圖4是圖3中計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0025] 實(shí)施例一，為了對本技術(shù)方案更清楚、完整的說明，首先介紹一下本技術(shù)方案中涉 及的一些概念，如圖1所示，為本實(shí)施例中所劃分的主網(wǎng)格和子網(wǎng)格的示意圖，其中，主網(wǎng) 格的大小為AxX Ay，每個(gè)主網(wǎng)格內(nèi)的子網(wǎng)格大小為δ Χχ δ y，A2平面為平均海平面位 置，Al平面為某一時(shí)刻的水面所在位置，Tl為水位，hs為定義在子網(wǎng)格水深，也即子網(wǎng)格的 靜止水深，Hs為該子網(wǎng)格的總水深。
[0026] 本實(shí)施例提出了一種灘淺海水動(dòng)力模擬方法，包括以下步驟：
[0027] Sl、獲取目標(biāo)海域的水深數(shù)據(jù)；
[0028] 灘淺海可以分為幾個(gè)特征顯著的部分，即陸地、潮間帶、潮溝和外海。潮間帶區(qū)域 在大潮低潮期間大部分露出水面，因此可以采用機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR)進(jìn)行掃描測量，獲 取露出區(qū)域和陸地區(qū)域的高程。大部分潮溝被水所覆蓋，潮溝可以利用GPS定位-高程儀 測量進(jìn)行水深走航調(diào)查。對于外海區(qū)域，可以采用該地區(qū)的海圖數(shù)據(jù)，將上述地形數(shù)據(jù)統(tǒng)一 至該海域平均海平面的基準(zhǔn)。
[0029] S2、網(wǎng)格劃分步驟，將目標(biāo)海域分別采用主網(wǎng)格和子網(wǎng)格兩套網(wǎng)格進(jìn)行劃分，所述 主網(wǎng)格的寬度大于所述子網(wǎng)格的寬度，每一個(gè)主網(wǎng)格內(nèi)包括若干子網(wǎng)格；
[0030] 根據(jù)步驟Sl中所獲取的水深數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域，確定計(jì)算范圍。根據(jù)該海區(qū)地形的特 征（如主潮溝的寬度、進(jìn)潮口的大小等），結(jié)合所能使用的計(jì)算資源，選取合適的主網(wǎng)格大 小。一般來說，關(guān)鍵地形特征應(yīng)該有2-3個(gè)主網(wǎng)格來分辨，如主潮溝的進(jìn)潮口處寬100米， 則主網(wǎng)格大小最好能達(dá)到30-50米，根據(jù)計(jì)算范圍和主網(wǎng)格的尺寸，則可以建立其覆蓋目 標(biāo)海域的計(jì)算主網(wǎng)格。
[0031] 每個(gè)主網(wǎng)格內(nèi)包含若干個(gè)子網(wǎng)格，子網(wǎng)格的尺寸取決于步驟Sl中所獲取目標(biāo)海 域的水深數(shù)據(jù)的分辨率，目前的LiDAR測量精度一般可達(dá)1米左右，故可以將子網(wǎng)格尺寸定 為1米。這個(gè)精度足以分辨出大部分灘淺海的鹽沼濕地、灘涂的潮溝。將水深數(shù)據(jù)采用加 權(quán)反距離方法插值到子網(wǎng)格上，獲得精細(xì)子網(wǎng)格上的水深數(shù)據(jù)。
[0032] S3、獲取曼寧系數(shù)的分布，根據(jù)目標(biāo)海域的海床泥沙特性、潮溝潮灘的分布以及植 被的空間分布，建立曼寧系數(shù)的分布；
[0033] 根據(jù)目標(biāo)海域的海床泥沙特性（淤泥質(zhì)或砂質(zhì)）、潮溝潮灘的分布以及植被的空 間分布，建立曼寧系數(shù)的分布。曼寧系數(shù)在模型中將