文摘gydF4y2Ba

公路基础设施的发展和建设是必不可少的在发展中国家,而其布局和建筑有时与沿海环境交互。参加的一个问题是,尽可能少的轮廓和几何设计影响海岸水动力循环的身体为了尽可能少改变相关的生态系统。研究区位于哥伦比亚以北,是由大陆沿海地区(Mallorquin泻湖)和海洋区(加勒比海),在这一高速公路预计提供两个地点之间的沟通。本研究提出了一个数值模型的应用之前开发和修改的Berkhoff方程,开发有限差分格式,进行验证和应用在不同的工作在沿海和河流浅水区域。模型的应用程序在一个水动力循环进行的研究项目的单向公路通过沿海泻湖,入射波的大小的知识高度在路的结构体是必要的设计、保护的元素,和道路几何。两个场景进行了数值模拟,说明正常情况下,每年的11月份异常波条件的仿真时间15天,获得速度场与沿海电流有关,波和波修改现象,如折射、衍射、反射,提供高速公路上入射波的高度和再循环模式在沿海泻湖识别变化的生态系统。波高的结果在每个场景和速度场提供值在设计、使用类型的盔甲,和维度的保护工作道路的正常运转所需的结构。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

沿海的物理过程包括许多系统从不同的起源和变量,如大陆来源(河流、河口湖,湿地);海洋的(海流、潮汐、波浪以及沿海沉积物运输);和水文气象的(风、降水和温度)。这些生态系统的研究包括物理变量,属于不同的特殊和时间尺度。gydF4y2Ba

沿海水生生态系统的一些物理特性,已经被众多科学家和研究的结果和结论已得出结论,这些自然系统是全球最富有成效的gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。沿海泻湖是水生的身体,他们中的大多数已经永久与大海和他们的沟通是大陆碰撞的结果和盐水质量;同样,沿海系统发挥主导作用在许多海洋物种的生命周期;另一方面,钓鱼活动在这些领域面临严重的困难是由于缺乏基础设施的发展这一活动,缺乏生态监管。gydF4y2Ba

港口工程结构元素设计,如码头、防波堤,防波堤,是强制性的,加强区域基础设施;大海的行为,在海岸地带,需要已知的和,因此,海洋涌研究变得非常重要。海浪转换的过程包括高度变化和传播方向,称为折射、衍射、反射和碎波。gydF4y2Ba

的一个工具,导致之前的水动力研究应用流体力学(CFD)计算数值模型,研究中构成一个近似的流体动力学方程用来描述不同的物理现象与流体的运动,例如那些由可压缩和不可压缩流。利用CFD允许不同的数值计算了在各种条件下形成的场景或案例研究。gydF4y2Ba

特别,数值模型的分析完成了在这个研究中,在,可以预测不同的水力现象的行为,他们是重要的估计所需的投影和规划港口工作。gydF4y2Ba

缓坡方程(MSE)是自1960年以来,目前开发的修改,直到今天。在1990年代的一些软件程序创建和商业化解决波过程的数值模拟分析,特别是研究近岸和波与沿海的互动结构。的主要目标是给出了一个数值模型来解决自由表面近岸波过程(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2Ba3gydF4y2Ba)和交互防波堤在巷道施工。gydF4y2Ba

建立的MSE描述了表面波现象Berkhoff [gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]。制定分析了折射和衍射效应为主,而波打破,底部剪应力,波电流使用水动力计算模型。gydF4y2Ba

数值方法用来解决MSE是有限差分方法(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba),利用交替方向隐式(ADI)方法方案(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。它的解决方案包括在定义边界条件象海洋一样干燥的细胞结构和解决大量的要求同时线性方程组。最近的进展已经使用bi-conjugate梯度法和隐式近似(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]。使用有限差分方法对双曲线公式被歌介绍等。gydF4y2Ba9gydF4y2Ba和Zhang et al。gydF4y2Ba10gydF4y2Ba)提出了加快计算和体贴的三点有限差分位置。提出了一种光显式有限差分法,Zhang et al。gydF4y2Ba10gydF4y2Ba林),否则一个明确的计划方法(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]和李和弗莱明[gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

实际上,一些研究提出的基于有限体积阿齐兹·伊南和红晶石gydF4y2Ba13gydF4y2Ba),使用曲线坐标和ADI方法(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba)和能量谱方法可以在通et al。gydF4y2Ba15gydF4y2Ba]。其他的研究可在张先生和李gydF4y2Ba16gydF4y2Ba海浪数值解的现象。gydF4y2Ba

一些数值计算的限制在均方误差椭圆的方法,是在更大的区域解决这个配方。参加这个问题,使用一组三个方程来执行阶段的计算速度和波高。gydF4y2Ba

应用的数值解是一个三对角系统方程和波高方程的对角阶段,这种新奇的数值解的实现允许解决Berkhoff方程波在一个简单的方法,优化计算资源,并给予一个近似足够的解决方案的价值与其他方程相比,如布西涅斯克用于商业软件包,如迈克21和短信,以及自由软件包,如COULWAVE和FUNWAVE。gydF4y2Ba

是使用的数值网格交错细胞和发达,加上水动力数值模型(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba21gydF4y2Ba)研究领域的速度,底部剪切应力,并在研究区沉积物运移。数值模型与文学的例子证明了解析解和不能自圆其说边界条件,获得的结果与预期相比可接受的值的解决方案。gydF4y2Ba

因为这项研究的主要目标是确定的发生率大小和频率的感兴趣区域,重要的是要考虑不同因素产生海面风潮。主要代理负责生成风潮是海浪,这是由风水生表面的摩擦。gydF4y2Ba

主要的海洋和气象数据(波方向和高度、风向和速度)是由哥伦比亚的海洋和Hydro-graphic研究中心(西班牙语缩写CIOH) (gydF4y2Ba22gydF4y2Ba和研究所的水文、气象和环境研究(由西班牙语缩写IDEAM)。gydF4y2Ba

研究咨询和分析所需的关键发现是这个项目的实现。gydF4y2Ba

2。材料和方法gydF4y2Ba

2.1。海洋涌模型描述gydF4y2Ba

方程由Berkhoff使用,被称为软斜坡方程。此外,它是一种合适的方程来模拟refraction-diffraction现象,在能量集中的地方,在波前,由海底产生违规行为。传统上这个方程表示根据方程(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba):gydF4y2Ba

时间变化的光谱率是由第一个成员的方程,能量传播包含第二个成员中,风由第三个条目,海波非线性组件之间的能量分布的第四个,耗散由于飙升的第五,第六,由摩擦引起的损失,最后,损失包括过滤第七。gydF4y2Ba

数值模型用于解决方程(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba),在一个椭圆近似(方程(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)),它描述了表面自由和周期波的传播及其有限振幅基于复杂的水深、refraction-diffraction-reflection现象是由波近似浅水变形和障碍。gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2BaηgydF4y2Ba(gydF4y2BaxgydF4y2Ba,gydF4y2BaygydF4y2Ba)是自由表面高程(m)的水平,gydF4y2BaCgydF4y2Ba(gydF4y2BaxgydF4y2Ba,gydF4y2BaygydF4y2Ba)阶段敏捷或者速度(米/秒),和gydF4y2BaCgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba(gydF4y2BaxgydF4y2Ba,gydF4y2BaygydF4y2Ba)是一组敏捷(米/秒)。gydF4y2Ba

Berkhoff的方程的解所表达的派生和流量激增的组件gydF4y2BaXgydF4y2Ba和gydF4y2BaYgydF4y2Ba(gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。这是由一个隐式方案由以下方程在有限的分化。gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba问gydF4y2Ba(gydF4y2BaxgydF4y2Ba,gydF4y2BaygydF4y2Ba水平面)是流量,给出了m / s。gydF4y2Ba

自由表面变化方程的解,由于海上激增前面提到的流量的函数,它显示了以下方程:gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2BahgydF4y2Ba(gydF4y2BaxgydF4y2Ba,gydF4y2BaygydF4y2Ba)是一组因素,gydF4y2BakgydF4y2Ba(gydF4y2BaxgydF4y2Ba,gydF4y2BaygydF4y2Ba)是波的数量(2gydF4y2BaπgydF4y2Ba/gydF4y2BalgydF4y2Ba),gydF4y2BahgydF4y2Ba(gydF4y2BaxgydF4y2Ba,gydF4y2BaygydF4y2Ba)深度(米)。gydF4y2Ba

这种类型的方程的优点的流量值,它和al-lows找到大海方向和计划的存在障碍的一种简单方法。gydF4y2Ba

2.2。数值方案gydF4y2Ba

方程的数值解(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)- (gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)是由Herrera et al。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2Ba24gydF4y2Ba)使用交错网格法在网格计算波高固体网格点,贴上标签(gydF4y2Ba ,gydF4y2BajgydF4y2Ba),(gydF4y2Ba我gydF4y2Ba,gydF4y2BajgydF4y2Ba),(gydF4y2Ba ,gydF4y2BajgydF4y2Ba),(gydF4y2Ba我gydF4y2Ba,gydF4y2Ba ),gydF4y2Ba和(gydF4y2Ba我gydF4y2Ba,gydF4y2Ba ),gydF4y2Ba和开放的速度计算网格点,贴上标签(gydF4y2Ba ,gydF4y2BajgydF4y2Ba),(gydF4y2Ba ,gydF4y2BajgydF4y2Ba),gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba)和(gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba)。具体地说,gydF4y2BaxgydF4y2Ba在计算点(gydF4y2Ba ,gydF4y2BajgydF4y2Ba)和(gydF4y2Ba ,gydF4y2BajgydF4y2Ba),gydF4y2BaygydF4y2Ba计算在不同的点(gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba)和(gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba)。这里的关键特性是,波高计算在不同的网格点。gydF4y2Ba

方程的离散化gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)收入如下:gydF4y2Ba

方程的解决方案(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)和(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba)为每一行生成一个三对角系统gydF4y2Ba我gydF4y2Ba和gydF4y2BajgydF4y2Ba列,这意味着我们必须解决gydF4y2BangydF4y2Ba_我gydF4y2Ba×gydF4y2BangydF4y2Ba_jgydF4y2Ba直系系统,因此重要的是要有一个有效的方法,在本研究我们使用托马斯算法。gydF4y2Ba

波高的近似方程给出:gydF4y2Ba

方程(gydF4y2Ba9gydF4y2Ba)是一个第四order-accurate并产生一个对角带状直系系统。这样的系统需要前面的计算阶段(gydF4y2BaQX、gydF4y2Ba,gydF4y2BaQYgydF4y2Ba),波高在前面的时间。我们利用一个稀疏矩阵迭代法解决系统。的值gydF4y2BaηgydF4y2Ba,gydF4y2BaQX、gydF4y2Ba,gydF4y2BaQYgydF4y2Ba,可以是零时间”gydF4y2BatgydF4y2Ba“除了在海浪的边界事件,这个条件是必要的,以确定新值时(gydF4y2BatgydF4y2Ba+gydF4y2BaΔtgydF4y2Ba)[gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

波高的quasi-oscillating海浪的冲击产生的事件一波又一波的高度(gydF4y2BaHgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba)与高度的反射波(gydF4y2BaHgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba新一波的高度可以估计为:gydF4y2Ba

的gydF4y2BaxgydF4y2Ba方向阶段,适当的条件方程(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba)gydF4y2Ba 和gydF4y2Ba 沿着线(gydF4y2Ba )gydF4y2Ba确定为:gydF4y2Ba

类似的,gydF4y2BaygydF4y2Ba方向方程(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba)gydF4y2Ba 和gydF4y2Ba 沿着线(gydF4y2Ba ),gydF4y2Ba用于下一个方程:gydF4y2Ba

2.3。模型验证gydF4y2Ba

获得的结果是由佐藤et al。gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]对波高的物理模型研究的端口(图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba),港口提出了条件复杂的几何边界,更像是一个港口的现实。gydF4y2Ba

实验报告的事件期间是0.73秒在波的入射角0.0°的轴gydF4y2BaYgydF4y2Ba_米gydF4y2Ba的图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,除了考虑到防波堤反射系数为0.8,几乎是一个空的防波堤的波浪和开放边界系数1(全部通过)。gydF4y2Ba

数值模型,网格提出了表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和结果呈现在图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

定性的比较类型的造型的结果呈现在图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba与图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba;分析结果的波长值模型,他们现在与原来相比减少了5%由佐藤et al。gydF4y2Ba27gydF4y2Ba),原因是使用系数1,因为高度与他们给的建议系数非常小的值,以作者提出的,后来其他反射系数比最初测试来检查模型的行为在不同条件下的反射值从原来的完全不同,我们的结论是通过使用不同的电脑。最后,获得解决方案所需的计算时间是121秒获得一个很好的方法。gydF4y2Ba

3所示。结果与讨论gydF4y2Ba

公路结构项目跨越的路线通过沿海泻湖称为Cienega Mallorquin,如图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba右侧边缘,位于旁边巴兰基利亚哥伦比亚北部的城市,结束在加勒比海港口区域将建成。gydF4y2Ba

主要研究目标是确定海发病率和沿海海洋和大陆区大小。不同的因素被认为是坚固的生成海洋表面风潮。飙升的主要代理,负责生成搅拌所产生的风在水表面摩擦。gydF4y2Ba

道路路径沿着沿海路线如图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba右边距;放置在相同的形式,五个控制点监控波高和估计摩擦表面和巷道保护水平(海堤)必须建立工作。gydF4y2Ba

波的方向和高度数据从CIOH获得。普通和非凡的海洋涌条件被认为是在模拟。gydF4y2Ba

普通模拟海浪条件被认为是:gydF4y2Ba

方向:北方。gydF4y2Ba

波高:1.2米。gydF4y2Ba

时间:6.0秒。gydF4y2Ba

仿真时间:15天。gydF4y2Ba

非凡的海浪条件被认为是在模拟:gydF4y2Ba

方向:北方。gydF4y2Ba

波高:3.6米。gydF4y2Ba

时间:8.1秒。gydF4y2Ba

仿真时间:15天。gydF4y2Ba

潮汐条件这两个场景如图gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,注册时间是完成2015年11月的一个月。gydF4y2Ba

研究领域是离散的有限差分网格(图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba间隔为15 m×15 m),在每个计算单元。gydF4y2Ba

3.1。仿真没有向陆的道路gydF4y2Ba

3.1.1。正常的或普通的条件gydF4y2Ba

2015年11月的仿真分析的结果呈现在图gydF4y2Ba7gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

控制点的研究域如图gydF4y2Ba4gydF4y2Bab,它位于道路旁边的道路。gydF4y2Ba

波高结果登记在控制点,并从图可以观察到gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,大海曲面演化在时间是在12000年第二次模拟(少于一个小时),和波高开始变得稳定周期性条件。gydF4y2Ba

3.1.2。非凡的条件gydF4y2Ba

仿真结果为正常的条件,这些条件不不同高度上的主要区别是发现可以达成的波在一个特殊情况。海波仿真如图11月gydF4y2Ba9gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在相同的情况下,给出了控制点的浪高注册从图gydF4y2Ba10gydF4y2Ba非凡的条件。gydF4y2Ba

比较三个站的两阶段(1、3和5)介绍了表gydF4y2Ba2gydF4y2Ba和gydF4y2Ba3gydF4y2Ba可以观察到它们之间的变化,考虑潮汐高度和波高的模拟。gydF4y2Ba

3.2。模拟与近陆的道路gydF4y2Ba

因此,仿真结果对巷道的感兴趣的领域包括现在。模拟巷道路径与预制混凝土结构被认为是一个斜率盔甲(多尔或四足动物)反射系数为0.12,所以阻尼能量被认为在75%左右;重复相同的模拟条件相同的条件和控制点。gydF4y2Ba

3.2.1之上。正常的或普通的条件gydF4y2Ba

结果呈现在图gydF4y2Ba11gydF4y2Ba之前,同样的条件模拟被认为,唯一的区别在观察巷道存在的波高的行为;一个方便的为11月下一个数字所示。gydF4y2Ba

值注册控制点如图gydF4y2Ba12gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

3.2.2。非凡的条件gydF4y2Ba

结果一个非凡的条件与基础设施,提出了在图gydF4y2Ba13gydF4y2Ba等,水运动行为可以观察到正常的阶段,唯一的区别在大小的波高值。gydF4y2Ba

中注册的值与这些条件如图控制点gydF4y2Ba14gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

最后,比较控制点1,3,5为两阶段提出了表gydF4y2Ba4gydF4y2Ba和gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,观察它们之间的变化不是很明显,考虑到的波高海拔和月模拟。gydF4y2Ba

所示的研究结果使我们能够观察海浪出现在舞台上没有路的轮廓在一个开放的区域,如沼泽内;获得海浪的高度正常条件下和非凡的条件(暴风季节),在数值模型的结果与测量数据的机构负责测量海洋变量,显示一个可接受的近似的记录和观察。gydF4y2Ba

数值模型的方程,以前由Herrera et al。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba),应用于基础设施工程,如防波堤,显示一个可接受的近似风潮浅地区的现象,这是观察到的值从沼泽内的数值模拟及其与沿海地区的互动。gydF4y2Ba

道路的结构预测海洋地区的沼泽内,尚未构成它的元素中定义或几何,模拟一个元素与渗透率的0.5和0.7的折射系数,提出了以其他结构为例,现有沿海栅栏研究区域。gydF4y2Ba

结果和精确的波高值,允许有一个初步的设计线的位置和可能的几何来降低发病率的影响波的结构;同样,减轻由于搅拌在沼泽和副作用,因此,海洋环境的干扰方面。gydF4y2Ba

在短模拟数值模型提出了可接受的结果或执行时间,相比与其他更完整和复杂的商业模型。gydF4y2Ba

4所示。结论gydF4y2Ba

飙升的海浪的高度与平均低潮面在正常情况下不超过15厘米,最高可以达到0.44的保护工作,必须为这些海浪高度。gydF4y2Ba

没有任何有意义的激动与沿海泻湖内的波高的关系;出于这个原因,保护作品的堤路可以构建摇滚元素平均尺寸和重量的计算可以通过哈德逊的方法(1956),(gydF4y2Ba25gydF4y2Ba)方法。gydF4y2Ba

长时间研究建议模拟(约6个月)观察其他气象现象的影响,如飓风和暴雨对一个地区有更大的影响和提高海平面高度和波的周期在这些值对水动力场的影响及其对路面结构的影响;同样,使用模拟时间大于15天。也适合观察沉积物运移分析限制线的Cienega Mallorquin,以及提出巷道结构及其在当地沿海形态学改变。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

数据支持本文的研究可从通讯作者或第一作者在合理的请求。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者(年代)(s)宣称他们没有利益冲突。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

作者感谢的支持农业工程系大学de瓜。gydF4y2Ba