海洋长期物质输运理论模型和数值模拟I·理论模型

本文把海洋长期物质输运效果看作是涡团运动、潮波运动和大洋环流三类机制共同作用的总和。寻找潮波运动的定常参量来描述潮波对海洋长期物质输运的效果,同时认为涡团运动主要是潮波运动的空间不均匀造成的。提出了潮流二阶相关的概念,延拓了湍流二阶闭合的理论。建立了基于潮流二阶闭合的海洋长期物质输运动力学方程,在典型海区中进行了数值模拟。通过模拟的结果校验潮流二阶闭合的因子。     

振荡流场在海洋物质长期输运过程中的作用

关于潮流对物质长期输运过程的作用，早期侧重于考虑潮流振荡部分的影响，潮致余流被揭示之后倾向于强调非振荡部分的影响。本文采用一个新的海洋物质长期输运模型，通过数值实验发现潮流的振荡部分，或者更一般性地说振荡流场对物质长期输运过程的影响，不仅可以与潮流的非振荡部分和涡团的扩散作用相比拟，而且在浅海通常大大强于后面二者。振荡流场的平流输运作用可以等效地参数化为扩散作用，这种参数化具有相当高的准确性，并且全场仅仅依赖于唯一的具有长度量纲的经验常数。研究还发现振荡流场长期输运作用数值模拟适用迎风差分格式，而不适用中心差分格式。     

潮流物质输运过程数值模拟中的误差传递、放大及修正

用二维潮流物质输运模型模拟河口流动的计算中，河道中会发生非物理的物质含量增高的现象。经分析发现，水流和物质输运子系统间，以ADI方法计算水流场而产生的可允许水位误差，造成物质输运模拟时水流量不严格守恒，导致物质输运计算误差积累放大。提出水位水量平衡修正模型，解决了子系统间计算模拟误差传递放大问题，避免了二维潮流物质输运模拟计算中非物理的物质含量增高现象发生。     

COHERENS模型的三维潮流及物质输运数值模拟

目前我国海州湾水域污染形势严峻,为了合理确定海州湾近岸水域的环境容量,对该水域进行潮流模拟及污染物质输运数值模拟显得极为迫切与必要.基于COHERENS模型对海州湾潮流及污染物输运进行模拟,并根据实测数据进行了验证,结果表明计算值和实测值误差较小,满足精度要求,可用于实际.通过模拟发现,这一海区几乎没有形成环流,这将有利于入海污染物质的输运,对该地区近岸海域的环境保护起到重要作用.     

时间步长及网格尺度对物质输运数值模拟结果的影响

采用二维平面水动力一传质数学模型模拟了明渠有限时间排放源的情况下,保守物质在水流中的输运过程。计算了不同时间步长及网格尺度情况下保守物质的浓度分布变化情况,得到了多组次的平行计算结果。数值模拟结果表明,保守物质投放后,随水流逐渐向下游推移,在对流稀释和扩散作用下,峰值浓度逐渐下降;在保证计算稳定性的前提下,计算结果对时间步长不敏感;网格尺度对计算结果的影响局限在一定的区域内,但其影响程度与范围远较时间步长变化的作用明显。     

黄河口泥沙输运三维数值模拟Ⅰ--黄河口切变锋

采用三维数学模型研究黄河口泥沙输运过程,并利用实测资料对模型进行了检验。数值模拟结果揭示了黄河口切变锋的时空运动过程及其对河口泥沙传输的作用。黄河口切变锋在涨、落潮时段存在两种不同的形态,分别历时2小时左右。切变锋在浅水区域产生,向深水区移动,经历2小时左右消失,它的产生是由于近岸区域与10 m深线以外区域的潮汐相位差所导致。切变锋对河口泥沙的向海传输有重要的阻隔作用,导致河口泥沙集中在切变锋的向岸一侧随落潮流向北侧传输,在涨潮时河口向海排沙量降低,少量泥沙随涨潮流沿岸向南传输。长期的地貌演化表明切变锋对河口的淤积和侵蚀分区有重要的控制作用,导致河口泥沙在其向岸一侧沉积,是长时间尺度的河口地貌演化对短时间尺度河口沉积动力过程的重要响应。     

九龙江口-厦门湾悬沙浓度及多岔口潮汐汊道泥沙输运的数值模拟

基于环境流体动力学模型(Environment Fluid Dynamic Code/EFDC)水动力和泥沙模块,该文针对九龙江口-厦门湾水域潮动力强、浅滩面积大的特点建立二维潮流泥沙数学模型并利用实测数据进行校验。模型精简适用,成功反演了该水域的水动力场和悬沙浓度场,并能正确反映浅水区域的水沙运动特征。结果表明:在潮流作用下,厦门湾水体中悬沙浓度由外向内递增,悬沙随着潮流的涨落在湾内外作中-长距离的往复运动。湾内特别是浅滩区,大潮期悬沙浓度大于小潮期且浓度随潮变化明显,小潮期悬沙场则较为稳定。采用抓斗式挖泥船(源强Q=7.5 t/h)在翔安东南侧浅滩疏浚作业对邻近保护区基本无影响,但翔安南部"五岔口"型潮汐汊道存在能远程输运近岸疏浚泥沙的"泥泵式"水动力场,促使形成环绕厦门岛东海域的带状悬沙分布,该文进一步揭示了形成该分布的水动力机制。增大疏浚强度可导致白海豚保护区被污染,悬沙带宽度增大,浓度上升。