[00335225]基于三维质点追踪模型的厦门海域水交换特征变化研究

1、研究目的和意义 本课题通过资料分析和数值模拟的方法,在变边界ECOM模型的基础上,添加拉格朗日质点追踪模型来研究厦门海域的水交换能力和水交换时空分布特征。并选取不同典型年代厦门海域的地形资料,借助Arcgis等软件研究地形变化对厦门海域水交换特征的响应,探讨水交换特征变化规律。 本研究针对厦门海域的水环境管理问题,建立厦门海域三维动边界质点追踪模型系统模拟厦门海域的水质点运动情况,评估计算不同海域的水交换时间,为厦门海域的水环境管理和调控提供基础支撑,促进厦门海域水文动力模拟和预测基础研究,为该区域海洋环境管理、环境保护和社会经济的可持续发展提供科学依据,可作为相关管理部门的决策工具,具有科学应用价值。 2、研究内容 本项目围绕所设定的研究目标,主要研究内容如下： ① 厦门海域三维变边界水动力模型建立 ② 拉格朗日质点追踪模型建立 ③ 厦门海域水交换时空分布特征研究 ④ 厦门海域水交换特征变化研究 3、主要研究成果 本项目基于ECOM模型,引入干湿网格变边界处理技术,建立了厦门海域的三维变边界潮流数值模型,模型模拟区域覆盖整个厦门海域,并采用实测潮流和潮位资料对模型验证验证,详细刻画了厦门海域三维潮流动态运动过程。潮位验证资料显示计算潮位和实测潮位符合良好,整个过程的相对误差在10%以内,可以基本反映厦门湾的潮位变化过程。潮流验证结果显示大部分测站模拟结果与实测值都比较吻合,表明该模型能够较好地模拟该区域的潮流运动变化,可为该项目研究提供水动力驱动。 在水力模型基础上,建立厦门海域拉格朗日质点追踪模型。拉格朗日质点追踪模型的优点在于：数值耗散的影响较小。粒子在海水中的运动主要是平流作用下的位移和湍流作用下的扩散的共同作用。因此,在模拟粒子的轨迹时,将每个粒子的运动看成是两部分的和。一是与潮流作用相关的跟随流体的对流运动,该过程可以通过确定性方法进行模拟;二是与湍流相关的快变化部分,将湍流视为随机流动,用随机性方法模拟粒子在水体中的扩散过程。 给定颗粒的初始位置P（x, y, t）,则经过时间步长t,颗粒的位置P（x, y, t+1）可表达为： 式（1） 在垂直方向上,粒子经过一个时间步长后的运动距离： 式（2） 式中： 、 和 --分别为 、 和σ方向的流速; 和 分别为 、 和σ方向由随机数生成器确定的随机数,其范围在[-1, 1]之间; 和 分别为水平方向和垂直方向的扩散系数,由水动力模型提供。 为定量衡量胶州湾的水交换能力,本研究引入净化时间和存留时间的概念来估算厦门湾水交换能力。定义净化时间为一个区域的水质点减少至原来质点e-1（37%）时所需要的时间（又称e折时间）。定义存留时间为：f质点离开研究区域所需要的时间”。将厦门海域分成五个区域九龙江河口海域、厦门西海域、厦门东南部海域、同安湾和大嶝海域。计算结果显示,厦门湾各海域中,厦门西海域的交换时间最大,同安湾海域交换时间次之,接着是九龙江河口海域,大嶝海域,交换能力最好的是厦门岛东南部海域。 本项目选取厦门海域1973年、1993年、2001年和2007年的遥感影像和海图,采用Argis软件分析厦门海域岸线地形变化情况,研究厦门海域水交换特征的变化规律。结果发现,大规模的围填海工程导致厦门海域海岸线发生变化,水交换能力减弱,海域环境容量急剧变化。西海域和同安湾的水交换能力相较于1973年,分别下降32%和20%左右。高集海堤开口工程（开口800m）对厦门西海域和同安湾的水交换起到了极大的改善工作,西海域的水交换周期明显缩短至越来的70%左右。研究结果显示,厦门人口急剧增加,社会经济迅猛发展,大规模的围填海和海洋工程建设是厦门海域水交换特征变化的主要驱动力。 本课题通过资料分析和数值模拟的方法,在变边界ECOM模型的基础上,添加拉格朗日质点追踪模型来研究厦门海域的水交换能力和水交换时空分布特征。该研究成果对于合理开发利用海洋资源,正确核算海域的环境容量,有效评估海洋工程对生态环境的影响,预防和治理环境污染都具有重要的学术意义和应用价值。 综上,项目研究达到了预期的研究目标和研究要求。 4、发表论文 ① 王翠,郭洲华,李青生. 基于Mike SA模型的厦门西港海域溢油数值模拟[J].应用海洋学学报,2014, 33（2）：229～235。 ② 李青生,蒋金龙,王翠*,等.厦门湾海域主要水环境污染物空间分异特征[J].海洋环境科学,2014,33（3）：372～377。 ③ 郭晓峰,王翠,陈楚汉,等.湄洲湾峰尾围垦工程施工期间海水悬浮泥沙输移扩散的数值模拟[J].应用海洋学学报,2014,33（1）：125～132。