钦州湾水交换能力数值模拟研究

基于普林斯顿海洋模式（Princeton Ocean Model,POM）,以M₂、S₂、K₁、O₁、M₄和MS₄ 6个分潮为驱动,建立了包含漫滩处理的高分辨率钦州湾水动力模式。与现场观测的数据对比表明,该模式能较好地刻画钦州湾的水动力特征。在此基础上建立了水质模型,模拟钦州湾的水交换过程。模拟结果表明:钦州湾水交换能力整体上较强,整个湾平均的水体半交换时间约为18 d,水体平均存留时间为45 d。空间分布上,钦州保税港区以南海域水交换能力最强,半交换时间小于1 d;沿着水道向北,水交换能力逐渐减弱;茅尾海中部半交换时间为26~28 d;茅尾海的东、西、北3个部分存在水交换滞缓区,半交换时间超过50 d。数值实验表明,采用漫滩技术对准确模拟钦州湾潮流速度和水交换能力非常重要,不考虑漫滩过程会低估钦州湾的潮流速度和水体交换能力。水平扩散系数对流速及交换时间都有影响,但影响有限。     

铁山湾建港前后水体交换能力的数值模拟

铁山湾是北部湾东北部较大的海湾,水深条件好,可用岸线长。为研究铁山湾建港工程前后湾内的水体交换能力,文章建立了平面二维的水动力模型以及平面二维对流—扩散模型,率定后水动力学模型模拟结果与实测结果吻合良好。运用二维对流—扩散模型计算了湾内不同区域的水体半交换时间,模拟结果表明：铁山湾的水体交换能力较强,工程前水体半交换时间为129天,海域的水体交换能力主要受铁山湾潮汐作用的影响。铁山湾潮汐作用较强,潮差较大,且铁山湾口门开阔,这都为铁山湾的水体交换提供了良好的条件。工程后铁山湾水体半交换时间为142天,工程前后铁山湾水体半交换时间仅相差13天,说明工程方案对铁山湾水体交换能力无重大影响。     

象山港水交换数值研究 Ⅱ.模型应用和水交换研究

使用水平二维对流－扩散型水交换模式模拟研究了象山港的水交换,对不同区域的水交换控制机理作了初步探讨,象山港水交换状况与其控制机制的区域性变化很大。牛鼻水道至佛渡水道是一个潮流较强的潮通道;９０％水交换周期为５天左右。象山港狭湾内水交换周期较长,湾顶处９０％水交换的周期约为８０天左右。     

乐清湾水交换特征研究

采用EFDC模式模拟研究了乐清湾水交换的三维过程和时空变化特征,并通过计算水示踪剂质量浓度分析水体置换过程。结果表明,乐清湾水交换主要是由鹿西岛两侧流入的外海水体与湾内水体的交换,以及乐清湾口门西侧附近的湾内水体与瓯江北口径流冲淡水之间的交换。从口门到湾顶,水交换能力差别较大。以最窄的连屿至打水山断面为界,以南水体1个月基本可以完全交换,而以北水体2个月后仍然无法交换至湾口水平。连屿至打水山断面以北地形复杂,岛屿较多,污染物主要通过岛屿间的潮汐汊道输运,断面的瓶颈效应也使得断面以北的水体交换能力稍弱。在口门附近90%以上的水体被外海置换所需时间不到5 d,而此时湾顶水质未有太大改变;15 d左右,80%湾内水体被外海水置换;90%湾内水体被置换仅需40 d;70 d时的水体置换率达97%。     

湾口建闸海湾水体交换及景观水位数值模拟

大幅度的潮位变动对近岸景观和亲水性有较大影响,为此往往在湾口建闸控制湾内潮位变动,通过设置景观水位改善以上问题,但这将带来湾内的水动力及水体交换条件下降。本研究以马銮湾为例通过潮流数学模型模拟,研究湾口开闸孔数、开闸位置及不同景观水位与湾内水动力和水体交换的关系。利用湾口闸门调度,在湾内形成大尺度环流提高水体交换效率,对马銮湾景观水位和闸门调度方式提出了建议,有效地解决了湾内潮差减小引起水体交换效率减低的问题。     

象山港盐度分布和水体混合I.盐度分布和环流结构

利用１９８１—１９９０年的实测水文资料分析了象山港与混合密切相关的盐度分布和环流结构,并对盐度锋面出现成因进行了探讨。研究结果表明,象山港盐度受长江冲淡水活动影响较大,冬、夏口门附近盐度分别为２４—２５左右和３１以上,湾顶附近盐度季节变化不大。冬季湾内盐度空间梯度较小。夏季湾内有两个盐度锋面出现,水体垂向略有层化但并无明显的跃层出现。此外,象山港狭湾内以重力环流为主,狭湾外以水平环流为主。     

象山港盐度分布和水体混合Ⅰ. 盐度分布和环流结构

利用９８１－１９９０年的实测水文资料分析了象山港与混合密切相关的盐度分布和环流结构,并对盐度锋面出现成因进行了探讨。研究结果表明,象山港盐度受长江冲淡水活动影响较大,冬、复口门附近盐度分别为２４－２５左右和３１以上,湾顶附近盐度季节变化不大。冬季湾内盐度空间梯度较小。夏季湾内有两个盐度锋面出现,水体垂向略有层化但并无明显的跃层出现。此外,象山港狭湾内以重力环流为主,狭湾外水平环流为主。     

影响坦帕湾水交换的三种因素

本文利用高分辨率数值模型,以2001年秋季为例,详细分析了影响坦帕湾水交换的三种因素:潮汐、河流和风。论文共设置了三组实验,驱动力分别为潮汐,潮汐和河流,潮汐、河流和风。模拟结果显示:只有潮汐作用时,由于坦帕湾潮汐较弱,潮程较短,坦帕湾与其临近海域的水交换主要发生在湾口附近;当潮汐和河流共同作用时,由于河流和湾口海水盐度的不同形成了水平密度梯度,在其产生的水平密度梯度力的作用下,坦帕湾形成了表层流向湾外、底层流向湾内的重力环流,从而加强了坦帕湾跟其临近海域的水交换;由湾内指向湾外方向(2001年秋季平均)的风应力加强了流向湾外的表层流,同时水位梯度力发生了反转,变成了由湾口指向湾顶,这加强了流向湾内的底层流,表层流和底层流的加强最终促进了坦帕湾跟其临近海域的水交换;在航道处,水深较深瑞利数较大,该处的重力环流较强,这使得相对于两侧的浅水区,航道处的水交换能力较强。此外,文章还分析了坦帕湾水交换的空间差异,在Old Tampa Bay的西侧和北侧,滞留时间最长,水交换能力最弱。为减少海洋生态灾害发生,今后应重点加强对该地区的生态环境保护。     

丁字湾物质输运及水交换能力研究

通过建立丁字湾三维潮流模式、污染物输运模式计算了该湾 COD浓度分布 ,定量分析了丁字湾的水交换能力 ,较为精确地计算出丁字湾内水交换率和水交换半更换期的空间分布。计算结果表明 ,当湾中部水交换 50 %时 ,湾口水交换达 80 % ,湾底仅为 2 0 %～ 40 % ;丁字湾湾口的半更换期为 1～ 5d,湾中部为 1 8～ 2 0 d,湾顶为 2 4～ 32 d。     

象山港分区水交换数值研究

在验证良好的三维斜压潮流数学模型的基础上,将象山港划分成7个海区,以7种不同的溶解态保守性物质为示踪剂,建立对流-扩散型的海湾水交换数值模型,采用关联矩阵法来描述各区之间以及各区与外海之间的水交换特性。通过不同示踪剂的浓度分布,计算了15、30、45、60和80d的水交换矩阵。由各时刻水交换矩阵可知,在象山港的7个子区中与湾外水的水交换速度最快的为Ⅰ区,最慢的为Ⅶ区。Ⅲ区(西沪港)、Ⅵ区(黄墩港)和Ⅶ区(铁港)内水体与湾外海水之间的水交换速度缓慢,但与区域外水体之间的交换速度要明显快于其他几个海区。从水交换矩阵可以看出西沪港、黄墩港和3个内港之间相互交换的海水量很小。     

胶州湾水交换及湾口潮余流特征的数值研究

利用基于普林斯顿海洋模式建立的胶州湾及临近海域潮汐潮流数值模型,结合胶州湾口走航式声学多普勒海流剖面仪(ADCP)测流资料,研究了胶州湾口的潮(余)流特征,并在潮流模型的基础上耦合建立了水质模块,模拟了胶州湾的水交换过程。考虑M2,S2,K1,O1,M4和MS4六个主要分潮,胶州湾口潮流场的模拟与ADCP观测数据吻合较好。外湾口水道上的潮流非常强,大潮期间观测到201 cm/s的峰值流速。团岛岬角的两侧分别存在一个流向相反的余流涡旋,两涡旋在团岛附近辐合,形成了57 cm/s的离岸强余流。整个胶州湾平均水体存留时间为71 d,平均半交换时间为25 d。胶州湾水体交换能力在空间分布上有很大差异:湾口海域最强,向湾顶逐渐减弱。湾内存在两个弱交换区,分别位于湾的西-西南部和东北端,水体存留时间多超过80 d,湾西局部水域最长达120 d,而半交换时间也大多超过40 d。潮流场的结构、强度,以及与湾口距离的远近是造成湾内水交换能力空间差异的主要原因。     

A three-dimensional numerical study of river plume mixing processes in Otsuchi Bay,Japan

The three-dimensional numerical model SUNTANS is applied to investigate river plume mixing in Otsuchi Bay, an estuary located along the Sanriku Coast of Iwate, Japan. Results from numerical simulations with different idealized forcing scenarios (barotropic tide, baroclinic tide, and diurnal wind) are compared with field observations to diagnose dominant mixing mechanisms. Under the influence of combined barotropic, baroclinic and wind forcing, the model reproduces observed salinity profiles well and achieves a skill score of 0.94. In addition, the model forced by baroclinic internal tides reproduces observed cold-water intrusions in the bay, and barotropic tidal forcing reproduces observed salt wedge dynamics near the river mouths. Near these river mouths, vertically sheared flows are generated due to the interaction of river discharge and tidal elevations. River plume mixing is quantified using vertical salt flux and reveals that mixing near the vicinity of the river mouth, is primarily generated by the barotropic tidal forcing. A 10 ms^?1 strong diurnal breeze compared to a 5 ms^?1 weak breeze generates higher mixing in the bay. In contrast to the barotropic forcing, internal tidal (baroclinic) effects are the dominant mixing mechanisms away from the river mouths, particularly in the middle of the bay, where a narrow channel strengthens the flow speed. The mixing structure is horizontally asymmetric, with the middle and northern parts exhibiting stronger mixing than the southern part of the bay. This study identifies several mixing hot-spots within the bay and is of great importance for the coastal aquaculture system.     

Simulation of Pollutant Transport in Marmaris Bay

The circulation pattern and the pollutant transport in the Marmaris Bay are simulated by the developed three-dimensional baroclinic model. The Marmaris Bay is located at the Mediterranean Sea coast of Turkey. Since the sp ring tidal range is typically 20- 30 cm, the dominant forcing for the circulation and water exchange is due to the wind action. In the Marmaris Bay, there is sea outfall discharging directly into the bay. and that threats the bay water quality significantly. The current patterns in the vicinity of the outfall have been observed by tracking drogues which are moved by currents at different water depths. In the simulations of pollutant transport, the coliforms-counts is used as the tracer. The model provides realistic predictions for the circulation and pollutant transport in the Marmaris Bay. The transport model component predictions well agree with the results of a laboratory model study.     

象山港内三维动边界潮流的数值模拟

象山港是一具有广阔潮滩和大潮差区域的半封闭型海湾,进行数值模拟时必须引入动边界技术来考虑露漫滩的影响.在二维模式中引入动边界技术相对成熟一些,而将这些二维模式使用的露漫滩处理方法简单地搬入三维模式中,常遇到由于边界不连续变动而产生的数值"噪音"及计算不稳定现象.原始POM(Princeton ocean model)模型采用固定边界,没有使用动边界技术,故无法模拟漫滩流.借鉴BURCHARD et al 2004年的研究工作,在原始POM模型的基础上,突破其为固定边界模式的局限,基于尽量使模式物理上满足流动简化需要的原则,引入了一种较为自然的动边界处理技术,使得在非常浅水处和复杂的地形情况下,应用合理的数学表达式体现该物理过程.当总水深大于设定的临界水深时,体现的数学方程是通常形式的动量方程;而当总水深接近设定的最小允许水深时,模型的动量方程被简化为变化率、摩擦力和正压梯度等项之间的平衡关系,此时由于摩擦力占优,相应的流速也会趋于0,这样可以有效避免计算中出现负水深.除在非常浅水处对动量方程作简化外,对于陡坡地形附近的露漫滩问题,当发生一个网格点上的水位低于相邻格点海床的现象时,还需对正压梯度的求解作一个简单的数值处理,以避免不合理值的出现.此外,通过修改原始POM模型的底摩擦系数表达式,可使模型在模拟露漫滩过程时计算更加稳定.改进后的POM模型被用来模拟象山港海域内的三维潮流场,模型计算结果与2个潮位站、1个锚系站和2个船测连续站资料进行了比较,符合良好.整个模型很好地再现了象山港内大区域三维涨、落潮流特征和变化规律,同时象山港顶区域涨憩、落急、落憩和涨急4个特征时刻的流场水平和垂直分布变化过程反映该模型能很好地反映涨、落潮造成的潮间带的露漫滩过程,由此说明对原始POM模型所作的修改是十分有效和可行的,有利于进一步扩充POM模型的应用范围.     

象山港多年围填海工程对水动力影响的累积效应

由于土地资源开发和围塘养殖等需要,多年以来象山港实施了大量的围填海工程.单个的小面积围填海工程对海湾的影响并不大,但是在较长时间段内,多个围填海工程的累积效应却比较明显.本文在POM(Princeton Ocean Model)模型的基础上,利用动边界处理技术,针对1963,2003和2010年3个不同时期的岸线与地形...     

胶州湾水交换的数值研究

基于一个成熟的水动力模型ECOM（Estuary Coastal Ocean Model），对胶州湾潮波系统及其驱动下的标识质点运移规律进行数值模拟。将胶州湾划分为6个区域，定量研究了整个海湾水的存留时间和不同区域水的交换能力，并指出流场结构对湾内水交换起了决定性作用。研究结果表明，湾内两余流涡对质点运动起阻碍作用，使得流入余流涡对的质点很难流出；海湾水交换有赖于初始投放时刻；东岸区域质点运移规律表明，东岸排污对前海旅游区和西岸养殖区均无很大影响。