近70年胶州湾水动力变化的数值模拟研究

采用无结构三角形网格海洋模式FVCOM,基于胶州湾不同年代的岸线和水深地形条件,建立胶州湾及其邻近海域各年代的三维潮汐潮流数值模型,从数值模拟角度分析和比较胶州湾不同年代纳潮量、潮汐潮流、水交换率等水动力参数的变化。结果表明:随着胶州湾水域总面积不断缩小,纳潮量在逐渐减小,2008年全湾的纳潮量相对于1935年减少了31.5%,约合3.9×108 m3;海湾流场结构变化很小,流速呈减小趋势;胶州湾欧拉余流"团团转"的多涡结构基本保持不变,最大值都发生在团岛附近;海湾的水交换能力趋弱,对整个胶州湾水体的半交换时间进行海湾平均,不同年代5套岸线下海湾的水体半交换时间分别是37.0 d,36.7 d,39.2 d,39.7 d和40.8 d。     

涨落潮历时时间不等显著海区的水位改正问题

在涨潮、落潮历时时间不等显著的特殊海区实施水深测量水位改正,不合理的计算潮时差将与实际产生明显差异。分析了涨落潮历时时间不等产生的原因,推导了涨落潮历时时间的近似计算公式,为保证水深测量成果质量,提出了在类似海区应逐日分别计算涨潮和落潮时段的潮时差以实施较合理水位改正。     

跨海大桥建设对胶州湾北部冬季结冰现象的影响

本文利用台站观测、卫星遥感以及专项调查等多种数据,综合分析了近年来胶州湾典型水文气象要素的变化特征及建桥前后水动力环境等的变化对冬季冰情的影响。结果显示,建桥以来冰情较重的年份冬季气温和年最低气温均处于近30年的低位,重冰期与年最低气温时段相吻合,且以跨海大桥为界,北部海湾结冰现象严重,而南部几乎无结冰。基于区域海洋水动力模型(ECOM)的模拟结果显示,跨海大桥建设可以从几个方面影响胶州湾北部海冰的生消,即大桥建设使胶州湾尤其是大桥北侧的水动力环境弱化,落潮时桥北侧水体堆积,涨潮时桥北侧向陆一侧水位减小;大桥对桥位南北1.5 km周围涨、落潮流场产生影响;流场的变化又使得悬浮物对流扩散和沉积物输运发生改变,大桥北侧局部区域水深变浅。     

鳌江口江南围垦对径流下泄及余流的影响

利用Delft3d 模拟了鳌江口江南围垦工程对邻近海域的水动力影响,从工程前后的枯、洪水期的纳潮量、水位、流 速过程及余流4 个角度分析讨论围垦对该水域的泄洪及余流的影响。工程导致河口过水断面减小,淤使深泓线涨落潮流速有 着不同程度的增大;于洪峰影响时,河口水位壅高,低潮位上升显著,影响河水下泄,易引发内涝,并导致涨潮历时缩短、 落潮历时延长;盂余流受工程影响较大,工程使余流指向河口上游,余流值增大近一倍,而径流削弱了这种影响。榆工程 后,河口断面涨落潮潮量继续保持基本平衡,洪水影响时落潮潮量略大于涨潮潮量。     

丁字湾规划对其水动力与纳潮量影响研究

丁字湾的规划会对丁字湾内水动力和纳潮量有影响,从而影响着丁字湾与外海的水交换,影响丁字湾内水质与生态环境。本文利用二维潮波运动方程建立了崂山头至古龙咀以西海域潮流数值计算模式,数值模拟了规划实施前后丁字湾内水动力和纳潮量的变化,数值模拟结果表明:丁字湾规划实施后,整个规划范围内大部分区域流速增大,尤其丁字湾中央水道流速增大明显,涨潮时,丁字湾湾口附近水道流速增量最大,在0.48m/s以上,落潮时马河港大桥处的流速增量最大,在0.54m/s以上。湾外流速变化不大。丁字湾内纳潮量增大了42%(海即大桥连线)、33%(丁字嘴—栲栳岛连线),丁字湾规划大大改善了丁字湾的水动力,增加了丁字湾内纳潮量。规划有利于丁字湾与外海的水交换和湾内水质与生态环境的改善。     

罗源湾海水交换三维数值模拟

利用ECOMSED模式中的示踪粒子三维追踪模块分析罗源湾的水交换情况。结果表明,水交换能力的强弱与纳潮量的大小成正比。这里分析湾内水逗留期的空间分布,然后根据湾水存留期的不同将湾内划分为4个地区。进一步的研究表明不同海区湾水逗留期的差异主要是由欧拉余流场的结构差异造成的。由于风场可以影响当地的海流,因此不同的风场也会影响水交换能力。本文结果表明西南方向的风有利于水交换;而作为罗源湾全年主导风向的东北风,在平均风速的情况下,却阻碍了湾内水体的交换。本文还发现在不同投放时刻水交换能力的不同。初始投放时刻的不同对质点总数的减少速度有较明显的影响,高潮时和落潮中间时投放的质点数要比涨潮中间时和低潮时投放的质点数减少得快。罗源湾水交换能力的垂直分布不是均匀的:表层交换率较快,底层较慢,整个海域的交换能力与中层的相当。     

围填海工程对半封闭海湾水动力环境的影响

为研究围填海工程对海湾水动力环境的影响,本文基于二维数值模型MIKE21,建立了东山湾附近海域的潮流模型。对比观测数据发现,大潮期间的最高、最低潮位模拟误差在6 cm以内,小潮期间的误差相对较大;流速和流向的模拟误差在9%左右,最大误差出现在转流时刻;总体来看,模拟结果与观测数据吻合良好。在此模型基础上,研究了东山湾围填海前、后潮流动力、水体半交换时间和纳潮量等水动力要素的变化。结果表明:围填海后大范围的涨落流态与围填海前保持一致,大体上仍然呈现S-N走向,涨潮流偏N向,落潮流偏S向,往复流特征较为明显;从局部流场来看,涨落潮流场发生了一定的变化,围填海区域南、北两侧的流矢变化较为明显,涨潮流矢由偏N向改为偏E向,而落潮流矢由偏S向改为偏W向,同时受到围填海区域岸线的遮蔽效应,围填海南、北两侧水域的流速也有一定减弱,而西侧的流速则有一定增强;围填海实施前的水体半交换时间为220.5h,实施后时间为239.4 h;纳潮量变化为–2.5%左右。研究表明,围填海工程对东山湾水动力环境的影响主要集中在工程区域附近,其对泥沙冲淤、生态环境等的影响将在后续研究中进一步探讨。     

钱塘江河势变迁与径潮流相互作用研究

基于平面二维水沙床耦合地貌模型,反演了1958年1月至1964年12月连续枯水年期间钱塘江尖山河段的主槽摆动过程,揭示了河势由顺直到弯曲的主要演变规律和内在机制.结果表明,在低径流和强潮流作用下,丰水年形成的北部落潮槽逐渐淤积形成浅滩,南部涨潮槽冲刷发展形成南、北两支,两槽间江心滩发育壮大,形成弯曲河势.河床冲淤主要集中在前两年内,潮汐周期内涨潮初期冲刷、涨憩和落潮初期淤积,区域淤积泥沙主要来源于下游杭州湾,北槽前期淤积为落潮型淤积,后期为涨潮型淤积.河势变化使得区域潮差增大潮动力增强,南槽涨落潮流速显著增大.顺直河势下,江心滩南北两侧分流比差异不大,涨潮期间南侧略高、落潮期间北槽略高.弯曲河势下,南槽水深和纳潮量增加,涨、落潮分流比均显著增大至75％以上.     

花场湾水交换能力计算与研究

花场湾为海南岛北部的一个半封闭海湾,随着周边工程的建设,湾内水质有所恶化。基于MIKE21软件建立了花场湾海域的二维水动力数值模型,对花场湾的纳潮量及水交换特征进行了研究,模型结果与实测数据吻合较好。结果表明:纳潮量占花场湾固有水容量的比例较大,说明花场湾受湾外水动力影响较为显著,具有良好的水交换特性,利于污染物的扩散。然后采用保守物质扩散方法来定量分析花场湾的水交换周期,得到花场湾的半交换周期大约为3 d,15 d后基本完成了全部水交换,保守物质浓度随涨落潮过程呈现波动变化。该研究为花场湾的环境保护提供了科学依据。     

三沙湾潮滩涨落潮和大小潮冲淤特征及其动力机制

潮滩不同尺度的变化规律一直是地表过程研究的核心之一。利用声学多普勒流速仪（ADV）、温盐深（CTD）、光学后向散射浊度计（OBS）对三沙湾潮滩涨落潮和大小潮冲淤及动力变化进行了高精度的观测。结果发现,潮周期内,潮滩冲淤呈现涨潮初期冲刷-落潮末期淤积-中间时段稳定的特征,涨潮初期水深<1 m的30 min内平均冲刷4.05 mm,落潮末期水深<1 m的30 min内平均淤积3.72 mm,中间时段动态稳定;大小潮周期内,呈现中潮到小潮平均淤积3.4 mm,小潮到大潮平均冲刷8.2 mm的特征。通过流速、紊动能、水深、悬沙浓度等因子与冲淤的相关性分析发现,潮周期内,流速和紊动能的增减决定涨潮初期冲刷和落潮末期淤积的变化;大小潮周期内,涨潮冲刷大于落潮淤积的特性决定了大潮到小潮阶段的冲刷,涨潮冲刷小于落潮淤积决定了小潮到大潮阶段的淤积。涨落潮周期和大小潮潮周期的冲淤机制为潮滩动力地貌和动力沉积学研究提供了一定的参考。     

利用海图数据与卫星影像计算海湾纳潮量——以胶州湾为例

以胶州湾为例,尝试获取胶州湾的三维地形,并利用海湾高、低潮所容纳的海水体积之差计算海湾纳潮量。计算结果表明:胶州湾1992年纳潮量为9.8×108 m3,2005年胶州湾纳潮量为8.9×108 m3,胶州湾纳潮能力下降0.9×108 m3。     

东海大堤对湛江湾水动力环境影响的研究

在湛江附近海域建立了三维动边界水动力模型,通过验证,结果与观测数据符合良好,并在此模型基础上分别模拟计算了湛江东海岛填海大堤现状以及1958年大堤修建之前湛江海域的水动力场,通过两种情况下的流场、潮位、纳潮量以及水交换率的比较,分析了东海岛大堤的存在对湛江湾水动力环境的影响。     

一维水动力模型在河口潮流推算中的应用

针对河口地区潮流特点,建立了潮流量推算一维水动力数学模型。该模型将Sa in t-V enan t方程组进行求解,并根据涨、落潮流的水动力特性,分别进行涨、落潮糙率率定,准确计算出逐时段河道各断面的水位和流量。应用该模型对宁波三江口地区的潮流量进行推算,结果表明,计算的潮流量与该地区实测的潮流量吻合得较好。     

岸线变迁对大连湾内湾海域纳潮量的影响

根据海图资料统计了1979年、1988年、1998年和2009年大连湾及3个内湾岸线和海域面积变化情况,并运用MIKE21软件建立这4年的潮流场模型。然后,基于潮流场数值模拟的数据计算了1979年和2009年大连湾及3个内湾动态纳潮量,并与用潮差和面积计算的静态纳潮量比较,明确对于水位与潮滩面积关系复杂、海域面积较小的海湾应选用动态纳潮量方法。最后,计算了1988年和1998年3个内湾的动态纳潮量,发现近30年间的围填海工程使得大连湾纳潮量减少15%,3个内湾纳潮量均减少50%。     

流沙湾海域潮汐潮流的三维数值模拟和海域环境容量研究

将改进的干湿网格技术引入到POM模型中,通过坐标变换,合理安排计算区域,对流沙湾海域的三维潮流场进行了数值模拟.模拟结果与实测数据吻合较好.模拟结果表明:流沙湾海域属正规日潮,潮流运动是带有旋转流的往复流运动;涨潮历时大于落潮历时;落潮流速大于涨潮流速;余流较强,基本指向外港.采用垂向平均的水平二维对流扩散方程来模拟流沙湾污染物的浓度变化.结果表明:在Ⅱ类国家海水水质标准的要求下,流沙湾COD的环境容量约为906吨/年,交换率为78％;无机氮约为105吨/年,交换率为97％;活性磷酸盐约为11吨/年,交换率为97％.整个流沙湾海域水环境质量很好,海水自净能力强,对各种污染物的交换能力强.结合水质、水动力和容量计算结果,可以认为流沙湾海域水质属较贫营养类型,虽然较大的剩余环境容量是我们所希望的,然而结合具体养殖对象看,流沙湾海域低含量的氮、磷营养盐反而在一定程度上制约了流沙湾养殖业的健康发展.因此,环境管理不仅要考虑环境容量,还应结合具体海域使用特点进行合理规划,以促进海域生态健康发展.     

围海造地对天津港附近海域三维潮流场影响的数值模拟研究

近年来,渤海湾实施了围海造地工程,岸线的改变会影响渤海湾水动力特征。利用验证后的三维潮流数学模型ROMS对2003和2010年天津港附近海域潮流场进行了模拟,在此基础上,探讨了天津港附近海域的潮流特征、潮流的分层特点和围海造地引起的潮流场变化情况。结果表明:东疆港东北部与汉沽之间海域涨潮流速减小0.1~0.18m/s,落潮流速减小0.1~0.15m/s,南疆港北部海域涨潮流速减小0.05~0.1m/s,落潮流速减小0.05~0.1m/s,临港工业区附近海域涨潮流速减小0.1~0.18m/s,落潮流速减小0.1~0.15m/s,南港附近海域涨潮流速减小0.1~0.15m/s,落潮流速减小0.1~0.15m/s。     

广西近岸海域潮流数值模拟

采用有限元三角形网格的分步杂交方法,建立了广西近岸海域的二维潮流数值模型,计算值与实测资料符合较好。采用主要分潮组合输入,模拟了研究海域的平均潮潮流场。模拟结果表明:涨急时,潮流向为东北方向,最大涨潮流速为74cm/s左右;落急时,潮流向为西南方向,最大落潮流速约100cm/s,落潮流速大于涨潮流速。近岸区域潮流为往复流,离岸边越远潮流越接近旋转流。     

围填海累积效应对钦州湾水动力环境的影响

根据海图资料和卫星影像,确定了钦州湾2004年与2019年两个历史时期的岸线与水深。基于无结构网格有限体积海洋模型建立高精度的水动力模型,分析了近15年来围填海工程的累积效应对钦州湾水动力环境的影响。结果表明:地形与岸线的改变使得钦州湾外湾潮汐振幅减小、茅尾海内潮汐振幅增加;潮流场改变明显,外湾中部流速普遍增加,围填区域潮流减弱明显,但潮流性质未改变,依然为落潮占优;钦州湾纳潮量有所减小,主要发生在外湾区域;而余流减弱,并且出现涡旋,这不利于水体的向外扩散。通过染色实验发现,钦州湾水体半交换周期在有无径流的情况下都明显增长,且在围填海区域水交换能力显著下降。     

胶州湾海域潮流动力特征及其与含沙量的关系

根据2009年胶州湾海域的悬沙、流速、流向的实测资料,应用短期资料的潮流准调和分析方法,对连续海流资料进行了分析,并结合悬沙资料,对含沙量与潮流之间动力关系进行了探讨。研究结果表明:该海域潮流属于正规半日潮流性质,半日分潮流的东分量大于北分量,潮流以带有旋转性质的往复流为主,涨潮流流向偏西,落潮流流向偏东。胶州湾内含沙量分布特征与海底沉积物粒径特征基本一致。含沙量在涨落潮的交替和流速的更迭作用下出现明显的周期性变化,含沙量的峰值基本与海域半日潮流特点相对应,几乎每1个流速峰值对应1个含沙量的峰值,含沙量的峰值一般出现在流速峰值之后。胶州湾口处流速和单宽输沙量都为最大,涨潮单宽输沙量大于落潮单宽输沙量,输沙方向为偏西向。     

舟山群岛附近海域三维水动力数值模拟

利用ECOM模型模拟了舟山群岛附近海域流场和三维水动力特征,研究综合考虑了长江、钱塘江径流以及垂向温盐变化引起的斜压效应。考虑到实际岛屿形状和海底地形,平面采用直角坐标系,垂向采用σ坐标系,使垂向沿水深的分层更趋合理。通过多个验潮站的调和常数和实测海流资料的验证,计算结果与实测结果符合良好。结果显示,舟山群岛附近海域潮汐日不等现象显著,高高潮与低高潮的潮位差值为41～77cm,至杭州湾内最大差值可达109cm;潮流日不等现象不明显,两次最大涨潮流速差值为0．5～20cm／s,平均流速差为4．9cm／s;两次最大落潮流速差值为0．5～23cm／s,平均流速差为7．3cm／s,且底层差值大于上层差值,说明研究区属于不正规半日潮汐、正规半日潮流海区。本海区最大涨潮平均流速为120～213cm／s,最大落潮平均流速在105～182cm／s之间,基本以舟山群岛为界,东侧涨潮流速大于落潮流速,西侧落潮流速大于涨潮流速。数值模拟结果基本上体现了舟山群岛附近海域的潮流场状况。