溶解无机态营养盐在渤海沉积物-海水界面交换通量研究

了解无机态营养严在渤海沉积物-海水界面交换速率、通量基控制因素,于2002-08-06~08-24,应用船基沉积物培养方法,现场测定了硅酸盐(SiO3-Si)、磷酸盐(PO4-P)和溶解无机氮(DIN)在沉积物-海水界面上的交换速率(νN)和交换通量(FN)。结果显示,νSiO3-Si变化范围为2 220~4 317μmol.m-2.d-1,平均为3 466μmol.m-2.d-1,νPO4-P为0.4~77μmol.m-2.d-1,平均为39μmol.m-2.d-1,νDIN为667~2 167μmol.m-2.d-1,平均为1 308μmol.m-2.d-1,其中NH4-N和NO3-N的贡献分别为48%和47%左右。进一步分析表明,νSiO3-Si主要由溶解和扩散2个过程控制,前者决定于沉积物黏土矿物含量和含水率,后者决定于营养盐浓度和温度。νPO4-P主要由在以黏土为主的细颗粒和氢氧化铁上的吸附-解吸和扩散过程控制,前者分别决定于沉积物粒度和上覆水中DO浓度,而后者决定于间隙水与上覆水之间的浓度差。结果表明,FSiO3为2.59×1013mmol,FPO4为2.95×1011mmol,FDIN/SE为8.62×1012mmol。这样,为维持夏季渤海初级生产力,沉积物交换过程可提供大约65%的SiO3-Si、12%的PO4-P和22%的DIN,远远高于以河流径流为主的陆源排放。     

多种数字海洋地理环境信息的融合与可视化的局部实现

以潮汐、潮流和海浪数值的计算技术和数字海底地形模型的构造方法为基础,应用层次细节模型和三维渲染技术,完成了近岸海洋环境保障的多种数字海洋地理环境信息的融合与可视化的局部实现,为今后此领域的研究提供了理论和经验基础。     

Exact solution and approximate solution of irregular wave radiation stress for non-breaking wave

Wave radiation stress is the main driving force of wave-induced near-shore currents. It is directly related to the hydrodynamic characteristics of near-shore current whether the calculation of wave radiation stress is accurate or not. Irregular waves are more capable of reacting wave motion in the ocean compared to regular waves.Therefore, the calculation of the radiation stress under irregular waves will be more able to reflect the wave driving force in the actual near-shore current. Exact solution and approximate solution of the irregular wave radiation stress are derived in this paper and the two kinds of calculation methods are compared. On the basis of this, the experimental results are used to further verify the calculation of wave energy in the approximate calculation method. The results show that the approximate calculation method of irregular wave radiation stress has a good accuracy under the condition of narrow-band spectrum, which can save a lot of computing time, and thus improve the efficiency of calculation. However, the exact calculation method can more accurately reflect the fluctuation of radiation stress at each moment and each location.     

The influence of Stokes drift on oil spills: Sanchi oil spill case

Spilled oil floats and travels across the water’s surface under the influence of wind, currents, and wave action. Wave-induced Stokes drift is an important physical process that can affect surface water particles but that is currently absent from oil spill analyses. In this study, two methods are applied to determine the velocity of Stokes drift, the first calculates velocity from the wind-related formula based upon a one-dimensional frequency spectrum, while the second determines velocity directly from the wave model that was based on a two-dimensional spectrum. The experimental results of numerous models indicated that: (1) oil simulations that include the influence of Stokes drift are more accurate than that those do not; (2) for medium and long-term simulations longer than two days or more, Stokes drift is a significant factor that should not be ignored, and its magnitude can reach about 2% of the wind speed; (3) the velocity of Stokes drift is related to the wind but is not linear. Therefore, Stokes drift cannot simply be replaced or substituted by simply increasing the wind drift factor, which can cause errors in oil spill projections; (4) the Stokes drift velocity obtained from the two-dimensional wave spectrum makes the oil spill simulation more accurate.     

履带式深海采矿车软底质行走性能分析

海底底质的物理力学参数不同于陆地土壤,其极低的抗剪强度和承压强度对深海采矿车的行走性能提出高要求。分析基于车辆地面力学理论,开展了底质土力学特性试验研究,建立了深海底质力学模型。根据深海重载作业采矿车样机结构参数,在大型动力学仿真软件Recurdyn中建立了仿真模型。通过直线行走多体动力学仿真与直线行走海试试验的对比,验证了仿真模型的准确性。在此基础上开展了采矿车样机在深海软底质上的多种行走工况动力学仿真,分析与评价其行走性能。结果表明,采矿车样机可以顺利完成转弯、爬坡、越障等基本功能。该研究成果可为深海采矿车海底行走性能评估提供理论参考,为深海采矿车和软底质的相互作用力学研究提供借鉴。     

工程海域波浪特征分析方法比较

通过选取两个典型海外工程项目案例,分别采用波浪特征参数法和波浪谱法对工程海域波浪条件进行分析,并比较这两种方法在作业波浪条件、波浪特征认知程度上的差异,以及对海港水域平面布置产生的影响。对于波浪能量在频域及方向上存在多峰谱情况的海域,基于全谱的波浪特征参数系列数据有可能出现以下两种情况:1)主峰波向掩盖次峰波向;2)主峰波向错配次峰周期。对于上述两种情况,若仅采用波浪特征参数法对工程海域作业波浪条件进行分析,并指导海港水域平面布置,则极可能忽略或误判个别敏感波向、关键频域段的部分波浪能量,从而误导设计,为后续项目运营埋下隐患。对于以上情形,宜采用波浪谱法深入分析工程海域波浪能量在整个频域及各个方向上的详细分布及构成,并对关键波向、关键频域段的波浪能量进行量化,评估其对海港水域平面布置的影响,从而最大程度地避免由于波浪输入条件误判带来的风险。     

绿色海堤的沉积地貌与生态系统动力学原理: 研究综述*

绿色海堤是传统结构工程与海岸生态系统共同组合而成的新型海堤, 用以应对未来海面上升、风暴加剧给低地海岸防护带来的挑战。需解决的问题主要有海岸生态系统消浪过程及生态系统在海堤体系中的配置方式。理论分析、现场观测、物模数模所获结果表明, 海岸生态系统确有显著的消浪功能: 1) 陆架泥区消浪, 其机制以再悬浮和浮泥运动为主, 底部摩擦为次; 2) 潮滩下部的粉砂细砂滩底部摩擦和推移质运动共同造成波能耗散, 而上部的泥滩则以再悬浮和悬沙输运为主; 3) 在盐沼、红树林、海草床等由植被构成的生态系统, 植物通过形态阻力、茎秆运动来阻滞水流、耗散波能, 其效能高于沉积物床面对波能的耗散; 4) 生物礁主要有珊瑚礁和牡蛎礁, 其消能作用主要通过床面摩擦和波浪破碎, 效能较高, 尤其是在风暴期间。生态系统如何成为海堤的有机组成部分, 尤其是侵蚀型海岸的生态位修复和绿色海堤整体设计, 还需进一步研究相关的科学问题: 与硬质工程结合的盐沼-牡蛎礁的适应性生物学; 未来环境变化条件下生态系统的稳定性; 绿色海堤生态系统空间配置及其与风暴事件的时间尺度匹配; 基于均衡剖面理论的海堤形态优化。     

圆形数值波浪水池斜向和多向入射波浪模拟研究

为了研究斜向入射波浪,基于三维不可压缩两相流模型,开发了一套圆形数值波浪水池数值模型。在圆形波浪水池中,通过源项造波法成功生成了任意入射方向的波浪,并且利用人工摩擦项模拟阻尼区以数值耗散反射波浪。模型基于嵌入式多块网格体系,采用FVM法(finite volume method)离散Navier-Stokes方程,VOF法(volume of fluid)追踪自由水面。试验结果表明,斜向入射波浪的模拟结果与理论值基本一致,圆形波浪水池在模拟斜向入射波浪时,有效区域的面积较传统波浪水池显著增大,而且有效区域受波浪入射角度的影响也较小。同时,通过叠加多列斜向入射波浪,模拟出了多向交叉波列,并通过与理论结果对比,发现其具有较高的精度。     

多点液压式波浪能海水淡化系统建模与仿真

为缓解淡水资源短缺及化石能源过度使用问题,提出多点液压式波浪能海水淡化系统,该系统主要由采能装置、液压传递系统与反渗透膜海水淡化设备组成。系统的采能装置采用振荡浮子式,可将波浪能转换为浮子振荡从而被液压系统吸收达到采集波浪能的目的。为了提高液压式波浪能海水淡化系统的采能效率及淡水率,利用AMEsim软件对液压传递系统进行建模与仿真,分析了蓄能器、浮子个数及波高对液压传递系统输出响应的影响。结果表明:蓄能器能够使液压马达的输出响应更加稳定;当浮子的数量增加时,液压系统达到稳定的运行状态所需的时间更短,从而有利于提高系统的效率;波高在2 m左右时,本系统的产水量达到最大。     

海洋沉积物黏土矿物相对含量不同计算方法对比研究

海洋沉积物黏土矿物相对含量计算存在多种计算方法,并不统一,限制了异源黏土矿物的整合和使用。文章选取了两种较为常见的计算方法,即Biscaye和国标中规定的计算方法,分别对东印度洋109个表层样品黏土矿物的相对百分含量进行计算,分析对比了两种方法计算结果之间的差异。结果显示,两种计算方法结果存在显著正相关,都能显示黏土矿物分布的变化趋势,4种黏土矿物相关系数由高到底分别为:蒙皂石0.986、伊利石0.974、绿泥石0.924、高岭石0.923。相对于Biscaye计算方法,国标计算方法会增加伊利石和高岭石的相对百分含量而降低蒙皂石和绿泥石的相对百分含量。两种计算方法黏土矿物的含量相关性较好,可以建立起相互数学转换关系式。但在不同的海区,由于矿物成因、结晶程度以及混层矿物的出现可能会使衍射峰形态发生改变,从而相关性系数和转换关系也会相应发生改变。