基于随机游动模型的铁山港水交换的数值模拟.doc

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1、基于随机游动模型的铁山港水交换的数值模拟王丽娜1，潘伟然收稿日期：2013-09-16基金项目：海洋公益性行业科研专项经费资助项目(2010418012)；福建省科技计划重点项目(2010Y0064）*通信作者：panwr00@sina.com,2*，骆智斌1,2，张国荣1,2，陶小琴1，郑艺妃1(1.厦门大学海洋与地球学院，2.福建省海陆界面生态环境重点实验室(厦门大学)，福建厦门361102)摘要：采用三维浅海水动力模型和粒子随机游动模型，模拟了铁山港潮汐、潮流场，分析了湾内水体平均驻留时间的时空特征和物质迁移特

2、征。研究结果表明，铁山港海水交换主要受潮汐控制，上层海水与湾外水交换率大，平均驻留时间为9.84d，下层海水为25.17d；腹大口小的海湾内湾顶水交换较慢，湾口和湾中水交换较快；落潮期水体交换速度明显快于涨潮期。采用单点中性粒子追踪公馆河入海处等5个较典型位置水体的运动轨迹，结果表明北暮-营盘附近口门海域和石头埠沿岸水交换活跃，利于水体物理自净扩散；湾顶、白沙河和沙田均水交换缓慢，容易造成物质的沿岸堆积。关键词：铁山港；三维数值；随机游动；水体交换；驻留时间中图分类号：P731.26铁山港地处北部湾东北部顶端，毗邻广

3、东省英罗港。港湾呈鹿角状，湾口朝南，呈喇叭状敞开与北部湾相通，口门宽约32km。该湾水域南北长约40km，海湾面积340km²，其中滩涂面积约占海湾总面积的50%。湾内掩护良好，无大的河流注入，两岸多为开阔平坦的台地，滩涂资源和港口资源丰富。随着北部湾经济的快速发展，铁山港被列为重点港口开发区和临海工业发展基地。港口的开发建设对港域的水动力条件和水域环境容量产生一定的影响，每年排放入湾的生活污水和工业污水有增无减，湾内水质受到了不同程度的影响。因此，研究铁山港湾的水交换机制，认识港湾的物质输送与扩散规律，对铁山港湾的

4、环境治理和污染控制、合理开发利用海湾资源具有重要的指导意义。海湾水交换能力的研究方法，有箱式模型[1-2]、基于保守物质盐度特征分布[3]或放射性示踪物质浓度分布的对流-扩散模型[4-7]、标志质点的拉格朗日粒子追踪模型等等。拉格朗日粒子追踪模型跟随流体质点研究其动力特征，能够更直观更准确地描述水体的迁移和交换特性，因此广泛用于水交换的研究中。早期的粒子追踪模型忽略了扩散过程，在近岸弱流区往往低估了海水的水交换能力。随机游动模型根据湍动扩散的拉格朗日的方法，在模拟质点的运动时既包括了粒子的对流输运，又包括了由随机位移

5、表示的湍动扩散，比粒子追踪更能真实地反映水体的交换情况。Dimou等[8]建立了水深平均的二维随机游动粒子追踪模型，模拟充分混合的河口海湾地区的输运过程，并对浓度分布和驻留时间进行了验证，结果符合良好。Bilgili等[9]应用随机游动模型模拟了Great河口湾及其近岸海域各分区水体输运，较好地阐释了各分区间水交换差异和特征。目前，国内外对于铁山港水交换的研究相对很少，既往研究主要从环境与生物的分布变化说明水体自净能力对生态和环境的影响[10,11]。蒋昌波[12]利用二维对流扩散方程，计算水体指标物质的浓度变化进而

6、估算铁山港海水的半交换期，从物理角度初步分析了铁山港建港前后水交换能力的差异。本文采用基于拉格朗日粒子追踪法的随机游动模型，研究区域锁定在石头埠南岸以北海域，将湾内分为3个子区域。通过计算港湾整体和各子区域的水体平均驻留时间和水体交换率，进一步分析各子区域水体交换能力的水平和垂直差异以及不同潮时对水交换能力的影响，更加细致地描述铁山港水体交换的三维分布特征和时间的微观变化。1模型及方法介绍每一随机步长内，粒子的速度都是由平均流速和随机速度构成的，其中平均流速由水动力模型给出，而随机流速则由随机游动模型模拟而得。通过三

7、维水动力模型和随机游动模型的联立-耦合，计算得出铁山湾水交换率。1.1水动力数学模型利用浅海三维动力模型，实现铁山港三维流场的数值模拟。模型在垂直方向上以固定水深分层，潮间带处理采用干/湿网格技术。在计算中采用Mellor-Yamada紊流模型[13-14]和半隐式差分格式。模型以平均海平面作为x-y平面，z取垂直向上为正，通过Boussinesq近似和静水压强假定，得到不可压缩流体的控制方程如下。连续性方程：，（1）水平方向动量方程：，（2）Z方向动量方程：,（3）利用自由表面运动学边界条件计算水位场：,（4）压力

8、场计算：,（5）温度场计算：,（6）盐度场计算：,（7）密度场计算：,（8）各式中，分别为方向的流速，为水位，为当地静水深，为标准大气压，为温度，为盐度，为柯氏力参数，为压力，为海水密度标准值，为海水实际密度。分别为正压模式水平和垂直涡动粘性系数，分别为计算的水平与垂直方向的弥散系数。1.2随机游动模型随机游动模型由Bugliarello等[1