胶州湾潮流场的示踪粒子数值模拟研究.pdf

《胶州湾潮流场的示踪粒子数值模拟研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第40卷第ll期2010年11月中国海洋大学学报PERIODICAL0F0CEANUNIVERSITY0FCHINA40(11)：29～034NOV．．20lO胶州湾潮流场的示踪粒子数值模拟研究。褚芹芹，李磊”，李培良(中国海洋大学物理海洋实验室，山东青岛266100)摘要：本文采用直角坐标系统，矩形网格技术，将ECX)MSED模式应用于胶州湾内粒子运动轨迹模拟试验。在ECOMSED模式三维水动力模块基础上，启用保守粒子的示踪模型，模拟粒子在湾内的运动轨迹。得到胶州湾排污口污染物在湾内表、中、底3层的运动路径，从而为排污口选址和陆源污染治理方案提供环境依据，以达到使

2、湾内及附近海域受污染最低的目的。通过模拟获得了胶州湾及其附近海域三维潮流水平与垂向分布结构，以及此海域的若干个流涡的水平分布状况。粒子示踪的模拟结果表明，粒子的运动轨迹与湾内流速流向相一致，即示踪粒子的运动轨迹与湾内流场有关，此外也受到粒子释放时刻的影响。高潮时释放的粒子更容易向湾外漂移，利于污染物的输运。关键词：胶州湾；潮流场；E(如MSED模式；水动力模块；粒子示踪模块；数值模拟中图法分类号：P731．2文献标志码：A文章编号：1672—5174(2010)ii一029—06胶州湾(见图1)位于山东半岛沿岸，是一个与黄海相通的半封闭海湾，以团岛头(36。0273

3、6”N，120。16’49”E)与薛家岛脚子石(36。00756”N，120。17’30”E)连线为界，周边有海泊河、李村河、墨水河、娄山河、板桥坊河等河流人海‘1

4、。图1青岛海域分布图Fig．1ThedistributionofseaareaofQingdao数值模拟是研究海洋的重要的手段，虽然胶州湾的数值模拟工作取得了一定的进展，但研究的目的不同，模型的功能也不同。本文拟利用ECOMSED模式，采用直角坐标系统，矩形网格技术，在该模式三维水动力模块的基础上，用粒子示踪模型模拟胶州湾内粒子运动轨迹，以得到胶州湾排污口污染物在湾内的运动路径，从而对排污口选址给出建议

5、，以达到使湾内及附近海域受污染最低的目的。关于ECOMSED模式，国内已有很多研究。一般利用ECOMSED的专门用于浅水环境(河流、海湾、河口和近岸以及水库和湖泊)的版本EC()M进行模拟实验。例如ECOM被用于胶州湾三维潮汐、潮流数值模拟[2巧]，模拟结果与观测资料符合较好，并获得了三维潮流水平与垂直分布结构、及若干个潮致余流涡的水平分布状况。张越美等∞J将ECOM模式引入干湿网格法开发了变边界潮流数值模式，使胶州湾潮流数值模拟更符合物理实际。ECOMSED中的粒子追踪模块，利用了示踪粒子与可溶粒子一样适用的保守质量输运方程去决定粒子的运动。Zhangc7]将数值

6、解与解析解做了比较，证明该模块是可行的。国内已有研究者将该模块运用于胶州湾的研究中，如万修全等∞]利用该模块模拟了胶州湾化学耗氧量(COD)浓度扩散状况，得到了COD在1个潮周期的平均浓度分布及1个潮周期内高潮时和低潮时的COD分布状况，其模拟结果与调查结果基本相符。1ECOMSED模型介绍ECoMSED研究起源于1980年代中期POM(PrincetonOceanModel)的产生，包括的模块有：水动力模块(详见文献[83)、泥沙输运模块、风驱波浪模块、热通量模块和粒子示踪模块。以下详细介绍其中的中性漂浮物粒子示踪模块n引。1．1中性漂浮物粒子示踪模块为获得胶州湾

7、内粒子的运动轨迹，在三维水动力·基金项目：国家高技术研究发展计划项目(2007AA06A403)资助收稿日期：2009—07—06；修订日期：2010-04—16作者简介：褚芹芹(1986一)，女，硕士生。从事近海数值模拟及海啸数值模拟研究。E-mail：Celer0809@OUC．edu．ca··通讯作者：E‘nail：lilei@OUC．edtLca30中国海洋大学学报模块的基础上，加入粒子示踪模块，该模块可以模拟由不同位置释放入水域中的离散粒子(这些粒子是中性浮游或保守的)轨迹。使用拉格朗F{技术来计算粒子的平流输运，用随机游动程序来模拟湍流扩散的影响。粒子示

8、踪模块可以用来模拟浮油漂溢或研究漂浮目标的轨迹。粒子可以以变化的速率释放自不同的位置，每个释放的粒子都与释放的时间和位置相联系。这在数据分析中是十分有用的信息。关于粒子示踪模块的完整理论描述和数值模拟方法详见文献E7-1。1．1．1粒子示踪模块原理根据迪穆和亚当斯1993年提出的1个随机游动粒子示踪方法，可以计算出粒子的位移。将粒子位移作为1个平流输运的确定成分和1个独立随机，在统计上接近海洋环境传播特性的马尔科夫过程成分的叠加。所涉及的平流输运和马氏成分应以适当的条件出现在守恒方程中，这就要求粒子的分布应与求解守恒方程得到的浓度分布相一致‘8I。在三维环境下，