養(yǎng)殖海域水動(dòng)力及污染物遷移的數(shù)值模擬.pdf

1、我國(guó)北部地區(qū)養(yǎng)殖海域主要集中在遼寧省沿海，其以莊河養(yǎng)殖海域最具有代表性。莊河海域位于遼東半島沿海，東鄰丹東，西接大連，是一片典型的開敞性海域。該海區(qū)潮汐為不規(guī)則的半日潮，其中M2分潮占主要成分，潮流呈往復(fù)流性質(zhì)。目前莊河海域環(huán)境水質(zhì)面臨諸多問(wèn)題：一方面河口和近岸所排放的污染物質(zhì)過(guò)多，制約著海水養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展；另一方面養(yǎng)殖區(qū)的人工投餌一部分用于養(yǎng)殖生物的生長(zhǎng)，剩余一部分進(jìn)入到養(yǎng)殖海域的水體，同時(shí)養(yǎng)殖生物的排泄物以氨和磷酸鹽形式釋放到水中，累

2、積在養(yǎng)殖區(qū)底部，導(dǎo)致養(yǎng)殖區(qū)的自身污染。養(yǎng)殖區(qū)域污染物的排放、沉積可引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，造成水質(zhì)惡化，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)失衡、紊亂甚至完全崩潰。就目前而言，關(guān)于養(yǎng)殖海域的水交換能力尚未得到充分的研究，所以研究該海域的水體交換能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文建立了一個(gè)近岸海域深度平均二維隱格式水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，該模型基于非結(jié)構(gòu)四叉樹矩形網(wǎng)格，采用有限體積方法離散方程。使用Rhie－Chow的動(dòng)量插值方法對(duì)同位網(wǎng)格不合理的壓力波加以

3、抑制，使用SIMPLEC程式導(dǎo)出水位校正方程，整合的方程組采用最小殘差法（GMRES）求解，并利用預(yù)條件的不完全Lu分解方法加速其收斂性、提高計(jì)算效率。基于水動(dòng)力模型，并耦合拉格朗日粒子追蹤法建立污染物遷移擴(kuò)散模型。使用發(fā)展的二維模型模擬渤海海域水動(dòng)力過(guò)程，得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)果，結(jié)果表明該模型能夠較好地復(fù)演近岸海域的水動(dòng)力。該算例中使用的全隱格式的深度平均二維水動(dòng)力模型，其時(shí)間步長(zhǎng)可達(dá)1800 s，說(shuō)明隱格式水動(dòng)力模型的時(shí)間步長(zhǎng)不依賴于

4、克朗數(shù)條件的限制。為了驗(yàn)證拉格朗日粒子追蹤模塊，對(duì)風(fēng)和海流聯(lián)合作用下理想正方形港灣的油膜輸移軌跡及擴(kuò)散進(jìn)行計(jì)算，得出油膜的動(dòng)態(tài)輸移及擴(kuò)散過(guò)程和Tkalich的模擬結(jié)果基本一致。進(jìn)一步應(yīng)用拉格格朗日粒子追蹤模塊模擬了莊河養(yǎng)殖海域的污染物運(yùn)動(dòng)軌跡?？梢钥闯?，深度平均的二維模型只能計(jì)算單層的水動(dòng)力和污染物運(yùn)動(dòng)，無(wú)法計(jì)算水體垂直水動(dòng)力、污染物的分布。三維模擬中使用耦合了拉格朗日保守粒子追蹤模塊的ECOMSED三維潮流模型，該模型水動(dòng)力模塊是一個(gè)

5、基于靜壓和 Boussinesq近似的三維斜壓原始方程模式；自由海表面、水平網(wǎng)格采用的是曲線正交坐標(biāo)系統(tǒng)；垂直方向采用σ坐標(biāo)，變量空間配置Arakawa-C格式，應(yīng)用2.5階湍流閉合模型求解垂向混合系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，水平湍流粘滯和擴(kuò)散系數(shù)基于Smagorinsky參數(shù)化方法計(jì)算，在水平方向采用顯式格式，垂直方向采用隱式格式。使用ECOMSED三維風(fēng)生流模型模擬了賽里木湖的風(fēng)生環(huán)流，盡管在流速上存一定的偏差，但流向符合較好，總體上滿足計(jì)算要

6、求，能夠獲得預(yù)期的效果。并使用ECOMSED三維潮流模型模擬了北黃海莊河養(yǎng)殖海域的水動(dòng)力變化、潮致余流分布，通過(guò)將水動(dòng)力模擬結(jié)果與兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的水位變化過(guò)程、流速流向進(jìn)行比對(duì)，獲得理想的對(duì)比結(jié)果，驗(yàn)證了模型的可靠性。同時(shí)計(jì)算分析了該區(qū)域保守粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡、遷移速度。研究結(jié)果表明：大潮和小潮時(shí)的余流場(chǎng)方向分布基本相同，大潮時(shí)余流顯著大于小潮時(shí)，在近岸區(qū)存在至東北向西南的沿岸流，除卻近岸區(qū)整體余流呈現(xiàn)至西南向東北；小長(zhǎng)山群島和石城島周圍不同位