膠州灣潮流場的示蹤粒子數(shù)值模擬研究.pdf

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1、第40卷第ll期2010年11月中國海洋大學(xué)學(xué)報PERIODICAL0F0CEANUNIVERSITY0FCHINA40(11)：29～034NOV．．20lO膠州灣潮流場的示蹤粒子數(shù)值模擬研究。褚芹芹，李磊”，李培良(中國海洋大學(xué)物理海洋實驗室，山東青島266100)摘要：本文采用直角坐標(biāo)系統(tǒng)，矩形網(wǎng)格技術(shù)，將ECX)MSED模式應(yīng)用于膠州灣內(nèi)粒子運動軌跡模擬試驗。在ECOMSED模式三維水動力模塊基礎(chǔ)上，啟用保守粒子的示蹤模型，模擬粒子在灣內(nèi)的運動軌跡。得到膠州灣排污口污染物在灣內(nèi)表、中、底3層的運動路徑，從而為排污口選址和陸源污染治理方案提供環(huán)境依據(jù)，以達到使

2、灣內(nèi)及附近海域受污染最低的目的。通過模擬獲得了膠州灣及其附近海域三維潮流水平與垂向分布結(jié)構(gòu)，以及此海域的若干個流渦的水平分布狀況。粒子示蹤的模擬結(jié)果表明，粒子的運動軌跡與灣內(nèi)流速流向相一致，即示蹤粒子的運動軌跡與灣內(nèi)流場有關(guān)，此外也受到粒子釋放時刻的影響。高潮時釋放的粒子更容易向灣外漂移，利于污染物的輸運。關(guān)鍵詞：膠州灣；潮流場；E(如MSED模式；水動力模塊；粒子示蹤模塊；數(shù)值模擬中圖法分類號：P731．2文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1672—5174(2010)ii一029—06膠州灣(見圖1)位于山東半島沿岸，是一個與黃海相通的半封閉海灣，以團島頭(36。0273

3、6”N，120。16’49”E)與薛家島腳子石(36。00756”N，120。17’30”E)連線為界，周邊有海泊河、李村河、墨水河、婁山河、板橋坊河等河流人?！?

4、。圖1青島海域分布圖Fig．1ThedistributionofseaareaofQingdao數(shù)值模擬是研究海洋的重要的手段，雖然膠州灣的數(shù)值模擬工作取得了一定的進展，但研究的目的不同，模型的功能也不同。本文擬利用ECOMSED模式，采用直角坐標(biāo)系統(tǒng)，矩形網(wǎng)格技術(shù)，在該模式三維水動力模塊的基礎(chǔ)上，用粒子示蹤模型模擬膠州灣內(nèi)粒子運動軌跡，以得到膠州灣排污口污染物在灣內(nèi)的運動路徑，從而對排污口選址給出建議

5、，以達到使灣內(nèi)及附近海域受污染最低的目的。關(guān)于ECOMSED模式，國內(nèi)已有很多研究。一般利用ECOMSED的專門用于淺水環(huán)境(河流、海灣、河口和近岸以及水庫和湖泊)的版本EC()M進行模擬實驗。例如ECOM被用于膠州灣三維潮汐、潮流數(shù)值模擬[2巧]，模擬結(jié)果與觀測資料符合較好，并獲得了三維潮流水平與垂直分布結(jié)構(gòu)、及若干個潮致余流渦的水平分布狀況。張越美等∞J將ECOM模式引入干濕網(wǎng)格法開發(fā)了變邊界潮流數(shù)值模式，使膠州灣潮流數(shù)值模擬更符合物理實際。ECOMSED中的粒子追蹤模塊，利用了示蹤粒子與可溶粒子一樣適用的保守質(zhì)量輸運方程去決定粒子的運動。Zhangc7]將數(shù)值

6、解與解析解做了比較，證明該模塊是可行的。國內(nèi)已有研究者將該模塊運用于膠州灣的研究中，如萬修全等∞]利用該模塊模擬了膠州灣化學(xué)耗氧量(COD)濃度擴散狀況，得到了COD在1個潮周期的平均濃度分布及1個潮周期內(nèi)高潮時和低潮時的COD分布狀況，其模擬結(jié)果與調(diào)查結(jié)果基本相符。1ECOMSED模型介紹ECoMSED研究起源于1980年代中期POM(PrincetonOceanModel)的產(chǎn)生，包括的模塊有：水動力模塊(詳見文獻[83)、泥沙輸運模塊、風(fēng)驅(qū)波浪模塊、熱通量模塊和粒子示蹤模塊。以下詳細介紹其中的中性漂浮物粒子示蹤模塊n引。1．1中性漂浮物粒子示蹤模塊為獲得膠州灣

7、內(nèi)粒子的運動軌跡，在三維水動力·基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2007AA06A403)資助收稿日期：2009—07—06；修訂日期：2010-04—16作者簡介：褚芹芹(1986一)，女，碩士生。從事近海數(shù)值模擬及海嘯數(shù)值模擬研究。E-mail：Celer0809@OUC．edu．ca··通訊作者：E‘nail：lilei@OUC．edtLca30中國海洋大學(xué)學(xué)報模塊的基礎(chǔ)上，加入粒子示蹤模塊，該模塊可以模擬由不同位置釋放入水域中的離散粒子(這些粒子是中性浮游或保守的)軌跡。使用拉格朗F{技術(shù)來計算粒子的平流輸運，用隨機游動程序來模擬湍流擴散的影響。粒子示

8、蹤模塊可以用來模擬浮油漂溢或研究漂浮目標(biāo)的軌跡。粒子可以以變化的速率釋放自不同的位置，每個釋放的粒子都與釋放的時間和位置相聯(lián)系。這在數(shù)據(jù)分析中是十分有用的信息。關(guān)于粒子示蹤模塊的完整理論描述和數(shù)值模擬方法詳見文獻E7-1。1．1．1粒子示蹤模塊原理根據(jù)迪穆和亞當(dāng)斯1993年提出的1個隨機游動粒子示蹤方法，可以計算出粒子的位移。將粒子位移作為1個平流輸運的確定成分和1個獨立隨機，在統(tǒng)計上接近海洋環(huán)境傳播特性的馬爾科夫過程成分的疊加。所涉及的平流輸運和馬氏成分應(yīng)以適當(dāng)?shù)臈l件出現(xiàn)在守恒方程中，這就要求粒子的分布應(yīng)與求解守恒方程得到的濃度分布相一致‘8I。在三維環(huán)境下，