養(yǎng)殖海域水動力及污染物遷移的數值模擬.pdf

1、我國北部地區(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，潮流呈往復流性質。目前莊河海域環(huán)境水質面臨諸多問題：一方面河口和近岸所排放的污染物質過多，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，剩余一部分進入到養(yǎng)殖海域的水體，同時養(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養(yǎng)化，造成水質惡化，嚴重時可導致養(yǎng)殖生態(tài)系統失衡、紊亂甚至完全崩潰。就目前而言，關于養(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實意義。
　　本文建立了一個近岸海域深度平均二維隱格式水動力數學模型，該模型基于非結構四叉樹矩形網格，采用有限體積方法離散方程。使用Rhie－Chow的動量插值方法對同位網格不合理的壓力波加以

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

4、克朗數條件的限制。為了驗證拉格朗日粒子追蹤模塊，對風和海流聯合作用下理想正方形港灣的油膜輸移軌跡及擴散進行計算，得出油膜的動態(tài)輸移及擴散過程和Tkalich的模擬結果基本一致。進一步應用拉格格朗日粒子追蹤模塊模擬了莊河養(yǎng)殖海域的污染物運動軌跡。可以看出，深度平均的二維模型只能計算單層的水動力和污染物運動，無法計算水體垂直水動力、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，該模型水動力模塊是一個

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、水平網格采用的是曲線正交坐標系統；垂直方向采用σ坐標，變量空間配置Arakawa-C格式，應用2.5階湍流閉合模型求解垂向混合系數和擴散系數，水平湍流粘滯和擴散系數基于Smagorinsky參數化方法計算，在水平方向采用顯式格式，垂直方向采用隱式格式。使用ECOMSED三維風生流模型模擬了賽里木湖的風生環(huán)流，盡管在流速上存一定的偏差，但流向符合較好，總體上滿足計算要

6、求，能夠獲得預期的效果。并使用ECOMSED三維潮流模型模擬了北黃海莊河養(yǎng)殖海域的水動力變化、潮致余流分布，通過將水動力模擬結果與兩個測量點的水位變化過程、流速流向進行比對，獲得理想的對比結果，驗證了模型的可靠性。同時計算分析了該區(qū)域保守粒子的運動軌跡、遷移速度。研究結果表明：大潮和小潮時的余流場方向分布基本相同，大潮時余流顯著大于小潮時，在近岸區(qū)存在至東北向西南的沿岸流，除卻近岸區(qū)整體余流呈現至西南向東北；小長山群島和石城島周圍不同位