渤海风海流污染输运的数值模拟_窦振兴论述.pdfVIP

第 17卷 第 5期 9 8 1 6年 , 月 海 洋 O C E A N O L O G I A E T 与 L IM 湖 沼 N O L O G I A S I N I C A V ol . 1 7 , N o . 5 S e P t . , 1 9 8 6 渤海风海流污染输运的数值模拟 窦振兴 张存智 张砚峰 (国家海洋局海洋环境保护研究所 , 大连 ) 提要 本文试验用渤海风海流模型和水质模型 , 考查了季风对潮扩散浓度场的影响 以 及平均风海流的污染输运能力 。 结果表明 , 潮流在污染扩散中起支配作用 , 而平均风海流对浓 度分布的影响居次要地位 。 通过纯风海流的污染输运模拟发现 , 辽东湾的风海流终年有利于 该区的污染扩散 ;而在渤海湾 , 冬季平均风海流具有比夏季更强的物理自净能力 , 这种季节性 差异 , 可能是导致渤海冬季水质优于夏季水质的一个重要原因 。 渤海是我国重要的海洋经济区 。 大规模海洋开发必然会带来许多新的海洋环境问题 。 石油开采等海洋工程 , 可能对海洋生态环境和海洋生产力产生一定影响 。 为使海洋开发 工程与水域环境保护协调进行 , 必须对海洋环境实行计划管理 。 本文拟在潮流污染扩散 数值模拟的基础上 , 探讨风生环流的污染输运能力 , 逐步完善渤海水质模型 , 使其成为环 境计划管理的有用工具 。 实验模型包括风海流模型和污染输运模型两大部分 。 风海流模型是含风摩擦项的二 维非线性流体动力模型 , 用以提供污染输运模拟所需风生流场 ;输运模型 , 类似以前使 用 的二维模型 41[ , 适用于模拟多种可溶物质的输运过程 。 本文仍以化学耗氧量 ( C O D ) 为有 机污染指标 , 计算人海污染物在潮流和季风作用下的稀释扩散 , 考查风海流的污染输运能 力及其在渤海水体 自净中的作用 。 一 、 控制方程和边界条件 污染物的输运过程 , 主要决定于海区的流动特征 。 首先计算平均风生环流 , 而后模拟 风海流污染输运 。 渤海为半封 闭型浅海 , 潮流强盛 , 海水垂直混合比较充分 , 因此海水流动和物质输运 方程可取垂向平均的二维形式 , 、 , 尹、 J户、 .产11勺乙介j 矛、?叮了、 Jr 舒 + .U 几“ 十 vg赶 ` XK U 一 四31U 一最韶下 一 ” 器 + v 二 〔(为 + : ) u 〕一 。 景 〔(` + “ , , , 十 v 二 〔 (` + “ , UP 一 ( ` + : ) K v ,卜 : 脚 收稿日期 : 19 8 4年 6 月 2 5 日 。 5期 窦振兴等 :渤海风海流污染输运的数值模拟 方程 l ( )和 ( 2 )分别为运动方程和连续方程 。 其中 , U 为深度平均速度向量 ; 五为水深 ; 乙 为平均海平面以上的 自由海面高程 ; f 为科氏参量 ; r 和 砂 分别为海面风应力和海底摩 擦应力 。 俨 为海面风的扰动函数 , 借用秦曾颧 1[] 整理的近似公式计算 丫 七 1 0 一 3户 ` 〔o · 8 7 1 9 十 0 · 0 7 04 IWI 。 ! ] }Wl 。 !以 。 ( 4 ) 其中 , 认乙 。 为海面上 I Om 高处的平均风速 ( m Zs) 。 海面风场是风海流计算中起决定作用 的因素 , 鉴于海上直接观测风资料极端缺乏 , 在此我们采用大连市气象台建立的经验方法 来推算海面平均风速 。 ’ 该经验预报方程以 43 8 次天气过程和海上船舶的大量风资料为依 据 。 至于季风的平均风向 , 则参照张美芳 2[J 等人的多年季风统计结果确定 。 海底湍流摩 擦应力砂 , 以传统的二次律表示 「? , , b 一 : n , p , H一 ` /? ! U } ( , , , ) ( , ) 其中 , M叻厉 n g 系数 。 决定于雷诺数和底面糙度 , 可通过数值试验确定 。 方程 ( 3 )是垂向平均的输运方程 , 亦称平流 一 弥散方程 。 其中 P 一 P ( x , y ; )t 为 c o D 的深度平均浓度 , 几 为污染源的源强 。 弥散系数 K 为对称二阶张量 , 表示剪流和湍流 混 合对浓度 p进行再分配的一种机制 。 如不计湍流转移机制并引用 iF o k 扩散假定 , 扩散 项中的叉积部分便被忽略 , K 简化为向量 。 虽然不同作者使用的求 K 值的公式彼此出人 甚大 , 但是考虑到方程 ( 3 )中的平流质量通量比扩散通量大得多 `幻 , 浓度分布主要决定于 平流过程 , 因此 , 输运模拟对流场精度要求较高 , 而弥散系数 K 容许在一个相当宽的数值 范围内选择 。 在此引用 lE de r[’ ,s] 计算公式 尺 一 5 . 9 39去人 / ` ( }丽 }