• 中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊
  • ISSN 1007-6336
  • CN 21-1168/X

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于数值模拟的大连湾水交换能力研究

曹雪峰 张宇铭 张淑芳 史文奇 李庆杰 石洪源 王平 王玉 赵骞 韩成伟

引用本文:
Citation:

基于数值模拟的大连湾水交换能力研究

    作者简介: 曹雪峰(1991-), 男, 山东临沂人, 助理研究员, 博士, 主要从事物理海洋学研究, E-mail:xfcao@nmemc.org.cn;
    通讯作者: 张淑芳(1977-), 女, 河北唐山人, 高级工程师, 博士, 主要从事物理海洋学研究, E-mail:sfzhang@nmemc.org.cn
  • 基金项目: 国家海洋环境监测中心博士科研启动(2018-A-19);辽宁省博士科研启动基金计划项目(2019-BS-092);广西近海海洋环境科学重点实验室开放基金(合同编号:GXKLHY18-01);国家重点研发计划(2017YFF0206904);中国工程院咨询研究项目(2018-XY-30)
  • 中图分类号: P731.2

Numerical simulation of water exchange in the Dalian bay of China

  • 摘要: 基于无结构三角网格的FVCOM海洋模式,以K1、O1、P1、Q1、M2、S2、N2和K2 8大分潮调和常数为驱动,建立了大连湾海域的高分辨率三维水动力数值模型。通过与实测数据的对比,该模型可以较好地模拟大连湾海域的水动力特征。在此基础上叠加DYE-RELEASE模块,模拟了大连湾整体和分区域的水交换过程,以半交换时间作为评价指标分析了水交换能力。模拟结果显示:示踪物质释放初始时刻对大连湾整体的半交换时间有影响,平均半交换时间为9.6 d~12.3 d。对比大、小潮期间的物质输运过程,大潮期间海湾平均示踪物质浓度下降速度更快,水交换能力更强。大连湾的半交换时间的空间分布特征表现为距离湾口越近,半交换时间越短;相同距离下,西南部较东北部半交换时间短。大连湾中部水交换能力最强,其次是红土堆子湾,甜水套湾和臭水套湾最差。
  • 图 1  大连湾地形分布图(A、B和C处的黑色五星表示观测站位;红色虚线表示大连湾与外部海域的分界)

    Figure 1.  Topography of Dalian bay, observation sites A、B and C at black five-star; boundary between Dalian bay and outside sea in red dashed line

    图 2  模型区域与网格分布

    Figure 2.  Modeled area and triangular system in the numerical model

    图 3  大连湾A和C站的水位验证

    Figure 3.  Water level test in A and C sites of Dalian bay

    图 4  大连湾A、B、C站的海流验证

    Figure 4.  Current test in A、B and C sites of Dalian bay

    图 5  大潮高潮时释放示踪物大连湾内平均浓度的时间变化(粗黑实线为滤掉周期性潮信号的结果)

    Figure 5.  Average concentration variation of tracer released in high water time of spring tide period(The black and thicken line represents filtered results without periodic signal)

    图 6  大潮期间不同释放时刻的大连湾示踪物平均浓度的时间变化

    Figure 6.  Average concentration variation of tracer released in different time of spring tide period

    图 7  大潮和小潮同高潮时释放,大连湾示踪物平均浓度的时间变化

    Figure 7.  Average concentration variation of tracer released in high water time of spring and neap tide period

    图 8  示踪物浓度水平分布的时间演变

    Figure 8.  Evolution of horizontal distribution of tracer concentration

    图 9  大连湾区域半交换时间空间分布图

    Figure 9.  Horizontal distribution of life-half time in Dalian bay

    图 10  大连湾四个区域划分,大连湾中部、红土堆子、甜水套和臭水套

    Figure 10.  Four regional divisions in Dalian bay, Central part, Hongtuduizi, Tianshuitao and Choushuitao

    表 1  大连湾湾口断面观测站的观测要素

    Table 1.  Major measurement parameters in the mouth of Dalian bay

    下载: 导出CSV

    表 2  半交换时间的八个敏感性试验结果(单位:h)

    Table 2.  Half-life time results of eight sensitive experiments (Unit:h)

    下载: 导出CSV

    表 3  大连湾四个区域的半交换时间(单位:h)

    Table 3.  Half-life time of four regions in Dalian bay (Unit:h)

    下载: 导出CSV
  • [1] 中国海湾志编纂委员会.中国海湾志, 第一分册, 辽东半岛东部海湾[M].北京: 海洋出版社, 1991: 251.
    [2] 陈振华, 夏长水, 乔方利.钦州湾水交换能力数值模拟研究[J].海洋学报, 2017, 39(3):14-23. doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2017.03.002
    [3] LUFF R, POHLMANN T.Calculation of water exchange times in the ICES-boxes with aeulerian dispersion model using a half-life time approach[J]. Deutsche Hydrografische Zeitschrift, 1995, 47(4):287-299. doi: 10.1007/BF02737789
    [4] CHENG R T, CASULLI V.OnLagrangian residual currents with applications in south San Francisco Bay, California[J]. Water Resources Research, 1982, 18(6):1652-1662. doi: 10.1029/WR018i006p01652
    [5] TAKEOKA H.Exchange and transport time scales in the Seto Inland Sea[J]. Continental Shelf Research, 1984, 3(4):327-341. doi: 10.1016/0278-4343(84)90015-3
    [6] 赵亮, 魏皓, 赵建中.胶州湾水交换的数值研究[J].海洋与湖沼, 2002, 33(1):23-29. doi: 10.3321/j.issn:0029-814X.2002.01.004
    [7] 孙英兰, 张越美.丁字湾物质输运及水交换能力研究[J].青岛海洋大学学报, 2003, 33(1):1-6.
    [8] 王聪, 林军, 陈丕茂, 等.大亚湾水交换的数值模拟研究[J].南方水产, 2008, 4(4):8-15. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2008.04.002
    [9] 罗锋, 廖光洪, 杨成浩, 等.乐清湾水交换特征研究[J].海洋学研究, 2011, 29(2):79-88. doi: 10.3969/j.issn.1001-909X.2011.02.009
    [10] 曹振东.胶州湾水交换数值研究[D].青岛: 中国海洋大学, 2011.
    [11] 张宇铭, 张淑芳, 宋朝阳, 等.基于质点追踪方法的渤海水交换特性[J].海洋环境科学, 2014, 33(3):412-417.
    [12] 张宇铭, 宋朝阳, 吴克俭, 等.环渤海排污口临近海域水交换能力研究[J].中国海洋大学学报, 2014, 44(5):1-7.
    [13] 张存勇.岸线变化对连云港港口海域水交换的影响研究[J].海洋科学进展, 2015, 33(1):31-37. doi: 10.3969/j.issn.1671-6647.2015.01.004
    [14] 刘睿, 张学庆, 王兴, 等.异常大风对胶州湾水交换影响的数值研究[J].水动力学研究与进展, 2016, 31A(2):202-209.
    [15] 许灵静, 杨波, 江文胜.台风对杭州湾水交换影响的定量研究[J].中国海洋大学学报, 2016, 46(6):29-41.
    [16] 丁芮, 陈学恩, 曲念东.珠江口及邻近海域潮汐环流数值模拟Ⅱ——河口水交换和物质输运分析[J].中国海洋大学学报, 2016, 46(7):1-10.
    [17] CHEN C S, HUANG H S, BEARDSLEY R C, et al.A finite volume numerical approach for coastal ocean circulation studies:comparisons with finite difference models[J]. Journal of Geophysical Research, 2007, 112(C3):C03018, doi:10.1029/2006JC003485.
    [18] WANG J H, SHEN Y M, GUO Y K.Seasonal circulation and influence factors of the Bohai Sea:a numerical study based on Lagrangian particle tracking method[J]. Ocean Dynamics, 2010, 60(6):1581-1596. doi: 10.1007/s10236-010-0346-7
    [19] WANG J H, SHEN Y M.Development of an integrated model system to simulate transport and fate of oil spills inseas[J]. Science China Technological Sciences, 2010, 53(9):2423-2434. doi: 10.1007/s11431-010-4059-4
    [20] 关道明.我国近岸典型海域环境质量评价和环境容量研究[M].北京:海洋出版社, 2011:12-28.
    [21] CROSBY D S, BREAKER L C, GEMMILL W H.A proposed definition for vector correlation in geophysics:theory andapplication[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 1993, 10(3):355-367. doi: 10.1175/1520-0426(1993)010<0355:APDFVC>2.0.CO;2
    [22] CHATFIELD C.The analysis of time series: an introduction[M]. 5th ed.Boca Raton: Chapman & Hall/CRC, 1996.
  • [1] 黄强景惠敏胡培 . 中国东南沿海邻近海沟潜在海啸危险性研究. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 594-601. doi: 10.12111/j.mes20190417
    [2] 杨莉玲王琳杨芳杨留柱 . 口外岸线变化对茅尾海潮流动力及水体交换的影响. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 582-588. doi: 10.12111/j.mes20190415
    [3] 吕宝一陈良龙罗婉琳田雯李静张迪陈晓菲 . 江苏某拆船厂船舶压载水舱沉积物重金属形态特征及生态风险评价. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 548-554. doi: 10.12111/j.mes20190410
    [4] 王晨晨潘大为韩海涛胡雪萍 . 烟台四十里湾潮间带表层沉积物中铁的形态研究. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 555-560. doi: 10.12111/j.mes20190411
    [5] 曹慧慧陈元赵骞王晶 . 辽东湾东部秋季海流特征的同步观测研究. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 615-620. doi: 10.12111/j.mes20190420
    [6] 张栋华吕钊臻邵主峰孔祥淮高会旺李雁宾 . 胶州湾沉积物柱状样重金属垂向分布特征及其控制因素. 海洋环境科学, 2019, 38(6): 1-7. doi: 10.12111/j.mes.20190090
    [7] 陈海洲李元超 . 文昌椰林湾珊瑚礁生态系统的健康状况及其对围填海建设的生态响应. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 533-539. doi: 10.12111/j.mes20190408
    [8] 李汉英张红玉王霞于红兵徐玉芬刘兴健张叶春 . 海洋工程对砂质海岸演变的影响——以海南万宁日月湾人工岛为例. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 575-581. doi: 10.12111/j.mes20190414
  • 加载中
图(10)表(3)
计量
  • 文章访问数:  28
  • HTML全文浏览量:  6
  • PDF下载量:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-15
  • 录用日期:  2018-08-01
  • 刊出日期:  2020-02-01

基于数值模拟的大连湾水交换能力研究

    作者简介:曹雪峰(1991-), 男, 山东临沂人, 助理研究员, 博士, 主要从事物理海洋学研究, E-mail:xfcao@nmemc.org.cn
    通讯作者: 张淑芳(1977-), 女, 河北唐山人, 高级工程师, 博士, 主要从事物理海洋学研究, E-mail:sfzhang@nmemc.org.cn
  • 1. 国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023
  • 2. 广西科学院北部湾海洋研究中心, 广西近海海洋环境科学重点实验室, 广西 南宁 530007
  • 3. 国家海洋局烟台海洋环境监测中心站, 山东 烟台 264006
  • 4. 鲁东大学, 土木工程学院, 山东 烟台 264025
基金项目: 国家海洋环境监测中心博士科研启动(2018-A-19);辽宁省博士科研启动基金计划项目(2019-BS-092);广西近海海洋环境科学重点实验室开放基金(合同编号:GXKLHY18-01);国家重点研发计划(2017YFF0206904);中国工程院咨询研究项目(2018-XY-30)

摘要: 基于无结构三角网格的FVCOM海洋模式,以K1、O1、P1、Q1、M2、S2、N2和K2 8大分潮调和常数为驱动,建立了大连湾海域的高分辨率三维水动力数值模型。通过与实测数据的对比,该模型可以较好地模拟大连湾海域的水动力特征。在此基础上叠加DYE-RELEASE模块,模拟了大连湾整体和分区域的水交换过程,以半交换时间作为评价指标分析了水交换能力。模拟结果显示:示踪物质释放初始时刻对大连湾整体的半交换时间有影响,平均半交换时间为9.6 d~12.3 d。对比大、小潮期间的物质输运过程,大潮期间海湾平均示踪物质浓度下降速度更快,水交换能力更强。大连湾的半交换时间的空间分布特征表现为距离湾口越近,半交换时间越短;相同距离下,西南部较东北部半交换时间短。大连湾中部水交换能力最强,其次是红土堆子湾,甜水套湾和臭水套湾最差。

English Abstract

  • 大连湾是我国辽东半岛南部东侧一个半封闭型天然海湾,三面为陆地环抱,仅东南面与黄海北部相通,是中国北方最大的水产品交易中心和集散地,同时也是最重要的港口和现代装备制造业基地之一。大连湾岸线曲折,长度约为110 km,是典型的基岩港湾式海岸。全湾总面积174 km2,湾口长约11.1 km,湾口朝向东南,并有三山岛作为天然屏障。大连湾内部有众多小海湾,其中比较大的三个分别为红土堆子、甜水套、臭水套湾,湾内无成型的河流,多为间歇性汇入的小溪[1],海底地貌较为平坦,水深自西北向东南方向递减,仅在湾口处有一陡坡,地形分布见图 1

    图  1  大连湾地形分布图(A、B和C处的黑色五星表示观测站位;红色虚线表示大连湾与外部海域的分界)

    Figure 1.  Topography of Dalian bay, observation sites A、B and C at black five-star; boundary between Dalian bay and outside sea in red dashed line

    大连湾被大连市主城区所环抱,人口密集,工业发达,每年有大量污水排入大连湾内,据统计所示,仅工业废水每年就有3.3亿吨左右进入湾内,湾内海域富营养化严重,赤潮频发。2010年7月16日的大连新港溢油事故,更是近年来中国海洋史上最严重的石油泄漏事故之一。水交换能力是评价海湾环境容量的重要指标,表征了海湾自身的物理自净能力,海湾的水质情况与交换能力的强弱直接相关[2]。大连湾潮汐属正规半日潮型,海流以潮流为主,潮流属不正规半日潮流。因此,在潮动力条件下,开展大连湾海域的水交换能力与污染物质输运研究,形成海湾交换能力的科学认识,以期制定合理的对策降低对海湾生态环境的影响,对于大连湾未来的合理开发利用有着重要的科学意义。

    关于大连湾海域的水交换能力评价的研究文献较少,而其他海湾或河口的相关文献较多。水交换能力的研究方法主要包括箱式模型[3]、Lagrange质点追踪[4]和三维对流-扩散模型[5]等。赵亮等基于一个成熟的水动力模型ECOM,研究了胶州湾的整体和分区域的水交换能力[6]。孙英兰和张越美基于三维潮流模式,计算了丁字湾的水交换率和水交换半更换期的空间分布[7]。王聪等利用Lagrange质子追踪和ECOM模式研究了大亚湾的水交换能力,分析了两种方法结果差异产生的原因[8]。罗锋等利用EFDC模式模拟研究了乐清湾水交换的三维过程和时空变化特征[9]。曹振东利用FVCOM数值模型的水质模块研究了胶州湾的水交换能力[10]。张宇铭等利用ROMS模型建立了渤海三维水动力模型,利用质子追踪方法对渤海水交换进行了研究[11],并进一步研究了季节和潮汐对环渤海的主要排污口邻近海域水交换能力的影响[12]。张存勇利用ECOMSED三维数值模型研究了岸线变化对连云港港口的水交换能力的影响[13]。刘睿等基于ECOM模式的水质模块研究了在异常大风条件下胶州湾水交换能力的变化,指出异常大风有助于减少胶州湾的水体平均留存时间[14]。许灵静等基于ADCIRC模型建立了杭州湾台风风暴潮流二维数值模型,分别研究了天文潮和台风过程作用下杭州湾的水交换情况[15]。丁芮等利用FVCOM三维数值模型,研究了在径流、风应力和潮汐作用下珠江口水域的水交换和物质输运过程[16]。陈振华等基于POM水动力模式,考虑漫滩过程,得出钦州湾的整体平均水体半交换时间约为18 d[2]。目前来看,三维对流-扩散模型通过研究保守物质输运扩散以量化分析海湾水交换能力,是目前被广泛接受和采用的方法。

    为了对大连湾的整体和分区域的水交换能力有全面的认识,本文基于无结构的三角网格在大连湾海域建立了高分辨率的FVCOM三维水动力数值模型,利用半交换时间来评价大连湾的水交换能力。半交换时间,是保守物质浓度降低为初始浓度一半所需要的时间,在一定程度上表征了海湾的水交换能力,在钦州湾[2]、胶州湾[6]、丁字湾[7]等海湾均有所应用,是研究文献采用较多的指标。本文开展了大连湾内保守物质不同释放时间对海湾整体半交换时间的影响、湾内保守物质浓度的时间演变过程、半交换时间的空间分布、不同区域的半交换时间等方面的研究工作,力求较为完整的反映大连湾在潮动力条件下的水交换能力特征,以期为大连湾生态排污的管理决策提供技术支持。

    • FVCOM水动力数值模型是由马萨诸塞大学和伍兹霍尔海洋研究所联合开发的无结构网格的、有限体积的、三维原始方程的海洋数值模型[17]。该模型采用三角网格拟合岸线,可以更好地处理具有曲折岸线或者多岛屿情况的海洋过程,垂向采用σ坐标或σ-z混合坐标系统,可以更好地拟合复杂的海底地形,因此被广泛应用于近岸和区域海洋动力过程的模拟中。经过十几年的应用和发展,通过世界各海区大量的实测资料验证,该模式取得了良好的模拟效果[18-19]

      为了研究保守物质的运移规律,本文采用DYE-RELEASE模块,以溶解态保守物质作为湾内水体的示踪物,水质模型的控制方程为:

      式中:C表示保守物质的浓度;D表示水深;uvω表示xyσ方向的速度;Kh表示垂向热扩散系数; Fc是水平扩散项; C0表示保守物质的初始浓度。

    • 模型区域计算范围121.48°E—122.18° E、38.64°N—39.08° N,计算面积为1333 km2,模型共有17724个节点,33151个三角元,计算区域和网格分布见图 2。开边界处分辨率为700 m,由外海向近岸逐渐加密,近岸分辨为100 m。模型采用中国近海的海图水深数据,统一到平均海面,将水深数据插值到网格上,垂向采用σ坐标,共分为11层。开边界采用水位强迫驱动,利用全球海洋潮汐模型TPXO7.2提供的8大分潮(K1、O1、P1、Q1、M2、S2、N2、K2)预报水位,固边界采用无滑动边界条件。另外,为了减少能量在开边界处的堆积,采用海绵条件使模型更加稳定。模型采用模态分离的算法提高计算效率,根据CFL数值稳定性条件,确定模型外模时间步长1 s,内模时间步长10 s。模型从静止开始启动,不考虑温盐的影响所造成的斜压效应。

      图  2  模型区域与网格分布

      Figure 2.  Modeled area and triangular system in the numerical model

    • 2008年5月13—14日,国家海洋环境监测中心在大连湾湾口断面处,布设了A、B和C共计3个水文连续观测站位(图 1黑色五星处),进行了连续26 h的观测,平均水深为20 m。其中A和C站使用声学多普勒海流剖面仪观测海流剖面,B站使用中国海洋大学研制的直读式海流计观测海流,A、B和C站均采用CTD温盐深仪测量水位[20]。观测仪器和时间见表 1。潮位和海流数据做了剔除异常值处理,另外考虑旁瓣效应和测量仪器接收器的共振效应,海流数据有效范围为水面下1.5 m处至距离海底1.5 m处。

      表 1  大连湾湾口断面观测站的观测要素

      Table 1.  Major measurement parameters in the mouth of Dalian bay

      利用这些实测资料对本模型结果进行验证,以检验所建立的水动力模型的可靠性,水位、表层海流验证结果分别见图 3图 4。其中,A站的水位观测与模拟的相关系数为0.97,C站为0.98,显著相关。

      图  3  大连湾A和C站的水位验证

      Figure 3.  Water level test in A and C sites of Dalian bay

      图  4  大连湾A、B、C站的海流验证

      Figure 4.  Current test in A、B and C sites of Dalian bay

      对于海流的验证,本文采用利用矢量相关系数来评估模拟值与观测值之间的相关性(相关系数大于0.6即可认为显著相关)[21]。假定矢量X=(u1v1)和Y=(u2, v2),则XY的矢量相关系数可以按下式计算,

      其中,

      观测A站的海流观测与模拟的矢量相关系数为1.55,B站位1.51,C站位0.79,均为显著相关,其中A和B站相关系数更高一些,C站稍低,可能原因是C站位于大连湾的航道处,受进出船只的扰动影响,实测海流数据表现出不规则性,影响了与模拟结果的验证。

      总体而言,通过曲线拟合程度和相关系数的显著性均可以看出,模型可以较好的模拟天文潮动力过程,可以用于水交换能力的研究。

    • 大连湾研究区域以西南角的黄白嘴与东北角的大孤山连线(图 1红色虚线)为湾口断面连线。为研究大连湾整体的水交换能力,在初始释放时刻湾内保守示踪物质浓度设置为1,湾外海域浓度设置为0。在潮动力作用下,保守示踪物质通过对流和扩散作用向湾外输运,浓度逐渐降低。考虑到半交换时间可能会随初始释放时刻的不同而不同,本文设定了初始释放时间的敏感性试验。试验设定了8个初始释放时间,分别为湾口断面处的大潮和小潮两个潮期的高潮时、落潮时的中间时刻、低潮时和涨潮时的中间时刻。通过各个试验结果,研究保守物质初始释放时间对半交换时间的影响。

      由于天文潮的动力作用,湾内平均浓度必然会随涨、落潮过程出现半日潮周期性的变化,也会出现大小潮的半月周期性变化,因此利用PL64TAP滤波器[22]滤掉潮周期成分。本文以大潮高潮时作为初始释放时刻为例,给出了湾内平均浓度滤波前后的时间变化曲线,见图 5。可以看出,该滤波器可以较好的滤掉天文潮周期成分,体现大连湾的保守物质平均浓度变化,可以用于半交换时间的分析研究。

      图  5  大潮高潮时释放示踪物大连湾内平均浓度的时间变化(粗黑实线为滤掉周期性潮信号的结果)

      Figure 5.  Average concentration variation of tracer released in high water time of spring tide period(The black and thicken line represents filtered results without periodic signal)

      通过设定八个不同的初始释放时间,本文分别计算了大连湾整体的平均浓度时间变化序列。随着初始释放时间的改变,半交换时间的表现特征也不甚相同。表 2列出了8个试验的大连湾整体的半交换时间。大潮时释放保守示踪物质,大连湾的半交换时间为11.4~13.2 d,小潮时半交换时间为9.3~9.9 d。大潮释放的半交换时间比小潮释放情况要长约61~69 h之间。为了分析原因,本文进一步比较了同一潮期不同初始释放时刻、不同潮期同一初始释放时刻的湾内平均浓度时间变化。

      表 2  半交换时间的八个敏感性试验结果(单位:h)

      Table 2.  Half-life time results of eight sensitive experiments (Unit:h)

      图 6显示了大潮期间4个初始释放时刻湾内示踪物平均浓度的时间变化,趋势基本一致,但是大连湾平均水深较浅,只有15 m左右,因此保守示踪物质通量的多少决定了半交换时间的长短。以大潮4个时刻初始释放时间为例,半交换时间的特征表现为高潮时最长,低潮时最短,涨潮时和落潮时基本一致,介于中间,与高潮时和低潮时的平均值接近。小潮时的4个初始释放时刻对半交换时间的影响与大潮时表现特征相似。

      图  6  大潮期间不同释放时刻的大连湾示踪物平均浓度的时间变化

      Figure 6.  Average concentration variation of tracer released in different time of spring tide period

      进一步,本文比较了不同潮期(大小潮)相同初始释放时刻(高潮时)情况下,大连湾整体平均浓度的时间变化的异同,见图 7。为了便于比较,将初始释放时刻为大潮高潮时的数据称为样本S1,小潮高潮时为样本S2。在前165 h之内,湾内平均浓度S1和S2均下降较快,相比而言,湾内平均浓度S1都要比S2低,考虑到S1释放的物质通量要比S2大,那么结果就体现了大潮强对流扩散的水交换能力。大连湾海域潮汐为正规半日潮,潮流为不正规半日潮流,一个完整的大小潮有着15 d左右的周期。第7~8 d时,S1变为小潮,平均浓度下降至0.57后,下降速度放缓;而S2变为大潮,平均浓度迅速下降,直至下一个小潮,即平均浓度下降至0.35时,下降速度才放缓。因此,半交换时间表现为S1要比S2更长。

      图  7  大潮和小潮同高潮时释放,大连湾示踪物平均浓度的时间变化

      Figure 7.  Average concentration variation of tracer released in high water time of spring and neap tide period

      总结而言,示踪物质释放初始时刻对大连湾整体的半交换时间有影响,涨潮中间时和落潮中间时的结果代表了一种平均状态。本文取释放时间为大、小潮期的平均半交换时间范围评价大连湾的水交换能力,平均半交换时间为9.6~12.3 d。对比大、小潮期间的物质输运过程,大潮期间海湾平均示踪物质浓度下降速度更快,水交换能力更强。

    • 大连湾8个敏感试验中,涨潮中间时和落潮中间时的结果代表了时空分布特征的一种平均状态。本文选取保守示踪物质初始释放时刻为大潮涨潮中间时的分布场作为例子,分析研究了海湾半交换时间的时空分布特征,以此评价大连湾的水交换能力。

      图 8显示了数值模型所得的湾内保守示踪物质浓度水平分布随时间的变化。在保守示踪物质释放进入大连湾后,潮动力作用下外部海水进入湾内,与湾内海水混合,通过对流与扩散作用将示踪物质带出大连湾。可以看出,离湾口的距离远近不同,浓度降低速度有明显差异,即使离湾口距离相同,浓度降低速度也不相同。表现特征为:0~5 d低浓度等值线以较快速度由湾口向湾内扩展,大连湾西南部比东北部向湾内延伸更广;5~10 d,低浓度等值线向湾内的扩展速度整体变慢,大连湾东北部分的低浓度等值线开始急剧向湾内扩展,扩展纵深只略小于西南部分;10~20 d,低浓度等值线继续慢速向湾内扩展,红土堆子、甜水套和臭水套的大部分区域浓度仍然保持为1;20~40 d,大连湾的绝大部分海域几乎都参与了水体交换,红土堆子相比甜水套和臭水套来讲,浓度更低。

      图  8  示踪物浓度水平分布的时间演变

      Figure 8.  Evolution of horizontal distribution of tracer concentration

      图 9为大连湾海湾的半交换时间的水平分布。可以看出,大连湾中部的半交换时间最短,大部分海域在20 d以内,呈现出以下两个特点:距离湾口越近,半交换时间越短;相同距离下,西南部较东北部半交换时间短。甜水套和臭水套的绝大部分海域的半交换时间超过50 d。红土堆子超过一半的海域半交换时间超过50 d。

      图  9  大连湾区域半交换时间空间分布图

      Figure 9.  Horizontal distribution of life-half time in Dalian bay

    • 为了进一步分析大连湾不同区域的水交换能力,划分为大连湾中部、红土堆子、甜水套和臭水套4个区域,见图 10。设定4个敏感性试验,保守示踪物质初始释放时刻设定为大潮涨潮时,分别计算每个区域的半交换时间,以分析其水交换能力。4个区域半交换时间的结果如表 3所示,大连湾中部、红土堆子、甜水套和臭水套分别为81 h、213 h、669 h和666 h。大连湾中部的水交换能力最强,红土堆子次之,甜水套和臭水套最差。这也与图 9的分析结果相一致。

      图  10  大连湾四个区域划分,大连湾中部、红土堆子、甜水套和臭水套

      Figure 10.  Four regional divisions in Dalian bay, Central part, Hongtuduizi, Tianshuitao and Choushuitao

      表 3  大连湾四个区域的半交换时间(单位:h)

      Table 3.  Half-life time of four regions in Dalian bay (Unit:h)

    • (1) 大连湾的平均半交换时间为9.6~12.3 d。示踪物质释放初始时刻对大连湾整体的半交换时间有影响,涨潮中间时和落潮中间时的结果代表了一种平均状态。对比大、小潮期间的物质输运过程,大潮期间海湾平均示踪物质浓度下降速度更快,水交换能力更强。

      (2) 大连湾的半交换时间的空间分布特征表现为距离湾口越近,半交换时间越短;相同距离下,西南部较东北部半交换时间短。大连湾中部大部分海域半交换时间在20 d以内,甜水套和臭水套的绝大部分海域的半交换时间超过50 d,红土堆子超过一半的海域半交换时间超过50 d。

      (3) 大连湾中部水交换能力最强,其次是红土堆子湾,甜水套和臭水套最差。在未来的大连湾使用规划中,应尽量避免在甜水套和臭水套排污,红土堆子湾也不是优选,最好选择水交换能力最强的大连湾中部的西南沿岸。

参考文献 (22)

目录

    /

    返回文章