养殖海域水动力及污染物迁移的数值模拟

发布时间：2017-05-07 20:04

  本文关键词：养殖海域水动力及污染物迁移的数值模拟，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国北部地区养殖海域主要集中在辽宁省沿海,其以庄河养殖海域最具有代表性。庄河海域位于辽东半岛沿海,东邻丹东,西接大连,是一片典型的开敞性海域。该海区潮汐为不规则的半日潮,其中M2分潮占主要成分,潮流呈往复流性质。目前庄河海域环境水质面临诸多问题:一方面河口和近岸所排放的污染物质过多,制约着海水养殖业的发展;另一方面养殖区的人工投饵一部分用于养殖生物的生长,剩余一部分进入到养殖海域的水体,同时养殖生物的排泄物以氨和磷酸盐形式释放到水中,累积在养殖区底部,导致养殖区的自身污染。养殖区域污染物的排放、沉积可引起水体富营养化,造成水质恶化,严重时可导致养殖生态系统失衡、紊乱甚至完全崩溃。就目前而言,关于养殖海域的水交换能力尚未得到充分的研究,所以研究该海域的水体交换能力具有重要的现实意义。本文发展了一个近岸海域深度平均二维隐格式水动力数学模型,该模型基于非结构四叉树矩形网格,采用有限体积方法离散方程。使用Rhie-Chow的动量插值方法对同位网格不合理的压力波加以抑制,使用SIMPLEC程式导出水位校正方程,整合的方程组采用最小残差法(GMRES)求解,并利用预条件的不完全Lu分解方法加速其收敛性、提高计算效率。基于水动力模型,并耦合拉格朗日粒子追踪法建立污染物迁移扩散模型。使用发展的二维模型模拟渤海海域水动力过程,得到了较为准确的结果,结果表明该模型能够较好地复演近岸海域的水动力。该算例中使用的全隐格式的深度平均二维水动力模型,其时间步长可达1800s,说明隐格式水动力模型的时间步长不依赖于克朗数条件的限制。为了验证拉格朗日粒子追踪模块,对风和海流联合作用下理想正方形港湾的油膜输移轨迹及扩散进行计算,得出油膜的动态输移及扩散过程和Tkalich的模拟结果基本一致。进一步应用拉格格朗日粒子追踪模块模拟了庄河养殖海域的污染物运动轨迹。可以看出,深度平均的二维模型只能计算单层的水动力和污染物运动,无法计算水体垂直水动力、污染物的分布。本文三维模拟中使用耦合了拉格朗日保守粒子追踪模块的ECOMSED三维潮流模型,该模型水动力模块是一个基于静压和Boussinesq近似的三维斜压原始方程模式;自由海表面、水平网格采用的是曲线正交坐标系统;垂直方向采用σ坐标,变量空间配置Arakawa-C格式,应用2.5阶湍流闭合模型求解垂向混合系数和扩散系数,水平湍流粘滞和扩散系数基于Smagorinsky参数化方法计算,在水平方向采用显式格式,垂直方向采用隐式格式。使用ECOMSED三维风生流模型模拟了赛里木湖的风生环流,尽管在流速上存一定的偏差,但流向符合较好,总体上满足计算要求,能够获得预期的效果。并使用ECOMSED三维潮流模型模拟了北黄海庄河养殖海域的水动力变化、潮致余流分布,通过将水动力模拟结果与两个测量点的水位变化过程、流速流向进行比对,获得理想的对比结果,验证了模型的可靠性。同时计算分析了该区域保守粒子的运动轨迹、迁移速度。研究结果表明:大潮和小潮时的余流场方向分布基本相同,大潮时余流显著大于小潮时,在近岸区存在至东北向西南的沿岸流,除却近岸区整体余流呈现至西南向东北;小长山群岛和石城岛周围不同位置处的粒子的运动轨迹存在较大差别,说明其水体交换能力因地而异;养殖区粒子的运动轨迹整体向东运动,较小部分向西南扩散运输,与上述该区余流分布相符。
【关键词】：养殖海域 深度平均二维模型 ECOMSED模式 粒子运动轨迹 污染物迁移 余流
【学位授予单位】：大连海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X714;X55
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 课题研究的背景及意义9
• 1.2 国内外潮流模型格式及方法9-12
• 1.2.1 二维潮流模型格式及方法9-11
• 1.2.2 三维潮流模型格式及方法11-12
• 1.3 国内外潮流模型研究现状12-13
• 1.3.1 二维潮流模型研究现状12
• 1.3.2 三维潮流模型发展及研究现状12-13
• 1.4 养殖海域概况以及环境动力学模拟现状13-14
• 1.4.1 地理位置和自然环境13
• 1.4.2 养殖海域环境动力学研究现状13-14
• 第二章 二维模型和ECOMSED三维模型的理论基础14-23
• 2.1 深度平均二维模型14-19
• 2.1.1 二维潮流方程14
• 2.1.2 湍流封闭模型14
• 2.1.3 应力计算14-15
• 2.1.4 边界条件15
• 2.1.5 粒子的对流和湍流扩散15
• 2.1.6 四叉树网格和数据结构15-16
• 2.1.7 数值离散16-19
• 2.2 ECOMSED三维潮流模型19-23
• 2.2.1 σ 坐标转换的推导过程19
• 2.2.2 σ 坐标下的控制方程19-20
• 2.2.3 正交曲线坐标下的控制方程20-21
• 2.2.4 ECOMSED模式下的初始条件和边界条件21-23
• 第三章 近岸海域水动力及污染物运动轨迹数值模拟23-49
• 3.1 渤海海域的二维水动力数值模拟23-25
• 3.1.1 计算域范围及模型配置23-24
• 3.1.2 计算结果分析24-25
• 3.2 风与流作用下油膜输移扩散的模拟25-26
• 3.2.1 模型的初始条件25-26
• 3.2.2 油膜输移扩散模拟结果分析26
• 3.3 庄河养殖海域水动力及污染物运动轨迹的数值模拟26-31
• 3.3.1 庄河养殖海域的特征及模型参数26-27
• 3.3.2 庄河养殖海域水动力分析27-30
• 3.3.3 庄河养殖海域污染物运动轨迹分析30-31
• 3.4 ECOMSED在赛里木湖风生流的应用31-41
• 3.4.1 模型的配置及初始条件31-33
• 3.4.2 2014年6月 8、9 号测量值和模拟的对比33-37
• 3.4.3 风生流流场分析37-41
• 3.5 庄河养殖海域水动力及污染物迁移的三维数值模拟41-49
• 3.5.1 模型设置及初始条件41-42
• 3.5.2 实测水位流速流向与模拟值的对比42-46
• 3.5.3 潮流流场及余流场分析46-48
• 3.5.4 粒子投放及结果分析48-49
• 第四章 结论与展望49-51
• 4.1 结论49-50
• 4.2 工作展望50-51
• 4.2.1 近海三维隐格式模型的开发50
• 4.2.2 近岸海域生态数学模型的构建和数值模拟50-51
• 参考文献51-55
• 攻读硕士期间发表论文55-56
• 致谢56-58

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