河口、海岸水动力模拟技讲义术2012
感潮河段城市湿地水动力模拟及改善方案研究
第 1 期水 利 水 运 工 程 学 报No. 1 2024 年 2 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING Feb. 2024 DOI:10.12170/20221205002丁磊，陈黎明，王逸飞，等. 感潮河段城市湿地水动力模拟及改善方案研究[J]. 水利水运工程学报，2024（1）：35-45. （DING Lei, CHEN Liming, WANG Yifei, et al. Study on hydrodynamic simulation and improvement scheme of urban wetlands in tidal reaches[J]. Hydro-Science and Engineering, 2024（1）: 35-45. （in Chinese））感潮河段城市湿地水动力模拟及改善方案研究丁磊1，陈黎明2，王逸飞1，缴健1(1. 南京水利科学研究院港口航道泥沙工程交通行业重点实验室, 江苏南京 210029； 2. 南京水利科学研究院水灾害防御全国重点实验室, 江苏南京 210029)摘要: 湿地具有固碳释氧、涵养水源等作用，改善水体交换能力是湿地研究热点之一，但关于潮汐变动水位条件下湿地水体调控措施的探究相对较少。
以长江南京段绿水湾湿地为例，建立平面二维水动力模型，开展感潮河段城市湿地水动力模拟及改善方案研究。
计算不同水文条件及闸泵调度方案下湿地流场，分析潮位变动对绿水湾湿地水动力的影响，分析不同闸泵调度措施对水体流动性的改善效果。
研究表明，闸泵联合调度可使枯季大部分区域水动力明显增强，但仍存在主槽外坑塘等局部滞水区，需通过湿地植被重构的方式提高水体自净能力。
对易暴发藻类的4—5月，闸泵联合调度可较好改善绿水湾内上游区域的水动力条件，对于改善效果并不明显的下游区域建议增设补水点，降低水体富营养化风险。
本研究可为绿水湾湿地的设计、建设与管理提供科学依据。
《海岸动力学》课件
实验结果与分析
01 02 03
结果分析
分析潮汐和波浪对海岸的影响机制 。
研究海岸物质的迁移模式与潮汐、 波浪的相互关系。
06
海岸动力学的未来发展
海岸动力学的前沿问题
极端气候和海平面上升的影响
研究极端气候事件对海岸带的影响，以及海平面上升对海岸动力过程、海滩演变和沿海工 程设施的影响。
海洋酸化的影响
实验方法与步骤
• 重复进行多次实验，以获得可靠的实验结果。
实验方法与步骤
使用专业软件进行数据处 理和分析。
对采集的数据进行整理和 筛选。
数据分析
01
03 02
实验结果与分析
潮汐对海岸的影响
潮汐周期与海岸物质的迁移模式之间的关系。
波浪能量耗散
波浪在传递过程中能量损失的规律。
实验结果与分析
• 近岸流速分布：潮汐和波浪共同作用下近岸流速的分布情 况。
数值求解方法
数值求解是解决偏微分方程的重要手段，通过数值方法可以将偏微分方程 转化为离散点上的数值计算。
常见的数值求解方法包括有限差分法、有限元法、谱方法等，每种方法都 有其适用范围和优缺点。
选择合适的数值求解方法需要考虑模型的复杂性和计算精度要求，以及计 算资源的限制。
模型验证与比较
01
模型验证是确保模型准确性的重要步骤，通过与实际观测数据 进行比较，可以评估模型的可靠性和精度。
研究海洋酸化对海岸带生态系统、沉积物化学和矿物学的影响，以及这些变化如何影响海 岸动力过程。
海洋垃圾和塑料污染
关注海洋垃圾和塑料污染对海岸带生态系统和环境的影响，以及如何通过减少垃圾排放和 加强废弃物管理来减轻这些影响。
海岸动力学的研究趋势
河口、海岸水动力模拟技术_2012
（3）六点格式（Crank-Nicolson），双层六点隐式格式 在x点和n+△n/2时层，对t和x均采用中心差分
n 1 n n 1 n 1 n 1 n n n f f f f 2 f f f 2 f 1 2 2 i i i 1 i 1 i i 1 i 1 i [ ] O ( t x ) 0 2 2 t 2 x x
数值模拟的优点： （1）实验费用少； （2）速度快、周期短； （3）可以模拟多种因素相互作用的复杂物理过程。 如可以模拟水（潮）流、风、柯氏力等多种因素 共同作用下的多种泥沙及地形演变的复杂过程。 （4）可以完全控制流体的物理性质（如密度、容 重、粘度、含沙量等） （5）模型建成后，长期保存、随时调用修改。 （6）无法模拟微分方程不能描述的物理现象。
n 1 i 1 2 r t/ x
n 1 i
rf
n 1 i 1
n n n [ 1 2 ( 1 ) r ] f ( 1 ) rf ( 1 ) rf i i 1 i 1
2.2.2线性方程组的数值解
有限差分法是工程中常用的一种离散技术，将计 算域分成有限个网格，通过差分法求网格结点的 微分方程的近似值，也称网格法。 n 将网格结点上的函数f(x,y,z,t)表示成 f i , j , k ， i,j,k分别表示x,y,z方向的坐标位置，n表示时间。
数值模拟工作的基本步骤 （1）建立数学模型和编制源程序 建立或选择的微分方程； 根据模拟域边界条件选择合适的网格； 按一定的格式离散方程，得到代数方程 和采用合适的数值方法求解代数方程； 编制源程序求解代数方程。 数值模拟分析（收敛性、稳定性、相容 性、误差程度等）
基于海洋保护需求的水质目标确定方法探讨——以小清河为例
第53卷 第6期 2023年6月中国海洋大学学报P E R I O D I C A LO FO C E A N U N I V E R S I T YO FC H I N A53(6):095~102J u n e ,2023基于海洋保护需求的水质目标确定方法探讨❋以小清河为例于晓霞1,2,梁金辉2,杨雪娜2,张启超2❋❋,李爱华2,梁生康1(1.中国海洋大学,山东青岛266100;2.山东省生态环境规划研究院,山东济南250101)摘 要: 本文通过构建小清河河口区水质数学模型并进行了验证,建立了河海水质关联关系,基于多情景对两种理论方案进行了分析㊂建议结合地表水考核位置和考核目标㊁混合区边界近岸海域环境功能区目标要求,近期将河口混合区作为单独的水体类型进行管理,并逐步提高入海河流断面水质要求,实现由地表水到近岸海域水质的过渡和有效衔接,远期根据陆源总氮减排要求,逐步取消河口混合区㊂关键词: 陆海统筹;入海河流;混合区;水质目标中图法分类号: X 5 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)06-095-08D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20220065引用格式: 于晓霞,梁金辉,杨雪娜,等.基于海洋保护需求的水质目标确定方法探讨 以小清河为例[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2023,53(6):95-102.Y uX i a o x i a ,L i a n g J i n h u i ,Y a n g X u e n a ,e t a l .R e s e a r c ho n t h em e t h o d o f d e t e r m i n i n g t h ew a t e r q u a l i t y t a r g e t o fX i a o q i n gR i v e r b a s e d o nm a r i n e p r o t e c t i o n n e e d s [J ].P e r i o d i c a l o fO c e a nU n i v e r s i t y of C h i n a ,2023,53(6):95-102. ❋ 基金项目:国家重点研究发展计划项目(2018Y F C 140/604)资助S u p p o r t e d b y t h eN a t i o n a l K e y R e s e a r c h a n dD e v e l o p m e n t P r o gr a mo f C h i n a (2018Y F C 140/604)收稿日期:2022-01-28;修订日期:2022-05-24作者简介:于晓霞(1981 ),女,高级工程师㊂E -m a i l :yu x i a o x i a 19811027@126.c o m ❋❋ 通讯作者:E -m a i l :n j z h a n g qi c h a o @163.c o m 中国是陆地大国,也是海洋大国,拥有约470万k m2海域㊁1.4万k m 海岛岸线㊁1.8万k m 大陆海岸线[1]㊂据统计测算,陆源排放对近岸海域的污染贡献占80%以上,陆源污染排放是海洋污染的主要来源[2]㊂近岸海域陆域污染源包括入海河流及入海排污口,其中入海河流承载着上游各类污染物的汇入,对近岸海域水环境质量影响较大[3]㊂ 十四五 时期,海洋生态环境保护要求构建 流域 河口 近海 污染防治的联动机制,加强陆海协同共治㊂入海河流河口区作为地表水和海水混合区域,是陆海相互作用的过渡地带,其中地表水执行‘地表水环境质量标准“(G B 3838 2002),近岸海域水体执行‘海水水质标准“(G B 3097 1997),而两套标准体系存有较大的差异[4]㊂目前针对小清河的研究仅考虑水环境质量的评价和入海河口区的环境分析,并未开展小清河污染输入与近岸海域水质超标的关联性分析[5-7],已开展的入海河流对近岸海域水质的影响仅分析了河流的污染分担率[8],对指导确定入海河流需达到的水质目标并无借鉴意义㊂因此,基于海洋保护需求对不同入海河流水质目标的确定,需合理地分析河口区,研究制定入海河流河口区环境质量标准,构建陆海统筹衔接的标准体㊂本文通过构建小清河河口区水质数学模型并进行验证,建立河海水质关联关系,基于多情景分析,对设定河口混合区及不设定河口混合区两种方案进行分析,研究提出入海河流水质目标确定的技术方法,为陆海统筹开展入海河流水质目标的确定提供参考㊂1 入海河流河口区水环境质量标准衔接的矛盾随着我国水环境保护工作的逐步推进,水污染物的管控已逐渐由河流向海洋发展,强调 陆海统筹 ,实现海洋可持续发展㊂然而当前我国现行两项水质标准之间的衔接存在诸多问题,例如适用范围存在交叉,在水质分类㊁水质指标设置㊁部分指标分析方法及部分指标标准限值衔接上均有较大的差异,导致陆海水质标准无法有效衔接,制约了我国海洋生态环境保护工作,尤其是污染源陆海联防联控工作的开展和实施㊂两标准之间的衔接问题主要体现在以下几个方面㊂1.1水质分类不衔接‘地表水环境质量标准“和‘海水水质标准“根据不同的使用功能和保护目标分别将目标水体分为5类和4类,无法简单地将两项水质标准的不同类别一一对接(见表1)㊂此外,由于咸淡水生态系统的差异导致其使Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年用功能的不同,从功能归属上也较难将两个水质标准予以衔接㊂1.2水质指标设置㊁分析方法及指标标准限值不同‘地表水环境质量标准“中基本项目共有24项,‘海水水质标准“中基本项目共有39项㊂两项水质标准的参数类别虽基本一致,但在部分指标参数的设置上存在显著差异(见表1)㊂基本感官指标方面,在入海河流中存在许多黑臭水体,由于缺少这些基本的感官指标,往往造成部分黑臭或异味水体 达标 排放入海,造成近岸海域水体污染㊂氮磷物质的指标设置方面,地表水和海水之间关于氮㊁磷物质的水质评价是两条线,无法直接比对和评价,严重制约了氮㊁磷等物质的陆海联防联控㊂指标分析方法及指标标准限值方面,两套标准同一指标限值要求可相差数倍,造成河流达标排放,入海后邻近海域水质超标现象,按照地表水达标排放后,造成陆源入海污染物总量超过海域承载能力㊁自净能力㊂表1 ‘海水水质标准“和‘地表水环境质量标准“存在的差异T a b l e 1 T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n ‘S e aW a t e rQ u a l i t y S t a n d a r d “a n d ‘E n v i r o n m e n tQ u a l i t y St a n d a r d s f o r S u r f a c eW a t e r “项目I t e m‘海水水质标准“‘S e aW a t e rQ u a l i t y St a n d a r d “‘地表水环境质量标准“‘E n v i r o n m e n tQ u a l i t y S t a n d a r d s f o r S u r f a c eW a t e r “水质指标设置W a t e r q u a l i t y o b je c t i v e 基本感官指标营养物质指标色㊁嗅㊁味无漂浮物/无机氮,包含硝酸盐-氮㊁亚硝酸盐-氮㊁氨氮氨氮非离子氨总磷活性磷酸盐总氮(湖㊁库)部分指标分析方法及指标标准限值I n d e r a n a l y s i s a n d s t a n d a r d化学需氧量碱性高锰酸钾法,第一类㊁第二类㊁第三类和第四类标准值分别为2m g /L ㊁3m g /L ㊁4m g /L ㊁5m g /L ,重铬酸盐法,Ⅰ类㊁Ⅱ类㊁Ⅲ类㊁Ⅳ类和Ⅴ类标准值分别为15m g /L ㊁15m g /L ㊁20m g /L ㊁30m g /L ㊁40m g /L ,生化需氧量五日培养法,第一类㊁第二类㊁第三类和第四类标准值分别为1m g /L ㊁3m g /L ㊁4m g /L ㊁5m g/L ㊂稀释与接种法,Ⅰ类㊁Ⅱ类㊁Ⅲ类㊁Ⅳ类和Ⅴ类标准值分别为3m g /L ㊁3m g /L ㊁4m g /L ㊁6m g /L ㊁10m g/L 2 入海河流地表水与海水混合区的研究本研究以小清河为典型河流,运用M I K E 21建立小清河河口区的水文水质模型㊂选取2019年12月㊁2020年3月和2020年5月为典型月份,对小清河入海断面以下及河口近岸海域水质进行采样监测,以三期水质监测数据,验证模型的可靠性,通过模拟(主要指标考虑无机氮)确定河口混合区的范围及不同情境下的水质目标㊂2.1小清河概况小清河流域是山东省五大流域之一,地处山东腹地,全长237k m ,发源于济南西郊睦里庄,经济南㊁滨州㊁淄博㊁东营㊁潍坊5市18个县(市㊁区),在潍坊寿光市羊口镇注入渤海莱州湾㊂本次研究选取小清河为典型河流,通过水文水质模拟,研究入海河流水质目标确定的技术方法㊂选取小清河作为研究对象的主要原因包括:一是小清河发源于本省,对小清河开展研究,不涉及责任纠纷;二是小清河对整个莱州湾甚至渤海海域的污染贡献较大,依据2018年山东省主要入海河流污染物入海量贡献比(除黄河外),小清河的贡献率最高,约47.5%,占近一半的入海污染量,小清河的水质是渤海海域水质变化的重要影响因素,因此,小清河管理经验对其他入海河流具有示范性和可复制性;三是小清河干流设有省控及以上水文站3个㊁省控及以上水质考核断面共7个,相对于其他入海河流而言更为丰富的水文水质资料,便于模拟和对比㊂2.2监测站位布设及监测结果为了解小清河及附近海域海水水质现状,对小清河羊口断面以下及河水与海水混合区进行污染物监测,共布设17个监测点位,分别监测3次,分别为2019年12月㊁2020年3月㊁2020年5月,点位分布情况详见图1㊂2.3数学模型构建水动力模型采用水深平均的平面二维水动力运动方程,含动量方程㊁连续性方程及物质输运方程,可较好地反映莱州湾流场中水流运动特征及物质输运过程㊂具体控制方程如下:2.3.1控制方程连续性方程:∂ζ∂t +∂h u ∂x +∂h v ∂y=0㊂(1)69Copyright ©博看网. All Rights Reserved.6期于晓霞,等:基于海洋保护需求的水质目标确定方法探讨图1 小清河河口区监测点位分布图F i g .1 D i s t r i b u t i o nm a p o fm o n i t o r i n g po i n t s i n X i a o q i n g R i v e r e s t u a r y ar e a 动量方程:x 方向:∂u ∂t +u ∂u ∂x +v ∂u ∂y-f v =-g∂ζ∂x -g u u 2+v 2c 2h +∂∂x (N x ∂u ∂y )+∂∂y (N y ∂u ∂y)㊂(2)y 方向:∂v ∂t +u ∂v ∂x +v ∂v ∂y +f u =-g ∂ζ∂y-g v u 2+v 2c 2h +∂∂x (N x ∂v ∂x )+∂∂y (N y ∂v ∂y)㊂(3)垂向平均的物质输运方程:∂(H P )∂t +∂(H P u )∂x +∂(H P v )∂y-∂∂x (H D x ∂p ∂x )-∂∂y (H D y ∂p ∂y )=H S -k p ㊂(4)式中:x ,y 原点o 置于某一水平基面的直角坐标系坐标;u ,v 流速矢量V ң沿x ㊁y 方向的分量(m /s );ζ相对于x o y 坐标平面的水位(m );h =d +ζ总水深(m );d 相对于x o y 坐标平面的水深(m );N x ,N y ,水流x ,y 紊动粘性系数;f 科氏参量;g 重力加速度;c 谢才系数,c =1n6R ,n 为曼宁糙率系数;P 为污染物浓度(m g /L );D x ㊁D y 为x ㊁y 向扩散系数;S 为污染物在单位时间的排放量速率;k为衰减系数㊂2.3.2网格划分 本研究所建立的海域数学模型计算域范围及网格如图2所示,即为图中莱州港㊁黄河口两点以及岸线围成的海域㊂模拟采用非结构三角网格,整个模拟区域内由9302个节点和15775个三角单元组成;最小网格间距为20m ㊂图2 大海域计算域网格及潮位验证点位置图F i g .2 R e g i o n a l g r i d d i a g r a mf o r l a r g e o c e a n a r e a c o m pu t a t i o n a n d t h e l o c a t i o n o f v e r i f i c a t i o n p o i n t 2.3.3边界条件及参数选取 模型设置中陆地边界为闭边界,沿闭边界流速的切向速度的法向梯度㊁水位法向梯度均为零,传播到闭边界的波浪均完全吸收㊂开边界采用的是水位边界条件,由渤海潮流模型提供㊂水深和岸界根据相关水深地形测量资料以及工程附近海域的最新实测水深地形资料确定㊂模型计算时间步长根据C F L 条件进行动态调整,确保模型计算稳定进行,最小时间步长0.5s㊂底床糙率通过曼宁系数进行控制,曼宁系数n 取45~58m 1/3/s㊂采用考虑亚尺度网格效应的S m a g o r i n s k y (1963)公式计算水平涡粘系数,表达式如下:A =c 2s l 22S i j S i j ㊂式中:c s 为常数;l 为特征混合长度,由S i j =12㊃∂u i ∂x j+∂u j ∂x i æèçöø÷,(i ,j =1,2)计算得到㊂2.3.4计算工况 本次数值模拟设置了2种方案,一是基于实测调查资料的现状浓度㊁不设定考核断面的情况,二是不设定河口混合区㊁水质达到相应近岸海域环境功能区的情况㊂每种计算方案包括3种工况,分别对应2019年12月㊁2020年3月㊁2020年5月三个典79Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年型月份㊂依据海水无机氮考核要求,为方便模拟研究,对小清河地表水3个站位三期监测结果简单分析,初步得出地表水中无机氮(y )与总氮(x )的关系为y =0.8923x -0.029(R 2=0.8894,仅适用于本次模拟分析),源强无机氮是总氮转换值㊂模拟了6个工况半月潮条件下,无机氮在河口及附近海域的浓度场时空变化规律㊂根据小清河各站历年各月平均流量统计情况及小清河河口区污染物监测结果,各工况的主要计算参数如表2㊂表2 计算工况信息表T a b l e 2 I n f o r m a t i o n t a b l e o f c a l c u l a t i o n c o n d i t i o n s计算方案C a l c u l a t i o n s c h e m e工况编号C o n d i t i o n sN o .潮型T i d e p a t t e r n 对应月份M o n t h 入海流量D i s c h a r ge /(m 3/s )源强S o u r c e s t r e n gt h (无机氮(m g /L ))本底浓度T h e b a c k gr o u n d c o n c e n t r a t i o n /(m g/L )1半月潮2019-1229.49.50.97一2半月潮2020-0320.19.51.013半月潮2020-0512.7112.64半月潮2019-1229.4合理确定源强,保证入海水质达到二类标准0.97二5半月潮2020-0320.11.016半月潮2020-0512.72.6注:本底浓度值(即背景值)依据三次采样监测数据离岸最远点位最小值来确定㊂T h e b a c k g r o u n d c o n c e n t r a t i o nv a l u e i s d e t e r m i n e d a c c o r d i n g to t h e m i n i m u mv a l u e o f t h e f a r t h e s t o f f s h o r e p o i n t o f t h e t h r e e s a m p l i n g m o n i t o r i n g da t a .2.3.5潮流模型验证 潮位采用潍河口㊁潍坊港的潮位观测资料,潮位验证曲线如图3所示㊂潮流采用中国海洋大学于2014年5月28日12:00至2014年5月29日13:00观测数据,潮流验证曲线如图4所示㊂潮位及潮流验证结果表明,模拟值与实测值均基本吻合,能够较好地反映周边海域潮位及潮流状况㊂图3 潮位验证曲线F i g.3 T i d e l e v e l v e r i f i c a t i o n c u r v e 2.3.6污染物扩散模拟结果及验证 根据流场运动规律,选用2019年12月小清河流量及监测的无机氮浓度数据,选取H 1㊁H 2㊁H 3㊁H 4㊁K 52㊁K 53㊁K 103㊁K 153等8个点进行验证,文中给出的预测结果为最大浓度增量,即该格点上各时刻数据中最高的瞬时浓度,浓度增量等值线是各点最高瞬时浓度的连线㊂图5给出了2019年12月小清河无机氮扩散的预测结果,表3给出了无机氮实测值与模拟值偏差一览表㊂从表3中可以看出,除H 4㊁K 52站位外,各站位无机氮的模拟值与实测值偏差在5%以内,模拟结果能够较好地反映小清河无机氮指标在河口处的扩散趋势㊂H 4㊁K 52站位模拟结果较差可能与采样时间所对应的涨落流变化有关㊂2.4河口混合区划定及水质目标根据三次水质监测数据,选取2019年12月㊁2020年3月㊁5月进行现状条件下河口混合区范围(增量ȡ0.3m g/L )的模拟(见图6)㊂结果显示,2019年12月㊁2020年3月㊁5月混合区范围分别约184.8㊁134.05和95.9k m 2,对应的总氮浓度目标值约为10.2㊁11.3和7.38m g/L ㊂2.5无河口混合区情境下的河流水质目标根据‘山东省近岸海域环境功能区划(2016 2020年)“,小清河入海口执行二类海水水质标准(无机氮ɤ0.30m g /L ),因此,小清河入海污染物导致附近海域无机氮浓度增量应不超过0.30m g /L (即扣除本底浓度)㊂89Copyright ©博看网. All Rights Reserved.6期于晓霞,等:基于海洋保护需求的水质目标确定方法探讨(L Z 1站位和L Z 3站位㊂L Z 1s t a t i o n a n dL Z 3s t a t i o n .)图4 潮流验证曲线F i g.4 P o w e r f l o wv e r i f i c a t i o n c u r ve 图5 2019年12月无机氮扩散模拟结果F i g .5 S i m u l a t i o n r e s u l t s o f i n o r g a n i c n i t r o ge n d if f u s i o n i nD e c e m b e r 2019表3 2019年12月无机氮实测值与模拟值偏差一览表T a b l e 3 L i s t o f d e v i a t i o n s b e t w e e nm e a s u r e d a n d s i m u l a t e di n o r g a n i c n i t r o ge n v a l u e s i nD e c e m b e r 2019站位S t a t i o n 实测值M e a s u r e d /(m g /L )模拟值S i m u l a t e d /(m g /L )偏差D e v i a t i o n /%H 19.779.50-2.76H 28.218.493.43H 35.876.164.89H 42.649.47258.71K 522.154.1391.96K 535.475.643.20K 1032.132.05-3.75K 1530.970.970.51图6 2019年12月(a )㊁2020年3月(b )及年5月(c)小清河河口混合区范围示意图F i g .6 S c o p e o f X i a o q i n g E s t u a r y M i x i n g Z o n e i nD e c e m b e r 2019(a ),M a r c h 2020(b )a n dM a y 2020(c )99Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年图7给出了2019年12月源强为2.3和2.28m g /L 时无机氮的扩散范围(图中给出的为扣除本底后的人为增量,下同)㊂从中可以看出,当源强为2.3m g /L 时,小清河河口临近海域的无机氮增量>0.3m g/L ,不符合二类海水水质标准;当源强为2.28m g /L 时,小清河河口临近海域水质可达到二类水质标准(无机氮小于0.3m g/L )㊂因此,在不设定河口混合区(即只要河流入海,水质即应达到相应近岸海域环境功能区的水质目标要求,下同)的条件下,小清河无机氮排放浓度(羊口断面)不应超过2.28~2.29m g /L ,对应的总氮浓度不应超过2.59~2.60m g/L㊂图7 无机氮源强为2.3m g /L (左)和2.28m g/L (右)时对应的扩散范围F i g .7 D i f f u s i o n r a n g e c o r r e s p o n d i n g t o 2.3m g /L (l e f t )a n d 2.28m g /L (r i g h t )i n o r g a n i c n i t r o g e n s o u r c e s t r e n gt h 图8给出了2020年3月源强为1.32和1.31m g/L 时无机氮的扩散范围㊂从中可以看出,当源强为1.32m g /L 时,小清河河口临近海域的无机氮增量>0.3m g /L ,不符合二类海水水质标准;当源强为1.31m g/L 时,小清河河口临近海域水质可达到二类水质标准(无机氮小于0.3m g/L )㊂因此,在不设定河口混合区的条件下,小清河无机氮排放浓度(羊口断面)不应超过1.31m g/L ,对应的总氮浓度不应超过1.50m g/L㊂图8 无机氮源强为1.32m g /L (左)和1.31m g/L (右)时对应的扩散范围F i g .8 D i f f u s i o n r a n g e c o r r e s p o n d i n g t o 1.32m g /L (l e f t )a n d 1.31m g /L i n o r g a n i c n i t r o g e n s o u r c e s t r e n gt h 图9分别给出了2020年5月源强分别为2.93和2.91m g /L 时无机氮的扩散范围,需要说明的是,图中给出的为扣除本底后的人为增量㊂从中可以看出,当源强为2.93m g /L 时,小清河河口临近海域的无机氮增量>0.3m g/L ,不符合二类海水水质标准;当源强为2.91m g/L 时,小清河河口临近海域水质可达到二类水质标准(无机氮小于0.3m g/L )㊂因此,在不设定河口混合区的条件下,小清河无机氮排放浓度(羊口断面)不应超过2.91~2.92m g/L ,对应的总氮浓度不应超过3.29~3.30m g/L ㊂001Copyright ©博看网. All Rights Reserved.6期于晓霞,等:基于海洋保护需求的水质目标确定方法探讨图9 无机氮源强为2.93m g /L (左)和2.91m g/L (右)时对应的扩散范围F i g .9 D i f f u s i o n r a n g e c o r r e s p o n d i n g t o 2.93m g /L (l e f t )a n d 2.91m g /L (r i g h t )i n o r g a n i c n i t r o g e n s o u r c e s t r e n gt h 3 结语及建议本文尝试通过建立数学模型模拟研究确定小清河水质目标,存在河流流量及污染物扩散连续性㊁氮污染物形态转化㊁采样时间和空间连续性等诸多不可控因素,会影响模型精度㊂但也呈现出一定的规律性,具体如下:统筹陆域地表水环境功能区划与近岸海域环境功能区划的管理需求,结合小清河水文水质模拟研究,不设定混合区时,小清河入海断面不同水期总氮浓度需在1.5~3.3m g /L 范围内㊂设定混合区时,不同水期小清河入海断面总氮目标浓度在7.38~11.3m g /L 范围内,接近或大于小清河2020年入海断面总氮年均值(7.3m g/L )㊂因此,在根据不同水期水质监测数据模拟确定河口混合区后,需结合混合区边界的近岸海域环境功能区划水质目标㊁入海河流上游总氮减排的可行性等因素,合理缩小混合区范围,结合确定入海断面的位置和考核目标㊂建议综合考虑上述两种情景,基于经济技术可行性,确定入海河流水质目标㊂针对河口区特殊的水体特征和地理位置,将河口混合区作为单独的水体类型进行管理,制定能够满足水体使用功能并有效维护水体生态系统健康的河口区的水环境质量标准㊂结合地表水考核位置和考核目标㊁混合区边界近岸海域环境功能区目标要求,通过水文水质模拟,合理确定混合区的水质考核目标,实现由地表水到近岸海域水质的过渡和有效衔接㊂可分两步逐步实现入海河流的水质满足海水要求:近期目标,即科学设置过渡期(划定河口混合区),逐步提高入海河流断面水质要求;远期目标,即依据减排措施,逐步取消河口混合区㊂当前我国近岸海域水质超标因子主要是无机氮和活性磷酸盐,富营养化问题突出㊂现行‘地表水环境质量标准“(G B 3838 2002)中表征河流富营养化的指标为氨氮㊁总磷,‘海水水质标准“(G B 3097 1997)中为无机氮㊁活性磷酸盐,而目前针对地表水及海水中无机氮㊁氨氮㊁总氮之间,总磷㊁活性磷酸盐之间的关系和循环转化过程的研究开展较少,各类指标之间的联系尚不明确,给氮磷污染控制带来了极大不便㊂建议在地表水及海水水质标准中均设置总氮㊁总磷指标,以便进一步了解水体中不同形态氮和磷的相互关系㊁循环转化过程以及与富营养化或赤潮灾害的关系,更好地阐释近岸海域环境质量与陆源污染源之间的关系㊂通过开展区域性营养物质的海水水质基准研究,制定符合当前社会经济发展状况的地表水和海水中的总氮㊁总磷水质标准限值㊂参考文献:[1] 姚瑞华,张晓丽,刘静,等.陆海统筹推动海洋生态环境保护的几点思考[J ].环境保护,2020,48(7):14-17.Y a oR H ,Z h a n g X L ,L i uJ ,e t a l .S t u d y o n p r o m o t i n g m a r i n e e c o -e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n t h r o u g h l a n d a n dm a r i n e d e v e l o pm e n t i n a c o o r d i n a t e dw a y [J ].E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n ,2020,48(7):14-17.[2] 刘静,刘录三,郑丙辉.入海河口区水环境管理问题与对策[J ].环境科学研究,2017,30(5):645-653.L i u J ,L i uLS ,Z h e n g BH.P r o b l e m s a n d c o u n t e r m e a s u r e s o f w a -t e r e n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n t i ne s t u a r i e s [J ].R e s e a r c ho fE n v i -r o n m e n t a l S c i e n c e s ,2017,30(5):645-653.[3] 张晓丽,姚瑞华,徐防.陆海统筹协调联动助力渤海海洋生态环境保护[J ].环境保护,2019,47(7):13-16.Z h a n g XL ,Y a oR H ,X uF .C o o r d i n a t i o n a n d l i n k a g e o f l a n d a n d s e a t o p r o m o t e t h em a r i n e e c o -e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n i nB o h a i S e a [J ].E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n ,2019,47(7):13-16.[4] 杨帆,林忠胜,张哲,等.浅析我国地表水与海水环境质量标准存在的问题[J ].海洋开发与管理,2018,35(7):36-41.Y a n g F ,L i n Z S ,Z h a n g Z ,e t a l .P r o b l e m s i n e n v i r o n m e n t a l q u a l i -t y st a n d a r d s o f s u r f a c ew a t e r a n dm a r i n ew a t e r i nC h i n a [J ].O c e a n D e v e l o p m e n t a n dM a n a ge m e n t ,2018,35(7):36-41.[5] 李昶,陈丽贵,何造胜.莱州湾小清河入海口水质变化及成因分析101Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年[J].环境与发展,2020,32(11):118-119+121.L i C,C h e n LG,H e Z S.A n a l y s i s o f w a t e r q u a l i t y c h a n g e a n d c a u-s e s o fX i a o q i n g R i v e re s t u a r y i nL a i z h o uB a y[J].E n v i r o n m e n t a la n dD e v e l o p m e n t,2020,32(11):118-119+121.[6]孙伟,张守本,杨建森,等.小清河口水环境质量评价及主要污染物入海通量研究[J].海洋环境科学,2017,36(3):366-371.H eW,Z h a n g SB,Y a n g J S,e t a l.Q u a l i t y a s s e s s m e n t o f a q u a t i c e n v i r o n m e n t a n d f l u x e so fm a j o r p o l l u t a n t s t ot h eX i a o q i n g r i v e re s t u a r y[J].M a r i n e E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e,2017,36(3):366-371.[7]范新凤,韩美,王磊,等.小清河入海口近十年水质变化及驱动因素分析[J].环境科学,2020,41(4):1619-1628.F a nXF,H a nM,W a n g L,e t a l.A n a l y s i s o f w a t e r q u a l i t y c h a n g e a n d i t sd r i v i n g f a c t o r so f t h eX i a o q i n g r i v e r e s t u a r y i nr e c e n t t e n y e a r s[J].E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e,2020,41(4):1619-1628.[8]李志伟,崔力拓.秦皇岛主要入海河流污染及其对近岸海域影响研究[J].生态环境学报,2012,21(7):1285-1288.L i ZW,C u i LT.C o n t a m i n a t i v e c o n d i t i o n s o fm a i n r i v e r s f l o w i n g i n t o t h e s e a a n d t h e i r e f f e c t o n s e a s h o r e o f Q i n h u a n g d a o[J].E c o l o-g y a n dE n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s,2012,21(7):1285-1288.R e s e a r c h o n t h eM e t h o d o f D e t e r m i n i n g t h eW a t e r Q u a l i t y T a r g e t o fX i a o q i n g R i v e r B a s e d o nM a r i n eP r o t e c t i o nN e e d sY uX i a o x i a1,2,L i a n g J i n h u i2,Y a n g X u e n a2,Z h a n g Q i c h a o2,L i A i h u a2,L i a n g S h e n g k a n g1 (1.O c e a nU n i v e r s i t y o f C h i n a,Q i n g d a o266100,C h i n a;2.S h a n d o n g A c a d e m y f o r E n v i r o n m e n t a l P l a n n i n g,J i n a n250101,C h i n a)A b s t r a c t: T h e e s t u a r y a r e ao f r i v e r s e n t e r i n g t h e s e a i s am i x e da r e ao f s u r f a c ew a t e r a n ds e aw a t e r.D u e t o i t s s p e c i a l g e o g r a p h i c a l c h a r a c t e r i s t i c s,t h ew a t e r q u a l i t y e v a l u a t i o nr e s u l t so f t h e e s t u a r y a r e a c a n t r e f l e c t t h em a i n r e s p o n s i b i l i t y o f t h ew a t e r q u a l i t y t a r g e t o b j e c t i v e l y.T h e r e f o r e,t h e a r t i c l e e s t a b l i-s h e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n r i v e r a n d s e aw a t e r q u a l i t y,a n d s e l e c t t h e b e t t e r s c h e m e b a s e d o nm u l t i p l e s c e n a r i oa n a l y s i sa n da r g u m e n t a t i o n,a c c o r d i n g t ob u i l da n dv a l i d a t ea m a t h e m a t i c a lm o d e l o fw a t e r q u a l i t y i n t h e X i a o q i n g R i v e r e s t u a r y a r e a.F i n a l l y c o n s i d e r i n g t h e a s s e s s m e n t l o c a t i o n a n d t a r g e t s o f s u r-f a c ew a t e r,w e s u g g e s t t h a t c h o o s e t h e e s t u a r y m i x e d a r e a a s a s e p a r a t ew a t e r b o d y t y p e,a n d i m p r o v e t h ew a t e r q u a l i t y r e q u i r e m e n t s o f r i v e r s e c t i o n s e n t e r i n g t h e s e a g r a d u a l l y i n t h e n e a r f u t u r e.I n t h e l o n g t e r m,a c c o r d i n g t o t h e r e q u i r e m e n t s o f l a n d-b a s e d t o t a l n i t r o g e n e m i s s i o n r e d u c t i o n,t h e e s t u a r i n em i x e d a r e aw i l l b e e l i m i n a t e d g r a d u a l l y.I t w i l l r e a l i z e t h e t r a n s i t i o n a n d e f f e c t i v e c o n n e c t i o n f r o ms u r f a c ew a t e r t o o f f s h o r ew a t e r q u a l i t y.K e y w o r d s:l a n d-s e a c o o r d i n a t i o n;r i v e r s t o t h e s e a;m i x e d a r e a s;w a t e r q u a l i t y t a r g e t s责任编辑徐环201Copyright©博看网. All Rights Reserved.。
河口海岸水动力模拟技术研究的进展
第22卷 第1期台 湾 海 峡 Vol.22, No.1 2003年2月J OU RNAL O F OC EANO GRA P H Y IN TAI WAN S TRAI T Feb.,2003河口海岸水动力模拟技术研究的进展Ξ车进胜1,周作付1,胡 学2,郑兆勇2(1.广东省航道勘测设计科研所,广东广州 510115;2.中山大学河口海岸研究所,广东广州 510275)摘要:本文在回顾河口海岸水动力数值模拟研究进展的基础上,对其新技术数字河口动力模型的基本内涵、科学意义和河口模型四维资料同化的作用及其发展前景进行了探讨,并最终认为数字信息技术与四维同化技术将变革河口海岸科学研究的手段,从而促使河口海岸数值模拟技术有更加广阔的发展前景.关键词:河口海岸;数值模型;数字化;前景中图分类号:P737.14 文献标识码:A文章编号:100028160(2003)0120125205潮流、径流、波浪以及风、气压等因素是影响河口地区、海岸带物质输运及沉积的主要动力条件,这些动力因子的分别或耦合作用给河口海岸带的泥沙、盐分、污染物及热量的输运研究带来了复杂性.数值模拟通过对小量级影响因子的简化,基本真实地再现了区域环境的动力现状,从而成为人类在海岸河口地区进行航道整治、港口建设、围海造陆、保护滩涂、排污入海、环境保护和海水养殖等工程建设中运用十分广泛的一种有效手段.随着数字信息技术的蓬勃发展,一切科学技术领域都在发生着一场深刻的变革.河口海岸科学也正经历着这样一场前所未有的革新,伴随着高新技术的出现,近岸河口研究的技术手段发生了根本性的质的变化,河口动力学与计算机及信息科学发生交叉,给近岸河口动力学的研究注入了新的活力,为河口动力模拟的技术和手段带来一场变革.1 河口海岸模拟技术的发展进程任何计算方法或模型,都不可能产生出信息,而只能从数据中提取信息.一个模型的优劣在于它吸收知识的多少和真伪、利用信息的多少以及提取信息的能力.模型形形色色,有的复杂,有的简单,有的应用许多高深的数学,有的只有常识性的规则.这些都不足以判断模型的好坏,关键看它是否在吸取知识和信息上有所前进.河口海岸水动力数值模拟始于20世纪60年代,在国内始于20世纪70年代,并于20世纪70年代末以后有大量研究成果问世.河口与海岸环境中的水体流动具有明显的空间三维特性,从理论上讲,可以从RANS方程出发建立三维水动力数学模型.尽管有各种湍流模式或大涡模拟技术可用,但是由于受计算机容量的速度限制,对这类水体的运动进行精细的三维数值模拟在目前看来仍是困难的[1].由于海岸河口地区水域属于宽浅型区域,水平尺度一般远大于垂直尺度1因此,将实际的三维潮流运动的三维模型进行垂向积分所获的二维模型得到了广Ξ收稿日期:2002203218作者简介:车进胜(1969～),男,工程师.泛的应用,目前已达到实用化的程度.但由于二维模型受限于垂向结构的省略,现已出现了适合各种问题需要的三维模型.由于三维模型不仅能反映真实的水流运动,而且计算结果本身含有二维模型的结果,因此,三维模型在未来的应用范围必将越来越广泛.基于简化过的三维浅水方程,Leedertse (1973)的工作具有开创性,他在垂直方向采用固定分层法,即计算水域划分固定分层方法建立了海湾三维潮流、盐度模型[2].为了更好地模拟河床地形变化,人们将Phi 2lips (1957)提出的坐标变换应用到河口与海岸三维模型[3]中.为了较严格地确定涡动粘性系数和扩散系数,湍流模式理论也在潮流模型中得到了应用.以Princeton 大学Mellor 为首的海洋动力环境数值模拟小组从20世纪80年代开始一直致力于三维数模的开发与应用研究,其代表性软件为POM (Primceton Ocean Model )[4].德国汉堡大学海洋研究所Backhaus (1983)和他的同事发展的汉堡陆架海模式———HAMSOM (Hamburg Shelf Ocean Model )[5]在全世界的许多陆架海上也得到广泛的应用.Sheng (1987)建立了一般曲线坐标下的三维水动力学模型(CH3D ),该模型也采用σ坐标系,水平方向的运动方向采用水平流速矢量的逆分量来表示[6].Wang (1994)将三维水动力学模型的控制方程用普遍张量的形式,并复演了美国G alveston 海湾的三维流动和盐度分布[7].作为研究河口自然规律和工程效应的重要工具之一,大型三维综合数值模拟系统的研究与应用应当引起我国科学界和工程界的高度重视.20世纪90年代以来,随着空间技术、遥感技术、信息技术和通讯技术的发展和普及,数值模拟的发展空间有了极大的拓宽,快速地向着高效率、高稳定、高精度、高保真数学模型的开发及可视化、软件化和精细方向发展[8].2 河口海岸数值模拟技术的革新自20世纪80年代中起,一些发达国家已致力于将计算机软硬件技术、通讯与信号处理、全球定位技术和各类高性能传感器研制技术应用于开发多功能、自动化、集成化、智能化和网络化的海洋立体监测系统.当代海洋监测的总趋势是从空中、水面、水下、沿岸对海洋的物理、气象、化学和生物指标进行立体监测,各种优势互补,构成完整的立体监测系统[9].监测手段的更新和进步,为科学研究提供了大量的时空准连续的观测资料,有了新的信息源,新的认识就会产生.这些新的认识和信息输入到数值模型中,就会使它更逼近真实的原型.因此,可以确信,2l 世纪近岸河口模拟技术将会有更大的发展.2.1 河口模型四维资料同化地球物理数据同化模型,是一种动态变化的地球物理系统的四维典型代表.它能够预报系统内发生的动力变化,接受时空上多相分布的新的观测数据的输入.在严密的质量控制下,可以客观地综合“前期信息”和“当前信息”.这种模型以数学形式推导随时间变化的信息.概括地说,数据同化的过程就是将已有的理论知识和积累与所有有效的观测信息进行最复杂和最精确的综合过程[10].河口是一个有机联系的整体.不同时刻的河口水状态、河口水文要素、河口表面状况的河口内部结构之间是相互联系的,而这种联系的具体体现是反映河口不同物理过程的数学模型,四维同化技术将同化问题提为一个以动力模式为约束的极小化问题[11].可以利用河口数学模型的离散形式,充分发挥现有观测资料的作用,由可观测的河口水文要素反演未知的水文要素,由河口的表面信息推知海洋的内部结构[12].数据同化作为一种推理方法,诠释了系统内部・621・ 台 湾 海 峡 22卷动力、物理、化学和生物过程相互作用的状态.四维同化在河口中的一类主要应用是为河口数值模式提供优化的初始状态,从而校正不合理的边界条件所带来的偏差,提高模拟精度.变分同化技术还可应用于确定河口模式中的未知参数(Richard 数).Panchang 和O 2Brien (1990)利用伴随方法反演确定了潮汐河口的摩擦系数,通常这种系数是通过经验获得的.另外,河口模式的外部强迫场(如风场、海2气界面的热通量等)都可以通过这种技术反演出来.资料同化的成功关键在于同化模型在过滤和插值观测资料的机制方面要有一个高效的预测能力.如果模型没有对前期信息在时间上向前插值的预测能力的话,前期信息的影响就不能被后衍.一个成熟模型从数据富集区向数据贫乏区输送信息的效能是相当高的.动力场的模型同化数据也被证明对陆2气系统内部环流的科学研究极有价值.同化是惟一能产生复杂非线性过程的场的手段,并且在物理学与动力学的机制上协调一致,这是其他方法难以比拟的[10].作为信息的增值源,模型同化数据构成了大气环流和海洋环流诊断预测研究的宝贵数据源.因此,资料同化将是河口数值模型发展和结合的一个新技术切入点,也是带动河口动力数字模拟技术革新的一种重要方法.2.2 数字河口动力模型早在1966年,美国Crawfoul 和Linsley 就提及“Digital Simulation ”[13].“Digital Simulation ”是用数字计算机程序(Digital 2Computer Programs )来进行的.也就是说,这里提及的“Digital ”是与数字计算机联系在一起的.这些模型无论在概念、内涵上还是在方法、技术上,都与本文提出的数字河口动力模型相差甚远.在数字时代的今天,计算机信息技术日新月异,描述区域空间分布信息的技术日渐完善,这就要求河口动力模型在技术上进行变革和革新.数字地面模型技术已经成熟,模拟地形的表达及点、线、面属性的计算完全能用数字化技术来实现,以改变以往手工输入及量算的方式.近20a 来,已取得了数字地面信息的可获性和直接应用的显著成绩,虽然地理信息系统(GIS )已使近岸河口的研究发生了革命性的变化,但其应用仍日新月异.这为数字河口动力模型的诞生提供了坚实的技术基础.数字河口动力模型是依据地形资料寻求有物理基础的一种现代技术途径,区域的下垫面特征(主要指地形水深)都是栅格型数字式的点阵,它由计算机自动生成.在成熟的三维模型的基础上,依据区域地形特性、河口水动力特征及外界强迫作用因子构建数字河口动力模型(模型计算要素象温、盐、流、泥沙的特征均以数字矩阵形式记载),若再与数字河网模型嵌套联结,最终可以获得区域河网———河口的动力2沉积2地貌的机制解释,揭示河口物理规律和解决工程实际问题.在数字河口模型的构架下,可以将人类已经拥有的河口科学理论、知识与具有较强物理概念的水动力学模型集成于一体,为河口数值模型计算提供良好的平台.数字河口动力模型具有许多优势:首先,数字河口模型是基于数字区域地形构建而成的,地形要素可自动生成,无需手工操作,大大提高了工作效率;其次,数字模型不仅能输出传统模型的结果,而且能够十分方便地给出河口水文要素和水文状态变量的空间分布场,这些对近岸河口动力科学研究与河口、港口、航道工程都有着广阔的应用前景.总而言之,数字河口模型研究的最终目的就是利用已有的河口基础科学理论和知识,在数字区域地形的基础之上将观测点的水文信息拓展、同化至区・721・ 1期 车进胜等:河口海岸水动力模拟技术研究的进展 域平面上乃至区域三维立体上的信息,并形成数字成品,为国家宏观决策和国民经济各行各业服务[14].数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现与认识.它有两个核心思想:一是用数字化手段统一处理地球问题;二是最大限度地利用信息资源.数字地球主要是一种政府行为,其应用范围至少应是国家尺度,所以有人提出了“数字中国”的概念[15].它至少应包含土地利用、植被、荒漠化、环境、水资源、矿产资源、海洋、灾害等专业种类的信息.这就对近岸海洋学科提出了新的挑战.无论数字地球的范畴有多广,数字水文肯定是其中十分重要的组成部分.近岸河口区一直是人类经济活动十分频繁的地带,随着21世纪人类聚焦的重心向海洋的偏移,它将越来越多地受到人们的关注.而如今,随着人口的增长、工业的发展、城镇化的加快,由于自然原因和人类活动的影响,河口区的洪、旱、污灾等问题已日益突出,严重地制约着生态、经济、社会的可持续发展.数字地球中与河口有关的问题需要河口科学的理论、知识,反过来数字地球中开发的数字信息获取技术、处理技术、通讯技术、存储和管理技术、网络技术、数字成品技术、信息挖掘等为近岸河口科学迈向新台阶创造了极有利的技术条件.3 结语事实上,人类一直在追求用数字化的方式定量描述和研究人类居住的地球,人类的每一代都比上一代更加数字化.面向21世纪,数字化是人类追求的目标.结合河口模型四维数据同化方法,河口动力数值模拟技术将科学与技术在更高层次上进行融合,将有限的稀疏分布的观测资料同化,挖掘和拓展成空间和时间上的信息;同时,将传统的站点观测水文数据与数字地球中各种源数据,经过同化系统的加工处理,产生数字化的、覆盖整个区域的、多重时间和空间尺度的、多种要素的、有用的数据产品[14],为国家宏观决策和国民经济各行各业提供更好的服务.本文从当今时代的需求出发,简要回顾了河口海岸数值模拟的研究进展,对数字河口动力模型的基本内涵、科学意义以及河口模型四维资料同化的作用前景进行了探讨.结论表明,数字信息技术与四维同化技术将变革近岸河口科学研究的手段,促使河口海岸水动力模拟技术有更加广阔的发展前途.参考文献:[1] 刘桦,何友声.河口三维流动数学模型研究[J ].海洋工程,2000,18(2):87～93.[2] L ee ndertse J J .A Thre e 2Dime ns ional Model f or Es t uarie s a nd Coas t al S e as [M ].Sa nta Ma nica :TheRord Corp oration ,1973.78～86.[3] Philips N A .A coordinate syste m having some special adva ntages f or numerical f orecasting [J ].J ournalof Me t e orology ,1957,14:184～185.[4] Blumberg A F ,Mellor G L .Diagnostic a nd p rognostic numerical circulation studies of t he Sout h Atla n 2tic Bight [J ].J ournal of Ge op hys ic al Re s e arc h ,1983,88(C 8):4579～4592.[5] Backhaus J O .A se mi 2implicit sche me f or t he shallow water equations f or application t o shelf sea mo 2deling [J ].Con t ine n t al S helf Re s e arc h ,1983,4(2):243～254.[6] She ng Y P .O n modeling t hree 2dime nsional estuarine a nd marine hydrodyna mics [A ].Nihoul J C J ,・821・ 台 湾 海 峡 22卷J a mart B M .Thre e 2Dime s ional Model of Marine a nd Es t uarine Dynamic s [M ].A msterda m :Elserier Ocea nograp hy Series ,Elservier Scie nce Publishers ,1987.35～54.[7] Wa ng K H .Characterization on circulation a nd salinity cha nge in Galvest on Bay [J ].J ournal EngrgMe c h ,1994,120(3):557～579.[8] 李孟国,曹祖德.海岸河口潮流数值模拟的研究与进展[J ].海洋学报,1999,21(1):112～125.[9] 吴超羽.珠江河口海洋环境立体监测系统———澳门附近水域子系统研制构想[A ].吴超羽,陈介中,陈邦富1SCO R E ’99海岸海洋资源与环境学术研讨会论文集[C ].香港:香港科技大学海岸与大研究中心,1999.129～135.[10] D onald R J ,J ohn R B ,Guy P B ,et al .Four 2Dime ns ional Model As s imila t ion of Da t a :a S t ra t e gyf or t he Ear t h Sys t e m S cie nc e s [M ].Washingt on :National Acade my Press ,1991.9～15.[11] 龚建东,邱崇践,王强,等.区域四维变分资料同化的数值试验[J ].气象学报,1999,57(2):132～142.[12] 兰健.资料同化中的伴随方法及其在海洋中的应用[J ].青岛海洋大学学报,1998,28(2):175～178.[13] Crawf ord N H ,L linsley R K .Digital simulation in hydrology :Sta nf ord watershed model IV [A ].De 2p ar t me n t of Civil Engine e ring ,S t a nf ord Unive rs i t y .Te c hnic al Rep or t S t a nf ord [R ].Sta nf ord :Dep art me nt of Civil Engineering ,Sta nf ord U niversity .1966.[14] 任立良,刘新仁.数字时代水文模拟技术的变革[J ].河海大学学报,2000,28(5):1～6.[15] 徐冠华,孙枢,陈运泰,等.迎接“数字地球”的挑战[J ].遥感学报,1999,3(2):85～89.Progre s s of re s e arc h on t e c hnol ogy i n e s t uari nea nd c oas t al hydrodynami c s imula t i onCHE Jin 2sheng 1,ZHOU Zuo 2fu 1,HU Xue 2,ZHEN G Zhao 2yong 2(1.Institute of Waterway Survery a nd Research of Gua ngdong Provincel ,Gua ngzhou 510115,China ;2.Institute of Estuarine a nd Coastal Studies ,Zhongsha n U niversity ,Gua ngzhou 510275,China )A bs t ra c t :Based on reviewing the study development of estuarine and coastal hydrodynamic nu 2merical simulation ,this article researched the basic meaning and scientific signification of the new technique 2numerical estuary 2model and the effect and its developing foreground of estuary 2model 42dimension data assimilation.Finally ,it was considered that the numerical information technology and 42dimension assimilation technology should transform the investigative artifice of estuary 2coastal science ,which would consequently accelerate the estuary and coastal numerical simulation technology to have more expansive developmental future.Ke y w ords :estuary and coast ;numerical model ;numeralization ;future ・921・ 1期 车进胜等:河口海岸水动力模拟技术研究的进展 。
MIKE 水动力模块中文教程
目录第一章模型介绍 (1)1.1 简介 (1)1.2 MIKE 21软件特点 (1)1.3 水动力模块原理 (2)1.3.1 控制方程 (2)1.3.2 数值解法 (3)第二章模型构建 (6)2.1 基础数据 (6)2.2 建模步骤 (7)第三章MESH文件生成 (8)3.1 MESH文件生成步骤 (8)3.2常用数据格式 (17)3.3局部加密 (18)3.4北京54坐标投影选择 (22)第四章模型文件 (23)4.1 基本参数设置 (23)4.1.1 模型范围（Domain） (23)4.1.2 时间设置(Time) (26)4.1.3 模块选择（Module selection） (27)4.2水动力模块（Hydrodynamic Module） (28)4.2.1 求解格式（Solution technique） (28)4.2.2 干湿边界(Flood and dry) (29)4.2.3 密度（Density） (31)4.2.4 涡粘系数（Eddy Viscosity） (31)4.2.5底摩擦力（Bed Resistance） (35)4.2.6 科氏力(Coriolis Force) (37)4.2.7风场(Wind Forcing) (37)注意: (38)4.2.8冰盖(Ice coverage) (40)4.2.9引潮势（Tidal Potential） (41)4.2.10降水-蒸发（Precipitation-Evaporation） (42)4.2.11波浪辐射应力(Wave Radiation) (44)4.2.12源(Sources) (44)4.2.13水工结构物（Structures） (46)4.2.14初始条件(Initial Conditions) (61)4.2.15边界条件(Boundary Conditions) (62)4.2.16温度/盐度模块(Temperature/Salinity Module) (68)4.2.17湍流模块(Turbulence Module) (68)4.2.18解耦(Decoupling) (68)4.2.19输出(Outputs) (69)第一章模型介绍1.1 简介MIKE 21是一个专业的工程软件包，用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。
港口航道的水动力模型研究
港口航道的水动力模型研究一、引言港口航道作为海洋与内陆之间的重要连接通道，其水动力特性对于港口的运营、船舶的航行安全以及周边环境的保护都具有至关重要的意义。
水动力模型作为研究港口航道水流、波浪等水动力现象的有效工具，能够为港口的规划、设计和管理提供科学依据。
二、水动力模型的基本原理水动力模型通常基于流体力学的基本方程，如连续性方程、动量方程和能量方程等。
这些方程描述了水流的运动规律和物理特性。
在港口航道的水动力模型中，还需要考虑边界条件，如海岸线、港口建筑物、船舶等对水流的影响。
同时，模型还需要对波浪、潮汐等因素进行合理的模拟。
三、常见的水动力模型类型（一）二维水动力模型二维水动力模型主要考虑水平方向上的水流运动，适用于研究大面积的水域，如海湾、河口等。
它能够较好地模拟水流的平均状态和宏观趋势，但对于垂直方向上的水流变化和局部复杂地形的模拟能力相对较弱。
（二）三维水动力模型三维水动力模型能够更全面地考虑水流在空间三个方向上的运动，对于港口航道中复杂的水流结构、漩涡和分层现象等具有更好的模拟能力。
然而，三维模型的计算量较大，对计算资源和数据要求较高。
（三）浅水方程模型浅水方程模型是一种简化的水动力模型，适用于水深相对较浅的港口航道。
它在保证一定精度的前提下，能够大大提高计算效率。
四、水动力模型的构建过程（一）数据收集构建水动力模型首先需要收集大量的基础数据，包括地形数据、水文数据、气象数据等。
地形数据如海岸线、水深等对于准确模拟水流的流动路径至关重要；水文数据如潮位、流速、流向等能够为模型提供初始条件和验证依据；气象数据如风场、气压等则会影响波浪的生成和传播。
（二）网格划分根据研究区域的大小和复杂程度，将其划分为一系列的网格单元。
网格的大小和形状会直接影响模型的精度和计算效率。
在港口航道等重点区域，通常需要采用较精细的网格，以捕捉局部的水动力特征。
（三）参数设置模型中涉及到众多的参数，如糙率系数、涡粘系数等，这些参数的取值需要根据实际情况进行合理的估计或通过现场观测和实验数据进行率定。
海岸河口水动力数值模拟研究及对泥沙运动研究的应用
海岸河口水动力数值模拟研究及对泥沙运动研究的应用一、本文概述随着全球气候变化和人类活动的不断加剧，海岸河口地区的水动力环境和泥沙运动特性发生了显著变化，这对海岸河口地区的生态、环境和经济发展产生了深远影响。
因此，对海岸河口的水动力数值模拟及泥沙运动研究具有重要的理论和实践意义。
本文旨在探讨海岸河口地区的水动力数值模拟方法，并分析其在泥沙运动研究中的应用。
本文将对海岸河口的水动力数值模拟进行概述，介绍数值模拟的基本原理、常用模型和方法，以及模型建立和验证的一般流程。
本文将重点分析水动力数值模拟在泥沙运动研究中的应用，包括泥沙输移、沉积和再悬浮等方面的模拟和研究。
本文将通过具体案例，探讨水动力数值模拟在海岸河口地区泥沙运动研究中的实际效果和应用前景。
通过本文的研究，旨在为海岸河口地区的水动力数值模拟和泥沙运动研究提供理论支持和实践指导，为海岸河口地区的可持续发展和生态环境保护提供科学依据。
二、海岸河口水动力数值模拟基础海岸河口水动力数值模拟是对海岸河口地区水流运动进行量化分析和预测的重要手段。
它基于流体力学的基本原理，结合数值计算方法，对水流、潮汐、波浪等动力因素进行模拟，揭示这些动力因素在海岸河口地区的运动规律。
在进行海岸河口水动力数值模拟时，需要首先建立数学模型。
这些模型通常包括控制方程、边界条件、初始条件等。
控制方程一般基于Navier-Stokes方程，描述水流运动的基本规律。
边界条件和初始条件则根据具体的研究区域和实际问题进行设定，如河口的开敞程度、潮汐的影响、风的作用等。
数值求解方法是数值模拟的核心。
常用的数值求解方法包括有限差分法、有限元法、谱方法等。
这些方法各有优缺点，需要根据具体的问题和模型选择合适的方法。
例如，对于复杂的海岸河口地形，有限元法可能更适合；而对于大尺度的海洋流场模拟，谱方法可能更有优势。
在进行数值模拟时，还需要考虑模型的验证和校准。
这通常通过与实际观测数据进行对比来实现。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
地给出河口水文要素和水文状态变量的空间分布场,这些对近岸 河口动力科学研究与河口、港口、航道工程都有着广阔的应用 前景.
❖总而言之,数字河口模型研究的最终目的就是利用已有的河口 基础科学理论和知识,在数字区域地形的基础之上将观测点的水 文信息拓展、同化至区域平面上乃至区域三维立体上的信息,并 形成数字成品,为国家宏观决策和国民经济各行各业服务。
❖ 参考文献：
❖ Koutitar 著“Mathematical Model in Coastal Engineering”
1)模型简单易懂 2）附有Basic程序，而且有验证的算例 3）介绍各种数值处理技术 ❖ 曹祖德、王运洪”水动力泥沙数值模拟
第二章 水动力数值模拟的理论基础
2.1 基本方程
❖ 数值模拟工作的基本步骤 （1）建立数学模型和编制源程序
建立或选择的微分方程； 根据模拟域边界条件选择合适的网格； 按一定的格式离散方程，得到代数方程 和采用合适的数值方法求解代数方程； 编制源程序求解代数方程。 数值模拟分析（收敛性、稳定性、相容 性、误差程度等）
（2）调试源程序
（3）模型验证
上. ❖ 稀疏矩阵一般是人为构造的,例如36页三转角
插值时方程组(8.12),(8.15)的系数矩阵.
Gauss消去法(第一次消元)
❖ 有限差分法是工程中常用的一种离散技术，将计 算域分成有限个网格，通过差分法求网格结点的 微分方程的近似值，也称网格法。
❖ 将网格结点上的函数f(x,y,z,t)表示成
，
i,j,k分别表示x,y,z方向的坐标位置，n表示时间。
1、解线性方程组的两种方法:
❖ 直接法:通过有限步算术运算直接求出方程 组的精确解,最常用的是消元结合代入的方 法.
河口、海岸水动力模拟技术2012
精品jing
易水寒江雪敬奉
第一章 绪论
❖ 海岸：是海陆相互作用的重要地带，也是 海、陆、气交互作用的重要空间，这种表 现在： 岸线演变（自然和人为） 飓风（台风）带来的灾难性破坏； 海洋潮汐环境的变化。
❖ 河口：海岸常伴随有江河湖泊的出海口， 通常称为河口。
❖ 海岸河口问题： 潮流问题 波浪问题 径流、异重流（密度流）、污染物（COD) 扩散。
调整模型中有关参数（糙率、紊动动量掺混 系数等），使模型有良好的稳定性和收敛性， 并与现场资料有良好的吻合；
（4）正式方案试验
❖河口、海岸水动力模拟的发展方向
1、河口模型四维资料同化
2、数字河口动力模型
数字河口动力模型具有许多优势:
首先,数字河口模型是基于数字区域地形构建而成的,地形要素 可自动生成,无需手工操作,大大提高了工作效率;
（3）六点格式（Crank-Nicolson），双层六点隐式格式 在x点和n+△n/2时层，对t和x均采用中心差分
（4）Richardson格式，三层显式格式 在x点和n时层，对t和x均采用中心差分
（5）加权六点格式，隐式格式
在x点和n+θ△n时层，0≤θ≤1，对t和x均采用中 心差分
2.2.2线性方程组的数值解
❖ 研究海岸河口问题的方法 物理模型（水Βιβλιοθήκη 学比尺模型） 数学模型（数值模拟）
沿岸过程
控制
动力因素 反馈
物质过程
流（潮流）
波（风浪）
流载波
波生流
波流相互作用
盐水入侵 泥沙输移 污染物扩散 海水入侵
❖ 数值模拟：一门综合性的模拟技术，它采 用数学模型来模拟某中物理现象，并通过 计算机用数值计算法进行近似求解，籍以 复演自然演变过程的总称。
❖ 将网格结点上的函数f(x,y,z,t)表示成
，
i,j,k分别表示x,y,z方向的坐标位置，n表示时间。
1、工程中常用的几种差分和微分的关系（一维） （1）一阶向前差分
（2）一阶向后差分
（3）一阶中心差分 （4）二阶中心差分
2、几种常见的差分格式 以一维热传导方程为例：
（1）古典显式格式
（2）古典隐式格式
❖ 水力学、泥沙数值模拟：以水力学和泥沙 动力学为理论基础，并结合具体工程的一 门新型实用科学。
❖ 水动力泥沙数值模拟：以微分方程为理论， 并通过微分方程的离散，变成代数方程， 最后采用计算机进行近似求解。
❖ 数值模拟的特点：
（1）一般以线性理论为基础，但实际自然 现象和描述这些现象的微分方程均为非线 性的；
自由面运动学边界条件： 底部运动学边界条件：
初始条件
边界条件 岸边界：法向流速为零。
水边界：给定潮位过程。
Saint Venant 方程
三、二、一维方程的定解条件
❖ 初始条件
u,v,w,ζ|t=0=u0,v0,w0,ζ0 边界条件
开边界：计算域水体与外部水体相接处。
(u,v,w)Γ=(u(t),v(t),w(t)) ζΓ=ζ(t) 固边界：计算域与陆地或建筑物接壤处
无滑动：u,v,w=0
有滑动：
垂直边界的速度为0。
2.2数值计算
❖ 在计算水动力、泥沙数值模拟时，大都将 基本方程组离散成代数方程组，最后求解 代数方程组，此处介绍微分方程组的离散 技术——有限差分法和线性代数方程组的 数值解法。
2.2.1有限差分法
❖ 有限差分法是工程中常用的一种离散技术，将计 算域分成有限个网格，通过差分法求网格结点的 微分方程的近似值，也称网格法。
（2）需要丰富的经验，现场资料和一定的 技巧；
（3）数值模拟不仅仅是一种近似计算，可 以作为一种实验或研究及预测方法。
❖ 数值模拟的优点： （1）实验费用少； （2）速度快、周期短； （3）可以模拟多种因素相互作用的复杂物理过程。 如可以模拟水（潮）流、风、柯氏力等多种因素 共同作用下的多种泥沙及地形演变的复杂过程。 （4）可以完全控制流体的物理性质（如密度、容 重、粘度、含沙量等） （5）模型建成后，长期保存、随时调用修改。 （6）无法模拟微分方程不能描述的物理现象。
❖ 实际上除非是采用无穷位精度计算,一般都 得不到精确解.
❖ 直接方法适用于解低阶稠密矩阵方程组.
❖ 迭代法 类似于方程求根的迭代法,用一个迭代 过程逐步逼近方程组的解.
❖ 迭代有可能不收敛,或虽然收敛,但收敛速度慢. ❖ 迭代法适用于求解高阶稀疏矩阵方程组. ❖ 稀疏矩阵:矩阵非零元素较少,且在固定的位置