近岸海域环境水动力学三维垂向高分辨率数值模拟研究

随着计算机运算能力的增强、模拟方法的改进和对局部海域流场、浓度场"细节"了解以及机理研究需求的增加，环境水动力学数值模拟正朝着越来越"精细"的方向发展。目前，在垂向z坐标三维模式中，靠近水面的分层厚度往往必须大于潮差。在较深的海域，这样处理没有问题，因为水深较大而潮差较小。但对于近岸海域，潮差水深比不再是小量，则水面附近的垂向分辨率相对较低，势必对流场和水质的模拟造成不利影响，尤其是在考虑风应力等海-气作用时，该影响将更加显著。本课题拟建立z坐标下垂向高分辨率的三维数值模式：将自由表面处计算域离散为多个曲边梯形和曲边三角形，使得模式表层厚度不再受潮差的限制，即在自由水面附近和浅水区可以获得较高的分辨率；应用有限体积法的思想对控制方程进行离散，使得模式具有较好的守恒性，以适应环境问题中较长时间的连续模拟。应用该模式对近海三维流场结构和水质时空分布进行数值模拟分析，并以渤海湾为例进行研究。

本项目启动后，课题组投入了必要的人力物力，保障了项目的顺利实施。经过三年的不懈努力，项目已基本完成，除部分研究成果尚在整理发表阶段外，大部分研究成果已发表。主要研究成果是建立了三维环境水动力学模型，并将其应用到河口近岸等实际海域的环境水动力学研究中。应用沿水深积分的二维模型求解得到水位的基础上，建立垂向高分辨率模型计算三维流场，并进一步计算得到污染物浓度等环境指标的分布。其中二维模型可以单独运行，并求解环境水动力学问题。在水动力学模型基础上，加入调和分析模块，使得现有水动力学模型在模拟潮流潮汐的同时可进行调和分析。为了收集近期渤海湾的数据资料，天津大学力学系计算流体力学研究小组分别于2012年春季和秋季，对渤海湾进行了两次系统的实地调查观测。本项目课题组大部分成员参加了这次科研调查任务。利用此实测数据并结合历史资料对所建立的数学模型进行了验证，模拟结果与实测结果吻合较好，验证了模型的可靠性。为分析海水自渤海海峡进入渤海后水体的输运情况，模拟得到了渤海水体平均年龄的空间分布。结果显示，在潮动力作用下渤海海峡处水体年龄最小，由海峡至各海湾年龄依次增加。其中，辽东湾水体年龄最小，约为2~6年；渤海湾水体年龄约为10年；莱州湾水体年龄最大约为11年。本项目还将所建立的环境水动力学模型应用于珠江口及毗邻海域水交换特性研究及环境因子分析中。通过对模拟得到的水位流速过程与实测过程的对比，验证了所建立的珠江口海域水动力学模型的可靠性。并进一步对水质模型进行了验证，模拟得到丰水期、平水期和枯水期的盐度、无机氮浓度和COD浓度与实测结果总体上吻合较好，证明了水质模型可以较好的模拟河口区污染物浓度等实际环境指标的分布。研究海域污染物浓度表现出较强的季节和空间差异性，这是大气沉降及陆源入海等因素共同作用所致。而无机氮浓度超标是珠江口海域最主要的环境问题之一。利用环境水动力学模型模拟了大气沉降及各个口门入海通量下的无机氮响应浓度场。模拟预测了允许排放量和计划排放量情况下珠江口无机氮浓度分布，并与现状情况进行了对比。分析了各个污染源的污染强度和范围，为制定合理的污染物削减计划提供可靠的科学依据。最后，引入驻留时间、曝光时间和水体年龄的概念，定量研究珠江口水体的水交换特性。