本文關(guān)鍵詞：養(yǎng)殖海域水動力及污染物遷移的數(shù)值模擬，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：我國北部地區(qū)養(yǎng)殖海域主要集中在遼寧省沿海,其以莊河養(yǎng)殖海域最具有代表性。莊河海域位于遼東半島沿海,東鄰丹東,西接大連,是一片典型的開敞性海域。該海區(qū)潮汐為不規(guī)則的半日潮,其中M2分潮占主要成分,潮流呈往復(fù)流性質(zhì)。目前莊河海域環(huán)境水質(zhì)面臨諸多問題:一方面河口和近岸所排放的污染物質(zhì)過多,制約著海水養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展;另一方面養(yǎng)殖區(qū)的人工投餌一部分用于養(yǎng)殖生物的生長,剩余一部分進(jìn)入到養(yǎng)殖海域的水體,同時(shí)養(yǎng)殖生物的排泄物以氨和磷酸鹽形式釋放到水中,累積在養(yǎng)殖區(qū)底部,導(dǎo)致養(yǎng)殖區(qū)的自身污染。養(yǎng)殖區(qū)域污染物的排放、沉積可引起水體富營養(yǎng)化,造成水質(zhì)惡化,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)失衡、紊亂甚至完全崩潰。就目前而言,關(guān)于養(yǎng)殖海域的水交換能力尚未得到充分的研究,所以研究該海域的水體交換能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文發(fā)展了一個(gè)近岸海域深度平均二維隱格式水動力數(shù)學(xué)模型,該模型基于非結(jié)構(gòu)四叉樹矩形網(wǎng)格,采用有限體積方法離散方程。使用Rhie-Chow的動量插值方法對同位網(wǎng)格不合理的壓力波加以抑制,使用SIMPLEC程式導(dǎo)出水位校正方程,整合的方程組采用最小殘差法(GMRES)求解,并利用預(yù)條件的不完全Lu分解方法加速其收斂性、提高計(jì)算效率�；谒畡恿δＰ�,并耦合拉格朗日粒子追蹤法建立污染物遷移擴(kuò)散模型。使用發(fā)展的二維模型模擬渤海海域水動力過程,得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)果,結(jié)果表明該模型能夠較好地復(fù)演近岸海域的水動力。該算例中使用的全隱格式的深度平均二維水動力模型,其時(shí)間步長可達(dá)1800s,說明隱格式水動力模型的時(shí)間步長不依賴于克朗數(shù)條件的限制。為了驗(yàn)證拉格朗日粒子追蹤模塊,對風(fēng)和海流聯(lián)合作用下理想正方形港灣的油膜輸移軌跡及擴(kuò)散進(jìn)行計(jì)算,得出油膜的動態(tài)輸移及擴(kuò)散過程和Tkalich的模擬結(jié)果基本一致。進(jìn)一步應(yīng)用拉格格朗日粒子追蹤模塊模擬了莊河養(yǎng)殖海域的污染物運(yùn)動軌跡�？梢钥闯�,深度平均的二維模型只能計(jì)算單層的水動力和污染物運(yùn)動,無法計(jì)算水體垂直水動力、污染物的分布。本文三維模擬中使用耦合了拉格朗日保守粒子追蹤模塊的ECOMSED三維潮流模型,該模型水動力模塊是一個(gè)基于靜壓和Boussinesq近似的三維斜壓原始方程模式;自由海表面、水平網(wǎng)格采用的是曲線正交坐標(biāo)系統(tǒng);垂直方向采用σ坐標(biāo),變量空間配置Arakawa-C格式,應(yīng)用2.5階湍流閉合模型求解垂向混合系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù),水平湍流粘滯和擴(kuò)散系數(shù)基于Smagorinsky參數(shù)化方法計(jì)算,在水平方向采用顯式格式,垂直方向采用隱式格式。使用ECOMSED三維風(fēng)生流模型模擬了賽里木湖的風(fēng)生環(huán)流,盡管在流速上存一定的偏差,但流向符合較好,總體上滿足計(jì)算要求,能夠獲得預(yù)期的效果。并使用ECOMSED三維潮流模型模擬了北黃海莊河養(yǎng)殖海域的水動力變化、潮致余流分布,通過將水動力模擬結(jié)果與兩個(gè)測量點(diǎn)的水位變化過程、流速流向進(jìn)行比對,獲得理想的對比結(jié)果,驗(yàn)證了模型的可靠性。同時(shí)計(jì)算分析了該區(qū)域保守粒子的運(yùn)動軌跡、遷移速度。研究結(jié)果表明:大潮和小潮時(shí)的余流場方向分布基本相同,大潮時(shí)余流顯著大于小潮時(shí),在近岸區(qū)存在至東北向西南的沿岸流,除卻近岸區(qū)整體余流呈現(xiàn)至西南向東北;小長山群島和石城島周圍不同位置處的粒子的運(yùn)動軌跡存在較大差別,說明其水體交換能力因地而異;養(yǎng)殖區(qū)粒子的運(yùn)動軌跡整體向東運(yùn)動,較小部分向西南擴(kuò)散運(yùn)輸,與上述該區(qū)余流分布相符。
【關(guān)鍵詞】：養(yǎng)殖海域 深度平均二維模型 ECOMSED模式 粒子運(yùn)動軌跡 污染物遷移 余流
【學(xué)位授予單位】：大連海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X714;X55
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-14
• 1.1 課題研究的背景及意義9
• 1.2 國內(nèi)外潮流模型格式及方法9-12
• 1.2.1 二維潮流模型格式及方法9-11
• 1.2.2 三維潮流模型格式及方法11-12
• 1.3 國內(nèi)外潮流模型研究現(xiàn)狀12-13
• 1.3.1 二維潮流模型研究現(xiàn)狀12
• 1.3.2 三維潮流模型發(fā)展及研究現(xiàn)狀12-13
• 1.4 養(yǎng)殖海域概況以及環(huán)境動力學(xué)模擬現(xiàn)狀13-14
• 1.4.1 地理位置和自然環(huán)境13
• 1.4.2 養(yǎng)殖海域環(huán)境動力學(xué)研究現(xiàn)狀13-14
• 第二章 二維模型和ECOMSED三維模型的理論基礎(chǔ)14-23
• 2.1 深度平均二維模型14-19
• 2.1.1 二維潮流方程14
• 2.1.2 湍流封閉模型14
• 2.1.3 應(yīng)力計(jì)算14-15
• 2.1.4 邊界條件15
• 2.1.5 粒子的對流和湍流擴(kuò)散15
• 2.1.6 四叉樹網(wǎng)格和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)15-16
• 2.1.7 數(shù)值離散16-19
• 2.2 ECOMSED三維潮流模型19-23
• 2.2.1 σ 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的推導(dǎo)過程19
• 2.2.2 σ 坐標(biāo)下的控制方程19-20
• 2.2.3 正交曲線坐標(biāo)下的控制方程20-21
• 2.2.4 ECOMSED模式下的初始條件和邊界條件21-23
• 第三章 近岸海域水動力及污染物運(yùn)動軌跡數(shù)值模擬23-49
• 3.1 渤海海域的二維水動力數(shù)值模擬23-25
• 3.1.1 計(jì)算域范圍及模型配置23-24
• 3.1.2 計(jì)算結(jié)果分析24-25
• 3.2 風(fēng)與流作用下油膜輸移擴(kuò)散的模擬25-26
• 3.2.1 模型的初始條件25-26
• 3.2.2 油膜輸移擴(kuò)散模擬結(jié)果分析26
• 3.3 莊河養(yǎng)殖海域水動力及污染物運(yùn)動軌跡的數(shù)值模擬26-31
• 3.3.1 莊河養(yǎng)殖海域的特征及模型參數(shù)26-27
• 3.3.2 莊河養(yǎng)殖海域水動力分析27-30
• 3.3.3 莊河養(yǎng)殖海域污染物運(yùn)動軌跡分析30-31
• 3.4 ECOMSED在賽里木湖風(fēng)生流的應(yīng)用31-41
• 3.4.1 模型的配置及初始條件31-33
• 3.4.2 2014年6月 8、9 號測量值和模擬的對比33-37
• 3.4.3 風(fēng)生流流場分析37-41
• 3.5 莊河養(yǎng)殖海域水動力及污染物遷移的三維數(shù)值模擬41-49
• 3.5.1 模型設(shè)置及初始條件41-42
• 3.5.2 實(shí)測水位流速流向與模擬值的對比42-46
• 3.5.3 潮流流場及余流場分析46-48
• 3.5.4 粒子投放及結(jié)果分析48-49
• 第四章 結(jié)論與展望49-51
• 4.1 結(jié)論49-50
• 4.2 工作展望50-51
• 4.2.1 近海三維隱格式模型的開發(fā)50
• 4.2.2 近岸海域生態(tài)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建和數(shù)值模擬50-51
• 參考文獻(xiàn)51-55
• 攻讀碩士期間發(fā)表論文55-56
• 致謝56-58

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