品清湖避风塘水体交换能力数值模拟研究
时间：2023-05-29 11:05:13 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
韩春阳，黄素绿
（广东海兰图环境技术研究有限公司，广州 510000）
品清湖位于广东省汕尾市区东面，是我国最大的沿岸泻湖[1]。品清湖的面积为23.16 km2，岸线长度为39.62 km。品清湖口门朝西，潮汐通道沿西北向延伸，与红海湾相通。该海域涨潮历时和落潮历时基本相等，涨憩和落憩历时较短，最高潮位为3.37 m，最低潮位为0.09 m，最大潮差为2.58 m，最小潮差为0.10 m，平均潮差为0.89 m[2]，平均海面为1.31 m。品清湖海域的潮汐系数为1.1，介于0.5～2.0，属于混合潮中的不正规半日潮型[3]。
为了合理利用品清湖水域资源，掌握该区域水环境状况，近年已有多名学者对该区域开展了研究。而在品清湖水体交换能力方面缺少相关研究，这与泻湖、海湾水体之间的物质输运和污染物净化能力密切相关。近年来，国内较多采用物质输运扩散法，基于数值模拟的港湾水体交换能力分析预测已有不少研究成果。李希彬等[4]基于三维物质输运方程，分析了湛江湾的水体交换能力。陈振华等[5]基于高分辨率的漫滩三维水动力模型，分析了钦州湾水体交换能力。崔雷等[6]基于二维浅水水动力数值模型和水质模型，采用不规则三角网格系统和有限体积法，分析了普兰店湾内水体交换能力。张振伟等[7]基于污染扩散方程，分析了平潭县竹屿湾的水体交换能力。
品清湖避风塘海域水深较浅，在相对于变量的水平变化、垂直变化可以忽略的情况下，水平二维水质变量是较为合理的选择[8]。因此，本文以二维浅水水动力数值模型和水质模型为基础，研究品清湖避风塘海域的水体交换能力。
1.1 二维数值模型
品清湖为一个封闭程度较高的泻湖，其与外海红海湾的水体交换能力十分有限，仅仅通过最窄处仅为600 m 左右的口门进行水体交换。为了定量分析品清湖的水体交换能力，本文采用垂向平均二维模型进行模拟，运用保守物质输运扩散方法对品清湖的水体交换进行研究。二维水动力控制方程分别为
式中：x为平面横坐标；
y为平面纵坐标；
t为计算时间；
Ah为水平方向扩散系数；
η为平均海面起算的海面高度；
u、v为垂向平均流的东、北分量；
h为平均海面起算的水深；
H为总水深，H=η+h；
f为体现地球自转效应的科氏参数；
Rb为海底摩擦系数；
g为重力加速度；
τsx、τsy为风对自由水面的剪切力在x、y方向的分量。
二维保守物质输运控制方程为
式中：x为平面横坐标；
y为平面纵坐标；
t为计算时间；
u、v为垂向平均流的东、北分量；
S表示保守物质浓度；
Dx、Dy分别为x和y方向的扩散系数。
1.2 模型计算域设置
从满足工程研究需要出发，选定计算域包括大鹏半岛至汕头市海门湾的海域范围。具体范围为21 ° 31 ′ N～23 ° 12 ′ N、114°28′E～116°57′E，东西宽约为221 km，南北长约为193 km。
本模型采用三角形网格剖分计算区域，网格节点数为31 590 个，网格数为59 980 个，网格节点最大间距为5 661 m，位于外海边界处；
最小间距为25 m，位于品清湖内水域。工程前网格剖分如图1所示。品清湖避风塘局部网格如图2所示。
图1 数学模型计算网格
图2 品清湖避风塘局部网格
2.1 数值模型的验证
潮流数学模型的计算时间为2008年10月1日至30日，共计30 d，时间步长为60 s，每隔半个小时输出网格点的水位和流速、流向用于模型的验证。经过潮位、潮流验证，其满足模型精度要求，因此采用的模型是合理可靠的，能反映品清湖海域的水动力特征，可以在该模型基础上进行水交换特征模拟分析。
2.2 模型结果分析
根据红海湾和品清湖避风塘的条件，进行水体交换频率模拟时，在模拟的初始时刻，将红海湾内浓度设为0，品清湖避风塘水域为100 单位相对含量的分布。水质方程与水动力模型离散网格相同，时间步长为30 s，在水动力条件完全相同的情况下模拟运行100 d，同时进行分析。
由于品清湖避风塘周边无大的径流注入，因此只考虑纯潮流作用下品清湖避风塘水体交换能力，即不考虑径流和降水。设定初始条件的浓度场，如图3所示。由图4至图6可知，计算10 d 以后，只有避风塘东北角小部分区域的相对浓度还保持90；
计算20 d 以后，避风塘大部分区域的相对浓度都小于50，有一半以上的区域相对浓度已下降为10（空白区域）；
计算60 d 以后，只有避风塘东北角小块区域的相对浓度还大于10，其余区域的相对浓度都小于10。
图3 初始相对浓度场
图4 计算10 d 后相对浓度场
图5 计算20 d 后相对浓度场
图6 计算60 d 后相对浓度场
本文采用不规则三角网格系统和有限体积法，建立了潮流、水质数值模型，对品清湖避风塘的水体交换能力进行了定量分析。数值模拟结果显示，避风塘水域半交换期为20 d左右，水体交换需要60 d左右，该区域水体交换能力较好。
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