钦州湾潮流场及污染物输运特征的数值研究

【目的】钦州港作为广西重要的港口,港口快速发展的同时带来污染物排放量的不断增加。为保证钦州湾海洋生态的可持续发展,必须深入分析钦州湾的水交换与污染物输运特征。【方法】基于2010年秋季钦州湾的调查结果,应用ECOMSED模型构建了钦州湾三维潮流与污染物(以COD为例)输运模型。潮流模型的调和常数来自俄勒冈大学的中国海潮汐模型,污染物输运模型的开边界与初始值来自于调查结果。【结果】模型结果与海流调查结果吻合较好。钦州湾平均涨潮时与平均落潮时分别为11.4h与8.7h,对应落潮流大于涨潮流;平均潮差为2.8m,最大潮差4.25m,平均纳潮量约为10.8×108 m3;钦州湾的水体交换半周期为7d,而水体交换80%的时间约为28d;钦州湾COD浓度越往北越大,越靠近湾外越小,COD逐时浓度最大值约为1.27mg·L-1;钦州湾保税港区围填海后金鼓江北端和西侧的COD浓度分别上升约20%和10%。【结论】广西钦州湾保税港区的围填海工程对金鼓江的污染物浓度分布影响较大。     

广西沿岸主要海湾潮流的数值计算

广西沿岸的铁山港、廉州湾、钦州湾、防城港湾的潮流数值计算结果显示,4个海湾的落潮流均大于涨潮流,最大落潮流速120cm/s,最大涨潮流速100cm/s,潮流为往复流型式,落潮由北向南,涨潮由南向北,流向具有明显的规律性,这与实测结果较为吻合,但在钦州较为杂乱,存在2个互反方向的回旋式流动,究其原因,可能是与该湾的地理环境条件有关。     

建闸河口整治工程与河床演变特征研究

建闸河口整治工程引起的河床演变调整十分复杂.基于验证好的潮流、泥沙输运及河床演变模型分析了双龙河口整治一期工程和二期工程后水动力和河床演变的响应特征.结果表明,闸下河道水动力变化和河道冲淤分布与局部浚深拓宽及纳潮量增加有密切联系.若仅对河道上段局部河道进行整治,浚深拓宽段的涨落潮不对称现象加剧,局部产生回流区.若以固定坡降对整条河道进行整治,则涨落潮流速显著增加且不对称性减小.纳潮量增加在工程初期会引起口门段冲刷,而局部拓宽段会因流速相对减小而产生淤积,特别是在回流区淤积严重.因此为延长工程寿命,尚需辅以定期开闸放水和局部清淤等措施.     

建闸河口整治工程与河床演变特征

建闸河口整治工程引起的河床演变调整十分复杂.基于验证好的潮流、泥沙输运及河床演变模型分析了双龙河口整治一期工程和二期工程后水动力和河床演变的响应特征.结果表明,闸下河道水动力变化和河道冲淤分布与局部浚深拓宽及纳潮量增加有密切联系.若仅对河道上段局部河道进行整治,浚深拓宽段的涨落潮不对称现象加剧,局部产生回流区.若以固定坡降对整条河道进行整治,则涨落潮流速显著增加且不对称性减小.纳潮量增加在工程初期会引起口门段冲刷,而局部拓宽段会因流速相对减小而产生淤积,特别是在回流区淤积严重.因此为延长工程寿命,尚需辅以定期开闸放水和局部清淤等措施.     

钦州湾蓄泥坑泥沙扩散数值模拟

【目的】近年来,钦州港的快速开发在带动海洋经济发展的同时,也对周围的海洋环境造成一定的压力,本研究试图寻找钦州湾海上工程产生的泥沙扩散对周围环境影响最小的施工方法。【方法】基于ECOMSED模型模拟钦州三墩作业区蓄泥坑开挖引起的水动力变化和泥沙扩散情景,通过敏感性实验测试了不同围挡实验对减少泥沙扩散面积的效果。【结果】发现钦州湾潮流场呈往复流特征,落潮流大于涨潮流。涨潮中间时大部分海域流向以偏北方向为主,最大潮流流速为1.85 m/s;落潮中间时大部分海域的潮流为偏南向,最大潮流流速为2.34m/s。蓄泥坑的北部基本为西南向流,东部基本为南向流,南部和西部为东南向流。无论表层还是底层,蓄泥坑东北部的流场在工程前后变化较大,流速偏差约为10%,表层和底层的平均流向偏差分别为5.05°和4.55°。无围挡泥沙扩散实验中浓度为10mg/L的悬浮泥沙包络线影响范围较大,可影响到保留区和航道。围挡实验中,东开口和西开口的泥沙扩散面积与无围挡实验基本相同。而南开口和北开口的泥沙扩散面积明显减小。【结论】采用三面围挡仅北端开口的施工方法可以显著降低泥沙扩散对周围海洋环境的影响。     

登陆北部湾北部台风对广西近岸水位变化的影响分析

根据台风"纳沙"登陆期间广西白龙半岛南面海域1km处S1站连续的实测海流剖面资料,白龙尾F1站的水位资料和台风"榴莲"登陆期间铁山港石头埠F2站的水位资料,分析登陆北部湾北部台风对广西近岸水位变化的影响,得出如下结论:在无台风期间,S1观测点表层的最大实测潮流流速为40.0cm/s,表层的最大余流流速为20cm/s。在台风登陆期间,S1观测点表层的实测潮流最大流速为103.7cm/s,表层的最大余流流速为39.7cm/s,比无台风期间高2倍左右。但随着水深的增加,潮流和余流的流速逐渐减小;岸站F1、F2的水位变化过程是,台风登陆前,水位减至最低;台风登陆后,水位增至最大,水位的增、减变化与台风作用过程有关。同时,认为台风登陆期间广西沿岸水位的抬升和下降变化与风、港湾地形、大气重力波所产生的共振作用有着密切的关系。     

基于随机游动模型的铁山港水交换的数值模拟

采用三维浅海水动力模型和粒子随机游动模型,模拟了铁山港潮汐、潮流场,分析了湾内水体平均驻留时间的时空特征和物质迁移特征.研究结果表明,铁山港海水交换主要受潮汐控制,上层海水与湾外水交换率大,平均驻留时间为9.84d,下层海水为25.18d;腹大口小的海湾内湾顶水交换较慢,湾口和湾中水交换较快;落潮期水体交换速度明显快于涨潮期.采用单点中性粒子追踪公馆河入海处等5个较典型位置水体的运动轨迹,结果表明北暮—营盘附近口门海域和石头埠沿岸水交换活跃,利于水体物理自净扩散;湾顶、白沙河和沙田均水交换缓慢,容易造成物质的沿岸堆积.     

岸线变化对钦州湾水动力环境的影响

【目的】分析岸线变化对钦州湾水动力环境的影响,为钦州湾海岸线开发、海洋环境保护提供科学依据。【方法】结合2004年及2012年海图、卫星影像资料等资料,采用数值模拟的方法对钦州湾2004年—2012年间岸线变化造成潮流、纳潮量、水交换能力的变化进行计算。【结果】岸线变化后,三墩公路顶端附近海域流速增大0.2m/s,犀牛脚附近下降0.1m/s,三墩公路两侧涨潮时潮流流向由东南向变为西南向和正北向;大、小潮期间,海域纳潮量分别下降-1.50×10~8 m~3和-0.29×10~8 m~3,下降幅度分别约为总量的10.3%和10.9%;水体半交换时间由27d延长至28d。【结论】岸线变化对钦州湾水动力环境有一定的影响,岸线开发利用应充分考虑岸线变化对海洋环境的影响。     

大规模填海工程对钦州湾水动力环境的影响

【目的】研究钦州湾大规模填海工程导致的水动力环境变化。【方法】构建一个平面二维潮流数学模型,并利用2007年与2009年实测水文资料对模型进行验证,模型较好地模拟了钦州湾的潮流运动规律。进一步计算分析了2008~2012年钦州湾大规模填海建设前后水动力变化状况。【结果】结果显示:钦州湾东航道、金鼓江航道浚深导致航道内流速减小,最大减小量约0.145m/s;三墩公路建设导致其西侧流速明显缩小,最大减小量约0.224m/s,而其东侧流速显著增大,增量最大达0.322m/s。【结论】大规模填海工程导致钦州湾2012年水体体积比2008年缩小约2.21%;钦州湾水交换能力变弱,海水半交换周期最大增加0.56d。     

外钓光汇石油基地工程水动力及海床冲淤数值模拟分析

外钓光汇石油基地工程位于舟山外钓山岛南侧,建设内容包括基地填海工程、工作船码头和3 000 t级油品码头。工程建设会对附近海域的水动力及海床冲淤造成一定程度的影响。本文利用Delft3D建立了工程区附近海域二维水动力数值模型,结合实测潮位、潮流资料,对该模型进行了验证,进而定量计算了基地工程实施后附近海域的潮流和海床冲淤变化。结果表明,在工程区东侧围堤和码头后方,涨、落潮流速明显减小,幅度为20%～40%,相应地海床趋于淤积,最终淤积厚度为0.8～1.2 m;码头对岸老塘山港区前沿的涨、落潮流速有所增加,幅度为5%～20%,相应地海床趋于冲刷,最终冲刷厚度为0.4～0.5 m。     

钦州湾潮流季节变化特征

【目的】为科学开发和利用钦州湾的海洋资源,研究钦州湾潮流季节性变化特征。【方法】收集2006~2012年钦州湾潮流实测资料,结合准调和分析方法,初步获得茅尾海以及钦州湾外湾潮流季节特征。【结果】茅尾海夏季潮流显著强于冬季,潮汐河口夏季受径流影响强烈。外湾夏、秋季节潮流强于冬节,西水道潮流较强,中水道次之,东水道相对较弱;三墩公路建设导致其东侧浅滩潮流明显增强。除夏季潮汐河口余流较大外,钦州湾余流普遍不强。【结论】钦州湾属不规则全日潮海区,潮流运动形式为往复流,落潮流速一般大于涨潮流速,涨潮历时长于落潮历时;龙门水道潮流动力最为强劲,其次为其它主流潮汐通道。     

防城港东湾纳潮量减弱及其影响分析

【目的】研究防城港东湾水交换改变状况,分析其变化的原因,并探讨造成的影响。【方法】采用传统方法计算防城港东湾2008年和2012年的纳潮量。【结果】2008年防城港东湾纳潮量为1.8443×108 m3,2012年纳潮量为1.7436×108 m3,仅4年时间防城港东湾纳潮减少量占总纳潮量的5.5%。纳潮量减少后海水交换能力明显减弱。【结论】港口码头工程填海和岸线及滩涂资源的大量利用减少了湾内海域空间面积,造成海水交换能力减弱,使湾内海洋生态环境出现退化现象。     

长江口整治工程对河口潮流的影响

采用沿水深积分的平面二维非定常流数学模型对长江口整治工程进行流场数值模拟,讨论了整治工程实施后不同的典型水文条件（平水年、洪水年、大潮汛）下沿江水位、流速、各叉道流量的变化。结果表明,工程后南支上段的徐六泾深槽落潮流速加大,长江流流稳定北偏进入白茆沙北水道;南支下段沿南岸一线的落潮速均有增加;长导堤固定了浏河沙,从根本上防止新浏河沙体的整体南压;南北港的分流比变化不大;北槽在工程后除局部区域外,全     

涠洲岛海域潮流不对称的偏度判别研究

【目的】潮流不对称现象是潮波运动的基本特征之一,潮流不对称的量化及适用性是近海潮波动力学的重要研究内容。采用涠洲岛附近海域1988年10月6日~1989年3月9日实测的分层(10m、20m和30m)潮流数据对涠洲岛附近海域的潮流不对称现象进行研究。【方法】首先对实测资料进行调和分析得出余流及35个分潮,进而基于调和分析结果利用潮流不对称偏度判别法对实测潮流数据的潮流不对称进行计算。【结果】研究认为,在u方向(W-E),虽然垂向上流速大小有变化,但均为正向不对称,且其不对称程度基本相同。在v方向(N-S),10m层和20m层流速均为负向不对称,30m层呈正向不对称,三者在量值上由上层向下逐渐增大。在各层次各方向上,对潮流不对称贡献最大组合的均为余流及余流与分潮的相互作用,O1、M2和MO3分潮的相互作用以及K1、M2和MK3分潮的相互作用对潮流不对称的贡献亦不能忽略,其量值能达到甚至超过O1、K1、M2的贡献。潮波进入浅水发生变形,导致潮流不对称的影响因素在浅水和深水海域不同。【结论】涠洲岛附近海域潮流不对称具有明显的垂向变化,10m、20m层与30m呈现不同的不对称特征。潮流不对称偏度判别法在较深水海域同样具有适用性。     

水动力条件对鼠尾藻幼苗生长的影响

【目的】考察水层深度和水流速度对鼠尾藻幼苗生长的影响。【方法】以特定生长率和叶绿素a含量为考查对象,设计水层深度和水流速度的单因子实验和双因子实验,研究鼠尾藻幼苗对水层和水流刺激的适应情况。【结果】鼠尾藻幼苗特定生长率在水层深度为-0.3m时最高,过深的水层(水层深度为-1.5 m)不适合鼠尾藻幼苗的生长;特定生长率随着水流速度的增加而增加,在水流速度为0.9m/s时最高,然后下降。鼠尾藻幼苗体内叶绿素a含量随着水层加深(0~-0.9m)而不断积累增多,但是随着水层继续加深而相对减少,且其在低水流速度下含量较高,随着水流速度的升高呈下降趋势。【结论】较浅的培育水层和适度的水流速度条件对鼠尾藻幼苗生长有积极的影响。     

海南岛东北海域海流和余流特征分析

【目的】研究海南岛东北海域的潮流、余流特征和分布规律。【方法】依据2017年6月在海南岛东北海域调查的夏季大潮实测海流数据,采用准调和分析方法分析实测数据,并根据该分析所得的一些参数分析研究区域的潮流性质、潮流运动形式、M2分潮潮流椭圆、潮流的垂直分布及夏季的余流分布。【结果】海南岛东北海域的潮流以不正规半日潮流为主;各站点潮流椭圆旋转率都较小,潮流运动形式以往复流为主,方向为NW—SE;除S4站以外,其余各站海流均为略带旋转的往复流,往复流的方向为NW—SE,旋转流的旋转方向为顺时针;研究海域表层余流大于中底层,近岸余流较弱,琼州海峡附近的站点余流最强;各站表、中、底层余流流向较一致,表层余流主要受风场的影响作用,底层余流主要受到底地形的影响。【结论】对调查区域的潮流、余流特性有了一个较为全面的认识。     

适应性交通流连续性模型

【目的】考虑人的主动行为在复杂的交通系统所起的作用,从微观机理出发,利用气体动理学理论建立交通流连续性宏观模型,研究交通的拥堵现象。【方法】假定单一司机的期望速度与其局域瞬时速度成正比,考虑司机期望速度随时间的驰豫变化,利用广义Paveri-Fontana等式,通过运用距方程和Chapman-Enskog方法,导出类Naveri-Stokes方程的适应性交通流模型;然后对适应性交通流模型进行线性稳定性分析,并通过数值分析验证适应性模型的合理性。【结果】适应性模型能更好地解释高密度下的时停时走交通现象,描述交通堵塞的消散过程,反映右转车流的"挤压"效应。【结论】引入司机的期望速度的宏观交通流动力学方程能较好模拟高密度的交通拥堵现象。