近海物质输运时间尺度的基本理论研究1.docx
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近海物质输运时间尺度的基本理论研究1
近海物质输运时间尺度的基本理论研究1
近海水交换相关研究
王林慧
中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,青岛,中国,266100
摘要:
本文总结了水交换相关理论,给出了净化时间在理想状态下的计算过程及其假设条件。
介绍运用数值模拟方法研究水交换研究现状,分析几种数值模拟方法的优缺点。
关键词:
物质输运时间尺度,水龄,存留时间,净化时间
1、水交换研究意义
海洋环境是人类赖以生存和发展的自然环境的重要组成部分。
全球海洋面积约3.62亿平方公里,占地球总面积的71%,具有巨大的能量和无数的宝藏。
资源和环境已成为当今世界各国共同关注的严重问题。
海洋环境污染来源有陆源污染、海上污染及空中污染,但主要来自陆源排污。
根据国家海洋局1995年的调查,陆源排污已严重损害了海洋的资源和环境。
据统计,排入我国海域的污水和各种有害有毒物质中80%以上来自陆地。
它们首先进入河口、海湾和近岸海域,引起该地区严重污染。
仅沿岸工厂和滨海城市直接排海污水就达86亿吨/年,主要有害有毒物质约146万吨;通过河流入海的数量难以统计。
这些污染物对社会经济地位十分重要、生态平衡十分脆弱的近岸海域造成了巨大的冲击。
近岸海域水交换是海洋环境科学研究的一个基本课题,污染物通过对流输运和稀释扩散等物理过程与周围水体混合,与外海水交换,浓度降低,水质得到改善。
交换不畅的水体,由于污染物的持续累积,往往会形成诸如富营养化等问题。
BertBolin等(1972)提出水龄的概念,定义为海水微团自进入控制体以来到流经该点所需要的时间。
Zimmerman(1976)将离开控制体时的水龄称为存留时间(residencetime)。
Luff(1996)引入了半交换时间的概念,定义为某海域保守物质浓度通过对流扩散稀释为初始浓度一半所需的时间。
污染物稀释的快慢代表了水质变化的速率,即代表了该海域的交换能力。
通过研究近岸海域的水交换,可以了解海湾的交换能力。
这对海湾污染的预防、治理、以及预测都有非常重要的意义。
(哲)
2水交换的相关研究
在1972年,Parker提出水交换的概念;中村武弘(1980)运用水质预测模式对日本大村湾水污染进行研究;木村晴保(1984)通过对日本高知县古田湾的研究,提出海水交换量的推算法;曾刚(1984)以现场实测资料为依据,采用半日潮流比较分析法,计算厦门港的余流,为研究厦门港海水交换及港口排污等问题提供水动力依据,进而利用出水量与总水量,并引入海水“半交换周期”概念来计算海水交换率;匡国瑞、杨殿荣等(1986)运用中村武弘的水质预测公式对乳山东湾的海水交换及其环境容量进行了初步探讨;孙英兰等(1988)通过拉格朗日余流分布,标识质点跟踪,对胶州湾水交换活跃程度进行区域划分,将其分为湾顶滞留区,黄岛附近活跃区和湾口良好区,对胶州湾水环境进行了一种定性研究;林洪瑛等(1989)提出多河流河口海区海水混合交换简单的数学模式,并以1987年调查站的实测资料对珠江口河口湾水交换进行了讨论计算;王寿景(1990)根据“厦门港湾海洋环境综合调查”资料,选用盐度为指标物质浓度,通过计算嵩屿-鼓浪屿和厦门-鼓浪屿断面海水交换率,求得厦门西湾海水交换状况,并计算了由潮流和潮余流引起的海水半交换期;潘伟然(1992)利用现场观测数据,采用单箱模型,二维数值模型分别计算了湄洲湾海水的平均交换率,平均半更换期和各区段海水的半更换期;Roger等(1995)用欧拉弥散模型计算了北海的水交换时间;周诗贲、陈聚法等(1996)为了解丁字湾的自净能力,对丁字湾的水质,潮汐和海流进行了调查,并对湾内外的海水交换规律进行了探讨;胡建宇等(1998)根据多年的实测潮位资料分析罗源湾的潮汐特征,然后计算出罗源湾的纳潮量,进而求出罗源湾海水的交换率及海水的半更换期;董礼先,苏纪兰(1999)以溶解态的保守性物质作为湾内水的示踪剂,建立了对流-扩散型的海湾水交换数值模型;毕远博,刘海映等(2000)利用大潮汛期对小窑湾海水交换与环境预测进行的调查,运用Parker和柏井诚定义的海水交换率和中村武弘等导出的水质预测式对小窑湾进行了调查分析,其讨论的海水交换与水质预测模式,是通过污染物排放在海湾后在潮汐和海流的推动下,用物理方法分析污染物混合与稀释以及污染物的迁移规律。
赵亮、魏皓等(2002)基于一个成熟的水动力模型ECOM(EstuaryCoastalOceanModel),对胶州湾潮波系统及其驱动下的标识质点运动规律进行数值模拟,将胶州湾划分为6个区域,定量研究了整个海湾水的存留时间和不同区域水的交换能力,并指出流场结构对湾内水交换起了决定性作用。
3、水交换相关理论
净化时间是一个综合的参数描述水体的综合交换特征,忽略相关的物理过程和空间分布不均匀性。
净化时间可以用定义的水体体积(V)除以通过系统的流量(Q)。
由于V、Q等常未知,计算净化时间长可以假设水体为一个连续混合箱式反应器(CSTR),净化时间能够从出流浓度的观察值计算得到。
CSTR的主要假设:
控制体内进入的任何物质都瞬时混合均匀,因此系统中物质浓度处处相等。
若假设瞬时源进入控制体,在控制体内混合均匀后初始浓度为C0,浓度的衰减满足指数形式:
将公式变形
可以由出流浓度来计算净化时间。
通过这一公式可以得到净化时间即浓度降到初始浓度的37%时所用的时间。
值得注意的是,尽管净化时间意味着物质从系统中完全被除去,但是在CSTR模型中是指数衰减形式,系统中物质不能完全清除。
CSTR净化时间反映的是物质在系统中的平均时间。
并且CSTR零维假设引入物质可以瞬时均匀。
在实际情况中,物质是不能瞬时混合,物质输入和物质输出间存在滞后。
CSTR不能完全反映真实系统。
Levenspiel(1972)等提出解决在理想CSTR与一个真实的混合箱式模型间计算差异问题的相关。
纳潮量方法计算净化时间是一种经典方法计算有潮系统的净化时间。
可以通过其基本的几何、潮范围信息这些信息计算净化时间。
净化时间的计算过程是:
P代表低潮和高潮之间的体积。
体积等于波长(R)与平均海平面的表面积相乘。
体积除以潮周期(T)得到流量。
V是平均流域体积。
流量可以用回流因子b进行修正,范围从0.0-1.0变化(由潮流的回流量决定)。
纳潮量方法假设基础:
1、系统完全混合2、河流量与潮流量相比很小3、接受水体必须足够大可以稀释从流域中流出的水以至于在一段时间内接受水体不会发生变化。
4、潮是正弦波。
4、水交换数值模拟
3.1数值模拟相关研究
数值模式是研究水交换问题的有效方法,常见的模型有以下三种:
箱式模型、质点追踪模型、水质模型。
基于箱式模型的水交换定义早期得到广泛应用。
Davies(1982)、Backhaus(1984)等分别计算了北海的净化时间;Choi(1999)估计了黄东海风生流、潮汐余流、密度环流等驱动下不同的水体更新时间;匡国瑞等(1987)以高低潮盐度变化给出了乳山湾一个潮周期内的水交换率;高抒(1991)以狭长海湾多箱物理模型,研究了象山港的水交换机制。
然而该类定义的应用有一定的适用范围。
当通过界面的通量有季节变化时(非常数),对水体更新时间有很大影响[8];随着周期性潮运动(流动非定常),流出该海域的原有水体还会流回,而不带来水质的明显改善;特别是当箱内水质不均匀时,进入箱内的水体不能立即与原有水体完全混合,造成局部海域交换不充分,海域内的水交换不均匀。
因此应用箱式模型往往会过高估计海域的水交换能力。
为此人们又以考虑流场非均匀性的质点追踪法,标示出海域内外的水质点,统计通过某界面流出海域的质点数。
当海域内含原有质点数达到稳态时(原有质点数的37%时),纪录为水体更新时间,流出海域的质点数与初始质点数之比为该海域水交换率。
Signell(1992)以此方法研究了波士顿港区与马萨诸塞湾的水交换。
袁柱翰[10]则探讨了渤海海峡的水交换,认为渤海海峡89%的交换量发生在老铁山水道,交换有北进南出的特点,整个海峡交换量和交换率都不大。
赵亮等(2002)将此方法用于胶州湾水交换研究,指出由于流场的不均匀,胶州湾深水区交换时间为7d,而北部和西部海区交换时间超过2个月。
孙英兰等(1988)通过拉格朗日余流分布、标识质点跟踪,对胶州湾水交换活跃程度进行区域划分。
4.2数值模式的优缺点分析
箱式模型的结构相对简单,易于建立。
质点追踪模型可用于描述每个释放的被动质点的平流路径,多用来研究污染分担问题。
水质模型中全面考虑了平流和扩散过程,因此其物理过程相对前两者而言是最完备的。
尽管关于近岸水体交换的研究十分丰富,但目前这三种方法都存在一定的缺陷。
箱式模型不能描述水交换的时空结构,也难以周全考虑参数的变化,如混合系数和潮通量变化;并且采用箱式模型往往会过高估计研究海域的水交换能力,特别是流场结构不均匀的海区。
质点追踪模型最大的缺陷是其忽略了扩散过程。
目前,常见的水质模型虽然物理过程完备,但是无法描述各个子区域间的相互作用。
此外,即使是同一地区,采用不同的模型或者不同的水交换时间定义,所得的结果也有很大的差别。
以北海为例,箱式模型所计算的水体更新时间不到水质模型的一半(LuffandPohimann,1996)。
需要特别注意的是,模式研究需要有观测来校验,所模拟的流场尽管可与观测资料相比较,但是水交换过程却普遍缺少观测的直接佐证。
5展望
尽管在过去的30年中,水交换的研究有了很大的发展,但是关于水交换各种理论,还没一个严格的的表述。
往往相同的理论在不同文章中有不同的名称。
应用这些理论还要注意理论给定的相关假设是否适用于实际情况,现在水交换的理论中,没有任何一个理论在所有情况下都适用。
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