港湾三维水动力和污染物扩散数值模型
污染物扩散模型
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该模块采用突发性水污染扩散模型，利用一维水质模型，通过对河段长度与扩散时间进行微分，后利用四点隐式差分格式进行模型的数值求解。
详解如下：1.模型推导：污染物在全断面混和后，其迁移转化过程可用一维模型来描述，基本控制方程为：S S hA KAC x c E D A x x AUC t AC r x x ++-∂∂+∂∂=∂∂+∂∂])([)()( 其中：C 为污染物质的断面平均浓度，U 为断面平均流速，A 为断面面积，h 为断面平均水深，x D 为湍流扩散系数，K 为污染物降解系数。
x E 为纵向扩散系数r S 为河床底泥释放污染物的速率，S 为单位时间内，单位河长上的污染物排放量。
实践证明，水的纵向流速是引起污染物浓度变化的主要参数，因此河流各断面的污染物浓度变化主要由这一项引起。
因此该模型可以简化。
不考虑湍流扩散，河床底泥释放污染物以及沿河其他污染物排放的影响，水污染模型的基本方程为：AKC xC AE x AUC t AC -∂∂=∂∂+∂∂22)()( 2.模型求解：采用有限差分法中的四点隐式差分格式对上式进行数值求解：)(2121121111111j i j i j i j i j i j i j i j i j i C C K xC C C E x C C U t C C -++-++--++-∆+-=∆-+∆- 整理可得: 其中2x E a i ∆-=；2212K x E t i +∆+∆=β；2xE i ∆-=γ；)2()1(1K x U C x U t C j i j i i -∆+∆-∆=-δ将上游边界条件带入上式得：将下游边界条件带入，得：从而组成方程组，利用追赶法求解出j i C ;3:具体实现：本模块通过的含酚污染物污染扩散情况作为实验典型代表来粗略模拟实现扩散过程。
系统默认提供河流参数等数据。
设置K 为2/d ，U 为流速为10m/s 。
x E 为1d km /2。
水环境数学模型
（一） 基本控制方程 圣 • 维南方程组包括连续性方程和动量方程。 在渐变流流程s方向上取ds微元段为控制体积，由 质量守恒定律和动量守恒定律分别推导，并引入 渐变流静压分布的特性，以及速度沿断面均匀分 布的假定，可得明渠一维流动的连续性方程：
A Q 0 t s 明渠一维流动的动量方程为:
（3）以z、v为应变量的组合形式
z z A v v v iv M t s B s B v v z v2 v g g 2 t s s C R
WASP4水动力模型及其数值方法 —— 基于“道—节”网络的河流水动力模 型系统 WASP4(Water Ouality Analysis Simulation Programme Version 4)是 美国联邦环境保护局阿申斯环境研究 实验室开发的水动力与水质分析模拟 程序。
（5）实际流体与理想流体 根据流体的粘滞性，可以将其分为 理想流体和粘性流体。对于理想流体， 其分子粘性系数为零，从而其运动学粘 性系数也为零。对于自然水体的水动力 模型应将流体视为粘性流体。
（6）布辛尼斯克（Boussinesq）近似 这是流体力学、大气科学、水动力学研 究中研究热力流动（热对流）问题中常用的 一种近似处理。这一假设由法国19世纪物理 学家J. Boussinesq提出，该假设认为：除非 热膨胀造成浮力外，流体可以视为不可压缩 的。 在我们水环境问题中，我们采用 Boussinesq近似，则认为在水平方向上不考 虑密度差，而仅在垂直方向上才考虑。一般 地说，对于浅层流体的缓慢流动，由于其水 平方向上的密度差较小，均可采用 Boussinesq近似。
国际上将水质模型发展的基本历程分为四 个阶段： 第一阶段（1925年~1965年）：开发了比较 简单的BOD—DO双线性系统模型。采用一 维计算方法。 第二阶段（1965年~1970年）：继续研究发 展BOD—DO模型的多维参数估计问题，水 质模型的基本框架发展为六个线性系统。 计算方法从一维推进到二维。除了继续研 究河流、河口水质问题外，开始模拟计算 湖泊、水库及海湾的环境问题。
基于Delft3D污染物扩散模拟的城市湖泊景观水体三维形态循证设计
44基于Delft3D污染物扩散模拟的城市湖泊景观水体三维形态循证设计Evidence-based Design for Three-Dimensional Form of Landscape Water Body of Urban Lake via Delft3D Pollutant Diffusion Simulation摘 要：针对长三角地区城市浅水湖泊面临景观水体污染物易于富集、难于扩散、水质较难保障的现实困境，阐述了以学科融合为基础的水体污染物扩散模拟与循证设计，提出地形作为水体形态的骨架对水动力条件的形成、湖泊水环境的改善起到关键性作用。
以常熟市琴湖为例，基于湖岸线、湖底地形、岛屿、堤坝等要素，提出2种平面形态和6种三维形态，通过Delft3D模型模拟的方法，分析比较不同三维形态下的流场特征，并输入实测数据得到20天后湖泊水深平均流速与污染物总氮(TN)扩散模拟结果。
研究发现：1)湖泊岸线与湖底地形变化通过流场影响污染物扩散；2)曲折度较大的岸线应尽量安排在水流的主方向上；3)岛屿设计应体量适宜、与岸线距离合适；4)长堤割裂湖体形态时，建议堤坝下部设置连通管道。
研究有助于筛选对水质保持有利的设计方案，也可为城市湖泊景观水体的循证设计提供一定的技术支撑与参考。
关 键 词：风景园林；城市湖泊；景观水体；三维形态；Delft3D；污染物扩散模拟；水生态Abstract: In response to the existing difficulty of the accumulation of pollutants and the maintenance of water quality in the shallow lakes in the Yangtze River Delta, this research clarified that the diffusion stimulation of water pollutants and evidence-based design based on inter-discipline, and proposed the critical role of terrain grading that shapes the configuration of water in influencing hydrodynamics and improving water environment of lakes. The research selected the Qin Lake in Changshu as case study. Based on the elements of the landform of lake bottom, shoreline, island and causeway, this research proposed 2 types of two-dimensional configurations and 6 types of three-dimensional configurations. By using the Delft3D software model, this research analyzed and compared different flow field characters, input the measurement data of TN, and stimulated the depth-averaged velocity and the pollutant diffusion after 20 days. This research found that: 1) the changes of a lake’s shoreline and bottom terrain can influence the pollutant diffusion via flow field; 2) more curvilinear shoreline should be arranged align with the main direction of water flow; 3) island design should pay attention to suitable size and distance to the shore; and 4) connection pipes should be set up in the bottom of causeway if the causeway divides the lake into parts. This research was beneficial to select better design alternative that helps water quality maintenance, and provided technical support and reference for the evidence-based design of landscape water of urban lakes.Keywords: landscape architecture; urban lake; landscape waterbody; three-dimensional configuration; Delft3D; pollutant diffusion simulation; water ecology弄概念”，甚至由于缺乏生态知识，导致所谓的“生态项目”陷入生态困境，徒有其名。
水体污染物传输与扩散过程分析模型构建研究
水体污染物传输与扩散过程分析模型构建研究水体污染物传输与扩散过程是水环境领域的重要研究内容。
构建准确可靠的水体污染物传输与扩散分析模型，对于评估水体污染风险、制定有效的水环境管理措施具有重要意义。
本文将重点讨论水体污染物传输与扩散模型的构建方法和相关研究进展。
首先，传统的水体污染物传输与扩散模型通常基于水动力学理论，采用质点追踪方法来描述污染物的传输过程。
其中，最经典的是拉格朗日模型和欧拉模型。
拉格朗日模型以污染物质点的运动轨迹为基础，能够精确描述个别点的传输情况。
欧拉模型则以流体的机械性质为基础，描述流体内污染物浓度的分布情况。
这两种模型在实践中常常结合使用，以获得更为准确的传输与扩散结果。
然而，传统的水体污染物传输与扩散模型对于实际情况的假设过于简单，无法完全反映复杂的水环境系统。
为了解决这一问题，近年来出现了基于数值模拟和统计学方法的新型模型。
数值模拟方法借助计算机对水体流动和污染物传输进行数值模拟，能够解决不规则地形条件下流体运动的问题，并提供更精确的模拟结果。
统计学方法则通过统计分析大量实测数据，掌握水体污染物传输过程中的规律性，以此反推可能的传输路径和扩散方式。
此外，为了提高水体污染物传输与扩散模型的准确性，研究人员还引入了环境因子的考虑。
例如，气象因子（风速、风向等）和水文因子（水深、流速等）都对污染物的传输过程产生重要影响。
因此，在构建模型时，需要综合考虑多个环境因子的相互作用，以获得更为准确的模拟结果。
除了传输过程的模型构建，对于污染物浓度分布的模拟也是水体污染模型研究的重点。
传统的模型通常采用估算公式或者经验公式来估计水体污染物的浓度。
而现代模型则更多地采用基于混合层模型、稳态模型和非稳态模型的方法来描述水体污染物的浓度分布。
这些模型基于不同假设和方程，能够更准确地预测污染物在水体中的浓度分布情况。
此外，水体污染物传输与扩散模型的研究还面临着一些挑战。
首先，水体环境系统具有时空尺度的不均匀性，模型需要能够兼顾不同尺度上的传输与扩散过程。
海洋环境下港口工程混凝土界面过渡区氯离子扩散系数模型
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｉｔｈ ｐｏｒｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ
摘要: 通过现场暴露物理试验ꎬ 实测得到了港口工程混凝土及相对应的水泥砂浆试件中氯离子的浓度分布结果ꎬ 经回
归分析分别得到了这两种试件的氯离子扩散系数ꎮ 以此为基础ꎬ 定量评估了粗骨料的稀释、 曲折和界面过渡区效应对混凝
土中氯离子扩散系数的影响ꎬ 并建立了混凝土界面过渡区氯离子扩散系数模型ꎮ 基于混凝土中氯离子扩散的细观数值模拟
中图分类号: Ｕ ６５４
文献标志码: Ａ
文章编号: １００２￣ ４９７２(２０１８)１０￣ ００８２￣ ０９
Ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｗｉｔｈ ｐｏｒｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
���锈蚀、 提高港工钢 筋混凝 土 结 构 在 氯 盐 环 境 下 的 耐 久 性 具 有 重 要 意义 ２ ꎮ
混凝土是由水泥、 水、 粗骨料和细骨料经混 合后形成的一种典型的非均匀多相复合材料 ３ ꎮ 通常情况下ꎬ 其细观结构可被视为是由水泥砂浆、 粗骨料和界面过渡区这三相介质共同构成 ４ ꎮ 若 将混凝土中的粗骨料假设为三维球形ꎬ 则混凝土 三相复合材料的细观构造见图 １ꎮ 其中ꎬ Ｆａｒｒａｎ ５ 首次发现在混凝土的粗骨料和水泥砂浆这两相介 质之间存在一层厚度较小、 但其内氢氧化钙含量 和孔隙率较高的物质ꎬ 并将其命名为界面过渡区 ( ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｚｏｎｅꎬ 简称 ＩＴＺ) ꎮ 由于 ＩＴＺ 的 微观构造相对疏松且其内孔隙率相比水泥砂浆介 质更大ꎬ 因此ꎬ 其内氯离子扩散系数较水泥砂浆 而言要大很多ꎮ 根据刘恒 ６ 、 Ｙａｎｇ 等 ７￣９ 的研究表 明: ＩＴＺ 中氯离子的扩散系数为水泥砂浆中扩散系 数的几十倍甚至上百倍ꎮ 同样ꎬ Ｎｉｌｓｅｎ 等 １０ 经研 究后发现: 若不考虑 ＩＴＺ 的影响ꎬ 仅仅将混凝土 视为由水泥砂浆和粗骨料的两相介质构成的数值 模型不能较好地预测混凝土的耐久性ꎮ 综上所 述ꎬ ＩＴＺ 的存在会影响混凝土中氯离子的扩散特 性ꎬ 从而影响混凝土的耐久性和使用寿命ꎮ 因 此ꎬ 建立合理的混凝土界面过渡区氯离子扩散系 数模型ꎬ 对于定量评估其内氯离子的长期扩散特 性及预测混凝土结构的使用寿命具有十分重要的 意义ꎮ
三维水动力学模型适用范围
三维水动力学模型适用范围
三维水动力学模型是一种用于研究水体运动和水动力学特性的
数学模型。
它的适用范围非常广泛，涉及到许多领域和应用。
以下
是三维水动力学模型的适用范围：
1. 水资源管理，三维水动力学模型可用于模拟河流、湖泊和水
库中的水流运动，帮助管理者了解水体的流动规律，预测水质变化，优化水资源利用。
2. 水利工程设计，在水利工程设计中，三维水动力学模型可以
用来模拟水体在水坝、水闸、渠道等结构中的流动情况，评估工程
设计的合理性和稳定性。
3. 海洋工程，对于海洋工程领域，三维水动力学模型可用于模
拟海浪、潮流、海岸侵蚀等海洋动力学过程，为海洋工程设计和海
岸管理提供支持。
4. 水环境保护，在水环境保护方面，三维水动力学模型可以用
于模拟污染物在水体中的输运和扩散过程，评估污染物对水环境的
影响，指导环境保护工作。
5. 自然灾害预测，三维水动力学模型也可以用于模拟洪水、风暴潮等自然灾害事件中水体的运动规律，帮助预测灾害影响范围和程度，为应急响应和灾害管理提供科学依据。
总的来说，三维水动力学模型在水文水资源、水利工程、海洋工程、水环境保护和灾害预测等领域都有广泛的应用，为相关领域的研究和实践提供了重要的工具和支持。
茂名港规划水质数值模拟
茂名港规划水质数值模拟陈德敏;赵晓晨;邓熙【摘要】Bohexin Port and Jida Port will be established after the implementation of Maoming Port planning .In order to predict the condition of water quality changes at Maoming Port , the two -dimensional hydrodynamics and water quality coupled model was established in this article .This model is based on petroleum pollutants as simulated factor , which were performed to simulate water quality under the condition of normal or emergency discharges at sewage discharge outlets .The results showed that it wouldn't bring negative effects on water quality of sensitive protection objectives under the normal discharge condition .Nevertheless , petroleum pollutants concentration would be higher than standard values under the emergency discharge condition at Maoming Port .%根据规划安排，茂名港将新建博贺新港和吉达港，该文针对茂名港建立二维水动力-水质模型模拟茂名港海域的水动力条件变化情况，并以石油类为模拟因子，对排污口正常排放与事故排放条件下水质进行模拟。
河流污染物扩散模型的建立与应用
河流污染物扩散模型的建立与应用河流是人类赖以生存的重要资源之一，但随着工业和城市化的进程，人类对河流的污染日益严重。
如何预测和控制河流污染对于河流保护和治理至关重要。
在这篇文章中，我们将探讨一种关于河流污染物扩散模型的建立与应用的方法。
一、河流污染物扩散模型的建立河流污染物扩散模型是一种用于预测河流中污染物浓度分布的数学模型。
其核心思想是基于污染物在水流中的传输和扩散机制，将河流视为一个由离散单元（网格）组成的连续体，通过计算河流中各个网格内污染物浓度的变化，最终建立河流污染物浓度分布的模型。
建立河流污染物扩散模型需要考虑的因素非常复杂，其中涉及到河流水动力学、水质学、环境化学等多个领域的知识，并需要进行大量的现场调查和数据采集工作。
建模的难点在于如何准确地描述河流中的污染物扩散和消除机制，以及如何运用现有数据对模型进行验证和修正。
二、河流污染物扩散模型的应用河流污染物扩散模型可以用于多种应用场景，包括污染物溢出事故的预测和应急响应、河流水质监测和评价以及污染源控制等。
首先，当发生河流污染事件时，我们可以根据所建立的扩散模型预测污染物在河流中的传播路径和浓度分布，并进行应急响应。
例如，在镇江市环保部门的监测中心，工作人员可以根据所建立的扩散模型对可能发生的污染事件进行预测和模拟，为处理突发事件提供科学依据。
其次，河流污染物扩散模型可以用于河流水质监测和评价。
通过对河流中污染物浓度的监测和扩散模型的计算，可以了解污染物的来源、扩散范围以及对环境造成的影响。
这些信息可以为环境管理提供科学依据，帮助制定更加有效的环境保护政策。
最后，在对河流污染治理措施的制定中，河流污染物扩散模型也具有重要的应用价值。
根据模型计算结果，我们可以了解不同的治理措施对河流水质的改善效果，并优选最有利于环境保护的方案。
三、河流污染物扩散模型的发展趋势随着科技的进步和数据的丰富，河流污染物扩散模型的发展趋势是更加精细化和多方位的。
水污染物扩散模型三维可视化的关键技术
［ ｙｗｏｄ ］ ｌ ｇ — ａｅ３ ｉ ａ ｚｔ ｎ ｏｇ ｎｚｔ ｎａ ｄｍａ ａｅ ｎ；ｅ ｏａａ ｄｓａｉｌ ｉｒ ｕｉｎ Ｋｅ ｒ ｓ ａ ｅｓ ｌ； Ｄｖｓ ｌ ａｉ ；ｒａ ｉ ｉ ｎ ｎｇ ｍｅｔｔｍｐ ｒｌ ｎ ｐ ｔ ｓ ｉ ｔ ｒ ｃ ｕｉ ｏ ａｏ ａ ｄ ｔｂ ｏ
［ ｓ ａｔ ａｅ ｎａａｙ ｉｇｔｅｐ ｌ ｔ ｎｄｆ ｓ ｇｍｏ ｅ， ｉ ｎ ｔｈ ｒｅｓａｅｄ ｔ ｉ ｄｆ ｃｌｔ ｉｕｌ ｅ ｔｉｐ ｐｒｐ ｔ ｆｒ ｒ ｅ Ａｂ ｔ ｃ］Ｂ ｓｄｏ ｎ ｌｚｎ ｈ ｏｌ ｉ ｉ ｕｉ ｄ ｌａｍｉｇａ ｅｌ ｇ —ｃｌ ａａ ｓ ｉ ｕｔＯｖｓａ ｚ，ｈｓ ａ ｅ ｕｓ ｏｗａｄｋ ｙ ｒ ｕｏ ｎ ｔ ａ ｉ ｉ
ＬＩ ， Ｂｏ ＺＨＥＮＧ ｅ ， Ｗ ｉ ＺＨＡＯ ａ ｃ ｅ ｇ Ｈｕ －ｈ ｎ （ ｌ ｇ ｏ Ｅ ｅ ｔ ｎｃａ ｄＩｆ ｒ ｔ ｎＥ ｇｎ ｅ ｎ ． ’ｎＪ ｏｏ ｇＵｎｖ ｒ ｔ． ’ｎ７ ０ ４ ） Ｃｏｌ ｅ ｆ ｌｃ ｏ ｉ ｎ ｎ ｏ ｍａｉ ｅ ｒ ｏ ｎ ｉｅ ｒ ｇ Ｘｉ ａ ｔｎ ｉ ａ ｉ ｉｅｓ ｙ Ｘｉ １ ０ ９ ｉ ａ
１ 概述
近年来 ，全国水污染重大突发事故屡有 发生，引起 国内 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
外 的广泛关注 。而现 有的监测条件 在应急监测、协调管理、
扩散模型 的数据库进行 了扩展 ，建立 了污染物扩散模 型计 算 点与该点所在地形和河道 的对应关系 。空间数据库包含地 形 描述文件、地形高程文件、地形细节文件 以及外部导入模 型 等 。所有 的文件都 由地形描述文件 使用 ＸＭＬ格式进行组织 ， 并与污染物数据库中的表相关联 ，用户可以通过 访问数据库
中图分类号： Ｐ１． Ｔ３１ ５
基于FVCOM模式的温排水三维数值模拟研究
文章编号：1000-4874(2009)-04-0432-08曹颖，等：基于FVCOM 模式的温排水三维数值模拟研究 4331 引言近年来随着社会经济的发展，我国加大了海岸带资源的开发活动，在沿海地区兴建了很多热电厂，这些电厂大多以所在滨海位置的海水作为循环冷却水水源，电厂的温排水直接排入海湾，造成所在海域环境的热污染。
韩康[1]、徐啸[2]等对近海海湾的温排水进行了二维数值模拟研究。
然而温排水排放后，由于温差所产生的浮力效应，温排水趋于海水上层运移，海水上层温升与深层温升是不一样的，呈现出明显的垂向温度不同的分布。
而目前广泛应用的二维温排水数值模型是基于垂向水深平均的模型，无法反映这种情况，其预测结果就难免有较大的缺陷，只有建立三维数学模型才能更加准确了解温升场的三维结构特征。
因此，黄平[3]、郝瑞霞[4]提出了一种准三维的温排水数值模型。
本文以象山港内的某电厂温排水为例建立了一个新的三维温排水数值模型。
根据象山港的地形和水动力特点[5,6]，选用现今国际海洋界最新的河口、陆架和海洋模型(FVCOM 模型[7] 2004版)，建立了象山港海域的三维有限体积潮流模型。
FVCOM 模型为美国Massachusetts Dartmouth 州立大学陈长胜所领导的研究小组开发，其控制方程类似于POM 模型[8]，包括自由表面、非线性平流项、耦合的密度和速度场、径流、垂直混合的2.5阶湍流闭合模型等，数值模型采用有限体积法（FVM ），可应用于各种河口、海湾、陆架和海洋问题。
FVCOM 模型采用σ垂向坐标和水平三角形非结构网格坐标的结合，可以使模型应用对感兴趣区域处的网格进行加密处理，既可控制计算量，又不牺牲笛卡尔坐标的特性。
在此基础上，采用类似的数值方法开发了一个三维对流扩散模型，采用该模型对象山港湾某电厂温排水的潮流场、温度场进行了计算，模拟了电厂温排水输运扩散过程的三维分布特征，分析了温排水造成的三维温度场变化。
采用三维潮流模型分析人工岛对海湾污染物运动的影响
１ Ｅ Ｃ Ｏ ＭＳ Ｅ Ｄ模 型 简 介
Ｅ Ｃ ＯＭ Ｓ Ｅ Ｄ模式 是一 个模 拟水 动 力 、 波 浪 和沉积 物输 运 的三 维数值 模 型 ， 是Ｂ ｌ ｕ ｍ ｂ ｅ ｒ ｇ 等人 在 海洋 数值 模 型（ Ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｅ ｔ ｏ ｎ Ｏ ｃ ｅ ａ ｎ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ， Ｐ Ｏ Ｍ） 及其 后 来 的河 ｕ 、 陆架 和 海 洋模 式 （ Ｅ ｓ ｔ ｕ ａ ｒ ｉ ｎ ｅ Ｃ ｏ ａ ｓ ｔ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｏ ｃ ｅ ａ ｎ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ， Ｅ Ｃ Ｏ Ｍ１ 基 础上 发 展 而来 。 该模 型从 Ｎ — Ｓ方程 出发 ， 采用 静 力学 假定 和 Ｂ ｏ ｕ ｓ ｓ ｉ ｎ ｅ ｓ ｑ近 似假 定 下 的封 闭海 洋方 程组 。 模 型 水 平 方 向采 用 正 交 曲线 坐标 ， 垂向 』 二 通 过 采用 盯坐 标 可 以较 直 角 坐 标 更准 确 方 便 地 处 理 浅海 的海 底 变
第３ ４卷第 ３期
２ ０ １ ３年 ６ 月
水 道 港 口
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ ｗａ ｙ ａ ｎ ｄ Ｈａ ｒ ｂ ｏ ｒ
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． ３
Ｊ ｕ ｎ ．２ ０ １ ３
采 用 三 维 潮 流 模 型 分 析 人 工 岛 对 海 湾 工 岛 的海湾水 体 交换 进行 ｊ ， 研究。 应 该｝ 兑， 在 人 Ｔ岛 对海湾 水环 境影 响及 评价 方 面 的研 究 还不 够成 熟 ， 由于人 工 岛 的嵌人 ， 海 湾 内环 流 的形 成 会极 大程 度改 变该 水 域 的水 动力 特 征 ， 污染 物 扩 散变 得更 为 复杂 ， 为避 免人 工 岛建 设 引发恶 化 的环境 代价 ， 需 在前 期 可行性研 究 阶段 对污 染物 运动 进行模 拟 和预测 。 本文基于 Ｅ Ｃ Ｏ ＭＳ Ｅ Ｄ三维 数值 模 型 ［ ｊ ， 以 大连 湾 人 岛建设 为 研究 背景 ， 建 立全 湾 的三 维潮 流模 型 。 采 用 拉 格 朗 日粒 子追 踪技 术 ， 对建设 人 Ｔ 岛前后 的大 连湾 污染 物运 动进 行模 拟 ， 并 以人１ 岛对海 湾 污染 物扩 散 影 响最小 甚 至改善 其 扩散状 态 为控 制指 标 ，从污 染物 扩散 的角 度推 荐可 供规 划参 考 的人工 岛建 设方 案 和污 水 排 放 口的 布置方 式 ， 为人 工 岛的规 划设 计提 供 参考 意见 。
三维水动力泥沙输移模型及其在珠江口的应用
第４ 第４ 卷 期
２０ ０６年 １ ２月
中 国水 利 水 电科 学 研 究 院学 报
Ｊｕ ａ ｆＣ ｉａＩｓ ｔｔ ｏ ａｅ ｅｏ ｒｅ ｎ ｙ ｒｐ ｗ ｒＲ ｓａｃ ｏ ｒ ｌｏ ｈｎ ｎ ｔｕｅ ｆ ｔｒＲ ｓｕｃ ｓａ ｄ Ｈ ｄｏ ｏ ｅ ｅｅ ｒｈ ｎ ｉ Ｗ
中图 分 类 号 ：Ｖ４ Ｔ １８ 文 献标 识 码 ： Ａ
黏性 泥 沙的输 移对海 洋 环境 的变化 和河 口海 岸工 程建 设 的许多方 面有 至关 重要 的影 响 。河 口环 境
的动力 因素 非常复 杂 ， 受径 流 、 流 、 浪 、 及柯 氏力等 的影 响 ， 潮 波 风 甚至要 考虑 风暴 潮 、 口细 颗粒 黏性 泥 河 沙的沉 积与悬 浮过 程 、 絮凝 与 絮凝 体 的破 坏 过程 、 面泥 沙 的 固结 等 。长期 以来 ， 河 口泥 沙 问题 的研 床 对
究和 了解 尚不全 面 。近年 来 ， 在数 学模 型研发 和应 用方 面有 了长 足 的发展 ， 于研究 河 口海 岸 的泥 沙 问 用
题 。Ｏ’ｏ ｎｒ和 Ｎｅｏ ｏ 开 发 了 流 体 一 黏 土 输 移 模 型 ， 虑 了 黏 土 的 絮 凝 和 固 结 ； ａ ｐｄ 和 Ｃ ｎｅ ｉ ｌｎ ｈｓ 考 Ｋｔ ｏｉ ｏ Ｒｂｅ ｎ ＿ 发展 了准 三维 悬 沙 模 型 ， 型 对 波 浪 、 流 的对 流 扩 散 方 程 利 用 逼 近 技 术 求 解 ； ｒ ｎ ｉ ｒ ｋ２ ｂｉ 模 潮 Ｂｉ ｄ和 ａ Ｋ ｍ ｈｉ 考虑 准三 维流速 场 与 当地 悬沙 的垂直 分 布关系 ， ａ ｐｕ ｓ 发展 了泥沙输 移计算 的一种新 方 法 ；Ｃ ｅ ｏ ｎ ｎ ａ ｉ 和 Ｎ ｖｓ ｅｅＨ 开发 了水动力 和 细颗粒 黏性泥 沙 输移 的三 维有 限差 分斜压模 型 ； ｗｕ和 Ｆｌ ｎｒ ａ ｏｅｌ 开发 了计 算 ｃ ５ 河 口盐 度 和黏性 沙输移 的分 层三 维模 型 。 珠 江河 口， 称伶仃洋 ， 也 位于珠 江三 角洲 东部 ， 向南 中国海 ， 口呈 “ 叭 型漏 斗状 ” 西北 北 一东 通 河 喇 ， 南南走 向， 内分 布着香 港 、 门 、 州 、 区 澳 广 深圳 等 经 济发 达 的 中国 城市 （ １ 。 随着 中国 经济 的发 展 ， 图 ） 珠 江河 口得 以大范 围的开发 利 用 ， 利 、 运等 工程 大量 展 开 ， 要 进 行珠 江 口的水 动 力及 泥 沙 运 动方 面 水 航 需 的深入 研究 。 田向平 和 ｗａ 等 讨论 了珠 江 口的最大 浑浊 带 ， ｎ 等 用 平 面二维 模 型计 算 研究 了 一 ｉ Ｗａｇ 珠 江 口的泥 沙运动 特性 。为更 深入 地 研 究 水流 结 构 与 泥 沙运 动 ， ｈｎ等 开发 了三 维 模 型 。然 而 ， Ｃｅ 这 些模 型还存 在一 定的不 足 ， 如没有 考 虑盐度 和斜 压项对 水流 的影 响 ， 而这些 因素 在河 口的水 流 运动 和输 沙 中又起 着 十分重 要 的作 用 。若 要研究 河 口的最 大浑 浊 带 问题 ， 个高 精度 的紊 流 模型 耦 合 计算 涡 黏 一 系数是 十分 必要 的 。本 文针 对河 口地 形复杂 、 力因 素多 的 特点 ， 前人 研 究 的 基 础上 ， 出了基 于 有 动 在 提 限单元 网格 的三维 水动力 泥 沙模 型 ， 模 型 耦 合 了 紊流 模 型 ， 该 并考 虑 了水 平 密度 梯 度 引 起 的斜 压 作 用
感潮河段三维水动力及污染物质输送数值模拟
-1-
(t%, x%1, x%2 , x%3) = (t, x1, x2, Lf (σ ))
（1）
其中
σ = x3 + h = x3 + h ζ +h H
；
J
=
∂x3 ∂x%3
=
H
/(L
df dσ
) ； w% =
∂x3 ∂t
+u
∂x%3 ∂x1
+v
∂x%3 ∂x2
1. 数学模型
COHERENS模型网格划分在水平方向采用交错“C”网格〔5〕（见图1）,在垂直方向采用σ 坐标网格。在垂向上用σ坐标法（见图2），使用坐标σ后使整个水域具有相同的垂向分层数, 给数值计算带来便利。模型中引用模态分裂法〔6〕，即分外模式和内模式。 先用外模式，即 二维模型求解快过程———表面重力波，获得一个自由表面及垂向平均流速；接着用内模式， 即三维模型求解慢过程———内重力波,获得三维流场。
βi+1
=
λ
(a i+
1
)2
Ω(r
)a i+
1
+
(1
−
Ω(r
)a i−
1
)
2
2
2
2
（14）
其中：U 是守恒向量， F (U ) 是流函数，λ 表示时空比，a 表示特征速度，Ω(r) 表示
限制器， 0 ≤ Ω(r) ≤ 1，可取常见的限制器。常用的坡度限制器有二种，
单调限制器： Ω(r) = max(0, min(1, r))
V j+1,i
(H ,η ) ji
U ji
U j,i+1
V ji 图3 二维外模式变量网格布置示意图
污染物扩散模型
污染物扩散模型概述污染物扩散模型是一种用于模拟和预测污染物在大气中的传播和扩散过程的数学模型。
它是环境科学和空气质量管理领域中重要的工具，被广泛用于评估污染物的来源、传输路径、浓度分布和对人类健康和环境的影响。
模型建立污染物扩散模型通常采用数值模拟方法建立，其中最常用的方法包括高斯模型、拉格朗日模型和欧拉模型。
高斯模型高斯模型基于高斯分布理论，通过假设污染物的扩散呈现高斯分布，来预测污染物在空间中的传播和浓度分布。
该模型适用于平坦地表和相对简单的地形条件下的污染物扩散预测。
拉格朗日模型拉格朗日模型基于污染物的运动轨迹来模拟扩散过程。
它采用随机模拟方法，将污染物的源点和初始速度作为输入，通过模拟污染物粒子的运动路径，来预测污染物在空间中的分布。
拉格朗日模型适用于地形复杂、污染源多变或移动的情况。
欧拉模型欧拉模型是一种基于流体动力学原理的模型，它通过对大气流场进行数值模拟，来预测污染物在空间中的传播。
欧拉模型适用于研究大气中较大尺度上的污染物扩散过程，能够考虑地形、气象因素和污染源的作用。
模型输入污染物扩散模型的输入包括以下几个方面：污染源数据污染源数据是指污染物在空间中的来源和排放信息，包括源位点、污染物排放速率、时间和空间分布等。
这些数据通过监测和测量获得，在模型中用于确定污染物的初始条件。
大气条件数据大气条件数据是指影响污染物传播和扩散的气象因素，包括风速、风向、温度、湿度和气压等。
这些数据通常通过气象站观测或数值模拟获得，在模型中用于确定污染物的传播路径。
地形和建筑物数据地形和建筑物数据是指地表和建筑物对污染物传播和扩散的影响。
地形数据包括地表高度、坡度和植被覆盖等，建筑物数据包括建筑物高度、密度和分布等。
这些数据通常通过遥感技术或测量获得，在模型中用于确定污染物的传播路径和浓度分布。
模型输出污染物扩散模型的主要输出包括以下几个方面：污染物浓度分布图污染物浓度分布图是模型预测的污染物浓度在空间上的分布情况。
港口航道的水动力模型研究
港口航道的水动力模型研究一、引言港口航道作为海洋与内陆之间的重要连接通道，其水动力特性对于港口的运营、船舶的航行安全以及周边环境的保护都具有至关重要的意义。
水动力模型作为研究港口航道水流、波浪等水动力现象的有效工具，能够为港口的规划、设计和管理提供科学依据。
二、水动力模型的基本原理水动力模型通常基于流体力学的基本方程，如连续性方程、动量方程和能量方程等。
这些方程描述了水流的运动规律和物理特性。
在港口航道的水动力模型中，还需要考虑边界条件，如海岸线、港口建筑物、船舶等对水流的影响。
同时，模型还需要对波浪、潮汐等因素进行合理的模拟。
三、常见的水动力模型类型（一）二维水动力模型二维水动力模型主要考虑水平方向上的水流运动，适用于研究大面积的水域，如海湾、河口等。
它能够较好地模拟水流的平均状态和宏观趋势，但对于垂直方向上的水流变化和局部复杂地形的模拟能力相对较弱。
（二）三维水动力模型三维水动力模型能够更全面地考虑水流在空间三个方向上的运动，对于港口航道中复杂的水流结构、漩涡和分层现象等具有更好的模拟能力。
然而，三维模型的计算量较大，对计算资源和数据要求较高。
（三）浅水方程模型浅水方程模型是一种简化的水动力模型，适用于水深相对较浅的港口航道。
它在保证一定精度的前提下，能够大大提高计算效率。
四、水动力模型的构建过程（一）数据收集构建水动力模型首先需要收集大量的基础数据，包括地形数据、水文数据、气象数据等。
地形数据如海岸线、水深等对于准确模拟水流的流动路径至关重要；水文数据如潮位、流速、流向等能够为模型提供初始条件和验证依据；气象数据如风场、气压等则会影响波浪的生成和传播。
（二）网格划分根据研究区域的大小和复杂程度，将其划分为一系列的网格单元。
网格的大小和形状会直接影响模型的精度和计算效率。
在港口航道等重点区域，通常需要采用较精细的网格，以捕捉局部的水动力特征。
（三）参数设置模型中涉及到众多的参数，如糙率系数、涡粘系数等，这些参数的取值需要根据实际情况进行合理的估计或通过现场观测和实验数据进行率定。
污染物动力扩散数值模型模拟研究——以象山港为例
64海洋开发与管理2021年 第2期污染物动力扩散数值模型模拟研究以象山港为例朱志清，叶林安，章紫宁，刘莲，鲁水，徐清(国家海洋局宁波海洋环境监测中心站宁波315040)摘要：文章建立污染物动力扩散数值模型，并将模型应用于象山港污染物扩散的模拟计算。
研究结果表明：象山港海域化学需氧量、无机氮和活性磷酸盐源强的实测值与模型模拟结果之间的相 对误差基本小于15% ；污染物动力扩散数值模型在总体上有效模拟了象山港化学需氧量、无机氮和活性磷酸盐等污染物的浓度分布，为该模型在其他海域的应用提供参考依据。
关键词：污染物；动力扩散；数值模拟；象山港；营养盐中图分类号：P76;X55文献标志码：A文章编号：1005 —9857(2021)02 —0064—05Numerical Modeling of Dynamic Diffusion of Pollutants :A Case Study of Xiangshan BayZHU Zhiqing,YE Lin'an,ZHANG Zining,LIU Lian,LU Shui,XU Qing(Marine Environmental Monitoring Center of Ningbo ,SOA,Ningbo 315040,China.)Abstract ： This paper used the dynamic diffusion model of pollutants to apply the model to thesimulation of pollutant, diffusion in Xiangshan Bay.The results showed that, the relative errors be tween the measured values of chemical requirements, inorganic nitrogen , and active phosphate source pollutants in the water quality of Xiangshan Port, and the model simulation results werebasica 1 1 y less than 15%.The concentration distribution of pollution sources such as chemical re quirements ,inorganic nitrogen , and active phosphate in Xiangshan Port, was simulated , which pro vided a reference basis for the future application of this pollutant, diffusion numerical model in otherseaareas.Keywords : Pollutant. ? Dynamic diffusion , Numerical simulation , Xiangshan Bay ? Nutrients[]。
第四章 海洋环流和油类扩散数值模型
资料的收集
结果的分析
结果的应用
更准确地模拟该湾的污染物扩散规律，更全面地掌握湾 内的水动力变化情况，为海洋开发和环境保护提供科学 依据。
问题与讨论
• 问题1：为什么要对建模结果进行检验？如何检验？
此部分为课堂讨论。课堂讨论是本课程教学的重要组成部分， 旨在激发同学们的积极性和创造性。要求每一位学生每堂课 都参加讨论或回答问题1次以上，教师记录学生的课堂表现 情况，课堂表现结果占考核成绩的30%。
背景
随着经济的发展，沿岸海 域环境污染问题已显得日 益突出。
要必要准确地模拟该 湾的污染物扩散规律,利用更多的实测资料来 与数值计算结果进行比较,以便全面地掌握湾内的水动 力变化情况。
模型的组成和结构
参考文献：李树华，陈文广. 北海港湾环流和油类扩散数值模拟.海洋通报，1990，9（3）：1-8.
第四章 海洋环流和油类扩散数值模型
数学是结果量化的工具 数学是思维方法的应用 数学是研究创新的钥匙 数学是科学发展的基础 ——杨东方
内容提要
• • • • 背景和意义 模型的组成和结构 建模过程和技巧 问题与讨论
本课程的核心不在于数学公式本身，而在于数学思维。 本文的数学公式相对复杂，请同学们不必纠缠于公式 本身，而应该释放自己的想象力！
• 问题2: 什么叫线性内插？为什么要内插？
此部分为课堂讨论。课堂讨论是本课程教学的重要组成部分， 旨在激发同学们的积极性和创造性。要求每一位学生每堂课 都参加讨论或回答问题1次以上，教师记录学生的课堂表现 情况，课堂表现结果占考核成绩的30%。
• 问题3: 请同学们列举实际研究和应用中的数学建模和结 构检验。
北海港湾的潮流是极强的，潮余流的分布和变化相当 复杂，要准确地模拟该湾的污染物扩散规律，需要利 用更多的实测资料来与数值计算结果进行比较。
景观水系水动力作用下污染物输移扩散研究
景观水系水动力作用下污染物输移扩散研究
马元才;汤林;慕光明;崔伟聪;米子阳
【期刊名称】《天津化工》
【年(卷),期】2024(38)2
【摘要】景观水系封闭循环且流速较缓,常出现水质恶化的问题。
本文基于水动力模型及输移模型,采用水动力驱动方法对景观水进行处理,计算不同方案下污染物输移降解情况,其中,方案一、二为边界进出水,方案三为内部点进出水。
通过分析三种方案的流速分布和污染物降解情况,更加直观地选择最佳方案。
方案一模拟所得到的南侧区域大部分污染物质量浓度为1.5~2.5 mg/L;方案三模拟所得到的北侧区域大部分污染物质量浓度为2.9~3.0 mg/L。
综合比较,最佳方案为方案三,可使整体污染物迅速浓度降低。
【总页数】3页(P87-89)
【作者】马元才;汤林;慕光明;崔伟聪;米子阳
【作者单位】中国水利水电第六工程局有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ09
【相关文献】
1.波浪作用下近岸区污染物输移扩散的数学模型及其实验验证
2.波浪作用下渤海湾近岸海域污染物的输移扩散规律
3.波流作用下破波带内污染物输移扩散试验
4.潮
汐驱动下的辽东湾水动力及入海污染物输移特征5.耦合高效高精度水动力模型的多组分污染物输移及衰减反应模型
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水污染模型
基于GIS 的环境污染应急分析系统的开发重点是实现水体污染扩散模拟。
目前, 国外在此方面的研究成果很多，已经进行到了三维水体污染扩散模拟，国内的起步则较晚, 至今的研究成果在一维的较多，二维和三维的较少。
鉴于目前网络的发展, 有必要将互联网与系统结合起来。
一维水体污染扩散数学模型：一维水质模型是水环境模型中相对简单的一种，是河流、河口和湖泊遭受污染时，实际的断面浓度分布与断面浓度的平均值偏差不大时常采用的水污染预测模型。
它主要研究污染物浓度分布沿程的变化以及各个断面上污染物浓度随时间的变化，其中河流以一维水质模型最为常见。
在突发性河道水源地污染事故发生时。
污染物的排放存在两种情况，即一维稳定排放和一维瞬时排放,
二维水体污染扩散数学模型：二维计算模型模拟速度快、实时而精度无需很高, 可忽略基本控制方程中的一些非主要因素,模型结构简单、实用性强。
目前最为常用的有限差分数值计算方法对控制方程进行离散, 按物理分步法将二维偏微分方程化简成较简单的一维方程, 应用广为采用的ADI隐式格式联合求解水动力模型与水污染模型。
算法具有编程简单、占用计算机内存较小、无条件稳定、可适当增大空间步长、计算效率高、易于实现自动化的实时模拟计算等显著优点, 适合于在应急处置中应用。
并且利用GIS 的强大的空间分析、处理和表现功能, 将水力计算与GIS 结合在一起, 实现了污染模拟结果的二维可视化, 为应急处置提供一个形象、直观的表现平台, 能有效地辅助应急决策。
三维水体污染扩散数学模型：水污染三维可视化包含两方面的内容：河道地形地貌三维仿真与污染扩散可视化，二者通过地理坐标进行空间叠加形成河道污染扩散可视化展示平台，在此基础上进行各种统计分析功能。
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第22卷 第1期台 湾 海 峡 Vol.22, No.1 2003年2月J OU RNAL O F OC EANO GRA P H Y IN TAI WAN S TRAI T Feb.,2003港湾三维水动力和污染物扩散数值模型Ξ许金电1,江毓武2(1.国家海洋局第三海洋研究所,福建厦门 361005;2.厦门大学海洋与环境学院,福建厦门 361005)摘要:本文提出一种浅海三维污染物扩散数值模拟的方法.σ坐标系下的Navier2Stoker方程及物质扩散方程.基于过程分裂法将前者分解为外模式(二维方程组)及内模式(三维方程组);并且引入窄缝法对变边界进行模拟,由此建立三维σ坐标潮流模型;并找到σ坐标系下三维污染物扩散方程的差分方法,最后建立三维σ坐标污染物扩散模型.本模式已被应用于厦门海域,并对其2002年海水水质(CODCr 值增量)进行了预测.应用结果表明,这种三维可变边界污染物扩散数值模型能够较好地对具有较大面积浅海滩涂的海区进行水质模拟和预测.关键词:三维模型;污染物扩散;σ坐标中图分类号:P731 文献标识码:A文章编号:100028160(2003)0120085207目前我国对海岸带资源的开发及环境保护问题非常重视,港湾内的航道整治、码头建设、排污管道的铺设等海洋工程都需要了解海洋水动力、污染物扩散情况.对上述问题的数值模拟,人们已建立了大量的二维数值模型和一些三维数值模型1由于浅海海底的阻尼作用,海水运动速度随深度变化,同时海水还存在着垂向运动,而二维数值模型无法反映这种情况.在污染物排放口的选择中,大多数是采用海底排放,而污染物的扩散有垂直分层分布的特征.因此,建立三维数值模型就显得很有必要.许多三维数值模型是在垂直方向采用Z坐标的模型,这种数值模型应用在浅海区域特别是海底地形复杂的区域存在着垂直方向分辨率不足的问题.为了增加浅海区域的垂向分辨率, Durance和Hughes(1983)在欧洲北海中引入了σ坐标,解决了这一问题,但其在计算中忽略了非线性项[1].朱耀华等(1993、1994)提出了一个考虑非线性项采用混合长度理论的σ坐标三维数值模型[2,3].在数值方法上,窦振兴等(1993)采用过程分裂法,将三维流动中的快过程(表面重力长波的传播)与慢过程(缓行的内重力波)劈开[4].由于港湾滩涂区面积大,而浅海的滩涂区又是污染较严重的区域,因此三维数值模型有必要考虑变边界问题.本文采用窄缝法,该方法与干湿网格法比较,具有稳定性好、编程简单的特点.众所周知,目前海洋环境污染及环境保护问题日益突出.沿海地区工业废水及生活污水主要向浅海滩涂区排放,而污染物的扩散具有三维结构的特征.因此,要了解港湾污染物的扩散情况,需要进行水质预测,建立三维可变边界的污染物扩散数值模型是十分必要的.Ξ收稿日期:2001211230基金项目:国家海洋局青年海洋科学基金资助项目(97309)作者简介:许金电(1963～),男,高级工程师1本文提出σ坐标系下的三维可变边界污染物扩散模型,保证了潮流及水质要素浓度具有三维结构,并且在深度不同的海区具有相同的垂直分辨率;活动边界采用窄缝法,以确保数值模型的稳定性.已采用该模式对厦门海域的水质进行了模拟,预测了2002年厦门海域COD Cr 值增量的三维分布情况.1 模型建立基于过程分裂法[4]将三维流动中的快过程(表面重力长波的传播)与慢过程(缓行的内重力波)劈开,以提高计算稳定性及计算效率;在污染物扩散模式建立中,找到了σ坐标下的物质输运方程的差分方法;对于浅滩变边界问题采用窄缝法进行模拟,从而保证了计算的准确性和稳定性.1.1 σ坐标下的Na vi e r 2S t oke r 方程本模型采用σ坐标系下的三维运动方程:5u 5t +u 5u 5x +v 5u 5y +w 35u5σ=f v -g 5ξ5x +1H 255σ(N Z 5u 5σ)+A l ρ(52u x 2+52u y 2)(1)5v 5t +u 5v 5x +v 5v 5y +w 35u5σ=-f v -g 5ξ5y +1H 255σ(N Z 5v 5σ)+A l ρ(52v x 2+52v y 2)(2)5ξ5t +5(Hu )5x +5(Hv )5y +5(Hw 3)5σ=0(3)式中,ζ为从未扰动水面起算的水位;h 为未扰动水深;H =ζ+h 为海面高度;f 为柯氏参数;ρ为海水密度;A l 为侧向粘性系数;g 为重力加速度;t 为时间.σ=(h +Z )Π(h +ζ),海面Z =ζ,σ=1,在海底Z =-h ,σ=0;u 、v 、w 3为三维σ坐标系下的水平、垂向流速,w 3与Z坐标下的垂向流速w 存在着以下关系:w3=1H[w +(1-σ)(u 5h 5x +v 5h 5y )-σ(5ξ5t +u 5ξ5x +v 5ξ5y)](4)式中,N Z 为垂向涡动粘性系数,据由混合长度理论公式[2]计算得到:N Z =N 0+l 2H [(5u 5σ)2+(5v 5σ)2]1Π2式中,l 为混合长度,l =k 0(Hσ+Z 0)[(1-σ)Πμ];N 0为分子粘性系数;Z 0为海底粗糙长度;k 0为vonkarman 常数;μ为海面糙度参数.1.2 边界条件动力学边界条件为:Z =ξ,σ=1时,N Z H 5u 5σ=τx ;N Z H 5v5σ=τyZ =-h ,σ=0时,N Z H 5u 5σ=ru b (u 2b +v 2b )1Π2N Z H 5v 5σ=rv b (u 2b +v 2b )1Π2式中,τx 、τy 分别为风应力在x 、y 方向上的分量,对于纯天文潮其取值为0;r 为海底拖曳系数;u b 、v b 分别为海底u 、v 值.・68・ 台 湾 海 峡 22卷垂向边界条件为:σ=0,w3=0;σ=1,w3=0固体边界条件为:岸线外法向流速为0,在开边界上给定潮位值.1.3 过程分裂法三维流动的物理过程可认为是由快速移行的外重力波(外模式)和速度垂直剪变(内模式)所组成.对式(1)～(3)进行垂向积分后可得到以下外模式运动方程:5u′5t+∫10u 5u5x dσ+∫10v5u5y dσ=f v′-g5ξ′5x-gu1(u21+v21)c2H+A lρ(52u′5x2+52u′5y2)(5)5v′5t+∫10u 5v5x dσ+∫10v5v5y dσ=-f u′-g5ξ′5y-gv1(u21+v21)c2H+A lρ(52v′5x2+52v′5y2)(6) 5ξ′5t+5(Hu′)5x+5(Hv′)5y=0(7)式中,(u′,v′)=∫1(u,v)dσ;u1、v1为底层水平流速,c为谢才系数.内模式方程在形式上仍为式(1)～(3),只是ζ由外模式求解得到.1.4 变边界的处理由于港湾滩涂区面积较大,随着潮汐涨落岸界变化大,这在数值模型上反映出的是一变边界问题.本文采用窄缝法进行模拟.它的原理是:设想在浅滩上有一条很窄的缝隙,它的深度和岸滩前的水域一致.根据水量平衡的原理将窄缝内的水量平铺到岸滩上,成为化引水深.只要将该窄缝定得足够小,就能够将窄缝引起的误差降到最小,并且消除边界变化所引起的扰动.该方法与干湿网格法比较,具有稳定性好、编程简单的特点.窄缝法的二维流动方程可写为:5u5t+u 5u5x+v5u5y=f v-g5ξ5x-gu(u2+v2)c2H(8)5v5t+u 5v5x+v5v5y=-f u-g5ξ5y-gv(u2+v2)c2H(9) 5ξ5t+5(hu)F(Z)5x+5(hv)F(Z)5y=0(10) F(Z)=2f(Z)-[f(Z)]2(11)f(Z)=ε+(1+ε)e a(Z-Zb) Z≤Zb 1.0 Z>Zb(12)式中,Zb为滩地高程;Z为计算点垂向坐标,ε为窄缝系数;α为参数.外模式方程表示潮波传播的物理过程,采用ADI法进行求解.内模式方程表示潮流的垂直结构,可化成三对角方程,并可用追赶法进行求解.1.5 物质输运方程σ坐标下物质输运方程为:5p5t+u 5p5x+v5p5y+w35p5σ=1H255σ(v p5p5σ)+A pρ(52p5x2+52p5y2)-S-kp=0(13)式中,p为物质浓度;vp为垂直扩散系数;A p为水平扩散系数;S为源,这里定义为单位时间内水体的浓度增量;kp为降解项,k为降解系数.其差分方程如下:p n i,j,k-p n-1i,j,kΔt+(u ni-12,j,kp n-1i,j,k-p n-1i-1,j,kΔx+uni+12,j,kp n-1i+1,j,k-p n-1i,j,kΔx)Π2+・78・ 1期 许金电,江毓武:港湾三维水动力和污染物扩散数值模型 (vni ,j -12,kp n -1i ,j ,k -p n -1i ,j -1,k Δy +v ni ,j +12,kp n -1i +1,j ,k -p n -1i ,j ,k Δy)Π2+(w ni ,j ,k -12p n -1i ,j ,k -p n -1i ,j ,k -1Δσ+wni ,j ,k +12p n -1i ,j ,k +1-p n -1i ,j ,kΔσ)Π2=(An -1i +12,j ,kp n -1i +1,j ,k -p n -1i ,j ,k Δx+A n -1i -12,j ,kp n -1i ,j ,k -p n -1i -1,j ,kΔx)ΠΔx ρi ,j ,k +(A n -1i ,j +12,kp n -1i ,j +1,k -p n -1i ,j ,k Δy-A n -1i ,j -12,k p n -1i ,j ,k -p n -1i ,j -1,kΔy)ΠΔy ρi ,j ,k +α(v n -1i ,j ,k +12p n -1i ,j ,k +1-p n -1i ,j ,kΔσ-vn -1i ,j ,k -12p n -1i ,j ,k -p n -1i ,j ,k -1Δσ)ΠΔσh ni ,j ,k +(1-α)×(vni ,j ,k +12p ni ,j ,k +1-p ni ,j ,kΔσ-vni ,j ,k -12p ni ,j ,k -p ni ,j ,k -1Δσ)/(Δσh n i ,j ,k )+S n i ,j ,k -kp ni ,j ,k该模式网格的布置如图1所示.图1 模式网格点的配置Fig.1 Setup of gridding points以上差分方程同样可化为三对角方程,并可用追赶法进行求解,其中当α取值为0时,为隐式求解,当α取值为1时,为显式求解.2 实际计算结果本文以厦门海域为例进行计算.计算时间步长取20s ,空间步长为10″(大约为280.8m ×308.7m ).根据对厦门市1993年工业污水、服务业污水及生活污水COD Cr 排放量的统计结果,及对其2002年排放增量的预测结果,可得出这两个年份进入厦门海域污染物的源强(表1).表1 1993年和2002年进入厦门海域的污染物(COD Cr )源强Tab.1 Contamination (COD Cr )entering Xiamen sea area in 1993and 2002接纳海域COD Cr 排放量(t Πd )1993年2002年增量接纳海域COD Cr 排放量(t Πd )1993年2002年增量厦门西港北部厦门西港南部九龙江口厦门外港12.428.11.32.210.147.98.55.6东咀港浔江东部海域合计9.24.12.760.026.15.610.8114.6 注:表中的“东部海域”指厦门东侧水道、金门水道和金山港三部分海域1・88・ 台 湾 海 峡 22卷将2002年污水COD Cr 值的增量代入数值模型中,作为污染源条件,通过计算得到各时刻的流场及COD Cr 值增量场.图2表示落潮时表、中、底各水层COD Cr 增量场.图2 落潮时表、中、底各水层COD Cr 值增量场Fig.2 Distributing of COD Cr value in upper ,middle and bottom at ebb tide由图2可见:(1)在猴屿排污口,由于此处污水采用管道深水排放,底层出现一个COD Cr 值增量中心,其最大值约为1.0mg Πdm 3;而在中层、表层该中心消失,在表层相应地点的COD Cr 值增量为0.4mg Πdm 3.这说明了采用深水排放有利于控制表层水体污染物含量的增量.(2)其他排污口由于采用岸边排放,在各层均有COD Cr 值增量中心,且大小差别不大,总的・98・ 1期 许金电,江毓武:港湾三维水动力和污染物扩散数值模型 来说除了猴屿排污口附近外,各水层的COD Cr 值增量相差不大1这是由于其海水在垂向上充分混合的结果.(3)到2002年其COD Cr 值增量最大区并不是在目前大家所最为关注的厦门西港海域,而是在同安湾(含东咀港和浔江)北部海域,其COD Cr 值的最大增量为2.5mg Πdm 3.这是由于同安湾海域水深较小,滩涂面积大,水体交换能力差所造成的.由于同安湾是厦门的养殖功能区,因此有必要控制其污染物入海量和正确选择排污口的位置.3 结语本文提出一种在浅海区域进行三维污染物扩散模拟的方法.应用结果表明,这种三维可变边界污染物扩散数值模型能够较好地对具有较大面积浅海滩涂地区进行水质模拟和预测,特别是它能够很好地反映出由于采用深水排放,引起各水层污染物含量的差异,从而论证深水排放的效果.参考文献:[1] Dura nce J A ,Hughes D G .Nor t h S e a Dynamic s [M ].Berlin :Sp ringer 2Verlag ,1983.120～133.[2] 朱耀华,方国洪.一种二维和三维嵌套海洋流体动力学数值模式及其在北部湾潮汐和潮流数值模拟中的应用[J ].海洋与湖沼,1993,24(2):117～125.[3] 朱耀华,方国洪.陆架和浅海环流的一个三维正压模式及其在渤、黄、东海的应用[J ].海洋学报,1994,16(6):11～26.[4] 窦振兴,杨连武,Ozer J.渤海湾三维潮流数值模拟[J ].海洋学报,1993,15(5):1～15.A t hre e dime ns i onal c oas t al hydrodynami ca nd p oll u t a n t diff us i on modelXU Jin 2dian 1,J IAN G Y i 2wu2(1.Third Institute of Ocea nograp hy ,SOA ,Xia me n 361005,China ;2.Ocea nograp hy a nd Environme nt College ,Xia me n U niversity ,Xia me n 361005,China )A bs t ra c t :A three 2dimensional pollutant diffusion modeling method used in coastal waters wasproposed in this paper .At first ,the Navier 2Stockes equation and mass diffusion equation were es 2tablished .The N 2S equation was separated into two modes based on procedure split method ,one is external mode (22dimensional equations ),the other is internal mode (32dimensional equations ).Cabined gap method was adapted to simulate the varying boundaries .Thus ,a 32di 2mensional tidal model was set up .Finally ,the 32dimensional σ2coordinate pollutant diffusion model could be finished by combining the tidal model with a σ2coordinate pollutant diffusion equation .This model was used in the Xiamen sea area to estimate its water quality (COD Cr in 2crease )in 2002.This application validate that the 32dimensional varying boundary pollutant diffu 2・09・ 台 湾 海 峡 22卷sion model could be used to simulate and forecast the water quality in the coastal shallow areas .Ke y w ords :three 2dimensional model ;pollutant diffusion ;σ2coordinate・19・ 1期 许金电,江毓武:港湾三维水动力和污染物扩散数值模型 。