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        湄洲灣溫排水海區(qū)水溫垂向不均勻特征的數(shù)值模擬與觀測研究*

        2014-10-08 12:49:16朱子晨胡澤建張永強(qiáng)遲萬清劉建強(qiáng)邊淑華熊叢博
        海洋科學(xué)進(jìn)展 2014年2期
        關(guān)鍵詞:排水口水深潮流

        朱子晨,胡澤建,張永強(qiáng),遲萬清,劉建強(qiáng),邊淑華,熊叢博

        (國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島 266061)

        近年來我國逐步加強(qiáng)海岸帶開發(fā)利用活動(dòng),在沿海地區(qū)興建了許多熱電廠,其具有就近利用海水作為循環(huán)冷卻水源等優(yōu)勢,但同時(shí)向海灣排放溫排水,造成海水溫度時(shí)間、空間分布變化,引發(fā)水體中溶解氧濃度降低,富營養(yǎng)化程度加深,藻類生物資源種群及數(shù)量變化等問題。針對溫排水海區(qū)海水溫度變化的研究,對搞清溫排水熱污染狀況等課題具有重要意義。目前,溫排水?dāng)?shù)值研究大多數(shù)基于二維模型,韓康等對近海海灣溫排水造成的環(huán)境影響情況使用二維數(shù)值模型進(jìn)行了模擬[1],研究了多種工況下溫排水海區(qū)溫升場的特征;張細(xì)兵等對感潮河段溫排水環(huán)境影響進(jìn)行了二維數(shù)值模擬[2],并使用實(shí)體模型進(jìn)行了比對,研究了當(dāng)?shù)販嘏潘^(qū)溫升場特征。然而二維數(shù)值模型無法反映溫度垂向分布不均勻的特征。曹穎等也有對半封閉海灣進(jìn)行過三維數(shù)值研究[3],得到了溫排水影響的三維結(jié)構(gòu),但現(xiàn)階段就此類問題而言,結(jié)合觀測資料的研究較為缺乏[4]。因此,本文通過建立三維海洋數(shù)值模型,結(jié)合海上觀測資料,對受溫排水影響的海區(qū)海水溫度場特征進(jìn)行研究。

        1 三維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積海洋數(shù)值模型

        1.1 水動(dòng)力模型

        FVCOM模型是美國Massachusetts Dartmouth州立大學(xué)陳長勝領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)的河口、海岸模型,采用有限體積法,垂向采用σ坐標(biāo)。σ坐標(biāo)變換如下:

        σ坐標(biāo)下海水運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)方程及狀態(tài)方程為:

        在σ坐標(biāo)系下,水平擴(kuò)散項(xiàng)可以使用如下定義進(jìn)行近似:

        式中,σ、z分別為σ坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系下垂向坐標(biāo);ζ為潮位,H為平均海平面下水深值,D為總水深;t為時(shí)間,u、v、ω分別為x、y、σ方向的流速分量;ρ與ρ0為海水的密度與參考密度,g為重力加速度,f為科氏力參量,Am和Km為水平及垂向渦動(dòng)粘滯系數(shù)。

        1.2 溫度對流擴(kuò)散及熱通量方程

        σ坐標(biāo)系下,三維溫度對流擴(kuò)散模型為:

        式中,T為溫度;Kh、Ah分別為垂向、水平熱擴(kuò)散系數(shù);^H為短波輻射熱通量。

        1.3 數(shù)值計(jì)算方法

        FVCOM在計(jì)算過程中,使用內(nèi)外模分開求解的方式,外模采用有限體積計(jì)算方法,使動(dòng)量方程、連續(xù)方程在三角形網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)積分后,由改進(jìn)的4階龍格庫塔法求解。內(nèi)模采用顯、隱式結(jié)合的差分格式,局部流速變換使用迎風(fēng)格式,對流項(xiàng)采用2階龍格庫塔時(shí)間推進(jìn)格式,垂向擴(kuò)散采用隱式求解。溫度計(jì)算方法與潮流類似。模型在海陸邊界采用動(dòng)邊界處理方式。

        2 模型的建立與驗(yàn)證

        2.1 模型構(gòu)建

        模型水深數(shù)據(jù)來自解放軍司令部航海保證部2005版10月第一版湄洲灣1:40000海圖(圖號(hào)14171),計(jì)算開邊界選取于湄洲灣外開闊海域。開邊界采用水位驅(qū)動(dòng),輸入水位由崇武、平海鎮(zhèn)連續(xù)一個(gè)月觀測資料調(diào)和分析所得到的調(diào)和常數(shù)推算并插值得到[5]。

        水深地形、觀測站位位置及計(jì)算區(qū)域非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分見圖1。

        圖1 計(jì)算區(qū)域水深地形、觀測站位位置及網(wǎng)格剖分Fig.1 Bathymetry in computational domain,locations of observation stations and mesh dissection of finite element

        模型主要參數(shù)設(shè)置如下:

        時(shí)間步長:5s; 總運(yùn)行步長數(shù)目:276 480(即計(jì)算時(shí)間15d);

        上午,我到老師辦公室領(lǐng)書去,呀,徐老師真是一點(diǎn)也沒變,依然是那么和藹可親,那么美。她看見了我,笑瞇瞇地說:“以和呀,想我了沒?”我甜甜地回答:“想?!崩蠋熜α?,露出了兩個(gè)小酒窩。

        底部應(yīng)力阻力系數(shù):0.04; 底摩擦層高度:0.003m;

        網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù):11 664; 網(wǎng)格單元總數(shù):22 071;

        垂向σ坐標(biāo)分層:5; 電廠排水口循環(huán)冷卻水排量:44.23m3/s;

        電廠排水口溫度:35.0℃。

        2.2 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

        采用圖1中所示的5個(gè)站位連續(xù)24h海流同步觀測資料垂向平均流速、流向,1個(gè)驗(yàn)潮站24h連續(xù)潮位觀測資料,對模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,觀測時(shí)間為2007-08-14T19:00—08-15T19:00,驗(yàn)證結(jié)果(圖2)表明,模型較好地模擬出了觀測期間各站海流情況。

        圖2 各站位物理參數(shù)驗(yàn)證曲線Fig.2 Validation curves of physical parameters at individual stations

        3 垂向溫度不均勻特征分析

        3.1 湄洲灣海區(qū)流場特征與溫排水影響范圍

        觀測資料與數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果均顯示,湄洲灣海區(qū)潮流場呈明顯往復(fù)流態(tài),流速較大,漲落急時(shí)刻流速均達(dá)到60cm/s以上。中央深槽附近落潮流速達(dá)到110cm/s,且落潮流速大于漲潮流速。由于表層溫排水影響范圍較中層、下層廣,因此以表層海水溫度場平面分布代表溫排水影響范圍[6],圖3所示的為與潮流矢量圖相對應(yīng)的漲、落急時(shí)刻表層海水溫度分布。漲落急時(shí)刻溫度分布情況一定程度上反映了溫排水影響范圍,但溫排水最大影響范圍發(fā)生在漲、落憩時(shí)刻。

        圖3 漲、落急時(shí)刻潮流矢量圖及海水溫度分布Fig.3 Vector diagrams of tidal current and distribution of water temperature at maximum flood and maximum ebb

        3.2 觀測資料與計(jì)算結(jié)果中海水溫度變化趨勢分析

        從圖4中5站同步溫度觀測資料來看,距離溫排水排放口較遠(yuǎn)的L2、L4站除轉(zhuǎn)流時(shí)刻外,24h內(nèi)溫度垂向分布較均勻,表層與0.6H層、底層基本一致,沒有明顯差異,僅隨潮流場呈周期性變化,這與近岸海域水深相對較淺,垂向混合均勻有關(guān)。但上述站位普遍在轉(zhuǎn)流時(shí)刻(漲憩、落憩時(shí)刻)1h后出現(xiàn)不同程度的垂向溫度不均勻特征,這種特征持續(xù)時(shí)間約為3h。在距離排放口較近的L1、L3站同樣在轉(zhuǎn)流時(shí)刻出現(xiàn)垂向溫度不均勻分布,持續(xù)時(shí)間較長,約為6~7h。與海上觀測資料相對應(yīng),數(shù)值模型同樣模擬出了這一特征。此外,L5站觀測資料說明,在漲憩時(shí)刻后也出現(xiàn)約持續(xù)3h的溫度垂向分布不均特征。

        圖4 各站位計(jì)算、觀測海水溫度Fig.4 Water temperatures calculated and observed at individual stations

        3.3 特征潮時(shí)表底層海水溫差值平面分布

        為了表現(xiàn)海區(qū)垂向水溫不均勻程度,使用數(shù)值模型計(jì)算區(qū)域表層水溫與底層水溫之差,得到表底層水溫差在海區(qū)的平面分布,如圖5所示。

        圖5 各潮時(shí)表底層海水溫差平面分布Fig.5 Horizontal distribution of temperature difference between the surface and the bottom waters at each time of tide

        3.4 斷面溫度變化特征

        由于漲憩時(shí)刻S1-S2斷面溫差較大,因此以漲憩時(shí)刻該斷面垂向溫度分布代表垂直于海區(qū)主流向斷面的變化趨勢。另外,以漲急時(shí)刻S1-S3斷面及落急時(shí)刻S1-S4斷面溫度垂向分布代表與海流流向相近斷面的變化情況。

        從S1-S2斷面垂向溫度分布情況來看,在排水口附近、中央深槽內(nèi),溫度垂向上差異較大。S1-S3斷面則表明,溫排水沿漲潮流方向運(yùn)動(dòng),且高溫水團(tuán)集中在海水表層,底層溫度相對較低。S1-S4斷面溫度垂向分布則說明,表層高溫海水沿落潮流方向運(yùn)動(dòng)較底層快,隨著海水向水深增加的區(qū)域運(yùn)動(dòng),垂向溫差逐漸顯現(xiàn)。

        圖6 斷面位置圖Fig.6 Locations of the sections

        圖7 S1-S2斷面漲憩時(shí)刻溫度垂向分布Fig.7 Vertical distribution of water temperature along Section S1-S2at high water level

        圖8 S1-S3斷面漲急時(shí)刻溫度垂向分布Fig.8 Vertical distribution of water temperature along Section S1-S3at maximum flood

        圖9 S1-S4斷面落急時(shí)刻溫度垂向分布Fig.9 Vertical distribution of water temperature along Section S1-S4at maximum ebb

        3.5 垂向溫度分布不均勻的成因分析

        從觀測資料及數(shù)值模擬結(jié)果來看,電廠溫排水是湄洲灣海區(qū)溫度垂向分布不均勻的主要誘因。除此以外,這種不均勻分布特征在空間上與水深地形具有較大關(guān)系,在時(shí)間上與潮時(shí)具有相關(guān)性。

        3.5.1 與排水口相對位置對垂向溫度分布的影響

        數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果表明,出現(xiàn)垂向溫度不均勻的區(qū)域在漲潮、落潮過程中,分別集中出現(xiàn)在排水口北側(cè)、南側(cè),由于排水口附近平面溫度梯度最大,容易在潮流作用下形成高溫水舌[7],且高溫海水密度較低,趨于在海水表層運(yùn)動(dòng),因此排水口附近始終存在垂向溫差,且溫差高于其他區(qū)域。海上觀測資料基本與模型計(jì)算結(jié)果一致,距離排水口較近的L1、L3站位,相比于L2、L4、L5站,溫差更加顯著,且這種溫度在垂向上分布不均勻的特征持續(xù)時(shí)間較長。

        3.5.2 水深地形與潮流場共同作用下垂向海水溫差在平面上的分布

        圖7~圖9表明,表底層海水溫度差在平面上的分布與水深地形有密切聯(lián)系,在不考慮鹽度影響的條件下,海水溫度越高,其密度越低,低密度海水趨向于在海水上層運(yùn)動(dòng),而下層海水溫度變化,主要依靠熱擴(kuò)散與熱傳導(dǎo),變化相對緩慢。同時(shí),由于潮流場作用,表層高溫水團(tuán)的分布范圍沿流向增大,在更大范圍區(qū)域體現(xiàn)了各層海水溫度變化的差異。因?yàn)樯鲜鲞\(yùn)動(dòng)趨勢,當(dāng)水深較淺處的高溫水團(tuán)經(jīng)過水深梯度較大的區(qū)域,向深水區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí),高溫海水趨向于在上層運(yùn)動(dòng),而深水區(qū)水溫變化相對緩慢,將顯著出現(xiàn)水溫在垂向上的不均勻分布。斷面S1-S2漲憩時(shí)刻垂向溫度分布說明,當(dāng)斷面與流速基本成垂直趨勢時(shí),由于高溫水體向水溫較低的深水區(qū)擴(kuò)散,將產(chǎn)生垂向溫差,差異相對較弱,而斷面S1-S3、S1-S4則說明,高溫水團(tuán)沿流向向水深較深處運(yùn)動(dòng)時(shí),將產(chǎn)生顯著的垂向溫度差異。

        湄洲灣海區(qū)島嶼與水道交錯(cuò),有多處水深明顯變化區(qū)域,且水動(dòng)力條件較強(qiáng)。羅嶼南側(cè)水域位于中央深槽以東,自中央深槽至該水域,水深迅速變化,因此該區(qū)域表底層存在顯著水溫差異,從觀測資料來看,L3站位于水道,與數(shù)值模型相吻合。中央深槽向東南延伸,經(jīng)過盤嶼、大竹島時(shí)分為三條支水道,分別為大竹島西南側(cè)水道、盤嶼北側(cè)水道及大竹島嶼盤嶼之間的支水道,三條支水道與各自北側(cè)海區(qū)均具有明顯的水深梯度。排水口附近水深較淺,溫排水在隨落潮流向南運(yùn)動(dòng)時(shí),首先經(jīng)過盤嶼北側(cè)支水道,由于水深發(fā)生較大變化,海水溫度垂向差異明顯。當(dāng)溫排水隨落潮流繼續(xù)向南運(yùn)動(dòng)并到達(dá)大竹島南側(cè)水道及大竹島嶼盤嶼之間支水道后,由于水道內(nèi)水深顯著變化,高溫水團(tuán)在表層形成鋒面,與底層溫度變化緩慢的海水形成溫度差異。但因上述兩條支水道距離排水口較遠(yuǎn),溫排水僅在落憩時(shí)刻前后能夠傳遞至水道口門,該區(qū)域出現(xiàn)垂向溫度不均勻特征的時(shí)段較短。對于中央深槽北部而言,由數(shù)值模型得到的L2站各層溫度變化曲線也說明,約在落憩時(shí)刻1h后,由于漲潮流作用,該站位出現(xiàn)了表層水溫高于底層水溫的模擬結(jié)果。

        4 結(jié) 論

        通過數(shù)值模型與觀測資料相結(jié)合的研究,本研究得出了受溫排水影響下,湄洲灣局部海區(qū)垂向水溫不均勻特征的分布情況與變化規(guī)律:

        1)由于湄洲灣溫排水熱源的影響,近岸淺海水域原本混合均勻的水體,垂向上可能產(chǎn)生溫度差異,當(dāng)潮流場作用程度與水深梯度較小時(shí),這種垂向溫度不均勻特征,在距離排水口越近的區(qū)域越顯著,持續(xù)時(shí)間也越長。

        2)溫排水隨潮流運(yùn)動(dòng),當(dāng)潮流流向與等深線交叉,且水深梯度明顯時(shí),高溫水團(tuán)將于很長一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)在上層海水運(yùn)動(dòng),水溫在垂向上呈現(xiàn)出顯著不均勻特征。

        3)垂向溫度不均勻特征的分布范圍隨流場持續(xù)作用積累,并表現(xiàn)為沿流向運(yùn)動(dòng),在轉(zhuǎn)流時(shí)刻前分布范圍積累到最大面積。

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