劉尚辰，孫昭晨，梁書(shū)秀

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024)

新村潟湖位于海南島東南部的陵水縣，是一個(gè)典型的半封閉沙壩-潮汐汊道-潟湖海岸體系，地貌格局復(fù)雜，地形變化較大[1]。新村潟湖通過(guò)單一口門(mén)與外海相連，潟湖口門(mén)處北岸為新村碼頭堤岸，南岸是基巖組成的南灣猴島，口門(mén)夾于二者之間，位置比較固定，穩(wěn)定性高，口門(mén)附近漲潮三角洲、落潮三角洲有所發(fā)育[2]。受上述地貌影響，新村潟湖內(nèi)部水動(dòng)力條件溫和。同時(shí)潟湖地處熱帶，常年水溫、鹽度適中，因而擁有豐富的浮游生物，潟湖內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)較多[3-4]。因大量養(yǎng)殖塘向潟湖水域擴(kuò)張、養(yǎng)殖廢水直接排放、養(yǎng)殖密度過(guò)大、生活垃圾污染等問(wèn)題，新村潟湖水質(zhì)下降，局部水體富營(yíng)養(yǎng)化程度增高，赤潮時(shí)有發(fā)生[5-6]，潟湖環(huán)境已受到較大影響。要實(shí)現(xiàn)對(duì)新村潟湖的合理開(kāi)發(fā)利用，需要對(duì)潟湖內(nèi)水動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行深入研究。目前，針對(duì)新村潟湖潮汐汊道演變[2,7-9]、潮汐汊道及潟湖二者水動(dòng)力關(guān)系[1,10-12]的研究較多，關(guān)于新村潟湖水體交換方面的研究較為少見(jiàn)。

海洋對(duì)污染物本身具有巨大的自?xún)裟芰13]，潟湖中水體的自?xún)裟芰χ饕w現(xiàn)在由漲、落潮過(guò)程產(chǎn)生的水體交換中，潟湖內(nèi)部污染物在該過(guò)程中得到稀釋和擴(kuò)散后輸運(yùn)出潟湖，因此水體交換能力本質(zhì)上反映了一定的水體自?xún)裟芰14-16]。對(duì)于水體交換能力和與之相關(guān)的水體自?xún)裟芰?，?guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量工作，常用的計(jì)算模型有箱式模型[17-18]、隨機(jī)游動(dòng)模型[19-20]、對(duì)流擴(kuò)散模型[21-22]、時(shí)間尺度模型[23]等。本文擬在新村潟湖已有自然資料基礎(chǔ)上，通過(guò)MIKE21數(shù)值模型建立新村潟湖及臨近海域的潮流數(shù)值模型，利用該模型對(duì)不同潮汐過(guò)程作用下潟湖內(nèi)保守物質(zhì)的輸運(yùn)擴(kuò)散過(guò)程以及粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，從水體自?xún)羲俾蔥24]、半交換時(shí)間和停留時(shí)間3個(gè)方面入手，對(duì)不同潮汐過(guò)程作用下新村潟湖的水體交換能力進(jìn)行探討。

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程

本文采用由丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)開(kāi)發(fā)的水動(dòng)力模型MIKE21中水動(dòng)力模塊、輸運(yùn)模塊以及粒子追蹤模塊進(jìn)行計(jì)算?？刂品匠滩捎萌S不可壓縮雷諾平均下的Navier-Stokes方程，在服從Boussinesq和靜水壓力假定條件下，對(duì)水平方向上的動(dòng)量方程和連續(xù)性方程沿水深方向進(jìn)行積分平均處理。不同坐標(biāo)系下，控制方程可呈不同表現(xiàn)形式，這里統(tǒng)一采用笛卡爾坐標(biāo)系形式進(jìn)行說(shuō)明。水動(dòng)力模塊控制方程如下

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：τsx和τsy為表面風(fēng)應(yīng)力分量；τbx和τby為底部切應(yīng)力分量；sxx、sxy、syx、syy為輻射應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy為粘滯應(yīng)力分量。

輸運(yùn)模塊控制方程如下

(7)

粒子追蹤模塊控制方程如下

dXt=a(t,Xt)dt+b(t,Xt)ξtdt

(8)

式中：a(t,Xt)為因流、風(fēng)、底摩擦等影響產(chǎn)生的漂流移動(dòng)項(xiàng)；b(t,Xt)為因分子運(yùn)動(dòng)、湍流等產(chǎn)生的擴(kuò)散移動(dòng)項(xiàng)；ξt為隨機(jī)數(shù)；Xt為粒子位置。在該模塊中采用Langevin方程作為計(jì)算基礎(chǔ)，離散后方程如下

Yn+1=Yn+a(t,Xt)YnΔn+b(t,Xt)YnΔWn

(9)

1-a 選自Google Earth 1-b 選自L(fǎng)andsat影像數(shù)據(jù)圖1 新村潟湖地理位置Fig.1 The location of Xincun Lagoon

式中：Y表示軌跡位置；ΔWn=Wt-Ws∈N(μ=0，σ2=Δn)為服從標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的維納過(guò)程W的增量。

1.2 模型計(jì)算域及邊界條件

新村潟湖地處海南陵水縣東南側(cè)，面向南海，地理位置見(jiàn)圖1。計(jì)算區(qū)域包含新村潟湖及鄰近外海，范圍大致在109.89°E～110.04°E、18.33°N～18.46°N。數(shù)值模型采用單元中心有限體積法進(jìn)行離散，利用不重疊的三角形單元進(jìn)行計(jì)算，在口門(mén)、潮汐汊道附近[11]及形狀復(fù)雜固邊界處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格總數(shù)為28 316，節(jié)點(diǎn)數(shù)為14 532，模型計(jì)算網(wǎng)格及驗(yàn)證點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。

圖2 模型計(jì)算網(wǎng)格、地形及驗(yàn)證點(diǎn)分布Fig.2 The mesh grids, terrain and verification points of model

模型邊界包含固邊界和開(kāi)邊界，即陸水邊界和水水邊界。固邊界規(guī)定垂直于海岸邊界流速為零，開(kāi)邊界采用水位邊界進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由于新村潟湖無(wú)明顯徑流流入[2]，模型不考慮徑流影響。開(kāi)邊界水位數(shù)據(jù)由中國(guó)近海潮汐潮流數(shù)學(xué)模型Chinatide計(jì)算得到[25]，Chinatide模型可預(yù)測(cè)給定位置下基于Q1、P1、O1、K1、N2、M2、S2、K2、Sa等9個(gè)主要分潮調(diào)和常數(shù)的潮位變化，模型精度5′×5′，模型范圍可覆蓋中國(guó)各海域，并且在模型開(kāi)發(fā)時(shí)已通過(guò)各海域長(zhǎng)期驗(yàn)潮站資料對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算精度檢測(cè)。

1.3 模型驗(yàn)證

由于缺乏近期新村潟湖實(shí)測(cè)資料，根據(jù)潟湖水動(dòng)力方面已有研究資料，對(duì)小潮期間、大潮期間以及時(shí)長(zhǎng)半個(gè)月潮汐作用下的模型進(jìn)行驗(yàn)證[10,12,26]，驗(yàn)證點(diǎn)分布見(jiàn)圖2，其中S1、S2、S3驗(yàn)證點(diǎn)用于小潮和大潮期間模型驗(yàn)證，S4驗(yàn)證點(diǎn)用于為期半個(gè)月潮汐作用下的模型驗(yàn)證。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，小潮和大潮期間驗(yàn)證點(diǎn)位置處模擬值與實(shí)測(cè)值存在0～2 h左右相位差，量值模擬較好，相位調(diào)整后的小潮、大潮期間驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3；為期半個(gè)月潮汐作用下的水位模擬結(jié)果與測(cè)量值吻合良好，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖4。小潮和大潮期間的漲落潮過(guò)程基本符合水體運(yùn)動(dòng)情況，由于潟湖地形復(fù)雜，水上水下建筑物、 植被均會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生一定影響，因此流速模擬有些偏差?？傮w而言，模型能夠準(zhǔn)確反映水動(dòng)力特性。

圖3 潮汐驗(yàn)證結(jié)果(25 h)Fig.3 Model verification during tide period(25 h)

圖4 潮汐驗(yàn)證結(jié)果(15 d)Fig.4 Model verification during tide period(15 d)

1.4 水體交換計(jì)算方案

新村潟湖水體交換能力與水動(dòng)力條件關(guān)系密切，該區(qū)域水動(dòng)力主要受潮汐因素控制[2]。潮汐漲落現(xiàn)象主要由天體的周期性運(yùn)動(dòng)引起，由于太陽(yáng)、月球、地球運(yùn)轉(zhuǎn)狀況不同，潮汐會(huì)出現(xiàn)如日不等、月不等、年不等等現(xiàn)象，因而與之相關(guān)的新村潟湖水體交換過(guò)程也會(huì)有所不同。潟湖整體水體交換是一個(gè)時(shí)間較長(zhǎng)的過(guò)程，有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，故本文擬對(duì)潟湖長(zhǎng)期水體交換過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，并由此展開(kāi)討論。

已有研究表明該海域的潮汐類(lèi)型為不規(guī)則的全日混合潮[27]，由于缺乏長(zhǎng)期觀測(cè)資料，并且 Chinatide數(shù)值模型計(jì)算考慮分潮數(shù)較多，模擬得到的潮位應(yīng)用在潟湖驗(yàn)證計(jì)算中效果較好，故采用Chinatide數(shù)值模型對(duì)該區(qū)域長(zhǎng)期潮位進(jìn)行計(jì)算。圖5為2017～2019年的潮位計(jì)算數(shù)據(jù)和潮位包絡(luò)線(xiàn)；圖6包含了季度平均水位過(guò)程線(xiàn)和潮差變化曲線(xiàn)，季度平均水位過(guò)程線(xiàn)表示包含該天在內(nèi)的前后共90 d的平均歷時(shí)水位過(guò)程線(xiàn)。受天文因素影響，潮差和平均水位具有長(zhǎng)周期性、季節(jié)性等特征，由圖5、圖6可見(jiàn)，該地潮差在春秋季整體變化范圍較小，而在冬夏季整體變化較大。結(jié)合新村潟湖當(dāng)?shù)爻毕^(guò)程、潮差和季度平均水位的長(zhǎng)期變化特征，選用為期40 d的具有一定對(duì)稱(chēng)性和相似性的4種潮汐過(guò)程對(duì)該區(qū)域進(jìn)行研究，以考慮不同潮汐過(guò)程作用對(duì)水體交換的影響，所選過(guò)程所在時(shí)間段見(jiàn)圖6，詳細(xì)過(guò)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。過(guò)程1-1和過(guò)程1-2取自秋春季，二者分別與季度平均高水位和季度平均低水位相對(duì)應(yīng)，期間各階段潮差相差較小、潮差的歷時(shí)變化范圍較??；過(guò)程2-1和過(guò)程2-2分別取自冬夏季，二者分別與季度平均高水位和季度平均低水位相對(duì)應(yīng)，期間各階段潮差相差較大、潮差歷時(shí)變化范圍較大，通過(guò)以上所選4種潮汐過(guò)程，可考慮季度平均水位和長(zhǎng)期潮差變化對(duì)潟湖水體交換的影響。

圖7 典型潮汐過(guò)程Fig.7 Typical tidal process

由于潟湖內(nèi)部地形較復(fù)雜，水動(dòng)力條件各區(qū)域差別較大，故在空間上水體交換能力可能會(huì)有一定差異，因此采用以歐拉法為基礎(chǔ)的物質(zhì)輸運(yùn)方法和以拉格朗日法為基礎(chǔ)的粒子追蹤方法對(duì)潟湖整體水體交換能力及其空間分布開(kāi)展研究。兩種方法初始條件設(shè)置如下：將計(jì)算區(qū)域劃分為兩部分，以口門(mén)為界，邊界內(nèi)部潟湖區(qū)域內(nèi)設(shè)置保守物質(zhì)濃度為1，邊界以外濃度為0，同時(shí)在潟湖區(qū)域內(nèi)隨機(jī)均勻撒入保守物質(zhì)粒子。初始濃度設(shè)置及粒子布置見(jiàn)圖8。

圖8 初始濃度設(shè)置及粒子布置Fig.8 Initial distribution of concentration and particles

2 結(jié)果與討論

2.1 水體自?xún)羲俾?/h3>

水體交換能力與水體自?xún)裟芰γ芮邢嚓P(guān)，通過(guò)水體自?xún)羲俾士梢苑从吵鰸暫w水體交換能力。水體自?xún)羲俾蚀碓趨^(qū)域自然、物理因素作用下，水體所含某物質(zhì)總量對(duì)時(shí)間的變化率，該指標(biāo)包含了水體交換和物質(zhì)自身擴(kuò)散性的影響，水體自?xún)羲俾时磉_(dá)式如下[24]

(10)

式中：M表示水體中某保守物質(zhì)總量；Ml(t)表示水體自?xún)羲俾?，Ml(t)>0時(shí)代表該保守物質(zhì)由研究區(qū)域輸運(yùn)至域外，為方便比較，對(duì)M做歸一化處理，即M=M(t)/M(0)。圖9-a給出了4種潮汐過(guò)程作用下的水體自?xún)羲俾?；為比較不同季度平均水位的影響，圖9-b分別將潮差變化相近的過(guò)程1-1和過(guò)程1-2、過(guò)程2-1和過(guò)程2-2的水體自?xún)羲俾是€(xiàn)置于一幅圖中。從圖9-a可見(jiàn)，潟湖水體自?xún)羲俾是€(xiàn)在一定程度上與潮汐過(guò)程曲線(xiàn)形狀相似，同時(shí)其峰值變化與高潮位及低潮位的變化趨勢(shì)相近，可見(jiàn)該區(qū)水體交換過(guò)程與潮汐運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)；在潮差較大階段，自?xún)羲俾史逯迪鄬?duì)較大，潮差較小階段，自?xún)羲俾史逯迪鄬?duì)較小，說(shuō)明自?xún)羲俾逝c潮差具有一定的正相關(guān)關(guān)系，并且自?xún)羲俾收蚍逯荡蠖鄶?shù)遠(yuǎn)大于臨近的負(fù)向峰值，可見(jiàn)區(qū)域內(nèi)物質(zhì)具有不斷向外輸運(yùn)和交換的趨勢(shì)。從圖9-b中可見(jiàn)，同一圖中的兩個(gè)潮汐過(guò)程自?xún)羲俾是€(xiàn)變化差別不大，而不同圖中的兩條曲線(xiàn)則呈現(xiàn)較大差別，說(shuō)明不同季度平均水位對(duì)自?xún)羲俾实挠绊懹邢?，而潮汐歷時(shí)變化對(duì)自?xún)羲俾视休^大影響；潮汐過(guò)程2-1、2-2瞬時(shí)自?xún)羲俾史逯翟诔毕饔们?00 h明顯大于潮汐過(guò)程1-1、1-2，而在潮汐作用后期，由于在潮汐過(guò)程1-1、1-2作用下保守物質(zhì)仍有很多沒(méi)有輸運(yùn)出潟湖，二者的瞬時(shí)自?xún)羲俾史逯等韵鄬?duì)較大。

因潮汐往復(fù)運(yùn)動(dòng)影響，由圖9可見(jiàn)，水體自?xún)羲俾是€(xiàn)也在正負(fù)向不斷交替變化，取潮汐過(guò)程曲線(xiàn)中每次高潮位對(duì)應(yīng)的時(shí)間，計(jì)算相應(yīng)時(shí)間潟湖內(nèi)剩余保守物質(zhì)占初始總量的比例P，如圖10-a所示，在潮汐過(guò)程2-1、2-2作用下，P在前期迅速下降，并且作用時(shí)間相同下，P明顯小于潮汐過(guò)程1-1、1-2作用下的值，可見(jiàn)在大潮差潮汐階段物質(zhì)更易向外輸運(yùn)；由于潮汐過(guò)程2-1、2-2與1-1、1-2相比，小潮階段潮差小、歷時(shí)短、潮差變化相對(duì)小，故P曲線(xiàn)呈現(xiàn)出更為明顯的兩段平臺(tái)段，此時(shí)水體交換速率較慢。按照水體自?xún)羲俾时磉_(dá)式，規(guī)定此時(shí)自?xún)羲俾视?jì)算式如下

(11)

計(jì)算得到的自?xún)羲俾室?jiàn)圖10-b，4種過(guò)程的自?xún)羲俾示饾u趨向于0。在550～800 h階段，潮汐過(guò)程1-2由于平均水位較低，潮差和潮差歷時(shí)變化均較小，因而高潮位和低潮位的納潮量變化較小，故自?xún)羲俾试谡?fù)向往復(fù)變化并且幅值相差不大，此時(shí)物質(zhì)凈輸運(yùn)情況不佳，該階段整體表現(xiàn)出的水體交換能力較弱，反映在P值上，可見(jiàn)該階段P值下降緩慢。

整體來(lái)看，在4種不同潮汐過(guò)程作用下，新村潟湖內(nèi)剩余保守物質(zhì)總量可在1 000 h內(nèi)下降到原總量40%以下，潮汐過(guò)程2-1、2-2作用下前期自?xún)羲俾首兓^快，在500 h以?xún)?nèi)便可達(dá)到該值，表現(xiàn)出很強(qiáng)的水體交換能力，1-2過(guò)程作用下保守物質(zhì)輸運(yùn)出潟湖的速度最為緩慢，水體交換能力較弱。潮汐過(guò)程對(duì)水體交換能力有較強(qiáng)影響，在相同作用時(shí)間下，潮差較大過(guò)程，由于水體高低潮納潮量相差較大，物質(zhì)向外輸運(yùn)能力較強(qiáng)，水體交換能力較強(qiáng)；與高低潮位歷時(shí)變化不同的是自?xún)羲俾史逯底兓捌诔尸F(xiàn)出較大的非對(duì)稱(chēng)性，該非對(duì)稱(chēng)性與潮差歷時(shí)變化和潮汐非對(duì)稱(chēng)性有關(guān)，由潮汐過(guò)程可見(jiàn)，該區(qū)漲潮歷時(shí)略大于落潮歷時(shí)，且所選過(guò)程前期均為潮差逐漸增大階段，落潮潮差大于漲潮潮差，物質(zhì)向外輸運(yùn)趨勢(shì)更加明顯，故初期瞬時(shí)自?xún)羲俾史逯悼焖僭鲩L(zhǎng)。

2.2 水體半交換時(shí)間

為研究潟湖水體交換能力在空間上的分布特征，采用時(shí)間尺度模型進(jìn)行后續(xù)研究，各種時(shí)間尺度可以從不同角度描述海水交換的快慢程度。Luff等[28]提出了半交換時(shí)間的概念，即海域內(nèi)某種保守物質(zhì)通過(guò)對(duì)流擴(kuò)散作用將濃度稀釋到初始濃度一半所需的時(shí)間。受潮汐影響，水體交換過(guò)程呈現(xiàn)出往復(fù)性，各位置濃度也具有一定往復(fù)性特征，為減少該影響，規(guī)定第一次在高潮位時(shí)濃度達(dá)到初始濃度一半所用的時(shí)間為潟湖該位置處的半交換時(shí)間。采用該水體半交換時(shí)間的概念，對(duì)4種潮汐過(guò)程作用下潟湖各區(qū)域的半交換時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖11。從圖11可見(jiàn)，半交換時(shí)間大致可分為0～200 h、200～400 h、400～800 h以及800 h以上4部分，其中半交換時(shí)間為0～400 h和800 h以上區(qū)域的面積相當(dāng)，400～800 h的區(qū)域面積最小，且在潟湖北部半交換時(shí)間過(guò)渡較弱，潟湖南部過(guò)渡較明顯；靠近口門(mén)處的區(qū)域整體半交換時(shí)間很短，大致在400 h以下，水體交換能力強(qiáng)，潟湖中部北岸淺灘較多，地形復(fù)雜，水動(dòng)力較弱，半交換時(shí)間明顯高于其他部分；在4種潮汐過(guò)程作用下，遠(yuǎn)離口門(mén)的次級(jí)潟湖及附近區(qū)域濃度均未達(dá)到0.5以下，水體交換能力較弱。從不同潮汐過(guò)程的作用結(jié)果來(lái)看，相同作用時(shí)間長(zhǎng)度，潮汐過(guò)程2-1、2-2作用下濃度降到0.5以下的區(qū)域明顯大于潮汐過(guò)程1-1、1-2作用下的區(qū)域；同時(shí)半交換時(shí)間空間分布在潟湖中部呈現(xiàn)渦旋形狀，一定程度上體現(xiàn)了物質(zhì)凈輸運(yùn)的歷時(shí)過(guò)程。整體來(lái)看，從半交換時(shí)間的空間分布反映出，口門(mén)附近、潟湖中部和南部深水區(qū)水體交換能力較強(qiáng)，其中口門(mén)附近交換能力最強(qiáng)，而受地形和距離口門(mén)遠(yuǎn)近的影響，潟湖中部北岸、最遠(yuǎn)端次級(jí)潟湖及其與中部深水區(qū)連接處水體交換能力較弱。

圖11 水體半交換時(shí)間Fig.11 Half-life time of substance in lagoon

2.3 停留時(shí)間

水體交換過(guò)程在微觀層面上表現(xiàn)的即是物質(zhì)粒子或粒子團(tuán)的輸移交換過(guò)程，本文采用停留時(shí)間對(duì)該角度體現(xiàn)出的水體交換能力進(jìn)行了分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算，在初始時(shí)刻，于潟湖內(nèi)部隨機(jī)均勻布置保守型物質(zhì)粒子作為示蹤劑，追蹤每個(gè)粒子直到離開(kāi)潟湖為止，當(dāng)標(biāo)識(shí)粒子首次到達(dá)研究區(qū)外時(shí)，認(rèn)為在該粒子初始位置處的水質(zhì)點(diǎn)或物質(zhì)粒子與外界進(jìn)行了交換，所用的時(shí)間即為停留時(shí)間。計(jì)算中發(fā)現(xiàn)部分粒子運(yùn)動(dòng)到了淺灘、復(fù)雜邊界等位置，受邊界條件影響無(wú)法繼續(xù)移動(dòng)，因此對(duì)其進(jìn)行了剔除，處理后的停留時(shí)間結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 停留時(shí)間Fig.12 Residence time

從結(jié)果可見(jiàn)，靠近口門(mén)的區(qū)域停留時(shí)間在200 h以?xún)?nèi)，粒子運(yùn)動(dòng)出潟湖時(shí)間最短，水體交換速度最快，并且口門(mén)內(nèi)漲潮三角洲對(duì)交換過(guò)程影響較?。痪嚯x口門(mén)較近的潟湖中部停留時(shí)間在200～400 h，水體交換速度略低于口門(mén)區(qū)域；在遠(yuǎn)端次級(jí)潟湖及其與潟湖中部的連接處，停留時(shí)間整體在800 h以上，部分該區(qū)域粒子仍可輸運(yùn)出潟湖；由于次級(jí)潟湖末端距離口門(mén)最遠(yuǎn)，并且注入潟湖徑流過(guò)小，單純潮汐作用下，在40 d內(nèi)粒子無(wú)法輸運(yùn)出潟湖，水體交換能力最弱；潟湖南部由于存在較大范圍淺灘區(qū)，且距離口門(mén)較遠(yuǎn)，水動(dòng)力條件很弱，在4種潮汐過(guò)程作用下均有大量粒子停留時(shí)間在800 h以上，水體交換速率很低；從潮汐過(guò)程1-1、1-2和2-1、2-2作用下的結(jié)果來(lái)看，潟湖停留時(shí)間存在明顯分區(qū)，如圖13所示，A區(qū)和B區(qū)平均停留時(shí)間結(jié)果見(jiàn)表1。

圖13 潟湖分區(qū)Fig.13 The division of lagoon

表1 各分區(qū)停留時(shí)間Tab.1 The resistance time of different divisions h

A區(qū)停留時(shí)間明顯低于B區(qū)，表明A區(qū)水體交換速率高于B區(qū)，并且潮汐過(guò)程2-1、2-2與潮汐過(guò)程1-1、1-2相比，在其作用下A區(qū)平均停留時(shí)間更短，水體交換速率更快。從停留時(shí)間和半交換時(shí)間二者的結(jié)果來(lái)看，二者在反映水體交換能力上有一定差別，停留時(shí)間以拉格朗日法為基礎(chǔ)，在粒子輸運(yùn)過(guò)程中含有運(yùn)動(dòng)隨機(jī)性，但不包含與域外水體的混合過(guò)程，因此在水交換能力較弱區(qū)域，停留時(shí)間結(jié)果反映出的水體交換能力比半交換時(shí)間反映出的水體交換能力要弱。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)計(jì)算可見(jiàn)，自?xún)羲俾士梢苑从吵鰸暫?nèi)物質(zhì)的輸運(yùn)趨勢(shì)，一個(gè)漲落潮階段，自?xún)羲俾蕿檎龝r(shí)，物質(zhì)隨水體流出，自?xún)羲俾蕿樨?fù)時(shí)，物質(zhì)隨水體流入，當(dāng)該階段自?xún)羲俾史e分為正時(shí)，代表潟湖內(nèi)物質(zhì)在該階段結(jié)束時(shí)被交換到了域外。從新村潟湖水體自?xún)羲俾蕘?lái)看，季度平均水位對(duì)新村潟湖水體交換能力影響較小，而潮差大小和潮差歷時(shí)變化對(duì)其影響較大；潮汐過(guò)程2-1、2-2下的瞬時(shí)自?xún)羲俾试谧饔们捌诜逯得黠@大于潮汐過(guò)程1-1、1-2，潟湖內(nèi)保守物質(zhì)總量在潮汐過(guò)程2-1、2-2作用下也下降較快，可見(jiàn)在潮汐過(guò)程2-1、2-2對(duì)應(yīng)的冬夏季新村潟湖表現(xiàn)出了很強(qiáng)的水體交換能力。

(2)4種潮汐過(guò)程作用下，潟湖內(nèi)半交換時(shí)間可分為0～400 h、400～800 h和800 h以上三類(lèi)區(qū)域，其中0～400 h和800 h以上區(qū)域面積相當(dāng)，400～800 h區(qū)域面積最小，潮汐過(guò)程2-1、2-2作用下，可進(jìn)行較強(qiáng)水體交換區(qū)域的面積大于其余兩個(gè)潮汐過(guò)程?？梢?jiàn)新村潟湖水體交換能力在空間上分布不均勻，大體上以口門(mén)為中心，半交換時(shí)間長(zhǎng)短呈扇形分布，距離口門(mén)越近，受口門(mén)束窄影響，區(qū)域流速較快，潮流漲落通暢，半交換時(shí)間很短，水體交換能力很強(qiáng)，而遠(yuǎn)離口門(mén)及水深較淺區(qū)域，水動(dòng)力條件很弱，半交換時(shí)間很長(zhǎng)，表現(xiàn)出較差的水體交換能力。

(3)停留時(shí)間的計(jì)算結(jié)果可將新村潟湖分為兩個(gè)水體交換能力明顯相異的區(qū)域，其與半交換時(shí)間得到的0～400 h和800 h以上兩個(gè)分區(qū)有一定相似性。同時(shí)，基于拉格朗日法計(jì)算的停留時(shí)間和基于歐拉法計(jì)算的半交換時(shí)間在表示潟湖水體交換能力上有所不同，由于停留時(shí)間的計(jì)算基于粒子運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有表現(xiàn)出很強(qiáng)的水體混合的過(guò)程，故在水深較淺但離口門(mén)較近區(qū)域如潟湖中部南岸，受地形及水動(dòng)力條件影響，該位置處停留時(shí)間表現(xiàn)出的水體交換能力要弱于半交換時(shí)間表現(xiàn)出的能力；從不同潮汐過(guò)程角度來(lái)看，潮汐過(guò)程2-1、2-2作用下，停留時(shí)間大于800 h的區(qū)域更偏潟湖末端，此時(shí)水體交換能力較強(qiáng)。