典型养殖海区潮动力结构特征的初步研究—观测与数值模拟

论文摘要

桑沟湾是我国黄海沿岸重要的水产增养殖水域,近年来,大面积高密度的海水养殖已经使该湾的潮动力结构发生重大改变。因此,深入了解桑沟湾的潮动力结构特征,探讨养殖活动对海区潮动力结构的影响机制,是研究该海区的养殖容量与环境之间关系的基础。本文的主要目标是通过现场观测分析桑沟湾的潮流垂直结构特征,然后建立一个适合该海域的水动力模型,利用此模型探讨大量养殖生物和养殖设施对潮流垂直结构的影响机制。本文首先由2006年春季和夏季两个航次在桑沟湾不同种类养殖区内5个站位（湾口北侧寻山站、湾口南侧楮岛站、湾中央连续站、湾口中部和湾顶中部）现场观测的水位资料和ADCP、ADV流速资料出发,经由准调和分析法得到潮汐、潮流各主要分潮的调和常数及潮流各主要分潮的椭圆要素。分析了在该海域养殖生物量最大的春季和最小的夏季里寻山站、楮岛站的潮汐各主要分潮的调和常数;各观测站的潮流流速剖面,水柱总动能,潮流上边界层和底边界层的摩擦速度、阻力系数,涡粘系数、应力的垂直分布,以及近底层湍动能耗散率、雷诺应力的分布特征。分析结果表明:①桑沟湾海区的潮汐类型为不正规半日潮,日不等现象明显。潮流类型为正规半日潮,M2分潮明显占优,水平潮流运动形式为往复流。养殖活动只改变了潮流流速,并没有改变潮波性质。②大量养殖生物和养殖设施的存在使得水柱上层的水平流速在垂向出现了速度梯度,潮流垂直结构发生重大改变,形成了该海区特有的潮流上边界层。该层遵守壁面律,流速剖面呈对数律分布。潮流上边界层平均阻力系数C DS大于底边界层平均阻力系数C DB,二者同在10-2量级,比自然海区的底边界层阻力系数高1个量级;粗糙长度在10-210-1m量级,比自然海区高34个量级。③在该海区,表层海水先于底层涨/落潮约1h,整个海湾出现涨/落潮不同时的现象,湾口最大潮流出现时间比湾顶提早约1h,但转流时刻相差不大。④养殖活动对水体阻力非常大,涡粘系数νT比自然海区高12个量级。⑤TKE耗散率ε比自然海区高12个量级,是个强耗散海区。然后,根据桑沟湾特有的潮流垂直结构特征,改进原有水动力模型,增加了对该海区非常重要的上边界条件的描述,建立了一个适用于该海区的一维双阻力水动力模型对湾口北侧海带养殖区的潮流垂直结构及其相应的剪应力垂直结构进行模拟,并通过改变模型中潮流上边界层的平均阻力系数C DS、底边界层平均阻力系数C DB和涡粘系数νT的取值来研究养殖活动对潮流垂直结构的影响机制。模型的输入参数由现场观测数据得来。数值实验结果显示:①在浅海非线性作用下,潮流流速随应力的改变呈非线性变化,而不是单调递增或递减。②养殖活动和底应力对潮流流速的垂直分布和涡粘系数的垂直分布有影响:当养殖密度减小后,水体受到的养殖阻力减小,上层海水流动加快,因此潮流上边界层变薄,底边界层变厚;随着底应力的减小,底层海水流动加快,潮流底边界层变薄,上边界层变厚。③养殖密度的增加阻碍了流出该湾的海水的流速,加快了流入海水的流速,而底应力的增加恰好相反,阻碍了流入该湾的海水,加快了流出海水的流速。④涡粘系数νT的变化既改变了潮流流速的量值,又改变了潮流流速的垂直分布。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 0.1 桑沟湾海区概况及养殖现状
• 0.1.1 桑沟湾海区概况
• 0.1.2 桑沟湾养殖业现状
• 0.2 问题的提出
• 0.3 国内外研究现状
• 0.3.1 养殖区水动力模型的研究
• 0.3.2 养殖区底边界动力机制的研究
• 0.4 本文工作及研究意义
• 1 理论及方法介绍
• 1.1 摩擦速度的三种算法
• 1.2 双阻力模型介绍
• 1.3 剪应力的垂直分布
• 1.4 临界雷诺数
• 1.5 ADV 流速资料的处理方法介绍
• 1.6 本章小结
• 2 2006 年春季桑沟湾海区潮动力结构特征观测的分析
• 2.1 现场观测情况介绍
• 2.1.1 站位设置
• 2.1.2 数据采集
• 2.1.3 观测期间天气情况
• 2.2 现场观测数据分析
• 2.2.1 湾口北侧的潮动力结构特征分析
• 2.2.2 湾口南侧的潮动力结构特征分析
• 2.2.3 湾中央的潮动力结构特征分析
• 2.2.4 湾口中部和湾顶中部的潮动力结构特征分析
• 2.3 本章小结
• 3 2006 年夏季桑沟湾海区潮动力结构特征观测的分析
• 3.1 现场观测情况介绍
• 3.1.1 站位设置
• 3.1.2 数据采集
• 3.1.3 天气情况
• 3.2 现场观测数据分析
• 3.2.1 湾口北侧的潮动力结构特征分析
• 3.2.2 湾口南侧的潮动力结构特征分析
• 3.2.3 湾中央的潮动力结构特征分析
• 3.3 本章小结
• 4 桑沟湾海区潮流垂直结构的动力机制探讨
• 4.1 问题的提出
• 4.2 一维双阻力水动力模型介绍
• 4.2.1 概念模型描述
• 4.2.2 模型控制方程
• 4.3 桑沟湾海区潮流垂直结构的数值模拟
• 4.3.1 模拟方案
• 4.3.2 模拟结果分析
• 4.4 养殖活动对潮流垂直结构影响机制的探讨
• 4.4.1 阻力系数对潮流垂直结构的影响
• 4.4.2 涡粘系数对潮流垂直结构的影响
• 4.5 本章小结
• 5 结语
• 5.1 本文结论
• 5.2 存在问题和工作展望
• 5.2.1 存在问题
• 5.2.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文