舟山群岛附近海域水动力特征及其对物质输运的影响分析

摘要

探讨海洋中的物质输运是深入研究海洋环境，特别是近海海洋问题的一个基础课题，而物质输运又是一个广泛而深层次的内容。广泛的意义在于既包括“实体物质”如泥沙、污染物以及化学溶解物等物质的输运，也包括“虚拟物质”如温度、盐度及密度等的输运；深层次体现在其整个过程不仅仅只停留在物质位置的迁移或是输运量多少等表象问题上，而更要揭示物质迁移对地形地貌变化、污染物扩散、水质变化以及海洋动力因素和环流的影响等海洋环境问题。上述所有过程都必须基于一种驱动力，那就是水动力。水动力是物质输运形成和发展的基础，反过来温度、盐度的输运也会影响水动力条件的变化。潮流场对物质输运起着决定的作用，而余流对物质的长期输运和分布有重要的贡献。 舟山群岛是我国第一大群岛，附近海域西连杭州湾，北接长江口，东临东海；海域广阔、岛屿众多，水动力条件复杂。舟山海域既是长江径流水体南下的必经之路，也是杭州湾水体与东海水体交换的主要通道。并且，杭州湾-舟山群岛海域是典型的强潮型海区，潮大流急。由此可见，舟山群岛附近海域的水动力条件受长江径流、杭州湾-东海潮流及复杂地形等的综合影响，极具特殊性。 本文通过深入分析实测海流资料，得出如下结论：舟山群岛附近海区浅水分潮影响显著，整个海区的潮流类型表现为不正规半日浅海潮流；海区潮流运动形式主要为往复流，并且由近岸向外海潮流的往复性减弱，而旋转性增强；海区潮流运动表现为右旋，而在一些潮波的干涉、叠加区表现出左旋的特性；总体上表层和中层落潮流速大于涨潮流速，而底层则表现出相反的特性；随水深的增加，较下层潮流的最大流速方向会偏到较上层最大流速方向的右边，较下层最小流速方向随水深增加会偏到较上层最小流速方向的左边。 在综合考虑长江、钱塘江径流以及垂向温盐引起的斜压效应基础上选用嵌套了2.5阶湍流闭合模型、垂向采用σ坐标系网格的ECOM三维水动力模型，对强潮、地形变化剧烈和垂向混合充分的杭州湾-舟山群岛海域进行了环境流体动力场的数值模拟。得出如下重要认识： (1)舟山群岛附近海域潮汐日不等现象显著，自外海→舟山海域→杭州湾潮汐日不等程度逐渐增强，潮流变化也呈现日不等现象，但变化程度不如潮汐强烈； (2)潮汐日不等中，高高潮与低高潮的潮位差值自外海向杭州湾递增，高低潮与低低潮的潮位差值则呈现相反的变化趋势，即杭州湾内高潮不等现象明显，外海低潮不等现象显著； (3)舟山群岛东南侧站位高潮发生时刻比岛间站位早近1小时，比西北侧的佘山站和滩浒站早约2.5小时，说明东海潮波是由东南向西北方向传播至舟山群岛附近海域的； (4)由于水道的壅水集束和射流扩散效应，基本以舟山群岛为界，东侧涨潮流速大于落潮流速，西侧落潮流速大于涨潮流速。 上述计算潮流场经实测资料验证取得了较满意的结果，为进一步研究余流和物质输运打下了坚实的基础。 舟山群岛附近海域余流方向总体向外海，表层Euler余流速在5～30cm/s之间，最大可达40cm/s左右；中层余流速在3～18cm/s之间；底层余流速在2～15cm/s之间，Lagrange余流总体上小于Euler余流。但由于研究区地形复杂，余流情况也较为多变。 研究表明，研究区悬沙输运及分布与Lagrange余流表现出很好的相关性，而与Euler余流无明显联系。舟山群岛附近海域影响水动力的条件众多，水动力条件复杂，因而悬沙输运及分布情况也表现出“多象”性。

目录

文摘

英文文摘

声明

0前言

0.1问题的提出

0.2有关问题的研究现状

0.3资料来源、研究内容与方法

0.3.1资料来源

0.3.2研究内容与方法

1研究区概况

1.1长江口概况

1.2杭州湾概况

1.3舟山群岛海域概况

2舟山群岛附近海域海流观测结果与分析

2.1潮流性质

2.2潮流运动形式

2.3潮流分布特征

2.3.1周日历时潮流分布

2.3.2实测最大涨落潮流速分布

2.3.3实测最大、最小及平均流速分布

3研究区潮流场的计算和分析

3.1三维河口流体动力学基本方程组

3.1.1三维流体动力学基本方程组

3.1.2基本方程组的简化

3.1.3紊流模型的处理

3.2三维河口流体动力学数值模型和方法

3.2.1 ECOM模型的建立和特点

3.2.2模型的定解条件

3.3 ECOM模型在舟山群岛及附近海域的应用

3.3.1σ坐标系中的流体动力学方程组及边界条件

3.3.2潮流场计算结果验证与分析

4研究区余流场的计算和分析

4.1研究区余流概况

4.1.1长江口外海区及东海内陆架实测余流概况

4.1.2杭州湾余流概况

4.1.3舟山群岛附近海域余流概况

4.2舟山群岛附近海域实测余流结果与分析

4.2.1余流理论和计算方法

4.2.2实测Euler余流结果与分析

4.3舟山群岛附近海域计算余流结果与分析

4.3.1 Euler余流

4.3.2 Lagrange余流

5水动力对物质输运影响分析

5.1研究区泥沙研究概况

5.2研究区悬沙浓度分布特征

5.2.1潮周期悬沙浓度分布

5.2.2悬沙浓度时空分布特征分析

5.3水动力对悬沙输运的影响分析

5.3.1潮流的影响

5.3.2余流的影响

6结论与认识

6.1结论

6.2认识与不足

参考文献

致谢