基于随机游动方法的近海环境数值模拟

摘要

沿海地区往往是重要城市和港口的所在地，人口密集，社会经济发展水平高。然而频繁的人类活动必然对近海环境产生影响，并且随着科学技术的发展，人类对海洋环境的干扰强度越来越大、范围越来越广。为了保护和改善近岸海域生态环境，需要了解污染物在水体中的迁移转化规律和水体自净能力，并在此基础上制定预防和治理海洋环境污染的措施。
　　 本文回顾了拉格朗日粒子模型的发展历程，总结了这类模型在水环境、大气环境相关领域的发展和应用，重点介绍了模型在海洋环境中的相关研究，并对目前常用的研究海洋流动结构和环境问题的水交换和时间尺度等概念及其相关研究做了详细的介绍。对近岸水环境研究中常用的欧拉模型、拉格朗日模型及欧拉-拉格朗日模型的相关理论、数值方法的优缺点与适用范围作出了比较分析，在此基础上结合本文的研究对象和研究目的选择拉格朗日型的随机游动方法作为数值模拟手段。
　　 从数值积分格式的选择、边界条件的处理、参数选取以及后处理技术等方面对模拟近海水环境中保守型溶质迁移扩散的随机游动理论做了详细讨论，并通过典型的解析解验证了模型的可靠性。在保守型溶质随机游动模型的基础上建立了悬移质泥沙随机游动模型，对影响起动和沉降过程的主要因素及其参数化方法做了详细的讨论，给出了底床演变的计算方法，并利用实验数据对模型进行了初步验证，结果表明模型对沉降和底床变化过程的模拟效果良好。
　　 分析了基于随机游动方法计算得到的水交换矩阵的物理含义，并比较了其与基于欧拉型对流扩散方程得到的水交换关联矩阵的不同，提出了独立编号的粒子标识方法，并通过实例定量地分析了这一方法在计算水交换矩阵中的省时灵活性。最后，将随机游动模型用于分析天津近岸海域水交换特性，在此基础上提出了适于建设海水淡化工程的沿岸区域，并对海洋功能区划方案的合理性作出了评价并提出了改进建议。