径流及盐度对瓯江口滞留时间影响的数值模拟研究
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第29卷第4期2017年8月浙江水利水电学院学报
J. Zhejiang Univ of Wat. Res & Electric Pow.
Vol. 29 No. 4
Aug. 2017
DOI： 10. 3969/j. issn. 2095-7092. 2017. 04. 003
径流及盐度对瓯江口滞留时间影响的数值模拟研究聂学富(滁州学院后勤管理与基建处，安徽滁州239000$
摘要：采用动边界改进的ECOMSED模式对瓯江口滞留时间对于径流及盐度密度流的响应进行了数值模拟研 究，并对淡水比率法、潮棱体模型以及修正的潮棱体模型等多个方法进行了对比研究.研究认为，瓯江口滞留时间 随径流量的增加而减小，二者呈现较好的函数关系.瓯江口盐度对瓯江口存在重要影响，但盐度对滞留时间的影响 相对径流而言较小.相同的径流量在考虑盐度和不考虑盐度的情况下冲刷率不同，不考虑盐度时的冲刷率略小于 考虑盐度时的情况.
关键词！瓯江；滞留时间；ECOMSED #盐度中图分类号：TV131 文献标志码：A 文章编号：1008 -536X(2017$04-0012-08
Numerical Simulationonlnfluenceof River DischargeandSalinity in ResidenceTimein OujiangEstuary
NIEXue-fu(Logistics Management and Infrastructure Department# Chuzhu University, Chuzhou 239000, China)
Abstract ： ECOMSED modified by Wet/Dry moving boundary metliod was applied in the Oujiang estiuary to investigate the
influence of river discharge and salinity in residence time. Numerical simulations show that the residence timefected by river discharge. The residence time increases as the fresh flow decreases. The variety of residence time due to salinity-induced density circulation is relatively small. The same river flow results in larger fliashing rate under baroclinic conditions than barotropic conditions. Comparative researches exhibit that because of significant assumptions and implications,
simple prism model, revised prism model and fresh water rate method can not give satisfied estimates in complex estuariessalinity-induc-d circulationKey words: Oujiang estuary % residence time % ECOMSED %
1相关研究现状河口是海洋与河流的交汇段，兼具河流和海洋 的某些特征.河口水体受到淡水上游径流及涨潮海 水进人的双重影响，由于密度的差异、径流、潮汐和 地形的作用，盐水和淡水发生混合.同时，河口是盐 水和淡水的交汇地带，河口出现的多种物理、化学、 生物过程，如河口环流、细粒泥沙絮凝沉降、最大浑 浊带等都与盐水人侵密切相关，盐水人侵及其进一 步恶化[1].河口物质输运时间尺度是将河口物理过
收稿日期=2017-04-20作者简介：聂学富（1979 -)，男，安徽六安人，硕士，工程师，研 究方向为项目管理.
程与生态过程联系起来的一个重要指标，越来越引 起人们的关注.输运时间尺度经常与生物化学过程 的时间尺度进行比较以量化水动力过程在污染物 输人及演化过程中的重要性.以滞留时间为例，如 果滞留时间小于河口内生物化学过程的时间或二 者基本相当，即可认为河道内的物质基本上可以排 出；相反，如果滞留时间大于生物化学过程的时间 尺度，则有理由认为河口内的生态环境是易受到负 面影响的.瓯江下游是我国重要的经济区，该地区 经济高速发展的同时环境保护问题也日益凸显.因 此，为有效控制瓯江口海洋环境的污染以及对海洋 的其它合法利用，开展瓯江口输运过程及物质交换 的时间尺度的研究具有现实和长远的意义.第4期聂学富：径流及盐度对瓯江口滞留时间影响的数值模拟研究
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滞留时间可以将河口生态系统研究的许多方 面统一起来，它反映了水动力过程和生态过程间最 根本的联系.滞留时间是水体微团或其它要素如 盐、污染物等从其进人某一水体至被输运到水体以 外滞留在水体中的平均时间，在稳态条件下，可以 根据河口内某变量与其在边界处的交换速率的比 值来估算.由于空间差异和河流过程的时间依赖性 及许多重要物质的非线性行为，使得滞留时间十分 复杂m，所以仅了解滞留时间的平均值是不够的， 还应考虑它的时空变化等特征.Aw0 and S/nell等 使用水体示踪法对潮汐交换机理进行了有益的探 讨[4_6].漂流物示踪技术的进步为记录河口拉格朗 日运动和交换提供了前所未有的机会.随着采样技 术的发展，精确的示踪物将为流体交换过程提供了 更精确的信息[7].数学模型的优化和更全面的验证 使得模型方法成为评价河口净化速率的重要途径. Zimmerman[3]给出的滞留时间的定义为：水体中某 一个物质微团的滞留时间为它在到达水体的出口 前在水体中的停留时间.可以看出，滞留时间也是 时间和空间要素的函数.不同空间位置的物质微团 在不同时刻排放将会导致其在水体中具有不同的 滞留时间.T0-ka[8]给出的滞留时间的定义和计算 方法，为通过数学模型手段研究滞留时间问题奠定 了基础.随着河口环境问题越来越引起重视，河口 输运的时间尺度方面的研究在近几年也取得了很 大进展[9〇12]. SWAT模型在国外的应用非常广泛， 近几年来，在国内也逐步被推广起来，很多研究者 开始应用SWAT模型[13].鉴于理论适用性和运用 性，本文将利用改进的ECOMSED模式对径流、盐度 对瓯江口滞留时间的影响进行研究.2 瓯江口数值模拟及滞留时间计算ECOMSED是一个比较全面的河口海岸数学模 型，但E⑶MSED无动边界处理.作为一个河口海岸 模型，固定岸边界的处理方式对于浅滩及附近的海 域可能导致相当的误差甚至不能进行模拟，需要进 行相应的改进.本文动边界的处理采用干湿网格 法.数值试验表明，该方法推广至三维海洋模型中， 能够取得预期的效果[14].在盐度等变量的计算中， 由于干湿网格法的引人，可能导致在落潮过程中湿 变干的网格的周围的网格连续方程得不到满足，虽 然这种误差是微小的，并不对水动力方程的求解带 来本质的影响，但是这种误差对于盐度等标量计算的影响是必须考虑的.对于干变湿网格的前一时刻 的值，O- L/15]在研究中采用了背景值的处理方 法，但事实上，背景值是很难准确获得的.所以本文 将采用与该点水位一样的处理方法，即采用其周围 湿点的平均值.为了适应复杂地形，涨潮时干变湿 的最小水深略大于落潮时最小水深.将改进后的ECOMSED模式应用于瓯江口及其 邻近海域（见图1).数学模型的计算范围上游边界 位于瓯江干流圩仁站附近，采用流量控制，外海边 界取在飞云江口〜南麂〜坎门一线，边界给定潮位 过程.计算采用曲线正交网格总共包括230 X236个 网格，网格步长为20 ~ 1 000 m.模型采用的地形数 据梅岙以下为2005年6月的实测数据.验证资料为 2005年6 ~ 7月的同步测量水文资料，垂向分7层， 盐度的边界条件上游取为零，下游表层取31、底层 33 ， 始条件 由 实 据 得到 . 滞 时 计算过程中，河口内污染物质的输运采用改进的原模 式中TRACE模块，并在模式中加人滞留时间的计 算，滞留时间的计算方法采用Takeoka方法[8].经验 证模型能够复演瓯江口水动力即物质输运过程.2.1计算方案滞留时间的研究区域为梅岙以下至河口口门 的整个河段，南口不考虑物质的排放，积分区域上 游梅 至下 游 、 口 口 . 型 控 条 件 游径流量分别取！0、！。、！™、！。及！，外海边界取 大、 、小潮 形 .2.2计算结果分析河口是径流淡水与海水的过渡区域，水动力状 况复杂，盐度梯度对河口混合及物质输运有重要影 响.图2和图3分别给出了不考虑盐度和考虑盐度 情况下瓯江口滞留时间与径流量的关系.可以看出 瓯江河口的滞留时间随着流量的增加而减小.不考 虑盐度的情况时，！。流量下滞留时间约为106 h， !0流量下滞留时间约为88 h，！m流量下滞留时间 约为72 h，！0流量下滞留时间约为67 h，！流量下 滞留时间约为45 h.考虑盐度的情况时！。流量下 滞留时间约为96. 3 h，！0流量下滞留时间约为80.4 h，！m流量下滞留时间约为64.4 h，！0流量下 滞留时间约为61. 6 h，！流量下滞留时间约为 43 h.从图2与图3中分别对数据点进行了幂函数 及对数函数拟合.可以看出，滞留时间与流量呈现 良好的函数关系，定义参数：
