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湿地综合分类研究:Ⅱ.模型

来源:中国环境资源网  作者:中国自然资源学会  更新时间:2005-11-21 10:42:58   

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f 为科氏力系数,f=2фRcosфsinф/86400,Φ为所在点的纬度;R 为地球的半径;g 为重力加速度;R′为底面切应力系数;W 为风速;θ为风应力系数;φ为风速方向和 y 轴正方向的夹角;ρ为水的密度;ρa 为空气的密度;k 为垂向的紊动交换系数。

  由于切应力梯度造成的作用力包括底摩擦应力、自由表面应力和紊动应力,底摩擦应力(R′u 或 R′ν)可通过底摩擦应力系数 R′来确定,如常用的底摩擦二次方率公式

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式中,C 为谢才系数。

2.2.5 潮流湿地水质模型

  潮流湿地水质模型中,关于溶解性污染物的扩散迁移模型,在结构上仍可采用深度平均的二维平流—扩散模型模拟污染物的浓度场,基本方程如下[7]

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其中,P 为污染物沿垂向平均浓度;u,ν分别为水体垂向平均后沿 x,y 方向的流速;H 为水深;Dx 和 Dy 分别为 x 和 y 方向的分散系数;K 为污染物的降解率;S 为污染源强度。

  一般地,计算的初始条件可以根据现状监测资料给出

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闭边界条件为:

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n 为闭边界外法线方向。

  在开边界处,第一边值的实测资料很难获得。因此,可以认为在海湾涨潮入流阶段,流入的是纯净海水(或污染浓度不变的海水);落潮出流阶段,假定只有平流输运,边界无污染源,即开边界条件为:

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  分散系数 Dx 和 Dy 通常可采用经验公式确定(如 Elder 公式等)。

  决定长期和大范围内悬浮颗粒运移过程的是海湾和近海环境中存在的浅海环流。实际上,浅海环流是影响水温、盐度等海水分布的重要因素,同时和营养物、沉积物、污染物质等的长期输移过程以及浮游生物、鱼群等的迁移分布规律的描述和确定都有密切的关系,因而浅海环流模型是悬浮颗粒运移颗粒运移模型的基础。

  目前描述浅海环流的方法包括欧拉余流和拉格朗日余流两种。欧拉余流采用潮流场的时间平均场来描述空间每一点上的净流动。实际观测表明,一个流体质点所流经的迹线并不能由欧拉余流场来完全确定,它还和质点的初始位置及该时刻的潮位相等因素相关。拉格朗日余流则可以描述这种相关关系。拉格朗日余流场是流体质点的初始位置和初始时刻的函数。

  造成流体质点的拉格朗日净位移的原因是多方面的。对于近岸海域,海岸形状对潮流的变形作用也许是主要的,所以这些区域的余流场比较大。由于海面风的吹送和密度水平梯度造成的净位移也很显著,同时还有许多浅海潮流中的非线性动力作用的因素,试图完全从余流机理出发来得到余流状况是非常困难的。

  一种可行的方法是从欧拉流场得到欧拉余流场,再利用拉格朗日流场和欧拉余流场的转换关系得到拉格朗日位移。流场间数值转换的基本原理是:在欧拉流场已知的前提下,根据每一个时刻的欧拉流场上一点的流速就是该点上的流体质点的流速的概念,从初始时刻开始,求出在每一个时间的微小增量下的质点的位置和净位移,从而可以得到任一时刻的拉格朗日流场。

2.2.6 潮流湿地的泥沙模型

  在潮流湿地环境中的泥沙运动是十分复杂的。泥沙输移形式可以归纳为悬沙输移、底沙推移和浮泥流三种。泥沙有淤积、起动、悬浮、絮凝成团、沉降等多种存在状态。决定泥沙状态的关键物理量是流态,用流体的流速或剪切力来表征。通常可以用两个临界值来表示流动对泥沙状态的制约关系。一个是对应于泥沙不淤积的临界流动状态,用不淤流速 ud 或不淤底部剪切力应τd 表示;另一个是泥沙起动临界值,用起动流速 ue 或起动底部剪切力τe 表示。通常当流动的流速或剪切应力小于不淤临界值时,流体中的悬沙将产生淤积;当流体的流速或底部剪切应力大于起动临界值时,床沙将会被掀起。当流动状态介于两者之间时,床沙和悬沙间的冲淤关系就难以判断。

  泥沙冲淤状况和水中的泥沙浓度有关。若泥沙浓度过大,即使流速超过不淤临界值,泥沙照样会淤积。相反,即使水中的泥沙浓度远低于平衡浓度,若流动强度不足以起动床沙,泥沙并不会填补水中的泥沙平衡亏值。这说明泥沙的冲淤受流态和水中泥沙平衡状况的双重制约。

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