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基于POM的近海三维水质模型研究及其应用

申霞  
【摘要】:在查阅大量三维水动力水质数值模拟文献的基础上,深入了解海洋数学模型的研究进展,选择美国普林斯顿大学海洋模型(Princeton Ocean Model,POM)作为研究对象。POM垂向采用σ坐标系,在近海潮流数值模拟中已得到广泛应用。但是,模型中未包含动边界处理技术,对近海潮间带水流的模拟显得无能为力。本文在POM模型的基础上,引入动边界技术,将计算单元作为干湿判断的对象,比较其与临界水深和前一时刻水深的大小。该方法物理概念明确,守恒性好,同时不会产生负水深,保证计算的顺利进行。数值模拟结果显示,改进后的POM模型成功再现了南通海域近岸滩地随涨落潮出没的现象。潮位和流速的验证结果表明,计算值和实测值之间的误差较小,说明改进后的POM水动力模型的求解方法、边界条件及参数取值是合理的。 在POM水动力模型基础上添加水质模型,预测包括碳、氮、磷在内三类物质的运移和循环,水质指标包括浮游植物、溶解氧、碳化需氧量、有机氮、氨氮、硝酸盐氮、有机磷和无机磷八种。以理想水槽中连续源排放的浓度场预测为例,分别采用中心差分格式与一阶Smolarkiewicz迎风格式验证水质模型的精度。解析解与两种数值解之间的误差统计表明,水质模型具有较高的预测精度。中心差分格式的误差略小于一阶Smolarkiewicz迎风格式,但中心差分格式会引起解的震荡,因此,在水质模型的实际应用中,采用一阶Smolarkiewicz迎风格式离散对流项。 将基于POM的近海三维水质模型应用于南通达标水排海工程的水环境模拟,预测污染物在水体中的迁移和转化规律。利用Matlab语言实现数值计算结果的可视化,绘制潮周期各个典型时刻水体表层、中层、底层以及垂向剖面的流场图及浓度等值线图,并分析了计算结果的合理性。 本文通过引入动边界技术,完善了POM水动力模型,并在此基础上建立了近海三维水质数学模型,将其应用于南通达标水排海工程的水环境影响预测与评价,取得了满意的效果。本项研究拓展了POM模型的应用范围和领域,为合理利用海洋环境容量提供了技术支撑。


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