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新村潟湖水體交換能力數(shù)值模擬研究

2020-07-28 06:49:24劉尚辰孫昭晨梁書秀
水道港口 2020年3期
關(guān)鍵詞:潮差口門潮汐

劉尚辰,孫昭晨,梁書秀

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連 116024)

新村潟湖位于海南島東南部的陵水縣,是一個(gè)典型的半封閉沙壩-潮汐汊道-潟湖海岸體系,地貌格局復(fù)雜,地形變化較大[1]。新村潟湖通過單一口門與外海相連,潟湖口門處北岸為新村碼頭堤岸,南岸是基巖組成的南灣猴島,口門夾于二者之間,位置比較固定,穩(wěn)定性高,口門附近漲潮三角洲、落潮三角洲有所發(fā)育[2]。受上述地貌影響,新村潟湖內(nèi)部水動(dòng)力條件溫和。同時(shí)潟湖地處熱帶,常年水溫、鹽度適中,因而擁有豐富的浮游生物,潟湖內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)較多[3-4]。因大量養(yǎng)殖塘向潟湖水域擴(kuò)張、養(yǎng)殖廢水直接排放、養(yǎng)殖密度過大、生活垃圾污染等問題,新村潟湖水質(zhì)下降,局部水體富營(yíng)養(yǎng)化程度增高,赤潮時(shí)有發(fā)生[5-6],潟湖環(huán)境已受到較大影響。要實(shí)現(xiàn)對(duì)新村潟湖的合理開發(fā)利用,需要對(duì)潟湖內(nèi)水動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行深入研究。目前,針對(duì)新村潟湖潮汐汊道演變[2,7-9]、潮汐汊道及潟湖二者水動(dòng)力關(guān)系[1,10-12]的研究較多,關(guān)于新村潟湖水體交換方面的研究較為少見。

海洋對(duì)污染物本身具有巨大的自凈能力[13],潟湖中水體的自凈能力主要體現(xiàn)在由漲、落潮過程產(chǎn)生的水體交換中,潟湖內(nèi)部污染物在該過程中得到稀釋和擴(kuò)散后輸運(yùn)出潟湖,因此水體交換能力本質(zhì)上反映了一定的水體自凈能力[14-16]。對(duì)于水體交換能力和與之相關(guān)的水體自凈能力,國(guó)內(nèi)外已開展了大量工作,常用的計(jì)算模型有箱式模型[17-18]、隨機(jī)游動(dòng)模型[19-20]、對(duì)流擴(kuò)散模型[21-22]、時(shí)間尺度模型[23]等。本文擬在新村潟湖已有自然資料基礎(chǔ)上,通過MIKE21數(shù)值模型建立新村潟湖及臨近海域的潮流數(shù)值模型,利用該模型對(duì)不同潮汐過程作用下潟湖內(nèi)保守物質(zhì)的輸運(yùn)擴(kuò)散過程以及粒子運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬,從水體自凈速率[24]、半交換時(shí)間和停留時(shí)間3個(gè)方面入手,對(duì)不同潮汐過程作用下新村潟湖的水體交換能力進(jìn)行探討。

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程

本文采用由丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)開發(fā)的水動(dòng)力模型MIKE21中水動(dòng)力模塊、輸運(yùn)模塊以及粒子追蹤模塊進(jìn)行計(jì)算。控制方程采用三維不可壓縮雷諾平均下的Navier-Stokes方程,在服從Boussinesq和靜水壓力假定條件下,對(duì)水平方向上的動(dòng)量方程和連續(xù)性方程沿水深方向進(jìn)行積分平均處理。不同坐標(biāo)系下,控制方程可呈不同表現(xiàn)形式,這里統(tǒng)一采用笛卡爾坐標(biāo)系形式進(jìn)行說明。水動(dòng)力模塊控制方程如下

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:τsx和τsy為表面風(fēng)應(yīng)力分量;τbx和τby為底部切應(yīng)力分量;sxx、sxy、syx、syy為輻射應(yīng)力分量;Txx、Txy、Tyx、Tyy為粘滯應(yīng)力分量。

輸運(yùn)模塊控制方程如下

(7)

粒子追蹤模塊控制方程如下

dXt=a(t,Xt)dt+b(t,Xt)ξtdt

(8)

式中:a(t,Xt)為因流、風(fēng)、底摩擦等影響產(chǎn)生的漂流移動(dòng)項(xiàng);b(t,Xt)為因分子運(yùn)動(dòng)、湍流等產(chǎn)生的擴(kuò)散移動(dòng)項(xiàng);ξt為隨機(jī)數(shù);Xt為粒子位置。在該模塊中采用Langevin方程作為計(jì)算基礎(chǔ),離散后方程如下

Yn+1=Yn+a(t,Xt)YnΔn+b(t,Xt)YnΔWn

(9)

1-a 選自Google Earth 1-b 選自Landsat影像數(shù)據(jù)圖1 新村潟湖地理位置Fig.1 The location of Xincun Lagoon

式中:Y表示軌跡位置;ΔWn=Wt-Ws∈N(μ=0,σ2=Δn)為服從標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的維納過程W的增量。

1.2 模型計(jì)算域及邊界條件

新村潟湖地處海南陵水縣東南側(cè),面向南海,地理位置見圖1。計(jì)算區(qū)域包含新村潟湖及鄰近外海,范圍大致在109.89°E~110.04°E、18.33°N~18.46°N。數(shù)值模型采用單元中心有限體積法進(jìn)行離散,利用不重疊的三角形單元進(jìn)行計(jì)算,在口門、潮汐汊道附近[11]及形狀復(fù)雜固邊界處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密,網(wǎng)格總數(shù)為28 316,節(jié)點(diǎn)數(shù)為14 532,模型計(jì)算網(wǎng)格及驗(yàn)證點(diǎn)分布見圖2。

圖2 模型計(jì)算網(wǎng)格、地形及驗(yàn)證點(diǎn)分布Fig.2 The mesh grids, terrain and verification points of model

模型邊界包含固邊界和開邊界,即陸水邊界和水水邊界。固邊界規(guī)定垂直于海岸邊界流速為零,開邊界采用水位邊界進(jìn)行驅(qū)動(dòng),由于新村潟湖無明顯徑流流入[2],模型不考慮徑流影響。開邊界水位數(shù)據(jù)由中國(guó)近海潮汐潮流數(shù)學(xué)模型Chinatide計(jì)算得到[25],Chinatide模型可預(yù)測(cè)給定位置下基于Q1、P1、O1、K1、N2、M2、S2、K2、Sa等9個(gè)主要分潮調(diào)和常數(shù)的潮位變化,模型精度5′×5′,模型范圍可覆蓋中國(guó)各海域,并且在模型開發(fā)時(shí)已通過各海域長(zhǎng)期驗(yàn)潮站資料對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算精度檢測(cè)。

1.3 模型驗(yàn)證

由于缺乏近期新村潟湖實(shí)測(cè)資料,根據(jù)潟湖水動(dòng)力方面已有研究資料,對(duì)小潮期間、大潮期間以及時(shí)長(zhǎng)半個(gè)月潮汐作用下的模型進(jìn)行驗(yàn)證[10,12,26],驗(yàn)證點(diǎn)分布見圖2,其中S1、S2、S3驗(yàn)證點(diǎn)用于小潮和大潮期間模型驗(yàn)證,S4驗(yàn)證點(diǎn)用于為期半個(gè)月潮汐作用下的模型驗(yàn)證。計(jì)算發(fā)現(xiàn),小潮和大潮期間驗(yàn)證點(diǎn)位置處模擬值與實(shí)測(cè)值存在0~2 h左右相位差,量值模擬較好,相位調(diào)整后的小潮、大潮期間驗(yàn)證結(jié)果見圖3;為期半個(gè)月潮汐作用下的水位模擬結(jié)果與測(cè)量值吻合良好,驗(yàn)證結(jié)果見圖4。小潮和大潮期間的漲落潮過程基本符合水體運(yùn)動(dòng)情況,由于潟湖地形復(fù)雜,水上水下建筑物、 植被均會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生一定影響,因此流速模擬有些偏差??傮w而言,模型能夠準(zhǔn)確反映水動(dòng)力特性。

圖3 潮汐驗(yàn)證結(jié)果(25 h)Fig.3 Model verification during tide period(25 h)

圖4 潮汐驗(yàn)證結(jié)果(15 d)Fig.4 Model verification during tide period(15 d)

1.4 水體交換計(jì)算方案

新村潟湖水體交換能力與水動(dòng)力條件關(guān)系密切,該區(qū)域水動(dòng)力主要受潮汐因素控制[2]。潮汐漲落現(xiàn)象主要由天體的周期性運(yùn)動(dòng)引起,由于太陽(yáng)、月球、地球運(yùn)轉(zhuǎn)狀況不同,潮汐會(huì)出現(xiàn)如日不等、月不等、年不等等現(xiàn)象,因而與之相關(guān)的新村潟湖水體交換過程也會(huì)有所不同。潟湖整體水體交換是一個(gè)時(shí)間較長(zhǎng)的過程,有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)月,故本文擬對(duì)潟湖長(zhǎng)期水體交換過程進(jìn)行計(jì)算,并由此展開討論。

已有研究表明該海域的潮汐類型為不規(guī)則的全日混合潮[27],由于缺乏長(zhǎng)期觀測(cè)資料,并且 Chinatide數(shù)值模型計(jì)算考慮分潮數(shù)較多,模擬得到的潮位應(yīng)用在潟湖驗(yàn)證計(jì)算中效果較好,故采用Chinatide數(shù)值模型對(duì)該區(qū)域長(zhǎng)期潮位進(jìn)行計(jì)算。圖5為2017~2019年的潮位計(jì)算數(shù)據(jù)和潮位包絡(luò)線;圖6包含了季度平均水位過程線和潮差變化曲線,季度平均水位過程線表示包含該天在內(nèi)的前后共90 d的平均歷時(shí)水位過程線。受天文因素影響,潮差和平均水位具有長(zhǎng)周期性、季節(jié)性等特征,由圖5、圖6可見,該地潮差在春秋季整體變化范圍較小,而在冬夏季整體變化較大。結(jié)合新村潟湖當(dāng)?shù)爻毕^程、潮差和季度平均水位的長(zhǎng)期變化特征,選用為期40 d的具有一定對(duì)稱性和相似性的4種潮汐過程對(duì)該區(qū)域進(jìn)行研究,以考慮不同潮汐過程作用對(duì)水體交換的影響,所選過程所在時(shí)間段見圖6,詳細(xì)過程曲線見圖7。過程1-1和過程1-2取自秋春季,二者分別與季度平均高水位和季度平均低水位相對(duì)應(yīng),期間各階段潮差相差較小、潮差的歷時(shí)變化范圍較小;過程2-1和過程2-2分別取自冬夏季,二者分別與季度平均高水位和季度平均低水位相對(duì)應(yīng),期間各階段潮差相差較大、潮差歷時(shí)變化范圍較大,通過以上所選4種潮汐過程,可考慮季度平均水位和長(zhǎng)期潮差變化對(duì)潟湖水體交換的影響。

圖7 典型潮汐過程Fig.7 Typical tidal process

由于潟湖內(nèi)部地形較復(fù)雜,水動(dòng)力條件各區(qū)域差別較大,故在空間上水體交換能力可能會(huì)有一定差異,因此采用以歐拉法為基礎(chǔ)的物質(zhì)輸運(yùn)方法和以拉格朗日法為基礎(chǔ)的粒子追蹤方法對(duì)潟湖整體水體交換能力及其空間分布開展研究。兩種方法初始條件設(shè)置如下:將計(jì)算區(qū)域劃分為兩部分,以口門為界,邊界內(nèi)部潟湖區(qū)域內(nèi)設(shè)置保守物質(zhì)濃度為1,邊界以外濃度為0,同時(shí)在潟湖區(qū)域內(nèi)隨機(jī)均勻撒入保守物質(zhì)粒子。初始濃度設(shè)置及粒子布置見圖8。

圖8 初始濃度設(shè)置及粒子布置Fig.8 Initial distribution of concentration and particles

2 結(jié)果與討論

2.1 水體自凈速率

水體交換能力與水體自凈能力密切相關(guān),通過水體自凈速率可以反映出潟湖整體水體交換能力。水體自凈速率代表在區(qū)域自然、物理因素作用下,水體所含某物質(zhì)總量對(duì)時(shí)間的變化率,該指標(biāo)包含了水體交換和物質(zhì)自身擴(kuò)散性的影響,水體自凈速率表達(dá)式如下[24]

(10)

式中:M表示水體中某保守物質(zhì)總量;Ml(t)表示水體自凈速率,Ml(t)>0時(shí)代表該保守物質(zhì)由研究區(qū)域輸運(yùn)至域外,為方便比較,對(duì)M做歸一化處理,即M=M(t)/M(0)。圖9-a給出了4種潮汐過程作用下的水體自凈速率;為比較不同季度平均水位的影響,圖9-b分別將潮差變化相近的過程1-1和過程1-2、過程2-1和過程2-2的水體自凈速率曲線置于一幅圖中。從圖9-a可見,潟湖水體自凈速率曲線在一定程度上與潮汐過程曲線形狀相似,同時(shí)其峰值變化與高潮位及低潮位的變化趨勢(shì)相近,可見該區(qū)水體交換過程與潮汐運(yùn)動(dòng)密切相關(guān);在潮差較大階段,自凈速率峰值相對(duì)較大,潮差較小階段,自凈速率峰值相對(duì)較小,說明自凈速率與潮差具有一定的正相關(guān)關(guān)系,并且自凈速率正向峰值大多數(shù)遠(yuǎn)大于臨近的負(fù)向峰值,可見區(qū)域內(nèi)物質(zhì)具有不斷向外輸運(yùn)和交換的趨勢(shì)。從圖9-b中可見,同一圖中的兩個(gè)潮汐過程自凈速率曲線變化差別不大,而不同圖中的兩條曲線則呈現(xiàn)較大差別,說明不同季度平均水位對(duì)自凈速率的影響有限,而潮汐歷時(shí)變化對(duì)自凈速率有較大影響;潮汐過程2-1、2-2瞬時(shí)自凈速率峰值在潮汐作用前300 h明顯大于潮汐過程1-1、1-2,而在潮汐作用后期,由于在潮汐過程1-1、1-2作用下保守物質(zhì)仍有很多沒有輸運(yùn)出潟湖,二者的瞬時(shí)自凈速率峰值仍相對(duì)較大。

因潮汐往復(fù)運(yùn)動(dòng)影響,由圖9可見,水體自凈速率曲線也在正負(fù)向不斷交替變化,取潮汐過程曲線中每次高潮位對(duì)應(yīng)的時(shí)間,計(jì)算相應(yīng)時(shí)間潟湖內(nèi)剩余保守物質(zhì)占初始總量的比例P,如圖10-a所示,在潮汐過程2-1、2-2作用下,P在前期迅速下降,并且作用時(shí)間相同下,P明顯小于潮汐過程1-1、1-2作用下的值,可見在大潮差潮汐階段物質(zhì)更易向外輸運(yùn);由于潮汐過程2-1、2-2與1-1、1-2相比,小潮階段潮差小、歷時(shí)短、潮差變化相對(duì)小,故P曲線呈現(xiàn)出更為明顯的兩段平臺(tái)段,此時(shí)水體交換速率較慢。按照水體自凈速率表達(dá)式,規(guī)定此時(shí)自凈速率計(jì)算式如下

(11)

計(jì)算得到的自凈速率見圖10-b,4種過程的自凈速率均逐漸趨向于0。在550~800 h階段,潮汐過程1-2由于平均水位較低,潮差和潮差歷時(shí)變化均較小,因而高潮位和低潮位的納潮量變化較小,故自凈速率在正負(fù)向往復(fù)變化并且幅值相差不大,此時(shí)物質(zhì)凈輸運(yùn)情況不佳,該階段整體表現(xiàn)出的水體交換能力較弱,反映在P值上,可見該階段P值下降緩慢。

整體來看,在4種不同潮汐過程作用下,新村潟湖內(nèi)剩余保守物質(zhì)總量可在1 000 h內(nèi)下降到原總量40%以下,潮汐過程2-1、2-2作用下前期自凈速率變化較快,在500 h以內(nèi)便可達(dá)到該值,表現(xiàn)出很強(qiáng)的水體交換能力,1-2過程作用下保守物質(zhì)輸運(yùn)出潟湖的速度最為緩慢,水體交換能力較弱。潮汐過程對(duì)水體交換能力有較強(qiáng)影響,在相同作用時(shí)間下,潮差較大過程,由于水體高低潮納潮量相差較大,物質(zhì)向外輸運(yùn)能力較強(qiáng),水體交換能力較強(qiáng);與高低潮位歷時(shí)變化不同的是自凈速率峰值變化前期呈現(xiàn)出較大的非對(duì)稱性,該非對(duì)稱性與潮差歷時(shí)變化和潮汐非對(duì)稱性有關(guān),由潮汐過程可見,該區(qū)漲潮歷時(shí)略大于落潮歷時(shí),且所選過程前期均為潮差逐漸增大階段,落潮潮差大于漲潮潮差,物質(zhì)向外輸運(yùn)趨勢(shì)更加明顯,故初期瞬時(shí)自凈速率峰值快速增長(zhǎng)。

2.2 水體半交換時(shí)間

為研究潟湖水體交換能力在空間上的分布特征,采用時(shí)間尺度模型進(jìn)行后續(xù)研究,各種時(shí)間尺度可以從不同角度描述海水交換的快慢程度。Luff等[28]提出了半交換時(shí)間的概念,即海域內(nèi)某種保守物質(zhì)通過對(duì)流擴(kuò)散作用將濃度稀釋到初始濃度一半所需的時(shí)間。受潮汐影響,水體交換過程呈現(xiàn)出往復(fù)性,各位置濃度也具有一定往復(fù)性特征,為減少該影響,規(guī)定第一次在高潮位時(shí)濃度達(dá)到初始濃度一半所用的時(shí)間為潟湖該位置處的半交換時(shí)間。采用該水體半交換時(shí)間的概念,對(duì)4種潮汐過程作用下潟湖各區(qū)域的半交換時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果見圖11。從圖11可見,半交換時(shí)間大致可分為0~200 h、200~400 h、400~800 h以及800 h以上4部分,其中半交換時(shí)間為0~400 h和800 h以上區(qū)域的面積相當(dāng),400~800 h的區(qū)域面積最小,且在潟湖北部半交換時(shí)間過渡較弱,潟湖南部過渡較明顯;靠近口門處的區(qū)域整體半交換時(shí)間很短,大致在400 h以下,水體交換能力強(qiáng),潟湖中部北岸淺灘較多,地形復(fù)雜,水動(dòng)力較弱,半交換時(shí)間明顯高于其他部分;在4種潮汐過程作用下,遠(yuǎn)離口門的次級(jí)潟湖及附近區(qū)域濃度均未達(dá)到0.5以下,水體交換能力較弱。從不同潮汐過程的作用結(jié)果來看,相同作用時(shí)間長(zhǎng)度,潮汐過程2-1、2-2作用下濃度降到0.5以下的區(qū)域明顯大于潮汐過程1-1、1-2作用下的區(qū)域;同時(shí)半交換時(shí)間空間分布在潟湖中部呈現(xiàn)渦旋形狀,一定程度上體現(xiàn)了物質(zhì)凈輸運(yùn)的歷時(shí)過程。整體來看,從半交換時(shí)間的空間分布反映出,口門附近、潟湖中部和南部深水區(qū)水體交換能力較強(qiáng),其中口門附近交換能力最強(qiáng),而受地形和距離口門遠(yuǎn)近的影響,潟湖中部北岸、最遠(yuǎn)端次級(jí)潟湖及其與中部深水區(qū)連接處水體交換能力較弱。

圖11 水體半交換時(shí)間Fig.11 Half-life time of substance in lagoon

2.3 停留時(shí)間

水體交換過程在微觀層面上表現(xiàn)的即是物質(zhì)粒子或粒子團(tuán)的輸移交換過程,本文采用停留時(shí)間對(duì)該角度體現(xiàn)出的水體交換能力進(jìn)行了分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算,在初始時(shí)刻,于潟湖內(nèi)部隨機(jī)均勻布置保守型物質(zhì)粒子作為示蹤劑,追蹤每個(gè)粒子直到離開潟湖為止,當(dāng)標(biāo)識(shí)粒子首次到達(dá)研究區(qū)外時(shí),認(rèn)為在該粒子初始位置處的水質(zhì)點(diǎn)或物質(zhì)粒子與外界進(jìn)行了交換,所用的時(shí)間即為停留時(shí)間。計(jì)算中發(fā)現(xiàn)部分粒子運(yùn)動(dòng)到了淺灘、復(fù)雜邊界等位置,受邊界條件影響無法繼續(xù)移動(dòng),因此對(duì)其進(jìn)行了剔除,處理后的停留時(shí)間結(jié)果見圖12。

圖12 停留時(shí)間Fig.12 Residence time

從結(jié)果可見,靠近口門的區(qū)域停留時(shí)間在200 h以內(nèi),粒子運(yùn)動(dòng)出潟湖時(shí)間最短,水體交換速度最快,并且口門內(nèi)漲潮三角洲對(duì)交換過程影響較??;距離口門較近的潟湖中部停留時(shí)間在200~400 h,水體交換速度略低于口門區(qū)域;在遠(yuǎn)端次級(jí)潟湖及其與潟湖中部的連接處,停留時(shí)間整體在800 h以上,部分該區(qū)域粒子仍可輸運(yùn)出潟湖;由于次級(jí)潟湖末端距離口門最遠(yuǎn),并且注入潟湖徑流過小,單純潮汐作用下,在40 d內(nèi)粒子無法輸運(yùn)出潟湖,水體交換能力最弱;潟湖南部由于存在較大范圍淺灘區(qū),且距離口門較遠(yuǎn),水動(dòng)力條件很弱,在4種潮汐過程作用下均有大量粒子停留時(shí)間在800 h以上,水體交換速率很低;從潮汐過程1-1、1-2和2-1、2-2作用下的結(jié)果來看,潟湖停留時(shí)間存在明顯分區(qū),如圖13所示,A區(qū)和B區(qū)平均停留時(shí)間結(jié)果見表1。

圖13 潟湖分區(qū)Fig.13 The division of lagoon

表1 各分區(qū)停留時(shí)間Tab.1 The resistance time of different divisions h

A區(qū)停留時(shí)間明顯低于B區(qū),表明A區(qū)水體交換速率高于B區(qū),并且潮汐過程2-1、2-2與潮汐過程1-1、1-2相比,在其作用下A區(qū)平均停留時(shí)間更短,水體交換速率更快。從停留時(shí)間和半交換時(shí)間二者的結(jié)果來看,二者在反映水體交換能力上有一定差別,停留時(shí)間以拉格朗日法為基礎(chǔ),在粒子輸運(yùn)過程中含有運(yùn)動(dòng)隨機(jī)性,但不包含與域外水體的混合過程,因此在水交換能力較弱區(qū)域,停留時(shí)間結(jié)果反映出的水體交換能力比半交換時(shí)間反映出的水體交換能力要弱。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)計(jì)算可見,自凈速率可以反映出潟湖內(nèi)物質(zhì)的輸運(yùn)趨勢(shì),一個(gè)漲落潮階段,自凈速率為正時(shí),物質(zhì)隨水體流出,自凈速率為負(fù)時(shí),物質(zhì)隨水體流入,當(dāng)該階段自凈速率積分為正時(shí),代表潟湖內(nèi)物質(zhì)在該階段結(jié)束時(shí)被交換到了域外。從新村潟湖水體自凈速率來看,季度平均水位對(duì)新村潟湖水體交換能力影響較小,而潮差大小和潮差歷時(shí)變化對(duì)其影響較大;潮汐過程2-1、2-2下的瞬時(shí)自凈速率在作用前期峰值明顯大于潮汐過程1-1、1-2,潟湖內(nèi)保守物質(zhì)總量在潮汐過程2-1、2-2作用下也下降較快,可見在潮汐過程2-1、2-2對(duì)應(yīng)的冬夏季新村潟湖表現(xiàn)出了很強(qiáng)的水體交換能力。

(2)4種潮汐過程作用下,潟湖內(nèi)半交換時(shí)間可分為0~400 h、400~800 h和800 h以上三類區(qū)域,其中0~400 h和800 h以上區(qū)域面積相當(dāng),400~800 h區(qū)域面積最小,潮汐過程2-1、2-2作用下,可進(jìn)行較強(qiáng)水體交換區(qū)域的面積大于其余兩個(gè)潮汐過程。可見新村潟湖水體交換能力在空間上分布不均勻,大體上以口門為中心,半交換時(shí)間長(zhǎng)短呈扇形分布,距離口門越近,受口門束窄影響,區(qū)域流速較快,潮流漲落通暢,半交換時(shí)間很短,水體交換能力很強(qiáng),而遠(yuǎn)離口門及水深較淺區(qū)域,水動(dòng)力條件很弱,半交換時(shí)間很長(zhǎng),表現(xiàn)出較差的水體交換能力。

(3)停留時(shí)間的計(jì)算結(jié)果可將新村潟湖分為兩個(gè)水體交換能力明顯相異的區(qū)域,其與半交換時(shí)間得到的0~400 h和800 h以上兩個(gè)分區(qū)有一定相似性。同時(shí),基于拉格朗日法計(jì)算的停留時(shí)間和基于歐拉法計(jì)算的半交換時(shí)間在表示潟湖水體交換能力上有所不同,由于停留時(shí)間的計(jì)算基于粒子運(yùn)動(dòng),沒有表現(xiàn)出很強(qiáng)的水體混合的過程,故在水深較淺但離口門較近區(qū)域如潟湖中部南岸,受地形及水動(dòng)力條件影響,該位置處停留時(shí)間表現(xiàn)出的水體交換能力要弱于半交換時(shí)間表現(xiàn)出的能力;從不同潮汐過程角度來看,潮汐過程2-1、2-2作用下,停留時(shí)間大于800 h的區(qū)域更偏潟湖末端,此時(shí)水體交換能力較強(qiáng)。

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