ECOMSED模式及其在海洋數(shù)值模擬方面的應(yīng)用

賈利青，張宗坤，邢靜芳，姚富強(qiáng)

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

目前，國際上使用較廣泛的河口海洋數(shù)值模式有美國麻州大學(xué)的FVCOM、普林斯頓大學(xué)的POM、佛羅里達(dá)大學(xué)的等密度面模式、荷蘭的Delft模式、德國的漢堡模式和丹麥模式。POM有別于其他海洋模式的主要特點(diǎn)是：垂直方向采用σ坐標(biāo)，因而可以方便地引入大陸架底形；垂直差分為隱式，消除時(shí)間對(duì)垂直坐標(biāo)的限制，可使海洋上、下邊界層的分辨率提高而保持計(jì)算穩(wěn)定；在海面無剛蓋近似，因而海面的自由高度可用模式預(yù)報(bào)；為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間和增加模式的計(jì)算穩(wěn)定性，POM將海流的正壓模和斜壓模分離，采用不同的時(shí)間步長，外模時(shí)間步長較短，內(nèi)模時(shí)間步長較長。ECOM模式是當(dāng)今國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的海洋模式，是在POM模式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

1 ECOMSED模式介紹

1.1 ECOMSED模式發(fā)展

在POM模式基礎(chǔ)上發(fā)展而來的ECOM模式適用于淺水環(huán)境，如河流、海灣、河口和近岸區(qū)域、以及水庫和湖泊。在近些年的發(fā)展當(dāng)中，黏性沉積物再懸浮、沉積、輸運(yùn)等概念被引入到ECOM模式中，ECOM在加入了一般的開邊界條件，考慮了示蹤物、底邊界層、表面波模型、沉積物輸運(yùn)、以及溶解物和沉積物的邊界示蹤物容量等，從而發(fā)展成為目前的ECOMSED模式。

1.2 ECOMSED功能

ECOMSED是一個(gè)模擬水動(dòng)力、波浪和沉積物輸運(yùn)的三維數(shù)值模型。此模型可以用來模擬海洋和淡水系統(tǒng)中的水位、海流、波浪、溫度、鹽度、示蹤物、有黏性、無黏性沉積物的時(shí)空分布，是一個(gè)集成化的模型，它包含以下幾個(gè)模塊：水動(dòng)力模塊、沉積物輸運(yùn)模塊、風(fēng)浪模塊、熱通量模塊、水質(zhì)模塊和顆粒物追蹤模塊。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)用整個(gè)模塊，或者屏蔽其中某些模塊。例如：獨(dú)立運(yùn)行水動(dòng)力模塊，把輸運(yùn)信息存儲(chǔ)到單獨(dú)的文件，然后運(yùn)行沉積物輸運(yùn)模塊使用先前存儲(chǔ)的輸運(yùn)信息。ECOMSED中的子模型設(shè)計(jì)成互相結(jié)合運(yùn)行，即一個(gè)子模型的結(jié)果作為另一個(gè)的輸入數(shù)據(jù)。所有的子模型都使用了相同的正交曲線計(jì)算網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以及隱性數(shù)值解方法。ECOMSED使用正交曲線坐標(biāo)系統(tǒng)，大大地增加了模型在處理不規(guī)則海岸線及滿足指定位置需要高分辨率的要求的效率。ECOMSED能夠模擬河口及近岸系統(tǒng)中懸沙、溶解態(tài)示蹤劑和中性懸浮顆粒的輸移及運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。通過使用ECOMSED模型中的各種設(shè)置，可以研究各種關(guān)于水光學(xué)及溢出跟蹤的問題[1]。

1.3 控制方程

ECOMSED模式的一大優(yōu)點(diǎn)是：垂向采用Sigma坐標(biāo)系統(tǒng)，能夠比較方便地處理淺海變化的海底地形；水平采用正交曲線網(wǎng)格可以比較好地?cái)M合岸線，采用Arakawa C交錯(cuò)網(wǎng)格。

在正交曲線坐標(biāo)系下控制方程由連續(xù)性方程、雷諾平均動(dòng)量方程、溫鹽守恒方程、紊流閉合模型方程及邊界條件組成。

1.4 模態(tài)分離技術(shù)

海洋運(yùn)動(dòng)有兩種速率明顯不同的運(yùn)動(dòng)，即與表面重力波相關(guān)的快速運(yùn)動(dòng)和與密度場有關(guān)的相對(duì)較慢的運(yùn)動(dòng)。前者主要由整層水體的輻射和輻合所致，與向上各層的流動(dòng)細(xì)節(jié)無關(guān)，屬于二維運(yùn)動(dòng)；后者主要由三維的密度不均勻所致，屬于三維運(yùn)動(dòng)。ECOMSED水動(dòng)力模塊包含兩個(gè)模態(tài)，即內(nèi)模態(tài)和外模態(tài)，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用模態(tài)分離技術(shù)(Mode Splitting Technique)可以節(jié)約計(jì)算機(jī)時(shí)，外模態(tài)忽略垂向結(jié)構(gòu)，考慮水平對(duì)流和擴(kuò)散，計(jì)算二維變量，如水位、二維速度等，是一個(gè)二維的水動(dòng)力模型。通過把控制方程在垂直方向上積分，求得垂向平均量代入二維方程求解。內(nèi)模態(tài)三維水動(dòng)力模型考慮垂向分層使用Sigma坐標(biāo)，計(jì)算三維變量，如三維速度、溫度、鹽度等。在計(jì)算自由海面高度時(shí)可以忽略垂向結(jié)構(gòu)，只考慮體積輸運(yùn)。

2 ECOMSED在海洋數(shù)值模擬方面的應(yīng)用

2.1 在潮流水動(dòng)力方面的應(yīng)用

大面積的渾濁水域是我國海洋環(huán)境的重要特征，長江口外的渾濁水海域就是其中具有典型性的海域，尤其是119°E～125°E,25°N～34°N范圍內(nèi)的東海海域，這一海域水文狀況復(fù)雜，黑潮從研究海域的東南角切入，從而伴生黑潮在臺(tái)灣東北部對(duì)陸架的入侵，形成陸架水與高溫高鹽的黑潮水之間的相互作用；臺(tái)灣暖流與浙江沿岸流系在本研究海域的并存，構(gòu)成夏季閩浙外海極強(qiáng)的溫度鋒面；長江每年要向本海域輸入約5×108 t泥沙，是本混濁水海域重要的陸源物質(zhì)。就在這樣復(fù)雜的海域情況下，中國科學(xué)院海洋研究所[2]借助ECOMSED模式，進(jìn)行水動(dòng)力環(huán)境要素的模擬和懸浮物輸運(yùn)的研究，建立起長江口外東海域三維水動(dòng)力數(shù)值模型，獲得了較符合實(shí)際的風(fēng)海流-潮流的模擬結(jié)果，為下一步在如此復(fù)雜的長江口外海域開展三維懸沙濃度分布的數(shù)值模擬打下了基礎(chǔ)。

磨刀門是珠江的主要泄洪通道之一，徑流分配居珠江三角洲八大口門之首。呂海濱等[3]通過ECOMSED模型模擬了磨刀門海域洪枯季節(jié)水動(dòng)力場，對(duì)潮流、余流、潮能通量特性進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)整治后磨刀門水力強(qiáng)度加大，而且流速灘槽分異明顯，余流場與落潮流方向一致。

2.2 在溫排水方面的應(yīng)用

近年來，隨著大亞灣經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，核／火發(fā)電廠在大亞灣地區(qū)相繼建起，發(fā)電廠的廢熱通過溫排水排入大亞灣海域，對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生了很大的影響，甚至造成熱污染，而對(duì)大亞灣海域溫升分布作出準(zhǔn)確的模擬是防止熱污染的關(guān)鍵。中山大學(xué)[4]利用ECOMSED數(shù)值模式建立了大亞灣潮流三維數(shù)值模型。用該模型對(duì)大亞灣核電站附近海域的典型潮型進(jìn)行了潮流場計(jì)算，計(jì)算所得的潮位與實(shí)測值無論是潮高還是相位均吻合良好，計(jì)算所得的各測點(diǎn)的流速和流向與實(shí)測數(shù)據(jù)趨于一致。在模型驗(yàn)證結(jié)果良好的基礎(chǔ)上，并結(jié)合建立在對(duì)流擴(kuò)散理論基礎(chǔ)之上的輸運(yùn)擴(kuò)散模型，對(duì)嶺澳核電站與大亞灣核電站合排后溫排水的擴(kuò)散過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。在此基礎(chǔ)上分析了不同排水條件下溫排水對(duì)取水口溫升的影響，利用數(shù)值實(shí)驗(yàn)探討了非線性底摩擦及平流項(xiàng)對(duì)溫排水?dāng)U散的影響。

2.3 在泥沙輸運(yùn)方面的應(yīng)用

根據(jù)黃驊港外航道淤積問題的具體情況，趙群[5]采用ECOMSED模式對(duì)黃驊港海域的潮流、泥沙進(jìn)行了模擬。并與收集到的現(xiàn)場實(shí)測資料進(jìn)行比較,也得到較好的結(jié)果。數(shù)值模擬顯示，波浪是造成黃驊港外航道泥沙淤積的主要?jiǎng)恿σ蛩?；在以波浪為主的?dòng)力條件下，含沙量在波浪破碎帶達(dá)到最大，并且沿水深變化梯度較大。破碎帶當(dāng)?shù)氐哪嗌晨邕^航道落淤是黃驊港外航道淤積的主要原因，岸邊泥沙隨落潮流下瀉不是黃驊港外航道大風(fēng)驟淤的主要原因。

3 小結(jié)

ECOMSED模式在海洋數(shù)值模擬方面已獲得較好的應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)在于垂向采用Sigma坐標(biāo)系統(tǒng)，能夠比較方便地處理淺海變化的海底地形；水平采用正交曲線網(wǎng)格可以比較好地?cái)M合岸線。但泥沙模塊方面具有局限性，僅僅是針對(duì)懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，非黏性泥沙的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)沒有涉及，這就限制了ECOMSED在沙質(zhì)海岸的應(yīng)用，因此在此領(lǐng)域需作進(jìn)一步的研究。

[1]Blumberg A F.A Primer for ECOMSED（Version 1.3）[M].America:HydroQual，Inc，2002.

[2]王凱，劉咪咪，施心慧.長江口外海域三維水動(dòng)力模擬結(jié)果及與觀測的比較[J].海洋科學(xué)集刊，2009，49：19-28.

[3]呂海濱，吳超羽，劉斌.珠江口磨刀門整治前后水動(dòng)力數(shù)值模擬.海洋科學(xué)[J]，2006，30（11）：58-63.

[4]彭曉飛.大亞灣海域溫排水三維數(shù)值模擬研究[D]，2008.

[5]趙群.基于SWAN和ECOMSED模式的大風(fēng)作用下黃驊港波浪、潮流、泥沙的三維數(shù)值模擬[J].泥沙研究，2007，4：17-26.