閩江口水交換數(shù)值模擬及其動(dòng)力機(jī)制分析

中圖分類號(hào)：X832 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

江河入?？谑呛恿?、海洋水體交互作用的區(qū)域，水體中的微生物、污染物、無(wú)機(jī)鹽等物質(zhì)遷移擴(kuò)散能力受到該區(qū)域水交換能力制約。正因如此，近岸海域水交換能力研究是判斷該區(qū)域水體自凈能力和水環(huán)境質(zhì)量的一種重要方式[]，水體中的污染物通過(guò)對(duì)流擴(kuò)散等物理過(guò)程，加速了與附近水體的混合，通過(guò)與外部海域的水交換，使得污染物濃度降低，從而起到改善水質(zhì)的作用[2]。為了協(xié)調(diào)河口區(qū)域經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，優(yōu)化水資源調(diào)度方案[3]，深人研究河口海域的水交換特征十分必要。目前，河口海域水交換特征及機(jī)理研究取得了一些進(jìn)展，潮汐、徑流、風(fēng)應(yīng)力等驅(qū)動(dòng)因子[45]各自在海灣和河口的水交換過(guò)程中承擔(dān)著不可或缺的作用。然而，從近海河口水環(huán)境系統(tǒng)角度出發(fā)，綜合考慮各種動(dòng)力因素作用下的水交換能力及變化是有意義的。

數(shù)值模擬是水交換問(wèn)題研究的主要方法之一，許多學(xué)者專家們基于不同的水交換概念和模型開展了一系列研究[6-8]。常見(jiàn)的水交換模型主要分為以下3種：箱式模型，對(duì)流-擴(kuò)散模型和粒子追蹤模型[]。箱式模型將研究區(qū)當(dāng)做一個(gè)整體或分割成幾個(gè)箱型，以物質(zhì)守恒定律為基礎(chǔ)計(jì)算水體的水交換情況。例如，崔雷等[12將普蘭店灣內(nèi)灣劃分為3個(gè)區(qū)域，并對(duì)各區(qū)域水交換能力進(jìn)行了模擬分析。這種水交換模型可以研究分區(qū)及分區(qū)間的水交換特性，但難以刻畫海水的精細(xì)運(yùn)動(dòng)和不同分區(qū)水交換差異，模型結(jié)果會(huì)高估研究區(qū)的水交換能力。對(duì)流-擴(kuò)散模型以溶解態(tài)的保守物質(zhì)作為研究海域的示蹤劑，在初始時(shí)刻給定海域內(nèi)的示蹤物質(zhì)一個(gè)初始濃度，計(jì)算目標(biāo)海域不同時(shí)刻被外海水置換的比率。CHEN等[13]利用溶解的保守物質(zhì)示蹤劑，建立了普蘭店灣水交換的對(duì)流擴(kuò)散模型。該模型同時(shí)考慮了水體對(duì)流和擴(kuò)散，物理過(guò)程完備，但在描述水體生命、駐留時(shí)間等水交換概念時(shí)不夠直觀準(zhǔn)確[14]。粒子追蹤模型通過(guò)統(tǒng)計(jì)特定時(shí)間內(nèi)穿越邊界流出海灣的標(biāo)志粒子數(shù)量判定海灣的水交換能力。王平等[15]采用FVCOM耦合粒子追蹤模型，研究了灣內(nèi)余環(huán)流結(jié)構(gòu)、粒子運(yùn)動(dòng)軌跡及水交換特點(diǎn)。此外，該模型在國(guó)內(nèi)多個(gè)區(qū)域的水交換研究中均有應(yīng)用，如我國(guó)的三沙灣[16]、北部灣海域[17]、渤海[18]、防城灣[19]等地，并取得較好的實(shí)驗(yàn)效果。此模型有利于挖掘局部水體交換中的不均勻性特點(diǎn)，能夠清晰明確地顯示出質(zhì)子的來(lái)源和去向，除此之外，還可以更好地反映海流的性質(zhì)及影響。

閩江口作為福建省內(nèi)最大的河流入海口，口岸附近巖島林立，水下地貌條件復(fù)雜。目前，閩江口水交換研究已經(jīng)取得一些成果，但現(xiàn)有的二維數(shù)值模型難以精細(xì)刻畫閩江口復(fù)雜的水動(dòng)力特點(diǎn)，而三維模型多集中在潮流、余流等海洋動(dòng)力研究上[20-21]，對(duì)于水交換驅(qū)動(dòng)機(jī)理研究有所忽略。為精細(xì)刻畫閩江口水體交換特點(diǎn)，挖掘不同驅(qū)動(dòng)因子在水體交換過(guò)程中的作用及差異，本研究基于河口、陸架和海洋沉積物模型（estuarine，coastalandocean model system with sediments，ECOMSED）與拉格朗日粒子追蹤模型，構(gòu)建了適用于閩江河口的三維數(shù)值模型，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合驗(yàn)證，設(shè)計(jì)5組模擬實(shí)驗(yàn)分別分析風(fēng)場(chǎng)、熱通量、徑流、潮流等不同動(dòng)力條件下的水交換特點(diǎn)。

1 研究區(qū)概況

閩江流域位于東經(jīng) 116^°23^′～119^°35^′ ，北緯25^°23^′～28^°16^′ ，發(fā)源于閩贛、閩浙交界的杉嶺、武夷山、仙霞嶺等山脈，干支流流經(jīng)38個(gè)縣市，流域面積 60 992km² ，約占全省面積一半，水系河流總長(zhǎng) 6107km^[22] ，閩江是我國(guó)重要的豐水河之一，年平均徑流量 551×108m³ 。閩江口（位置詳見(jiàn)圖1）是福建省最大獨(dú)流人海口，區(qū)域島嶼眾多，星羅棋布，其中最大島嶼為瑯岐島，同時(shí)也是閩江的門戶，東面臨海，受其影響，閩江干流在此處分成南北兩支水道，水深不足 15m 處有水下扇形三角洲，河口地形及水下地貌復(fù)雜。閩江口流向自西向東，總面積 1800km² ，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，水溫年變化范圍 13.5～29.6^°C ，年平均氣溫 22.3°C ，為強(qiáng)潮型河口[23]。同時(shí)，閩江口經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集，其受河流和海洋兩方面相互作用，水環(huán)境復(fù)雜多變。

2 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

2.1 ECOMSED水動(dòng)力模型

ECOMSED模型是Blumberg在ECOM和POM模型的基礎(chǔ)上與他人合作開發(fā)的海洋模型，其繼承了二者的優(yōu)勢(shì)[24]。本文選取ECOMSED，通過(guò)建立三維斜壓水動(dòng)力數(shù)值模型，模擬研究閩江口水動(dòng)力特性，為水交換模擬提供準(zhǔn)確的流場(chǎng)信息。其中，模型計(jì)算范圍為 119^°24^′～119^°50^′E，25^°55^′～26^°18^′N ，計(jì)算網(wǎng)格共46716個(gè)。水深數(shù)據(jù)采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)S-57的閩江口外海至馬尾段附近的電子海圖（圖2）。

σ 坐標(biāo)垂向分10層，可以較好地適應(yīng)閩江口復(fù)雜多變的水底地形。模型中的初始場(chǎng)即外海的開邊界條件采用HYCOM海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供的每隔24h 精度 0.08^° 的全球再分析數(shù)據(jù)，主要是在模型啟動(dòng)之初和開邊界處提供水位、溫鹽等數(shù)據(jù)。對(duì)于外海的潮汐邊界處，本文所采用的分潮調(diào)和常數(shù)源于美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)建立的區(qū)域潮汐潮流模型，取 S2，M2，N2，K1，P1 和01共6個(gè)分潮。上游邊界條件設(shè)置閩江竹岐水文站的實(shí)測(cè)月徑流量（圖3），并作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)條件之一。模型運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)條件之一就是氣象數(shù)據(jù)，其中包括降雨量、熱通量、蒸發(fā)量、風(fēng)速及風(fēng)向等，以上數(shù)據(jù)均從美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NationalCentersforEnvironmentalPrediction）獲取的逐6h預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。其他參數(shù)具體設(shè)置詳見(jiàn)表1。

2.2Lagrangian粒子追蹤模型

本文選取粒子追蹤模型研究閩江口水交換特性，粒子追蹤模型模擬時(shí)間為5d，區(qū)域共選取2915個(gè)計(jì)算單元，分別在對(duì)應(yīng)的表層、中層和底層的相同位置及相同時(shí)刻釋放拉格朗日粒子。粒子釋放的起始位置及區(qū)域劃分如圖4所示，其中粒子釋放的初始位置作為粒子滯留區(qū)域，其余區(qū)域則為為外海，當(dāng)代表水質(zhì)點(diǎn)的粒子流人到外海，則認(rèn)為水體發(fā)生了交換。粒子運(yùn)動(dòng)主要計(jì)算方程如下：

式中： 為 t₁ 時(shí)粒子位置； x（t） 為經(jīng)過(guò)dt后的粒子位置； 為 χ_t 時(shí)刻粒子位置處水體速度。

2.3 模型驗(yàn)證

為檢驗(yàn)所構(gòu)建三維模型的準(zhǔn)確性，本研究主要從潮位、流速流向等方面對(duì)模型進(jìn)行細(xì)致驗(yàn)證。其中，潮位、潮流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心獲取的各個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)每小時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與河海大學(xué)2014年6月閩江口的實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。驗(yàn)證站點(diǎn)位置分布如圖5所示，潮位觀測(cè)共計(jì)5個(gè)站點(diǎn)，分別為琯頭站、T1站、馬尾站、梅花站和川石站。潮流觀測(cè)站共有X1—X4等4個(gè)，分別位于長(zhǎng)門水道、梅花水道和川石水道附近。

2.3.1 潮位驗(yàn)證

利用閩江口區(qū)域5個(gè)潮位監(jiān)測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行潮位檢驗(yàn)。其中，琯頭站和T1站的驗(yàn)證時(shí)段為2014年6月13日至25日，梅花站驗(yàn)證時(shí)段為2014年11月1日至14日，馬尾站和川石站驗(yàn)證時(shí)段為2015年4月1日至16日。經(jīng)檢驗(yàn)，5個(gè)站點(diǎn)潮位實(shí)測(cè)值與模擬值的時(shí)間序列絕對(duì)值偏差在±10cm 以內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)；另統(tǒng)計(jì)各個(gè)站點(diǎn)平均潮位的模擬偏差，其結(jié)果均在誤差范圍以內(nèi)。因此，認(rèn)為潮位驗(yàn)證結(jié)果具有良好的可靠性。

2.3.2 流速流向驗(yàn)證

利用閩江口X1—X4共4個(gè)潮流觀測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行流速流向驗(yàn)證，觀測(cè)時(shí)間設(shè)定為2014年6月14日至15日，觀測(cè)頻率為 0.5h 。經(jīng)驗(yàn)證，4個(gè)站點(diǎn)表層、中層和底層的流速、流向時(shí)間序列模擬值與實(shí)測(cè)值偏差不超過(guò) ±10% ，同時(shí)4個(gè)站點(diǎn)的平均流速、流向模擬值偏差誤差在 ±10% 之間，符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范[25]對(duì)于潮流場(chǎng)模擬的精度要求。因此，認(rèn)為流速流向模擬結(jié)果可靠，可用于水交換的模擬研究。

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)定

為探究閩江口水域不同層級(jí)的水交換特征與影響因素，在獲準(zhǔn)確流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，采用拉格朗日粒子追蹤模型開展不同模擬實(shí)驗(yàn)，考慮潮強(qiáng)迫、風(fēng)場(chǎng)、熱通量、徑流、溫鹽等常見(jiàn)的動(dòng)力因素對(duì)閩江口水交換的作用效果[26]。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示，依次關(guān)閉風(fēng)場(chǎng)、熱通量、徑流、溫鹽，顯示不同環(huán)境影響下的粒子時(shí)空變化。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 閩江口余流場(chǎng)特征分析

余流是指去除周期性潮流后的海流，余流分布能夠反映岸線、地形對(duì)海流的影響，入海河口地形變化顯著，因此調(diào)查閩江河口余流場(chǎng)背景有利于進(jìn)行區(qū)域水動(dòng)力機(jī)制綜合分析?；跇?gòu)建的三維水動(dòng)力模型，模擬得到閩江口表、中、底層余流場(chǎng)空間分布如圖6所示。

表層余流場(chǎng)分布如圖6（a）所示，表層流速整體偏大，最強(qiáng)余流出現(xiàn)在川石水道區(qū)域，流速可達(dá)0.7m/s ，最小流速位于東北部海域。川石水道部分余流受川石島影響，沿熨斗水道傳遞至外海，并與烏豬水道余流一起匯集與川石島北部海域，形成較強(qiáng)的余流，流速達(dá) 0.35m/s ，以東北流向?yàn)橹鳌?/p>

中層余流場(chǎng)分布如圖6（b）所示，表層最強(qiáng)流速出現(xiàn)在閩江口航道區(qū)域，達(dá) 0.3m/s ，該處水道狹窄且水域較深，受潮流的非線性作用較強(qiáng)，因而表現(xiàn)出較大流速。相較于表層余流，中層余流最高值出現(xiàn)在水深航道區(qū)，可以判斷中層余流受到閩江徑流作用的影響。

底層余流場(chǎng)分布如圖6（c所示，從整體來(lái)看，底層北支水道流速大于南支水道，這一特征與表層一致而與中層相反，底層余流場(chǎng)最大流速出現(xiàn)在川石水道，為 0.28ms 。從表、中、底層余流場(chǎng)整體分布來(lái)看，底層余流的流速小于表層與中層余流，以上證據(jù)表明閩江口余流場(chǎng)分布存在顯著層化結(jié)構(gòu)。

3.2 閩江口拉格朗日粒子綜合影響機(jī)制分析

為進(jìn)一步反映閩江口表、中、底層水交換動(dòng)態(tài)規(guī)律，基于拉格朗日粒子追蹤模型的粒子 120h 時(shí)空分布結(jié)果如圖7所示，閩江口中粒子經(jīng)過(guò) 24h 的運(yùn)輸（圖 7（a）-（c）. ），逐漸指向外海。從拉格朗日粒子遷移擴(kuò)散趨勢(shì)來(lái)看，閩江河道內(nèi)粒子運(yùn)輸至瑯岐島處，經(jīng)南北兩支水道開始分流：北支水道中粒子又經(jīng)烏豬水道與熨斗水道，與北部水域混合后指向外海；南支水道中粒子則主要經(jīng)由梅花水道，一部分沿瑯岐島東側(cè)岸線與川石水道粒子混合后流人外海，另一部分則直接匯人東南海域。

粒子經(jīng)過(guò) 120h 輸運(yùn)后（圖7（g）—（i）），各層粒子均向外海擴(kuò)散，流向表現(xiàn)為自河口處往東南沿海方向運(yùn)輸。其中，瑯岐島東部海域粒子較為密集，且粒子更易往外海中擴(kuò)散。該現(xiàn)象歸因于：其一，此處受到南北支水道混合作用，因此代表水質(zhì)點(diǎn)的粒子易在此處集中交匯；其二，此處水動(dòng)力作用較強(qiáng)，使得粒子不易滯留，因此水交換能力表現(xiàn)較強(qiáng)。 ^120h 后各層粒子運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：中層、底層的粒子運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，而表層粒子的空間分布有所差異，表層粒子在東南方向的運(yùn)輸擴(kuò)散比中層、底層更明顯，判定為風(fēng)場(chǎng)的作用。

據(jù)表層、中層、底層水交換率統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表3）可知，表層水交換率 63.95% 、中層 75.54% 、底層64.77% ，這表明閩江口海域垂向水體交換存在一定程度的層化結(jié)構(gòu)，表層、底層水交換能力十分接近，但中層水交換能力顯著優(yōu)于其他層。結(jié)合中層余流場(chǎng)（圖6（b））可知，中層航道區(qū)受徑流影響表現(xiàn)出較強(qiáng)流速，因此判定閩江徑流對(duì)中層水交換能力有較大貢獻(xiàn)。

3.3閩江口拉格朗日粒子風(fēng)場(chǎng)影響機(jī)制分析

為直觀反映 ^120h 后不同環(huán)境因子對(duì)閩江口水交換能力的影響，截取 120h 后不同環(huán)境因子影響下的拉格朗日粒子空間分布，如圖8所示。

無(wú)風(fēng)狀態(tài)下（圖8（a）（e）、（i）），各層拉格朗日粒子 120h 輸移擴(kuò)散趨勢(shì)較之有風(fēng)狀態(tài)增強(qiáng)，各層粒子呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律，經(jīng)北支水道擴(kuò)散的粒子呈現(xiàn)沿著水道方向擴(kuò)散趨勢(shì)，與有風(fēng)狀態(tài) 120h 后（圖7（g）一（i））粒子擴(kuò)散相比，以表層粒子擴(kuò)散分布差異最為明顯。其中，北支水道口的 120h 粒子表現(xiàn)出與有風(fēng)狀態(tài) ^72h 相似的擴(kuò)散規(guī)律，這表明風(fēng)場(chǎng)對(duì)表層水交換的阻礙作用在粒子擴(kuò)散初期影響較小，無(wú)風(fēng)狀態(tài)粒子受到烏豬水道、川石水道、熨斗水道狹窄水道地形作用，沿著水道方向擴(kuò)散，但風(fēng)場(chǎng)會(huì)破壞水道地形的流向控制。

3.4閩江口拉格朗日粒子熱通量影響機(jī)制分析

進(jìn)一步關(guān)閉熱通量結(jié)果（圖8（b）、（f）、（j））來(lái)看，各層粒子的擴(kuò)散均受到一定程度的抑制。表層粒子擴(kuò)散抑制最為明顯，中層、底層粒子仍然保持相似分布，但對(duì)比有熱通量（圖8（a）、（e）（i））情形下，各支水道的外海區(qū)域拉格朗日粒子濃度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。表層粒子分布變化最為明顯，無(wú)熱通量影響下，川石水道流出粒子呈沿水道口向梅花水道包圍的圓弧形分布。這表明熱通量對(duì)表層水交換促進(jìn)作用最強(qiáng)，熱通量加劇了粒子在東南風(fēng)和川石島地形作用下的北向擴(kuò)散趨勢(shì)，并促進(jìn)了航道口匯入外海區(qū)域的中層、底層拉格朗日粒子的集中趨勢(shì)。

3.5閩江口拉格朗日粒子徑流影響機(jī)制分析

徑流是閩江河口中主要水體來(lái)源之一，去除徑流影響后（圖8（c）、（g）（k））， 120h 后各層粒子擴(kuò)散能力被顯著遏制，多數(shù)粒子仍滯留河道中，中層、底層粒子呈相同分布規(guī)律。表層拉格朗日粒子的淤滯效應(yīng)最強(qiáng)。馬尾港至猴嶼鎮(zhèn)附近水道中粒子基本滯留于河道內(nèi)，長(zhǎng)門水道與梅花水道粒子大部分沿瑯岐島岸線粘滯，僅烏豬水道和熨斗水道中部分粒子往東北方向遷移指向外海。在瑯岐島東部海域各層粒子遷移擴(kuò)散則較為明顯，盡管去除閩江徑流的驅(qū)動(dòng)，但此處仍然受外海海流的影響，在較強(qiáng)的水動(dòng)力作用下，粒子仍不斷向東南海域擴(kuò)散，與未去除徑流影響的拉格朗日粒子分布（圖8（b）（f）（j））進(jìn)行對(duì)比，川石水道航道口的順時(shí)針回流被遏制，說(shuō)明徑流對(duì)川石水道表層水體驅(qū)動(dòng)效果最強(qiáng)。

3.6閩江口拉格朗日粒子潮流影響機(jī)制分析

未顧及溫鹽所造成的斜壓、海氣的相互作用以及閩江徑流輸入等的影響，僅在潮汐驅(qū)動(dòng)下（圖8（d）、（h）、（1）），粒子的輸移擴(kuò)散趨勢(shì)均呈現(xiàn)出由河口內(nèi)往東及東南海域運(yùn)移：底層僅在河口東北部水域粒子擴(kuò)散能力較強(qiáng)于表層粒子；中層顯示，河道內(nèi)、長(zhǎng)門水道以及梅花水道中滯留粒子較少，大部分粒子主要遷移至東部海域，呈“工”字形帶狀分布，且具有明顯的往東南沿海擴(kuò)散趨勢(shì)。整體上，中層粒子分布特征與表層和底層具有明顯差異，這一特征在瑯岐島東部水域表現(xiàn)得尤為明顯。

結(jié)合余流場(chǎng)模擬結(jié)果（圖6（a）一（c））可知：

表層余流在梅花及川石水道附近均表現(xiàn)為較強(qiáng)的余流場(chǎng)，底層雖余流較弱但此處余流分布較為均勻，因此，表層與底層粒子在東部海域擴(kuò)散也表現(xiàn)出均勻輻散的特征；而中層余流結(jié)構(gòu)顯示僅在川石水道與梅花鎮(zhèn)岸線附近有強(qiáng)余流場(chǎng)，粒子更易在此處堆積。此外，相較于北部海域，東及東南部海域粒子遷移擴(kuò)散的范圍更廣、距離更遠(yuǎn)，此處水體交換能力要強(qiáng)于北部，粒子受潮流影響較大。

為反映改變環(huán)境因子對(duì)各層水交換能力的影響過(guò)程，繪制拉格朗日粒子滯留變化曲線如圖9所示。 36h 小時(shí)后，各層拉格朗日粒子擴(kuò)散速度顯示差異性；在 120h 內(nèi)，表層與底層拉格朗日粒子oatial distribution of Lagrange particles under the influence of different environmental factors al的擴(kuò)散速度均呈現(xiàn)高度相似的特征。無(wú)風(fēng)情形下，粒子擴(kuò)散速度不明顯；進(jìn)一步關(guān)閉熱通量影響后，各層粒子擴(kuò)散速度減緩，粒子釋放 60～96h 時(shí)加劇了這一趨勢(shì)，但從 120h 拉格朗日粒子滯留比例來(lái)看，粒子滯留變化比例上升 -0.76%～0.75% ，變化并不顯著。表明熱通量對(duì)外海處的拉格朗日粒子驅(qū)動(dòng)作用更顯著。關(guān)閉徑流后 ^120h 內(nèi)，各層拉格朗日粒子滯留比例大幅度上升，閩江口拉格朗日粒子在河道處釋放后，拉格朗日粒子滯留比例高達(dá) 69%～75% 。

關(guān)閉徑流 120h 后，表、中、底層拉格朗日粒子滯留比例（表4）分別為 69.02%.70.74%.69.06% ，這表明徑流對(duì)各層拉格朗日粒子運(yùn)輸速度均具有顯著貢獻(xiàn)；從僅考慮潮汐作用的拉格朗日粒子滯留比例變化看，各層拉格朗日粒子擴(kuò)散速度較為一致，總體而言，中層拉格朗日粒子擴(kuò)散速度高于表層、底層拉格朗日粒子， 120h 后，表、中、底層拉格朗日粒子滯留比例分別為 42，47%，33.55% /41.92% 。相較于未去除溫鹽導(dǎo)致斜壓過(guò)程的影響的拉格朗日粒子滯留比例，閩江口各層拉格朗日粒子滯留數(shù)明顯下降，說(shuō)明潮流是影響水交換的重要驅(qū)動(dòng)力。由此表明斜壓形成的密度環(huán)流等對(duì)水交換的阻礙作用也較為明顯。

4結(jié)論

本文基于ECOMSED模型耦合拉格朗日粒子追蹤模塊，通過(guò)構(gòu)建研究區(qū)的三維數(shù)值模型，模擬研究閩江口水交換過(guò)程，構(gòu)建的水動(dòng)力水交換耦合模型模擬值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合誤差較小，能夠反映閩江口水環(huán)境變化的主要規(guī)律。設(shè)計(jì)5類不同的模擬實(shí)驗(yàn)，分別研究在風(fēng)場(chǎng)、熱通量、徑流以及潮流等不同作用下，閩江口海域各層水交換能力的差異，對(duì)比分析各動(dòng)力因素對(duì)閩江口水交換的影響，獲得如下結(jié)論：

1）從垂直方向來(lái)看，閩江口水交換具有顯著的層化結(jié)構(gòu)。拉格朗日粒子空間分布及其變化表明：中層水交換能力最強(qiáng)，其水動(dòng)力機(jī)制源自徑流、潮流的突出貢獻(xiàn)；表層水交換受到岸線地形影響最為嚴(yán)重，東南風(fēng)和海表熱通量影響下污染物呈北向遷移趨勢(shì)；底層余流分布均勻、水交換較為穩(wěn)定。

2）從水平方向來(lái)看，川石水道南部水體自凈能力強(qiáng)于北部水域。余流場(chǎng)和潮流影響下拉格朗日粒子空間分布結(jié)果表明，川石水道南北部水域水交換能力呈現(xiàn)分異性特點(diǎn)，這是由于川石水道狹而深，此處水體在潮流非線性作用和較強(qiáng)徑流影響下流向南部水域，而南部水域水體同時(shí)受到強(qiáng)潮流驅(qū)動(dòng)作用，因此整體出南北分異性國(guó)。

3）從環(huán)境因子驅(qū)動(dòng)作用角度看，徑流對(duì)閩江口水交換驅(qū)動(dòng)作用最顯著。拉格朗日粒子滯留統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，關(guān)閉徑流后，粒子滯留比例高達(dá)69%～75% ，徑流是閩江口最主要驅(qū)動(dòng)因子，潮流次之，熱通量加劇外海污染物集中趨勢(shì)且僅對(duì)表層水交換有微弱驅(qū)動(dòng)作用，風(fēng)應(yīng)力阻礙表層污染物遷移擴(kuò)散。

本文首次對(duì)閩江口主要環(huán)境因子水交換的作用差異進(jìn)行初步探究，研究結(jié)果有利于揭示閩江口三維空間上的水環(huán)境異質(zhì)性，加深對(duì)于閩江口水域的物理自凈能力以及動(dòng)力機(jī)制的認(rèn)識(shí)，能夠有效協(xié)助區(qū)域水污染治理，為區(qū)域水環(huán)境開發(fā)利用提供決策支持。在后續(xù)的研究中，可以進(jìn)一步考慮流體相互作用和針對(duì)水交換的季節(jié)性規(guī)律進(jìn)行模擬分析，以便深入研究閩江口水交換特征及規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

[1]范振宇，劉振杰，白靜，等.衡水湖水動(dòng)力水質(zhì)特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制［J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2023，13（3）：1001-1010.

[2]蓋美，岳鵬，楊苘菲.環(huán)渤海地區(qū)海洋生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)及影響因素識(shí)別［J].資源科學(xué)，2022，44（8）：1645-1662.

[3］許偉，劉培，黃鵬飛，等.珠江河口復(fù)雜河網(wǎng)的水資源調(diào)度方案評(píng)價(jià)[J].水資源保護(hù)，2022，38（4）：75-79.

[4］胡放，劉亞豪，侯一筠.潮汐對(duì)東海陸架邊緣處水交換的影響[J].海洋科學(xué)，2022，46（12）：1-7.

[5］朱金龍，孫偉，陳少偉，等．岸線變遷對(duì)萊州灣納潮量和水交換的影響研究［J]．海洋湖沼通報(bào)，2024，46（3）：12-18.

[6]CHEN Z H，QIAO FL，WANG G，et al. Sensitivity ofthe half-life time of water exchange in coastal waters [J].Science China-Earth Sciences，2019，62（4）：643-656.

[7]KORONKEVICHNI，BARABANOVAE A，GEORGIA-DI A G，et al. Transboundary water exchange in Russia[J].Water Resources，2021，48（4）：502-511.

[8] ZHANG P P， MAO JQ，HU TF， et al. Water exchangeinalarge river-lake system：modeling，characteristicsand causes [J]. River Research and Applications，2020，36（5） ： 697-708.

[9]ZHANG S X，HE H X，ZHANG B，et al. Water ex-change and pollutant diffusion law in Gangnan reservoir[J].Alexandria Engineering Journal，2022，61（12）：12259-12269.

[10]ZHANG JL，SONGJX，LONG YQ，et al. Seasonalvariability of hyporheic water exchange of the Weihe Riverin Shanxi province，China [J]. Ecological Indicators，2018， 92： 278-287.

[11]GUO WJ，WUGX，LIANG BC，et al.The influenceof surface wave on water exchange in the Bohai Sea[J].Continental Shelf Research，2016，118：128-142.

[12]崔雷，姜恒志，袁仲杰，等.普蘭店灣內(nèi)灣水交換數(shù)值模擬研究［J].海洋湖沼通報(bào)，2017（6）：52-60.

[13]CHEN H， CHEN F L， ZHU Y Y， et al. Numerical studyof water exchange in environment engineering in Pulandi-an Bay[J]. Advanced Materials Research，2014，908 ：425-428.

[14]朱金龍，徐艷東，朱淑香，等.岸線變遷對(duì)芝罘灣海域水交換的影響研究[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2020，39（1）：145-152.

[15]王平，陳偉斌，鄒文峰，等.象山港潮余流結(jié)構(gòu)及水體半交換時(shí)間數(shù)值研究［J].海洋環(huán)境科學(xué)，2018，37（1）： 107-115.

［16]洪國(guó)強(qiáng).王家島海域海洋牧場(chǎng)水動(dòng)力環(huán)境及污染物擴(kuò)散研究［D].大連：大連海事大學(xué)，2023.

[17]WANG L，PAN W， ZHUANG W，et al. Analysis of sea-sonal characteristics of water exchange in Beibu Gulfbased on a particle tracking model[J]. Regional Studiesin Marine Science，2018，18：35-43.

[18]WUWF，ZHAIFG，LIUC，etal.Three-dimensionalstructure of summer circulation in the Bohai Sea and itsintraseasonal variability[J].Ocean Dynamics，2O23，73（11）：679-698.

[19]SHIHY，LIQJ，YOUZJ，etal.Study on water ex-changecapacityofFangchengBayindryandwetseasonbased on MIKE3 model[J].Desalination and WaterTreatment，2021，219：287-296.

[20]林金城，肖桂榮，林建偉.閩江河口三維潮流和余流特征及污染物運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模擬[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，42（4）：519-529.

[21]夏澤宇，蔡輝，譚亞.閩江河口三維潮流數(shù)值模擬及特征分析[J].水運(yùn)工程，2017（6）：57-64.

[22]王愛(ài)軍，葉翔，賴志坤，等.閩江口及周邊海域沉積物輸運(yùn)及資源效應(yīng)［J].海洋與湖沼，2020，51（5）：1013-1024.

[23]盧惠泉.閩江口及附近海域海底地形地貌特征研究[D].廈門：國(guó)家海洋局第三海洋研究所，2010.

[24]BLUMBERGAF，KHANLA，STJOHNJP.Three-di-mensional hydrodynamic model ofNew York Harborre-gion[J].Journal of Hydraulic Engineering，1999，125（8）：799-816.

[25]交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所.海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程：JTS/T231-2-2010[S].北京：人民交通出版社，2010.

[26]BARLETTEMR，SIERRAME，COSTAAJ，etal.Interannual variabilityof hydrographic propertiesin PotterCoveduring summers between 201O and 2017[J]. Ant-arcticScience，2021，33（3）：281-300.

（責(zé)任編輯：曾 晶）

Numerical Simulation and Dynamic Mechanism Analysis of Water Exchange at the Minjiang Estuary

HU Jinhong1，2， XIAO Guirong ^*1，2 ， GAO Wei ^1，2 （1.TheAcademyofDigitalChina（Fujian），F(xiàn)uzhouUniversity，F(xiàn)uzhou35O1o8，China；2.KeyLaboratoryofSpatial DataMiningand Information Sharing of MinistryofEducation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou35OlO8，China）

Abstract：Coastal water exchange not only reflects the physical self-purification ability of regional water body， but also reveals the migration and diffsion process of pollutants.In order to explore the exchange characteristics of the Minjiang estuary，based on the estuarine，coastal and ocean sediment models（ECOMSED），and the Lagrange particle tracking model，through the fiting and verification with measured data，a three-dimensional numerical model of the Minjiang estuary area was constructed.On this basis，simulation experiments on external environmental factors such as wind field，heat flux，runoffand tidal current were carried out.The results show thatthe water exchange in the Minjiang estuary exhibits significant vertical stratification，the water exchange ability in the middle layer is the strongest，and the surface polutants show a northward migration trendunder the influence ofsea surface heat flux and wind field.The self-purification abilityof the water body in the south of the Chuanshi waterway is stronger than that in the north of the Chuanshi Waterway.Runoffhas the most significant driving effect onthe drool exchange ofthe Minjiang River.After closing runoff，the particle retention ratio of each layer is as high as 69%-75% . All this provides implication for pollutant control and water quality change prediction in the Minjiang estuary，andalso providesscientific basis and technical support for environmental protection of the estuary of the Minjiang River.

Keywords：ECOMSED model； particle tracking；Minjiang estuary；water exchange；numerical simulation