（环境科学专业论文）近岸海域水质模拟及可视化研究在大鹏半岛南部海域的应用.pdf

近岸海域水质模拟及可视佬研究在大鹏半岛南部海域的应露 o 前言 我国具有漫长的海岸线，沿海地区人口密集、经济发展迅速，工业化和城 市化进程不断加快。海湾、河口及近岸海域不仅是沿海城市和地区经济快速发 展所依托的自然资源，同时也是河流流域及沿海城市排污的理想场所，因此城 市污水海洋处置将成为沿海地区污水处理的重要出路。 深圳市位于我黧广东雀南部沿海，东箍大鹏湾、大亚湾，西连珠江墨伶仃 洋，海岸线长达2 5 7 k m ，海域面积1 4 0 0 k m 2 ，海洋生物资源、滨海旅游和海岸 港日资源丰富，发展潜力很大。僚随着深圳市城市化进程的加快和社会经济的 高速发展，每年都有大量的工业废水、生活污水及城市蘧源污染等直接或阅接 排入近岸海域，致使近海水环境质量下降，富营养化程度加剧，赤潮发生次数 和面积增加，经济和生态损失严重。药保持深圳市社会经济的持续发展，维护 海洋生态系统健康，对污水海洋处理进行科学的规划和管理是十分必要的。 随着计算机技术和计算方法的发展，数值模型逐渐成为研究近岸环境问题 豹重要手段【l 卅。旱期的水蕊数学模型采用结构化语言( c 零爨f o 擞鞠等) 编写， 后处理以图表等形式输出结果，表达不直观，这些因素在一定程度上制约了数 学模型的发震与应用。近年来，随着计算机计算水平的提高，多媒体技术、组 件技术、图像处理技术、3 s 技术f g l s 妃p s 瓜s ) 、大型关系数据库技术、多语言 混合编程技术等发展迅速，它们与计算机技术的结合为数学模型的发展提供了 新的枧暹。针对着麓处理的表达闻题，嵩现了一些后期可褫化软件，实现了数 据的图形化的显示，但与数学模型缺乏有效的衔接。集成式数学模型将建模、 计算、后处理有效的连接起来，形成一个有机的整体，用户不需要接触苦涩的 源代码丽采焉窗口离导式建模，界瑟友好，昱示手段丰富，对数学模型的推广 和应用具有重要意义。 国外很多高校和科研机构进行了数学模型软件的应用研究，并溺现了一些 商业软件，如荷兰的d e f l t 3 d ，丹麦的d 掇系列，美国麴s m s 等。黧内在这方 面的研究相对较晚，近几年也取得了一些成果，如天科所的k t z d 刀、辛文 杰阍、罗小峰嘲、时清华【1 键等也开发了各蠢靛集成系统。总体来说，国外知名 商业软件在世界范围内得到了一些应用，但这些水动力学软件系统价格比较昂 贵，软件扩充相对比较困难；国内对波浪、潮流数值模拟及风暴潮预报可视化 近岸海域水质模拟及可视化研究在大鹏半岛南部海域的应用 集成系统的研究相对较多，水质模拟与可视化集成系统研究相对较少。因此， 鉴于我国目前近岸水质数值模拟软件人机交互功能不强的现状和提高我国海洋 环境管理水平的迫切需要。本文开展以近岸海域应用需求为主的水质数值模拟 与可视化系统研究，具有重要的现实意义和应用价值。 2 近岸海域水质模拟及可视化研究在大鹏半岛南部海域的应用 l 文献综述 1 1 水动力学及水质模型研究进展 1 1 1 水动力学模型研究进展 近岸海域一般指陆架海、沿岸海湾以及感潮河口等。对于近岸水环境研究 来说，水动力学特性是重要盼研究内容。只有掌握了水动力学过程，才有可能 揭示污染物在水体中扩散、迁移规律，从而进一步解决海域水环境污染和生态 等问题。积极开展对近岸海域的水动力学研究，并在深入分析近岸水动力学和 环境容量的基础上，进行近岸海的合理开发利用，对保护生态环境和促进区域 经济的可持续性发展，具有十分重要的现实意义。 l 。1 1 1 水动力学模型的发展湖 水动力学模型的理论起源于1 9 世纪的s a i 髂v e n 鑫嫩【l l l ，他通过研究建立了 著名的s a i n t v c n a n t 方程，从而奠定了非恒定水流的理论基础。本世纪初， s t e m e e k 和d e 蠡m t 给出了一维潮流方程的数值解法，并且对一些狭长的海域进 行了计算，取得了相当好的结果。但真正意义上的数学模型则是计算机诞生以 后才开始的，其发展过程可大致分为三个阶段： 第一阶段：2 0 世纪5 0 、6 0 年代，是水动力学数学模型发展的起点，曾进 行了大量基础性和探索性的研究工作，建立了许多一维数学模型，也出现了一 些简单的二维数学模型，主要研究水流运动规律。1 9 5 2 年至1 9 5 4 年， l a s s c s o 觳，酗e 姥帮s o l ( 胃首次建立了o 瓤i o 河和m i s s i s s i p p i 浑害器分河段的水动 力学模型【1 2 1 。1 9 5 2 年，h a n s c n 利用潮汐运动的周期性，简化基本方程，提出了 二维潮流数值计算的边值方法，并用台式计算机成功地对北海潮流场进行了模 拟。l 5 年，两位著名力学家z i e l ( i e 商睨和c 沁醢n g 提篷焉有限元法解决势流 问题，使基于经典变分原理的r e y l e i g h 【1 3 】。 r i 饶【1 4 1 和g a l e r k i n 【1 5 】方法在水动力 学数值计算中得以直接应用。 第二阶段：2 0 世纪粥年代，二维模型得到深入研究和广泛应用，对三维 闷题的研究也开始起步。在这1 0 年里，l e e n d e r t s e 【1 6 】发展了半隐格式，b u t l e 一1 7 1 提出了种全隐格式，a b b o 位【2 、v a s i l i e v 【期、a m e i n 【1s 】、m i s s m a n n 【2 0 】等也在 近岸海域水质模拟及可视化研究在大鹏半岛南部海域的应用 其各自的研究中提出了有效的数值方法。前苏联学者y a n e n k o 【2 2 】和m a r c h u k 2 3 】 提出了著名的分裂算子法，为丰富和发展水动力学数学模型做出了贡献。同时， 二维的应用性研究也得到发展，解决了许多实际问题。由单纯对水动力学研究 发展到盐水入侵、污染物扩散以及泥沙运移等问题的探讨，极大的丰富了数值 模拟的研究内容，提高了研究水平。为适应数学模型本身发展的要求和应用性 研究的深入，1 9 7 2 年g e n d c y 【2 4 】和h e a p s 2 5 就速度的垂直分布，进行三维模型的 研究。此后也陆续出现了一些简单的三维模型，如l e e n d e r t s e 【1 6 筇】、b l u m b e r g 【2 8 1 、 c a p o n i 鲫、d a v i e s 【2 9 ，3 0 1 、t e e 【3l 】和n i h o u l 【3 2 】等。 第三阶段：2 0 世纪8 0 年代至今，一方面，作为三维发展基础的二维数学 模型的研究和应用日臻成熟和完善，积累了很多成功的经验；另一方面，三维 数学模型的研究和应用迅速发展。特别是2 0 世纪9 0 年代以后，计算机技术日 新月异的发展，为三维数学模型的空前发展提供了强有力的保障。 1 1 1 2 数值计算方法 数值模拟首先要将描述水流运动的连续介质数学模型离散成有限个代数方 程组，建立在计算机上可实现的算法。海洋数值模拟中常用数值离散方法有有 限差分法( f i n i 钯d i 毹r e n c em 酣l o 由、有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 和有限 ? 体积法饵i n 沁v o l 啪em e t h o d ) 、边界元法、有限分析法和混合杂交法等。各种 数值计算方法均有其自身的特点，对于一个特定水域的水流数值模拟问题，需 要选用合适的数值计算方法。 ( 1 ) 有限差分法 有限差分方法( ( f d m ) 作为一种重要的数值离散方法，基本思想是用有限差 商代替基本方程中的微分，将微分方程中的各项微分离散成在微小网格上各临 近网格点的差商形式，得到一个以各节点上函数值为未知变量的代数方程，根 据离散求解过程，可分为显式差分法( e f d m ) 、隐式差分法( i f d m ) 和半隐半显式 差分法( h y b r i d f d m ，h f d m ) 。显式差分格式原理简单，容易理解，但一般收 敛性和稳定性较差，时间步长受到限制；隐式差分格式的优点是时间步长可蛆 取得较大、稳定性好，但是需要求解大型方程组，计算工作量较大【3 3 】：当前， 较常用的交替方向隐格式法( a d i ) 3 4 】是一种显一隐格式咬替使用的有限差分格 一 1 ，。 式，该方法同时具有显式和隐式两种差分格式的优点，有较好的计算稳定性和 4 近岸海域水质模拟及可视化研究在大鹏半岛南部海域的应用 计算精度。 有限差分法优点是结构简单、计算速度快且易修改调整，现今的三维海洋 模型大多采用该数值方法。该方法适用于矩形网格，其最大缺点是网格布置不 灵活，网格无法与不规则边界充分贴合，这使得其在不规则区域的应用受到限 制，但近年来提出的正交曲线坐标系、非正交曲线坐标系以及边界拟合坐标法 罄5 。翊，弥补了其不足。有限差分格式离散水流控制方程有瞄不能严格遵守守恒 性质，数值解会出现水量、动量不平衡的误差，研究人员提出建立守恒逆风差 分格式的方法，解决了这种缺陷f 3 8 】。有限差分格式的不断完善使其在三维水动 力数餐模拟方面获得了越来越广泛的应震貉拿 船】。 ( 2 ) 有限元法 有限元法又称为有限单元法，自二十世纪七十年代开始应用于计算水力学 串。其原理是分单元对解遥近，使微分方程空润积分的加权残差极小讫，躲将 连续的水流流场按一定规则划分成若干单元，在各单元内部应用变分法或加权 余量法，生成有限元离散方程，最后将各个单元的离散方程合成为总体方程组， 并结合边界条件和初始条伴求解近似解。 有限元方法最大的优点是网格划分具有任意性，可以适应复杂的几何形状， 能够精确拟合复杂岸界，克服早期的f d m 离散方程时处理复杂边界的困难； 此外它可以将寅然边界条件融入凑点的计算方程中，丽不必单独列出。这些优 点对于形状极不规则的近岸海洋流场显得更为突出。从1 9 7 3 年f e m 在二维浅 水环流模拟中应用至今p 1 删，国内外学者提出了不少基于有限元法的数学模型， 其主要思想都是旨在对隐式有限元繁杂求勰加以改进，如吕玉麟等f 4 2 悃分裂时 间法作数值积分以取代有限元方程组求解所用的多次迭代，谭维炎等【4 3 1 引入单 元影响系数以便于计算有限元方程中的积分项、史金松【骐】使用系数集中技巧将 系数矩阵变为对角阵，耿兆锉【4 5 】使用集中质量法来获取显式模式等方法，近年 来发展出的p 类有限元和离散g a l e r k i n 方法明显改善了有限元模型的计算速 度，还有采用其他方法改进f e m 获得成功的研究湖 ( 3 ) 有限体积法 有限体积法又称控制体积法，是七十年代由d b s p a l d i n g 和s v p 我盯l l ( a r 等人提出和发展起来的一种离散方法，其与有限差分和有限元方法不丽，有限 近岸海域水质模拟及可视化研究在大鹏半岛南部海域的应用 体积方法并不直接从数值上求解二阶的海水运动方程组，而是求解方程组的积 分形式。在水平方向，除了水平湍流扩散项外，积分后的运动学方程组变成了 一阶方程组，无导数和梯度的二阶项存在。有限体积方法仍然采用有限差分的 数值逼近方法，但同时又采用了有限元数值方法中的非结构网格。因此，这种 方法综合了有限差分方法的计算速度效率和有限元方法的网格易曲性。 有限体积的发展过程中出现不少改进的版本如s i 脚l e c 和s i m l e r 程式 等 绷。由于其良好的物理守恒性、对边界的良好适应性以及高精度捕捉间断的 能力，使得控制体积法在三维水流模拟中的应用也日趋广泛。华祖林【4 8 】将f 应用到三维水流模拟中，在求解离散方程时，还采用了欠松弛技术、块修正技 术及逐行扫描的t d m a 法( 4 7 。 ( 4 ) 边界元法 边界元法是7 0 年代首先由英国的c a b r e b b i a 【4 9 】提出。后又发展有与区域 方法结合的混合元法和有限基本解法。这种方法首先将控制微分方程化为边界 积分方程，再用有限元的基本思想与方法步骤来处理边界积分方程的方法。其 特点是在域内满足微分方程，而在边界上只是近似满足边界条件。其优点是计 算时模型维数可以减少一个，对渗流、势流等无限域问题，边界元法由于基本 解满足无穷远处边界条件，无需确定外边界，只需在区域的内边界上进行离散， 而且计算精度一般高于有限元法。但存在两个主要问题：一是虽然边界元法单 元数、未知量个数少，方程组阶次低，但方程组的系数矩阵不对称并为满秩， 不能利用迭代法，这给问题的求解带来困难；二是主要采用解析函数的基本解， 只适用于线性问题。 ( 5 ) 有限分析法 有限分析法是在有限元法基础上的一种改进，1 9 7 9 年由美籍中国学者陈 景仁教授等提出的一种新数值方法。其基本思想是：在离散单元的解，不再用 插值函数式来表达，而是方程局部线性化后的解析解。首先将待求问题的总体 区域划分为许多小的子区域，在这些子区域中求局部解析解，然后从局部解析 解导出一个代数方程，使子区域上的内结点值与相邻的结点值联系起来，接着 把所有的局部解析解汇集在一起，就得到所求问题的有限分析数值解。该方法 具有自动迎风格式，能正确地模耗i 对流项，同时不存在数值扩散现象，计算稳 6 近岸海域水质模拟及可视化研究在大鹏半岛南部海域的应用 定，收敛速度快，但其计算量比有限差分法大得多。 综上所述，数值模拟中的空间离散方法各不相同，但都有共同的特点，即 首先把计算区域划分成许多控制体或网格，然后在这些小块上把微分方程离散 或积分成代数方程，再把小块上的代数方程汇合成总体代数方程组，最后在一 定的初边值条件下求解此方程组，从而求得计算区域内各节点的物理量。所以 说，数值模拟的正确性和精确度取决于网格的划分、方程的离散、初边值条件、 代数方程组的求解以及所建模型的物理理论依据是否正确合理等几个因素。模 型求解时选择何种数值方法，应根据所研究问题的特点和计算精度要求而定。 1 1 2 水质模型研究进展 水质数学模型是指污染物在水环境中因物理、化学、生物作用而发生变化 的规律及影响因素之间相互关系的数学描述，是定量描述污染物在水体中迁移 转化规律的数方程，是水环境研究的重要工具【5 0 1 。 水质模型在理论上从最初的质量平衡原理发展到现在的随机理论、灰色理 论和模糊理论；在实际应用上，从最初的城市排水工程设计发展到现在的水环 境过程模拟、水环境质量评价和预测、水资源科学管理规划等水环境保护的各 个方面：在研究方法上，从最初的解析解和浓度表达发展到现在的数值解和逸 度表达法。水质模型从2 0 世纪初诞生以来，经历了半个多世纪的发展，大致可 分为以下几个阶段： 19 2 5 年，美国的工程师s t r e e t e r 和p h e l d s 在对o h i o 河流污染源及其对生活 用水造成的影响的研究中，提出了s 仃e e t e 卜p h e l p s 水质模型( 简称s p 模型) 【5 1 1 ， 该模型最初被用于城市排水工程的设计和简单水体自净作用的研究。 2 0 世纪6 0 年代以后，随着计算手段的提高和对污染物扩散机理认识的深入， 开始出现既可模拟长期过程也可模拟瞬时过程的动态水质模型。模型中考虑的 因素也逐渐增加了有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等，模型结构为多线 性系统。空间维数由一维发展到二维。 7 0 年代初，人们研究开发了相互作用的非线性系统，涉及到营养物的循环 过程、浮游动植物系统生长率同营养物质、阳光、温度的关系，计算方法一般 用数值解法。7 0 年代后期，除进一步研究生态模型外，还发展了多种相互作用 系统，空间维数发展到三维。 近岸海域水质模拟及可视化研究在大鹏半岛南部海域的应用 2 0 世纪8 0 年代以来，随着对水环境变化复杂性认识的深入，各相关学科 相互渗透、相互激励，水环境数学模型的研究进入到多介质环境综合生态系统 模型。 由于水质模型的研究涉及到水环境科学的许多基本理论问题和水污染控制 的许多实际问题。它的发展在很大程度上取决于污染物在水环境中迁移、转化 和归宿研究的不断深入，以及数学手段在水环境研究中应用程度的不断提高【5 2 】。 在我国，水质模型的研究起步较晚，但在学习、吸收国际先进经验的基础 上发展较快。近年来，在有机污染物水质模型理化参数测定和计算、水环境有 机污染非确定性分析和水动力学与水质变化耦合求解方面都有较大的发展。例 如叶守泽等【5 3 】将确定性b o d d o 模型中的参数取为概率分布参数、灰色参数和 模糊化后，建立了河流水质不确定性数学模型，锥文生等【5 4 】以确定性水质模型 为基础，与随机过程模拟方法结合，建立了确定与随机耦合的水质不确定性预 测方法。他们还将湍流、温度、生态相互耦合 5 5 】，建立了垂向二维水动力学生 态综合模型。与此同时，近岸海域水质数学模型的应用性也研究取得了一定成 果，王学昌等【1 姗】分别对渤海海峡、胶州湾、大鹏湾等海域应用概率二维数值 模型进行水质分析；刘成等【6 l 】应用二维模型分别对尾水排入长江口工程的污染 物运动轨迹进行了模拟；林卫强等【6 2 】应用三维水质模型对珠江口海域的污染物 扩散进行研究，沈永明【6 ，“5 】就将三维模型应用于香港维多利亚港、日本九州岛 博多湾等地污染预报；闰菊等1 3 4 ”1 3 6 1 将三维模型在胶州湾水质模拟中的应用； 陈祖军等应用三维模型对长江口水质模拟研究吲。近十几年来，可以说 l e e n d e r t s e 【1 6 】创立的兰德模式己被欧州、日本和我国学者广泛应用于浅海水域 污水排放工程的水质预测和管理中【6 3 ，6 7 】。2 0 世纪末还出现有概率分析法模型 【6 8 1 、超标概率场模型( 6 9 】等模型的应用。 随着科学研究的深入和水环境集成管理的需求，模型的技术手段越来越先 进，正逐步向模型的集成化发展，水质模型的集成化将成为一个新的研究热点。 8 近岸海域水质模拟及可视化研究在大鹏半岛南部海域的应用 1 2 数值计算可视化研究进展 1 2 1 科学计算可视化概念 科学计算可视化是2 0 世纪8 0 年代后提出并发展起来的一个新的研究领域。 包括运用计算机图形学和图像处理技术。科学计算可视化的基本含义是运用计 算机图形学或者一般图形学的原理和方法，将科学与工程计算等产生的大规模 数据转换为图形、图象，以直观的形式表示出来。它涉及计算机图形学、图像 处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图形用户界面等多个研究领域，已成为 当前计算机图形学研究的重要方向。 1 2 2 国内外研究进展 “可视化，一词正式出现于1 9 8 7 年2 月美国国家科学基金会( n a t i o n a l s c i e n c ef o u n d a t i o n ，简称n s f ) 召开的一个专题研讨会上。研讨会后发表的正 式报告给出了科学计算可视化的定义、覆盖的领域以及近期和长期研究的方向。 这标志着“科学计算可视化”作为一个学科在国际范围内已经成熟。 可视化技术从产生到现在才二十年的时间，软件工作者和工程技术人员针 对不同研究领域的不同用途开发了许多可视化软件，解决某些数据的可视化问 题。可视化软件平台实现了可视化理论与应用的沟通，为科学计算可视化的具 体应用提供了有力的支持。 9 0 年代初开始，随着计算机技术在世界普及，科学计算可视化研究和应用 也广泛在国内外开展。如测绘遥感【7 0 1 、矢量场与张量场可视化 7 1 】，数值计算结 果可视化，大气数值模式中应用，气象、勘探、机械、水力以及地学等领域。 如今科学计算可视化研究己经成为医疗( c t 断层扫描及m 砌核磁共振) ，地质， 地理( g i s 地理信息系统) 学科研究中最为活跃的研究领域之一，同时也成为这些 学科最为重要的研究手段之一。 由于计算机硬件及相关软件方面的种种限制，我国以可视化作为近岸研究 的一个重要手段与国外相比起步较晚，当前国内对于可视化的研究尚处于起步 的阶段，对可视化的重要性的认识与国外相对也有一定的差距，同时国内可视 化专业软件平台领域尚为一片空白，也缺少相应的国家标准或行业标准，使得 9 近岸海域水质模拟及可视化研究在大鹏半岛南部海域的应用 我国当前的可视化系统的在可视化图形质量，交互及分析功能设计，图形图像 可视化效率及可视化产品再利用时的易用性方面都存在很大的区别和差异。系 统的开发及运行平台的要求也更为不同。 虽然存在以上客观限制条件，不可否认的是当前我国可视化技术在近岸方 面的应用仍然取得了一些成果。在后处理可视化方面，徐林春 7 2 】对河道平面二 维水沙数值模拟及其动态显示技术进行研究，天津大学的曾谦 7 3 】应用多媒体技 术和v c + + 开发的“二维流场多媒体动态演示系统”；北京装备指挥技术学院的 聂万胜等利用m a t l a b 所提供的接口函数实现f o r t r a n 程序的计算结果可视化。 詹世平【7 4 】等采用m a t l a b 图形化技术和g i s 技术，对大连湾海域三维水动力 学和水质模拟结果进行了可视化研究。在模型的可视化集成方面，朱松林等 7 5 】 将流体力学计算技术和可视化技术有机地结合起来，开发了用于三维复杂区域 流场数值模拟的驾驭式可视化软件，并实现了在不终止计算的情况下对计算过 程进行控制的驾驭式可视化功能。辛文杰、罗小峰等【8 ，9 】研制开发了“滨海、河 口电厂取排水口冲淤变化数学模型”软件包，叶清华等 1 0 】将组件技术应用于海岸 工程数学模型，建立了以平面二维潮流数学模型计算为核心，以g i s 组件为可 视化环境，后台以关系数据库支持的紧密集成的海岸工程数学模型系统。周振 红等【7 6 】将f o r t m 计算程序做成动态链接库，采用组件化编程的方式解决数据传 - 输与控制的问题，建立了基于组件的水力数值模拟可视化系统。尹海龙、。徐祖 信【7 7 】采用可视化编程工具v i s u a lb a s i c 和m a d x 控件，用水环境数学模型和g i s 集成的方式设计开发了中文可视化用户界面下的黄浦江水环境数学模型。天科 所开发的t k - 2 d 【7 】是适用于海岸河口地区的多功能数学模型软件包。罗小峰 7 8 】 在v c h 环境下开发了一套适用于大型河口和复杂海岸的数值模拟可视化系 统，系统将建模、计算与后处理有机地集成为一个整体，集成了平面二维水流、 盐度、泥沙模型和三维水流盐度模型，可视化程度较高，实现了从建模、计算 到后处理的全程可视化。 国外研究机构在可视化研究河口海岸问题上比我国早一些，许多实验机构 现已经拥有一套或几套自主行开发的大型可视化系统平台。且在可视化系统开 发研制过程中也反映出明显的不同专业小组团队协作的特点。此外，国外商业 可视化软件选择上也较为丰富，采用此类软件可以大为缩短开发人员花费在可 1 0 近岸海域水质模拟及可视化研究在大鹏半岛南部海域的应用 视化标准算法库及矩阵运算分析函数上的开发时间。近几年国外在近岸水质可 视化工作中比较有代表性的有美国b r i g h a my o n gu n i v e r s i t y 的s m s ，荷兰d e l r h y d r a u l i c si n s t i t u t e 研制的d e l f t 3 d ，丹麦的d h i 系列软件中的m i k e 2 1 等。 1 3 本文研究内容 前文分析了水质数值模拟可视化系统研究的意义及发展现状，在此基础上， 本文开展了近岸海域水质数值模拟与可视化系统的初步研究，并应用于“大鹏半 岛南部海域污水排海水质模拟研究”。主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 概述了近岸海域水质模型可视化研究的意义；简要介绍了国内外水动 力模型、水质模型和水质数值计算可视化的研究进展。 ( 2 ) 建立近岸海域二维水动力学模型。应用分布杂交法求解运动方程，对 水动力学模型准确性进行验证，在模型计算值与实测值吻合较好的情况下，将 其应用到大鹏半岛南部海域，模拟该海域潮流运动规律。 ( 3 ) 在潮流数值计算的基础上，建立近岸水质数学模型，分别预测了西涌 湾内和湾外不同排污方式下入海c o d 的扩散过程，并分析不同位置排污对纳污 海域的影响。在对应用海域现状调查的基础上，预测了不同排污方式下入海污 染物的允许排放量。针对污水排海对海域环境产生的影响，提出排污总量削减 和设置混合区两种减轻影响的方案。 ( 4 ) 概述可视化技术及其在环境预测中的应用；介绍可视化程序的设计方 法和a c t i v e xau _ t o m a t i o n 技术原理，详细介绍了v b 对s u 疵r 软件、a u t o c a d v o l ov i e w 软件二次开发的技术方法及程序代码实现。 ( 5 ) 概述了混合编程理论，介绍混合编程方法；详细介绍个模块具体功能； 实现水质数值模拟可视化系统各模块的集成。 其中( 4 ) 和( 5 ) 部分是本文研究的重点。 近岸海域水质模拟及可视化研究在大鹏半岛南部海域的应用 2 近岸海域二维水动力学模型及其应用 陆源排放于海洋环境中的污染物，与海水混合后，其输移扩散的路径与范 围，均取决于排放海域的海洋环境动力状况，对于近岸海域来讲，潮汐和海流 是物质输运的主要影响因素。大鹏半岛南部近岸海域最大水深在2 0 m 左右，垂 直混合较好，潮流在海流成分中占绝对优势，对于这样的海域，采用深度平均 模型是适宜的，因此本文应用二维水动力学模型对该海域的潮流进行模拟。 本章跟据大鹏半岛南部海水运动的边界条件和初始条件，采用不规则三角 形网格的分步杂交方法【7 9 ，8 0 1 ，建立了变边界潮流数值模型，得出该海域海水运 动规律，为水质预测提供了基础数据。 2 1 二维水动力模型 描述潮流运动的参考坐标系，被置于“f 二平面”，即不考虑地球曲率的影响。 返柙近似描述，适用于水平范围远小于地球半径的海域。 选用一个固着于“f - 平面 上的直角坐标系( x o y ) 和静止海面重合，x 轴向 东，y 轴向北，z 轴向上为正，运动方程组为： 誓+ 掣+ 掣：o ( 2 - 1 ) 西苏却 。 pv 害+ 材囊+ v 考= 一g 篆+ 声一吾笋“+ 茜+ 占( 警+ 害) c 2 国 害+ “宝+ _ 喜= 1 知一事孥v + 刍+ 偿+ 割 弘3 ， 其中：为从平均海面算起的水面高度； 产2 s 加西为科氏系数 为地球自转角速度，少为地理纬度) i 肛舟胁为水深( 凰为从平均海面算起的水体深度) ； 为水平涡动粘滞系数，g = 9 8 1 米秒2 为重力加速度； 近岸海域水质模拟及可视化研究在大鹏半岛南部海域的应用 & 乜酽始，碡；一& 孵脚为水面上的风应力( 矽为风速，忍为空气 密度，p 为风的方向熊，为风应力系数，值约为o 0 0 2 6 ) ，瓤，备分别为对应于 x ，y 轴的流速分量； f 为时间坐标，p 为海水密度： c 为c h e z y 系数( 单位：c 州s ) ，主要取决子海底粗糙度，同时依赖于水深， 目前普遍应用m a n n i n g 公式： c = 半s ( 2 4 ) 甩 。 行为表征海底粗糙度的m a n n i n g 系数。 2 2 数值求解方法 = 维模型的数值计算有很多种方法，耳前被广泛应用的主要有：( 1 ) 有限 差分法，它是广泛应用于流体流动的经典方法，该方法多采用交错网格系统， 其精度、稳定性直接帮差分格式有关。有限差分法的局限性在于对计算区域内 的复杂几何边界处理通常进行阶梯化概化，造成计算模拟边界难以精确而光滑 地拟合实际边界，从而给计算精度带来较大的影响。( 2 ) 分布杂交法，为了解 决在求解大数下的对流扩散与大数下酶不哥歪糕性流溺题及消除在计算传质传 热问题时所经常出现的负浓度与负温升，吴江航【8 0 】提出了分步杂交法。分步杂 交法采用三角形网格系统，将计算的每一时间步长分成两步进行。其特点是在 不规则的三角形网格上，对予对流和扩散算子利麓分步的技巧，各巍采用最适 合它们的方法进行计算。在前半分步，对于对流算子采用特征线法，在后半分 步，对于扩散算子，采用集中质量的有限元法进行计算，计算潮流时，采用有 限体积法求解水位方程。 分步杂交法算法简单、稳定性好、能适应不规则的几何形状和各种边界条 件等优点，不过这个模型也有它的不足之处，主要是时间步长较短，运算时间 长。随着计算机运算速度的大大提高，这一阔题邑得到解决。本文采震分步杂 交法对方程进行离散。 1 3 2 2 1 分步杂交解法 利用分步方法将方程式( 2 1 ) ( 2 3 ) 分解为； 在前半分孝：，z 厶f 匿( ，+ 圭p ，用特征线方法警解方程： 圭警警舻等= 。 圭警彬警等= 。 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 在后半分步：( 玎+ 吉) 厶f 段珂+ 1 灿用集中质量有限元方法求解方程： 圭警叫篆扩专罕，+ 刍+ s 降+ 铡p p 圭警：一善舻吾罕俨，+ 茜+ 占降等) 弘8 ， 在分步杂交方法中，用改型特征线方法计算对流部分，方程( 2 - 5 ) 和( 2 6 ) 的 离散格式为： 盯。：窆z 。“ ( 础f ) d i l ( 2 - 9 ) 一童：杰z 。“：，( 越f ) ( 2 1 0 ) 口= i 其中：z 。( 口：1 ，2 ，3 ) 为点。西，) 在三角形单元 d 内的面积坐标“；( 础) ， v ：j ( 必d ，( 口；l ，2 ，3 ) 分别为( 埠厶o 时刻“，1 ，在三角形单元 d 的三个结点上的值。 对方程( 2 9 ) 、( 2 1 d ) 先以时间半稳式差分： 譬1 警，一 5铅 s 0 0 0 5 c o d3s s 5 1 0 无机氮( 以n 计) o 3 0砷 耋o 0 3 活性磷酸盐( 以p 计) s 0 0 3 0汞s 0 0 0 0 2 石油类 郢0 5 ( 2 ) 评价方法 水质采用单因子污染指数法进行评价，按下列公式计算： 五= g &( 3 - 7 ) 式中：牛。项污染物的质量指数： c 广- f 项污染物的实测浓度( 平均值) ； 对水中溶解氧d o ，则用下式计算： ，f ( d d ) = l d 够d d l ( d ( ) 广d ( u ，f t d d j = 10 9 d d ，d q d 研= 4 6 8 ( 3 1 6 + 力 汕f 项污染物评价标准 d 0 2 d