强风场对深圳河湾总氮交换通量的数值模拟研究

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：由此可见风场对河口区域TN浓度的扩散影响较为复杂。东北风河湾交换通量最大，为26.985kg，超过无风河湾交换通量的74.3%。由此可以看出深圳河湾TN交换通量在受到强风支配的同时，还受到潮流的影响。综上所述强风对深圳河、湾的流速与流态影响很大，使得河湾营养盐交换变得错综复杂；强风不仅是支配TN交换通量的控制因子，而且风向也是影响TN交换通量的重要因素。表1不同风向深圳河湾交换通量

将上述参数代入模型进行12m/s无风、西南风和东北风三种情况下，深圳河湾流场、TN浓度场的数值模拟，西南风、东北风涨落潮时的流场图如图4、图5所示（无风流场图在此略过）。

图4　西南风涨潮、落潮时深圳河湾流场图

图5　东北风涨潮、落潮时深圳河湾流场图

从图4、图5可以看出：深圳湾内海流受潮汐和风场影响，涨潮时向东北流、落潮时向西南流，湾内海流的变化主要受潮汐的控制，受强风场的影响，涨潮时在外湾形成顺时针环流，近蛇口海域沿岸边界则形成逆时针补偿环流，落潮时由于风力的吹顶作用，加之地形的影响（湾口北侧有一达15m的深沟），在湾口形成半圆形的顺时针向涡旋，湾口北半部为入流，南半部为出流。西南风向时涨潮流速大于落潮流速，东北风向时涨潮流流速与落潮流相差不大。深圳河、大沙河流速大小受入流流量控制，但流向明显受到深圳湾潮流的影响，涨潮时海流上溯、落潮时下流，整个计算域内的流速大小在2.0m/s以内，流速大小依次为湾口、内湾、河口。

图6　无风模拟8.8h（最高潮）、12.0h时TN浓度场

图7　西南风模拟8.8h（最高潮）、12.0h时TN浓度场

图8　东北风模拟8.8h（最高潮）、12.0h时TN浓度场

无风、西南风、东北风模拟8.8h（最高潮）、12.0h时TN浓度场如图6～图8所示。从图6～图8可以看出：深圳河口区域TN浓度场的分布和变化不仅受潮流的支配而且还受到风场强烈的影响。涨潮时，由于潮流顶托作用，使得深圳河、大沙河TN向外输移受阻，因而河流段TN浓度较高，退潮时河道内的TN普遍向外扩散，造成河口区域TN浓度略微的升高（图6）。由于西南风向与落潮时潮流方向相反，使得一部分浓度较小的海水上溯混合稀释深圳河TN浓度较高的河水，同时西南风向的风场还对深圳河TN向外的输移起阻碍作用。受地形及风向的影响，西南风对大沙河的影响不如深圳河那么明显，与无风时的浓度场相比，除了大沙河TN浓度较高外，深圳河、河口浓度都不同程度的得到降低（图7）。与西南风向恰好相反，东南风向的风场对深圳河TN向外的输移起促进作用，与无风时的浓度场相比，除了大沙河，深圳河及河口浓度都不同程度的得到抬升（图8）。由此可见风场对河口区域TN浓度的扩散影响较为复杂。定义河湾交界单元通量（F t）与本底通量（F 0）差值为交换通量（F），即交换通量C 0）V i。其中Ci为不同时刻输出的河湾交界单元计算浓度，C 0为河湾交界单元的初始浓度，V i为不同河湾交界单元的体积，m为河湾交界单元的个数，计算时段内不同风向河湾交换通量见表1。从表1可以看出：西南风河湾交换通量最小（为5.036kg），仅为无风河湾交换通量（15.483kg）的32.5%。东北风河湾交换通量最大，为26.985kg，超过无风河湾交换通量的74.3%。由于无风时落潮潮流流速大于涨潮潮流流速，因此东北风交换通量相对于无风的变化比率（74.3%）大于西南风相对于无风的变化比率（67.5%）。由此可以看出深圳河湾TN交换通量在受到强风支配的同时，还受到潮流的影响。此外从表1还可以看出：由于风向的不同，与落潮流向相一致的东北风较方向相反的西南风对深圳河湾交换通量影响差别竟达5倍之多，由此可见风向对深圳河湾TN交换通量具有强烈的影响。综上所述强风对深圳河、湾的流速与流态影响很大，使得河湾营养盐交换变得错综复杂；强风不仅是支配TN交换通量的控制因子，而且风向也是影响TN交换通量的重要因素。

表1　不同风向深圳河湾交换通量

强风场对深圳河湾总氮交换通量的数值模拟研究

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