江苏大丰潮滩潮流边界层特征研究

2003年7月中小潮期间使用MIDAS-400用户化数据采集系统在江苏大丰潮滩上进行了垂向多层位同步的流速和悬沙浓度观测。根据观测资料研究了潮流作用下的潮滩底部边界层过程,结果表明,观测地点的潮汐不对称现象十分明显,落潮流速、历时和输水输沙量皆明显大于涨潮;在潮周期内的多数时间里流速剖面符合对数分布,但在风力较强、水流快速增加和流速缓慢的情况下,流速剖面常偏离对数分布;悬沙颗粒垂向混合均匀,悬沙浓度剖面符合Rouse公式;落潮时的底部切应力和摩阻流速明显大于涨潮,摩阻流速与各水层流速通常有较好的线性关系;滩面糙度主要与沙纹形态和推移质运动强度有关,它与摩阻流速存在密切关系;悬沙浓度具有明显的减阻效应,受其影响,摩阻流速和底部切应力分别减小了28%~41%和40%~62%。     

东山湾潮流动力特征研究

东山湾是福建重要的天然良港．根据2008年8月的3个潮次11个测站实测潮流资料结合历史调查资料分析东山湾的潮流性质、运动形式、涨落潮流特性、余流等特征．结果表明,东山湾主要属于往复式的规则半日潮流,潮流作用较强,其口门处和湾内水道上的实测最大流速一般大于100cm／s．持续时间较长的风对东山湾的余流较大的影响,大潮期间湾内存在明显的反时针的水平余环流系统．     

9810号台风影响期间厦门湾海水化学要素变化特征

热带风暴是影响我国沿海地区的主要自然灾害之一.由于海洋资源开发利用、海洋环境保护等工作的需要,加之海洋科学观测技术手段的进步,近年来,国内外不少学者致力于热带风暴对近海水文气象、海岸港湾工程建设、水体热交换、海洋生态等方面的影响.台风风场导致海水水体强烈运动,加之其所伴随的暴雨、风暴潮将会极大地加速近岸浅水海域陆-海,河-海,海-空,海水-海底沉积物等界面之间的物质和能量交换,引起海水水化学要素在短期内急剧变化,进而影响海水水质状况以及海洋生物过程,海水养殖和其他海洋资源开发利用.     

基于FVCOM的厦门湾及其周边海域三维潮流数值模拟

基于非结构三角形网格、干-湿判别技术和有限体积法的FVCOM（finite volume coastal oceanmodel）海洋数值模式,建立了厦门湾及其周边海域高分辨率（30 m）的三维潮汐、潮流数值模型.模拟结果同该海域2个验潮站和4个连续海流站的观测资料符合良好,较好地反映了厦门湾及其周边海域潮汐、潮流运动的变化状况和分布特征,并给出了M2、S2、K1、O1共4个主要分潮的同潮图、表层潮流椭圆、最大可能潮流流速及表、底层潮余流分布.厦门湾及其周边海域属正规半日潮类型,4个分潮的最大潮汐振幅分别为200、65、36、29 cm,厦门湾内外迟角差分别为20°、25°、18°、10°;镇海角至围头角连线东南侧湾口区为逆时针旋转的驻波,西北侧湾内为前进潮波.湾内潮流属正规半日潮流,湾口区潮流以逆时针方向的旋转流运动为主,湾内各水道为往复潮流,椭圆长轴与水道走向一致,4个分潮流表层最大流速分别为201、51、34、25 cm/s;九龙江口区3条港道内的流速以南港最大;表层余流大于底层余流,二者水平分布形态基本一致,都为北进南出.     

厦门湾潮流场的数值模拟

本文依据二维长波方程，用ＡＤＩ方法建立差分方程，计算了厦门湾附近海域的半日潮和全日潮，并考虑了计算域西部九龙江的径流对该海域流场的影响，得到瑟实际观测符合良好的结果；从而根据数值模拟实测结果，对厦门湾的潮汐和潮流等进行了讨论。     

围（填）海工程对厦门湾潮流动力累积影响的初步研究

利用2007年厦门湾岸线和地形,对数学模型的参数进行验证,在验证结果达到规范要求的基础上,对厦门湾5个典型历史时期岸线和地形下的潮流场进行模拟计算,并根据数值模拟结果分析不同期间围（填）海工程对厦门湾潮流动力的累积影响.到2009年,通过嵩鼓断面和厦鼓断面的潮量分别减少了54.9%和24.5%,而通过同安湾湾口断面的潮量减少了23.7%.围（填）海工程对厦门湾湾内流速大小的影响比较明显,厦门西海域和同安湾海域的主要航道及湾口流速变化尤为明显.嵩鼓水道流速减少了40%以上,厦鼓水道流速减少了20%以上.结果表明：由于诸多围（填）海工程建设,致使海域面积大量缩小,进而引起了厦门湾纳潮量显著减少,潮流动力条件明显降低.     

台风暴雨影响期间厦门湾海水盐度、pH、溶解氧和COD变化特征

研究了在两次台风和一次暴雨期间及随后的恢复期内，厦门湾表层海水盐度、pH、溶解氧以及COD的变化特征。结果表明，台风暴雨期间两站位盐度、pH和溶解氧呈下降趋势而COD则正好相反。随后几日这些参数逐渐回落到风雨前的水平。对影响这些参数变化的机制进行了初步探讨。     

厦门高集海堤开口改造工程潮流泥沙物理模型试验研究

通过潮汐水流和悬沙淤积物理模型试验,研究厦门高集海堤开口改造工程潮流泥沙问题,研究表明,高集海堤开口后,东、西海域两股水流的汇流区和分流区在高集海堤附近,东海域涨潮流速有所增大,落潮流速有所减小,西海域则相反;随着开口宽度增大,流速变幅增大,开口大于800 m后流速变幅趋缓;海堤开口后净输水方向为自东海域向西海域,有利于厦门湾内水体与外海的交换;高集海堤开口对东渡港区泥沙淤积影响不大.综合分析认为高集海堤开口宽度800～1 000 m较为合适,开口800 m时大潮条件下1d的净输水量约0.91×108m3,东渡北港区港池年平均回淤强度增大0.18 m/a左右,航道淤强增大0.05 m/a左右.     

厦门湾海域及金门水道潮流能特征分析

采用无结构三角形网格海洋数值模式FVCOM,建立厦门湾及其邻近海域三维潮汐潮流数值模型。通过模型计算结 果统计其潮流能要素特征表明：大小潮期间平均流速较大区域主要发生在金门水道、金门北东水道、厦门东侧水道、九龙江 口至青屿水道以及安海湾口门附近海域;该海域最大可能流速最大值可达到2.2 m/s,发生在金门北东水道,金门水道次之; 金门水道一年内垂向平均流速超过1 m/s的时间占28.3 %;金门水道潮流能蕴藏量为2 917 kW。     

江苏大丰潮间带粉砂滩的潮流边界层特征

对江苏大丰潮间带粉砂滩的潮流观测数据，运用Karman-parndtl模型分析了流速对数剖面的出现频率和边界层参数（摩阻流速与粗糙长度）。结果表明，不同时间尺度（10^1-10^3s）的平均流速对计算u-lnz线性关系出现频率的影响不大，而不同层位组合的影响较为显著，影响流速对数剖面分布的自然因素为波浪、风、潮流旋转、表底层流向差异、滩面坡度和水流加减速等。相邻层位的流速在时间序列上存在很高的线性关系，回归直线的斜率与水层距底床的高度、粗糙长度和摩阻流速有关。涨潮阶段床面粗糙长度大于落潮阶段，涨潮阶段摩阻流速小于落潮阶段。     

厦门湾浮游生物量和营养盐含量时空分布的数值模拟研究

初步构建了一个以浮游植物（P）、浮游动物（Z）和营养盐（N,包括无机氮和活性磷酸盐）为生态变量的NPZ简单生态模型,并通过与POM三维水动力模型的耦合,建立了三维浮游生态动力学模型,开展了厦门湾全海域三维浮游生态系统时空变化的模拟研究.结果显示,厦门海域浮游动植物有明显的季节变化,春、夏季生物量最高,秋、冬季较低,但不同的海区达到峰值的季节并不相同;活性磷酸盐含量冬季最高,春季最低,与浮游植物量值有较明显的反位相关系,表明厦门湾海域浮游植物的生长主要受活性磷酸盐含量限制.模拟结果符合历史观测特征,且模拟值与实测值量级比较吻合,因此所建立的三维浮游生态动力学模型可用于描述厦门湾海域浮游生态的时空变化特征.     

波流作用下海底边界层沉积物再悬浮与影响因素研究

海底沉积物再悬浮及其分布取决于海洋水动力、沉积物类型与床面形态之间复杂的相互作用,准确地理解和确定沉积物再悬浮过程对于沉积物输运的研究具有重要的意义。本文在祥云湾海洋牧场典型海域开展现场原位观测,获取研究区波浪、海流及悬浮沉积物浓度数据;分析了波、流作用下海底边界层悬浮沉积物垂向分布特征,并探究了海洋水动力和床面形态对悬浮沉积物垂向分布的影响。结果表明,研究区波流之间的相互作用不显著,沉积物再悬浮受控于风暴浪作用,风暴浪作用下底床切应力可以达到沉积物临界切应力的10～15倍,沉积物的再悬浮滞后于风暴浪作用2～3 h。在波浪荷载微小的情况下,悬浮沉积物垂向分布呈现"I"型,波浪荷载下,悬浮沉积物垂向分布呈现幂指函数分布,表现为"L"型;床面形态随波、流作用而演化,影响沉积物的再悬浮过程,u_?w/u_?c=1.00可作为波浪和海流起主导控制作用的床面形态的判别依据,纯波浪荷载作用下的u_?w/u_?c显著高于波浪主控作用下,但二者之间的界线随着波浪荷载的增加而升高。     

A traversing system to measure bottom boundary layer hydraulic properties

This study describes a new convenient and robust system developed to measure benthic boundary layer properties, with emphasis placed on the determination of bed shear stress and roughness height distribution within estuarine systems by using velocity measurements. This system consisted of a remotely operated motorised traverser that allowed a single ADV to collect data between 0 and 1 m above the bed. As a case study, we applied the proposed traversing system to investigate bottom boundary layer (BBL) hydraulic properties within Coombabah Creek, Queensland, Australia. Four commonly-employed techniques: (1) Log-Profile (LP); (2) Reynolds stress (RS); (3) Turbulent Kinetic Energy (TKE); and (4) Inertial Dissipation (ID) used to estimate bed shear stresses from velocity measurements were compared. Bed shear stresses estimated with these four methods agreed reasonably well; of these, the LP method was found to be most useful and reliable. Additionally, the LP method permits the calculation of roughness height, which the other three methods do not. An average value of bed shear stress of 0.46 N/m², roughness height of 4.3 mm, and drag coefficient of 0.0054 were observed within Coombabah Creek. Results are consistent with that reported for several other silty bed estuaries.     

三沙湾夏季底边界层动力过程及悬沙输运特征

基于2018年8月福建三沙湾湾内外共两个定点站位的船基和座底三脚架观测数据,研究了三沙湾底边界动力过程及悬沙输运特征。结果表明,三沙湾湾内湾外两个站位均表现出涨落潮历时相近但涨落潮流速明显不对称的现象,即湾内涨潮流速大于落潮流速,湾外则相反。湾内水体受淡水输入影响较大,表现出落潮期间显著的温盐层化,而涨潮期间水体混合良好;湾外水体受淡水影响不明显,表现为水体温度主导的层化。通过对底边界层动力过程的分析表明,湾内(距底0.75m)、湾外(距底0.50m)站位底边界层的平均摩阻流速分别是0.016m/s、0.013m/s,且两个站位拖曳系数基本相等(2.03×10^–3),表明在相同流速下湾内站位的底部切应力更大,近底沉积物再悬浮和搬运相对湾外站位更为显著。因此观测期间悬沙浓度最大值出现在湾内站位,为109mg/L,且悬沙在垂向上的分布可达上层水体;湾外站位悬沙浓度更低,并且底部悬浮泥沙仅能影响至距底5m的水体。悬沙通量机制分解结果表明,三沙湾夏季的潮周期单宽悬沙从湾外向湾内方向净输运,湾内站位向湾内方向净输运74.88 g/(m·s),平流输沙占主导作用,贡献率41....     

波浪运动在底边界层的湍流结构数值研究

本文基于$ k $-$ \varepsilon $ 模型研究了波流边界层内湍流结构特征。研究结果表明,时均流速分布数值解与实验结果高度吻合。一个波周期内湍流结构特征（如：涡量、湍动能、湍动能耗散率等）呈周期性变化规律,波浪作用引起涡量、湍动能及湍动能耗散率均在减速阶段减小,在波谷处达到最低值,而后在加速阶段增大,并在波峰处达到最大值。近壁面处湍流结构变化幅值较大（湍动能耗散率变化可达53%）,远离壁面处变化幅值较平均值较小（仅3%）。波流边界层厚度在减速阶段增加,在加速阶段减小。本文所建立的数值模型克服了现有模型因采用“高雷诺数方法”引起的近壁区精度不高问题,可较好地描述波浪作用下湍流结构演变过程的物理机制,为河口海岸地区泥沙运动、岸滩演变及海洋可再生能源的开发利用提供一些指导意义。     

CODAS系统在厦门湾走航ADCP观测资料质量控制中的应用

CODAS系统搭配相应质量控制参数,用以识别ADCP在复杂测流环境下测得的可疑或错误流速单元和剖面.通过水跟踪和底跟踪,CODAS系统可有效获取仪器自带数据处理软件vmdas、winriver无法修正的系统误差.本研究采用该系统对厦门湾走航ADCP测量数据做后续质量控制,所得相应系统误差如下：旋转角度偏差ΔФ=3.2°,幅值修正因子β=0.98.此外,以底跟踪测得流速为准确值,参考GPS数据经过系统误差订正后,流速精度显著提高,平均误差订正前后分别为28.9cm/s和11.6 cm/s.最后,结合现场数据采集工作与数据质量控制过程,总结数据质量问题一般特征并提出改进建议.     

厦门海域水体中有机锡的存在形态与含量分布

利用固相萃取-气相色谱-火焰光度检测(SPE-GC-FPD)对厦门海域表、底层海水中的有机锡化合物进行了分析检测。其中表层海水中检出的有机锡化合物以二丁基锡(DBT)为主,底层海水中以三丁基锡(TBT)为主,且TBT的浓度显著高于表层水。表层海水中总有机锡浓度在129.1—4 826.8 ng(Sn).L-1之间,底层海水则分布在321.6—1 954.5ng(Sn).L-1之间。结果显示,厦门港内及同安湾附近海域水体中的有机锡浓度远高于九龙江口及厦门西南海域,这与厦门海域船舶活动和网箱养殖密切相关。通过对鼓浪屿站点表层海水中有机锡化合物15 h的连续监测,推测光照对水体中有机锡的降解影响显著。     

浅化波浪层流边界层流速分布特性的数值分析

建立了同时考虑波致雷诺应力和时均水平压强梯度影响的二阶波浪边界层数学模型,模型计算得到的浅化波浪层流边界层内瞬时流速剖面、振荡速度幅值和时均流速剖面均与水槽实验数据吻合较好,在此基础上探讨了浅化波浪边界层流速分布特性及其影响机制。随着波浪的浅化变形,边界层内时均流速剖面"底部向岸、上部离岸"的变化特征越来越明显。这是二阶对流项引起的波致雷诺应力和离岸回流引起的时均水平压强梯度共同作用的结果,在床面附近由波致雷诺应力占主导作用并趋于引起向岸流动,在上部区域由时均水平压强梯度占主导作用并趋于引起离岸流动。