大辽河口物质输运时间的数值研究

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河口的物质输运时间与河口的生物地球化学过程和环境过程都密切相关。物质输运时间尺度,作为研究河口物质输运机制的一个有效的诊断工具,已经在国际上很多河口、湖泊及海湾得到了广泛应用,在国内的大型河口,例如长江口和黄河口,也已有研究。本文将物质输运时间的相关理论应用在大辽河口,研究不同动力条件下河口的物质输运特征。目前,有关物质输运时间的概念有很多,计算方法也不是唯一的,选择合理的时间尺度及相关计算方法就显得尤为重要。存留时间是指物质第一次离开控制区域所需要的时间;暴露时间是物质存在于控制区域的总时间;年龄则被定义为物质离开释放位置后消逝的时间。通常情况下,这三个时间尺度结合起来就可以较为完整的刻画一个河口的物质输运特征。考虑到数值模型、计算效率以及示踪物扩散过程的模拟,本文选用基于欧拉框架下的计算方法,对这三个时间尺度进行了研究。首先,为了方便的给出大辽河口的开边界条件,采用了网格嵌套方法。基于一个三维的有限体积海岸、海洋数值模式(FVCOM)分别建立了辽东湾和大辽河口区的水动力模型。并利用野外监测获取的水位、潮流和盐度数据对模型进行了率定和验证,结果表明,模型能够较为准确地再现大辽河口的水动力特点,为后续输运时间尺度的计算奠定了基础。然后,利用余函数方法对大辽河口5个分区典型径流条件下的物质存留时间和暴露时间进行计算,得到了示踪物从河道第一次输送至入海河口的时间,以及随后返回河道里往复运动的时间,并据此统计得到回复系数以及表征各个分区之间的相互影响的分区暴露时间矩阵。结果显示:潮汐、径流之间的相互作用控制着大辽河口的物质存留时间;暴露时间与存留时间的变化趋势一致,但大小差别很大,在枯、平、丰水期,暴露时间比存留时间分别多8天、3天、1天;枯水期入海口河段回复系数可以达到0.94,示踪物会在这个区域多次回荡;除了涨急时刻的入海口河段,其他情况下大辽河下游分区对上游分区影响较小。最后,根据CART中年龄理论计算物质输运年龄,分析物质输运的时空分布特征。结果显示:特定位置的物质输运年龄与上游径流量之间的关系可以近似的用一个幂函数来表示;在河道里,径流控制着物质的输运,在枯、平和丰水期,从三岔河至口门处,示踪物分别需要52天,27天和15天;在口门外,潮汐占主导作用,尽管大、小潮期间的年龄相差不到5天。示踪物主要分别沿着东水道的东南方向和西水道的西北方向输运。由于受河口径流潮汐相互作用以及河口盐水入侵的影响,物质输运年龄在口门附近存在明显的层化现象,表层年龄小于底层,表、底层之间的年龄差值能够达到7天。
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