ECOMSED模式及其在海洋數值模擬方面的應用

賈利青，張宗坤，邢靜芳，姚富強

（太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

目前，國際上使用較廣泛的河口海洋數值模式有美國麻州大學的FVCOM、普林斯頓大學的POM、佛羅里達大學的等密度面模式、荷蘭的Delft模式、德國的漢堡模式和丹麥模式。POM有別于其他海洋模式的主要特點是：垂直方向采用σ坐標，因而可以方便地引入大陸架底形；垂直差分為隱式，消除時間對垂直坐標的限制，可使海洋上、下邊界層的分辨率提高而保持計算穩定；在海面無剛蓋近似，因而海面的自由高度可用模式預報；為了節省計算時間和增加模式的計算穩定性，POM將海流的正壓模和斜壓模分離，采用不同的時間步長，外模時間步長較短，內模時間步長較長。ECOM模式是當今國內外應用較為廣泛的海洋模式，是在POM模式的基礎上發展起來的。

1 ECOMSED模式介紹

1.1 ECOMSED模式發展

在POM模式基礎上發展而來的ECOM模式適用于淺水環境，如河流、海灣、河口和近岸區域、以及水庫和湖泊。在近些年的發展當中，黏性沉積物再懸浮、沉積、輸運等概念被引入到ECOM模式中，ECOM在加入了一般的開邊界條件，考慮了示蹤物、底邊界層、表面波模型、沉積物輸運、以及溶解物和沉積物的邊界示蹤物容量等，從而發展成為目前的ECOMSED模式。

1.2 ECOMSED功能

ECOMSED是一個模擬水動力、波浪和沉積物輸運的三維數值模型。此模型可以用來模擬海洋和淡水系統中的水位、海流、波浪、溫度、鹽度、示蹤物、有黏性、無黏性沉積物的時空分布，是一個集成化的模型，它包含以下幾個模塊：水動力模塊、沉積物輸運模塊、風浪模塊、熱通量模塊、水質模塊和顆粒物追蹤模塊。用戶可以根據實際需要調用整個模塊，或者屏蔽其中某些模塊。例如：獨立運行水動力模塊，把輸運信息存儲到單獨的文件，然后運行沉積物輸運模塊使用先前存儲的輸運信息。ECOMSED中的子模型設計成互相結合運行，即一個子模型的結果作為另一個的輸入數據。所有的子模型都使用了相同的正交曲線計算網格結構以及隱性數值解方法。ECOMSED使用正交曲線坐標系統，大大地增加了模型在處理不規則海岸線及滿足指定位置需要高分辨率的要求的效率。ECOMSED能夠模擬河口及近岸系統中懸沙、溶解態示蹤劑和中性懸浮顆粒的輸移及運動趨勢。通過使用ECOMSED模型中的各種設置，可以研究各種關于水光學及溢出跟蹤的問題[1]。

1.3 控制方程

ECOMSED模式的一大優點是：垂向采用Sigma坐標系統，能夠比較方便地處理淺海變化的海底地形；水平采用正交曲線網格可以比較好地擬合岸線，采用Arakawa C交錯網格。

在正交曲線坐標系下控制方程由連續性方程、雷諾平均動量方程、溫鹽守恒方程、紊流閉合模型方程及邊界條件組成。

1.4 模態分離技術

海洋運動有兩種速率明顯不同的運動，即與表面重力波相關的快速運動和與密度場有關的相對較慢的運動。前者主要由整層水體的輻射和輻合所致，與向上各層的流動細節無關，屬于二維運動；后者主要由三維的密度不均勻所致，屬于三維運動。ECOMSED水動力模塊包含兩個模態，即內模態和外模態，在進行計算時，采用模態分離技術(Mode Splitting Technique)可以節約計算機時，外模態忽略垂向結構，考慮水平對流和擴散，計算二維變量，如水位、二維速度等，是一個二維的水動力模型。通過把控制方程在垂直方向上積分，求得垂向平均量代入二維方程求解。內模態三維水動力模型考慮垂向分層使用Sigma坐標，計算三維變量，如三維速度、溫度、鹽度等。在計算自由海面高度時可以忽略垂向結構，只考慮體積輸運。

2 ECOMSED在海洋數值模擬方面的應用

2.1 在潮流水動力方面的應用

大面積的渾濁水域是我國海洋環境的重要特征，長江口外的渾濁水海域就是其中具有典型性的海域，尤其是119°E～125°E,25°N～34°N范圍內的東海海域，這一海域水文狀況復雜，黑潮從研究海域的東南角切入，從而伴生黑潮在臺灣東北部對陸架的入侵，形成陸架水與高溫高鹽的黑潮水之間的相互作用；臺灣暖流與浙江沿岸流系在本研究海域的并存，構成夏季閩浙外海極強的溫度鋒面；長江每年要向本海域輸入約5×108 t泥沙，是本混濁水海域重要的陸源物質。就在這樣復雜的海域情況下，中國科學院海洋研究所[2]借助ECOMSED模式，進行水動力環境要素的模擬和懸浮物輸運的研究，建立起長江口外東海域三維水動力數值模型，獲得了較符合實際的風海流-潮流的模擬結果，為下一步在如此復雜的長江口外海域開展三維懸沙濃度分布的數值模擬打下了基礎。

磨刀門是珠江的主要泄洪通道之一，徑流分配居珠江三角洲八大口門之首。呂海濱等[3]通過ECOMSED模型模擬了磨刀門海域洪枯季節水動力場，對潮流、余流、潮能通量特性進行了對比，發現整治后磨刀門水力強度加大，而且流速灘槽分異明顯，余流場與落潮流方向一致。

2.2 在溫排水方面的應用

近年來，隨著大亞灣經濟的迅速發展，核／火發電廠在大亞灣地區相繼建起，發電廠的廢熱通過溫排水排入大亞灣海域，對水環境產生了很大的影響，甚至造成熱污染，而對大亞灣海域溫升分布作出準確的模擬是防止熱污染的關鍵。中山大學[4]利用ECOMSED數值模式建立了大亞灣潮流三維數值模型。用該模型對大亞灣核電站附近海域的典型潮型進行了潮流場計算，計算所得的潮位與實測值無論是潮高還是相位均吻合良好，計算所得的各測點的流速和流向與實測數據趨于一致。在模型驗證結果良好的基礎上，并結合建立在對流擴散理論基礎之上的輸運擴散模型，對嶺澳核電站與大亞灣核電站合排后溫排水的擴散過程進行了數值計算。在此基礎上分析了不同排水條件下溫排水對取水口溫升的影響，利用數值實驗探討了非線性底摩擦及平流項對溫排水擴散的影響。

2.3 在泥沙輸運方面的應用

根據黃驊港外航道淤積問題的具體情況，趙群[5]采用ECOMSED模式對黃驊港海域的潮流、泥沙進行了模擬。并與收集到的現場實測資料進行比較,也得到較好的結果。數值模擬顯示，波浪是造成黃驊港外航道泥沙淤積的主要動力因素；在以波浪為主的動力條件下，含沙量在波浪破碎帶達到最大，并且沿水深變化梯度較大。破碎帶當地的泥沙跨過航道落淤是黃驊港外航道淤積的主要原因，岸邊泥沙隨落潮流下瀉不是黃驊港外航道大風驟淤的主要原因。

3 小結

ECOMSED模式在海洋數值模擬方面已獲得較好的應用。其優點在于垂向采用Sigma坐標系統，能夠比較方便地處理淺海變化的海底地形；水平采用正交曲線網格可以比較好地擬合岸線。但泥沙模塊方面具有局限性，僅僅是針對懸移質運動，非黏性泥沙的推移質運動沒有涉及，這就限制了ECOMSED在沙質海岸的應用，因此在此領域需作進一步的研究。

[1]Blumberg A F.A Primer for ECOMSED（Version 1.3）[M].America:HydroQual，Inc，2002.

[2]王凱，劉咪咪，施心慧.長江口外海域三維水動力模擬結果及與觀測的比較[J].海洋科學集刊，2009，49：19-28.

[3]呂海濱，吳超羽，劉斌.珠江口磨刀門整治前后水動力數值模擬.海洋科學[J]，2006，30（11）：58-63.

[4]彭曉飛.大亞灣海域溫排水三維數值模擬研究[D]，2008.

[5]趙群.基于SWAN和ECOMSED模式的大風作用下黃驊港波浪、潮流、泥沙的三維數值模擬[J].泥沙研究，2007，4：17-26.