ECOMSED模式及其在海洋数值模拟方面的应用

贾利青，张宗坤，邢静芳，姚富强

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024）

目前，国际上使用较广泛的河口海洋数值模式有美国麻州大学的FVCOM、普林斯顿大学的POM、佛罗里达大学的等密度面模式、荷兰的Delft模式、德国的汉堡模式和丹麦模式。POM有别于其他海洋模式的主要特点是：垂直方向采用σ坐标，因而可以方便地引入大陆架底形；垂直差分为隐式，消除时间对垂直坐标的限制，可使海洋上、下边界层的分辨率提高而保持计算稳定；在海面无刚盖近似，因而海面的自由高度可用模式预报；为了节省计算时间和增加模式的计算稳定性，POM将海流的正压模和斜压模分离，采用不同的时间步长，外模时间步长较短，内模时间步长较长。ECOM模式是当今国内外应用较为广泛的海洋模式，是在POM模式的基础上发展起来的。

1 ECOMSED模式介绍

1.1 ECOMSED模式发展

在POM模式基础上发展而来的ECOM模式适用于浅水环境，如河流、海湾、河口和近岸区域、以及水库和湖泊。在近些年的发展当中，黏性沉积物再悬浮、沉积、输运等概念被引入到ECOM模式中，ECOM在加入了一般的开边界条件，考虑了示踪物、底边界层、表面波模型、沉积物输运、以及溶解物和沉积物的边界示踪物容量等，从而发展成为目前的ECOMSED模式。

1.2 ECOMSED功能

ECOMSED是一个模拟水动力、波浪和沉积物输运的三维数值模型。此模型可以用来模拟海洋和淡水系统中的水位、海流、波浪、温度、盐度、示踪物、有黏性、无黏性沉积物的时空分布，是一个集成化的模型，它包含以下几个模块：水动力模块、沉积物输运模块、风浪模块、热通量模块、水质模块和颗粒物追踪模块。用户可以根据实际需要调用整个模块，或者屏蔽其中某些模块。例如：独立运行水动力模块，把输运信息存储到单独的文件，然后运行沉积物输运模块使用先前存储的输运信息。ECOMSED中的子模型设计成互相结合运行，即一个子模型的结果作为另一个的输入数据。所有的子模型都使用了相同的正交曲线计算网格结构以及隐性数值解方法。ECOMSED使用正交曲线坐标系统，大大地增加了模型在处理不规则海岸线及满足指定位置需要高分辨率的要求的效率。ECOMSED能够模拟河口及近岸系统中悬沙、溶解态示踪剂和中性悬浮颗粒的输移及运动趋势。通过使用ECOMSED模型中的各种设置，可以研究各种关于水光学及溢出跟踪的问题[1]。

1.3 控制方程

ECOMSED模式的一大优点是：垂向采用Sigma坐标系统，能够比较方便地处理浅海变化的海底地形；水平采用正交曲线网格可以比较好地拟合岸线，采用Arakawa C交错网格。

在正交曲线坐标系下控制方程由连续性方程、雷诺平均动量方程、温盐守恒方程、紊流闭合模型方程及边界条件组成。

1.4 模态分离技术

海洋运动有两种速率明显不同的运动，即与表面重力波相关的快速运动和与密度场有关的相对较慢的运动。前者主要由整层水体的辐射和辐合所致，与向上各层的流动细节无关，属于二维运动；后者主要由三维的密度不均匀所致，属于三维运动。ECOMSED水动力模块包含两个模态，即内模态和外模态，在进行计算时，采用模态分离技术(Mode Splitting Technique)可以节约计算机时，外模态忽略垂向结构，考虑水平对流和扩散，计算二维变量，如水位、二维速度等，是一个二维的水动力模型。通过把控制方程在垂直方向上积分，求得垂向平均量代入二维方程求解。内模态三维水动力模型考虑垂向分层使用Sigma坐标，计算三维变量，如三维速度、温度、盐度等。在计算自由海面高度时可以忽略垂向结构，只考虑体积输运。

2 ECOMSED在海洋数值模拟方面的应用

2.1 在潮流水动力方面的应用

大面积的浑浊水域是我国海洋环境的重要特征，长江口外的浑浊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范围内的东海海域，这一海域水文状况复杂，黑潮从研究海域的东南角切入，从而伴生黑潮在台湾东北部对陆架的入侵，形成陆架水与高温高盐的黑潮水之间的相互作用；台湾暖流与浙江沿岸流系在本研究海域的并存，构成夏季闽浙外海极强的温度锋面；长江每年要向本海域输入约5×108 t泥沙，是本混浊水海域重要的陆源物质。就在这样复杂的海域情况下，中国科学院海洋研究所[2]借助ECOMSED模式，进行水动力环境要素的模拟和悬浮物输运的研究，建立起长江口外东海域三维水动力数值模型，获得了较符合实际的风海流-潮流的模拟结果，为下一步在如此复杂的长江口外海域开展三维悬沙浓度分布的数值模拟打下了基础。

磨刀门是珠江的主要泄洪通道之一，径流分配居珠江三角洲八大口门之首。吕海滨等[3]通过ECOMSED模型模拟了磨刀门海域洪枯季节水动力场，对潮流、余流、潮能通量特性进行了对比，发现整治后磨刀门水力强度加大，而且流速滩槽分异明显，余流场与落潮流方向一致。

2.2 在温排水方面的应用

近年来，随着大亚湾经济的迅速发展，核／火发电厂在大亚湾地区相继建起，发电厂的废热通过温排水排入大亚湾海域，对水环境产生了很大的影响，甚至造成热污染，而对大亚湾海域温升分布作出准确的模拟是防止热污染的关键。中山大学[4]利用ECOMSED数值模式建立了大亚湾潮流三维数值模型。用该模型对大亚湾核电站附近海域的典型潮型进行了潮流场计算，计算所得的潮位与实测值无论是潮高还是相位均吻合良好，计算所得的各测点的流速和流向与实测数据趋于一致。在模型验证结果良好的基础上，并结合建立在对流扩散理论基础之上的输运扩散模型，对岭澳核电站与大亚湾核电站合排后温排水的扩散过程进行了数值计算。在此基础上分析了不同排水条件下温排水对取水口温升的影响，利用数值实验探讨了非线性底摩擦及平流项对温排水扩散的影响。

2.3 在泥沙输运方面的应用

根据黄骅港外航道淤积问题的具体情况，赵群[5]采用ECOMSED模式对黄骅港海域的潮流、泥沙进行了模拟。并与收集到的现场实测资料进行比较,也得到较好的结果。数值模拟显示，波浪是造成黄骅港外航道泥沙淤积的主要动力因素；在以波浪为主的动力条件下，含沙量在波浪破碎带达到最大，并且沿水深变化梯度较大。破碎带当地的泥沙跨过航道落淤是黄骅港外航道淤积的主要原因，岸边泥沙随落潮流下泻不是黄骅港外航道大风骤淤的主要原因。

3 小结

ECOMSED模式在海洋数值模拟方面已获得较好的应用。其优点在于垂向采用Sigma坐标系统，能够比较方便地处理浅海变化的海底地形；水平采用正交曲线网格可以比较好地拟合岸线。但泥沙模块方面具有局限性，仅仅是针对悬移质运动，非黏性泥沙的推移质运动没有涉及，这就限制了ECOMSED在沙质海岸的应用，因此在此领域需作进一步的研究。

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

[2]王凯，刘咪咪，施心慧.长江口外海域三维水动力模拟结果及与观测的比较[J].海洋科学集刊，2009，49：19-28.

[3]吕海滨，吴超羽，刘斌.珠江口磨刀门整治前后水动力数值模拟.海洋科学[J]，2006，30（11）：58-63.

[4]彭晓飞.大亚湾海域温排水三维数值模拟研究[D]，2008.

[5]赵群.基于SWAN和ECOMSED模式的大风作用下黄骅港波浪、潮流、泥沙的三维数值模拟[J].泥沙研究，2007，4：17-26.