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养殖水域水面冷却对流过程的初步探讨

潘灵芝  丁平兴  
【摘要】:渔业的持续健康发展依赖于可持续利用的水域生态环境资源,所以,保护水域生态环境对渔业的可持续发展至关重要。当今,渔业水域环境污染和生态退化日益严重,已成为制约我国渔业可持续发展的一个关键因素。夏季,由于温跃层的存在水体处于相对稳定状态,限制了底层过剩残饵、陆源污染等有机物高含量水体与上层高溶氧水体间的交换,致使有机物质得不到及时分解和扩散;冬季,由于冷空气作用会发生对流。水面冷却对流广泛存在于湖泊、闭锁性内湾等养殖水域,其引起的水体上下交换可对上层高溶氧水向底层输送、加速底层有机物分解与扩散起到促进作用,使生态环境恶化得到有效的缓解。因此,研究养殖水域水面冷却对流的水动力过程,可为把握溶氧等环境因子的变动规律、探讨对流或者人工对流对养殖水域生态环境的改善等提供理论依据。本文从物理模型和数值模型两个方面,对理想形状湖泊的水面冷却对流问题展开研究。作者参加了物模实验的测量工作,使用红外测温仪在小型室内矩形水槽的水面冷却实验中捕捉到了对流的存在。考虑垂向二维对流,在静压假设条件下,忽略科氏力、分子粘性力及分子热传导过程,从连续方程、动量方程和能量方程出发,将压力分为静水压和扰动项之和, 并引入特征量值进行无量纲化。得到由水面冷却引发的对流现象的垂向二维模型。该模式得到了物模实验的率定,并将其应用到圆弧行底部湖泊的水面冷却对流现象的模拟,定量探讨了水面冷却而引起的对流演变的过程。计算结果显示:水面冷却对流可分为对流发生、发展和消亡三个阶段,各阶段流场及温度场的演变规律均受水面有效势能分配于扩散及对流的热输送比率变化的影响,并形成与之相对应的对流涡、温度分布特征;对流涡产生后进入一个非线性的自组织过程,由众多小尺度的对流涡逐渐合并,对流涡个数减少而尺度增大,最终形成与水深相当的大对流涡,温度等值线由对流发生之初的水平状分布几乎完全变成垂直分布,与此同时,上下层水体得到充分交换;之后,对流涡的强度慢慢减弱。

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