一种大风条件下的船只废弃物对海滨浴场环境影响的预报方法与流程

本发明涉及海滨浴场环境预报领域，尤其是一种大风条件下的船只废弃物对海滨浴场环境影响的预报方法。

背景技术

影响海滨浴场环境的污染物质包括漂浮物、粪大肠菌群及石油类等，船只废弃物的排放也是这些污染物质的主要来源之一。船只废弃物被排出船体后可以跟随洋流运动很远的距离，并对途经的海滨浴场的环境造成严重的影响。数值模型手段已经被广泛应用于海上溢油及污染物的扩散模拟中，但是大多数数值模型在模拟污染物运动时没有区分污染物的种类，而是将污染物笼统地当做一类物质进行处理。而显然地，不同种类的污染物在运动过程中有着不同的性质，如粪大肠菌群与漂浮物污染物显然具有不同的运动形式。这样将所有的污染物当做一类物质来处理显然是不合理的，特别是在大风条件下，漂浮物类会受到风应力的直接驱动，而悬浮于水体的粪大肠菌群则更多地受到风生流及风引起的波浪的作用。因此有必要在进行污染物运动模拟中对污染物进行分类，并充分考虑大风条件下对不同种类污染物运动的影响。

技术实现要素：

本发明提出了一个适用于数值模拟的污染物分类方法，根据污染物在水体的存在形式，将污染物分为四类：第一类为悬浮ⅰ类，该类型的污染物以悬浮的形式存在于水体中，且其流体动力学性质与水质点相同，在运动时与水质点的运动同步，这类污染物以粪大肠菌为代表；第二类为悬浮ⅱ类，该类型的污染物也是以悬浮的形式存在于水中，但是由于其自身物理性质与水质点区别较大，因此这类污染物在运动过程中并不是与水体质点同步运动，而是存在一定的差异，这类污染物以塑料袋等为代表；第三类为漂浮ⅰ类，这类污染物主要以石油类污染物为主，其运动性质较为复杂，包括扩散、蒸发、溶解、乳化、光降解以及生物降解和吸收等物理机制；第四类为漂浮ⅱ类，这类污染物也是以漂浮的形式进行运动，但是区别于石油类污染物，其物理化学性质较为稳定，其扩散、蒸发、溶解、乳化、光降解以及生物降解和吸收等过程可以忽略不计，这类污染物以漂浮于水面的泡沫为代表。

本发明分析了大风条件对这四类污染物不同的影响，并提出了一个充分考虑大风条件对不同类型污染物影响的数值模型。在该模型的基础上提出了大风条件下船只废弃物对海滨浴场环境影响的预报方法。

附图说明

图1是本发明的技术路线示意图，图2是四种不同类型的污染物的示意图。

具体实施方式

本发明将以一套整合了swan波浪模型、fvcom流场模型以及fvcom泥沙模型的三维波-流-泥沙耦合模型为基础，来计算得到污染物扩散模型所需的流场与波浪场信息。其中三维波-流-泥沙耦合模型将采用wrf大气模型计算得到的风场数据作为表面强迫，并使用tpxo潮汐模型计算的潮汐信息作为模型边界的驱动条件。污染物扩散模将以拉格朗日例子追踪技术为基础，并整合了多种对应不同污染物类型的污染物扩散子模型，并且在油污扩散模型中充分考虑风对不同种类污染物运动的影响。

本发明的具体实施步骤为：1.通过wrf大气模型计算得到风场数据，并将风场数据输入到三维波-流-泥沙耦合模型中。2.通过tpxo潮汐模型计算得到三维波-流-泥沙耦合模型所对应的开边界点处的潮汐信息，并以此来驱动模型。3.使用三维波-流-泥沙耦合模型进行流场以及波浪场的计算，并将计算结果输出给污染物扩散模型，以用于污染物扩散模拟。4.在运行污染物扩散模型前，需要先输入船只废弃污染物的相关信息，其相关信息包括：污染源的位置，污染源所含的污染物种类(按照本发明提出的污染物分类方法进行分类)，每种污染物量等。5.污染物扩散模型根据输入的污染物信息，按照不同的污染物类型分别交给对应的子污染物模型进行污染物扩散的模拟。6.污染物扩散模型将污染物扩散模拟结果，结合用户所给定的海滨浴场的位置、海滨浴场环境评价指标等信息一同输出给海滨浴场评估模型进行评估。7.最终得出船只废弃物对不同海滨浴场环境可能造成的影响，实现预报的目的。

由于污染物在水体中存在形式不同，风对其的影响效果也存在着巨大的差异。对于悬浮ⅰ类的污染物而言，污染物的运动可以看做是与水质点的运动是同步的，风对其运动的影响主要体现在风生流及风浪作用对流场的影响，这种影响可以直接由风对流场的影响体现。对于悬浮ⅱ的污染物，由于其物理性质与水质点存在较大的差异，因此在考虑这类污染物运动时，我们要充分考虑到这种差异。这类污染物可以类比于泥沙在水体中的运动，只是其密度粒径等性质与泥沙存在较大差异。对于泥沙运动而言，为了考虑其在水体中运动时与水体质点之间的差异性，人们常用一个区别于水中温盐的扩散系数来实现，类比于泥沙颗粒，本发明提出了一个适用于悬浮ⅱ类污染物的扩散系数方程：

εp＝αεw#(1)

其中：

式(1)中的εp污染物的垂向扩散系数，εw是温盐的垂向扩散系数，α是一个比例系数，比例系数通过式(2)给出，在式(2)中w是污染物在清水中的沉降速度，u*是摩阻流速，ρp是污染物密度，d50，p是污染物的粒径，ρw是水体密度。对于漂浮ⅰ类污染物我们将采用一个包含溢油在水中扩散、平流、扩展、蒸发、溶解及乳化过程的模型，其中油污的扩展采用lehr公式：

式中：lmin为椭圆短轴长度(m)；lmax为椭圆长轴的长度(m)；δρ＝ρw-ρ0，ρw，ρ0分别为油和水的密度；w为风速(knot)；v为初始溢油体积(barrel)；t为时间(min)。根据lehr公式，每个时间步长中就可以计算出海面油膜的扩展面积。

其中的平流将通过三维波-流-泥沙耦合模型计算的流场加入拉格朗日追踪法来模拟，扩散将通过my-2.5模型来计算。其中由于油污是漂浮于海表面的，因此在大风条件下要特别考虑风应力对油污扩散的影响，在流场和风应力的共同作用下，有例子的中心位置经过δt时间后漂移到的新位置将可用以下公式来计算：

x＝x0+uδt+αvwcosθ·δt#(5)

y＝y0+vδt+αvwsinθ·δt#(6)

式中：u、v为t时刻的潮流流速；vw为海面10m风速，a为风因子，本文取为0.03。

更加还原现实情况，本发明还考虑了油粒子的随机走动，并采用以下公式来表示：

其中：r为[-1，1]之间的均匀分布随机数；ka为a方向上的湍流扩散系数；δt为时间步长。

蒸发过程采用mackay的公式来表示：

式中：e为蒸发率，a、b为从蒸馏曲线导出的常数(a＝6.3，b＝10.3)，t0是修正蒸馏曲线的初始沸点，tg为修正的蒸馏曲线的倾斜度，r为油的表面温度(k)，vm为海面10m处风速，v0为初始溢油体积。

乳化作用将通过含水率来表示：

式中：ym为乳化物含水量(％)，畅为受风速的影响(通常取4.5×10^-6)，uw为风速，为最终水含量(通常取0.8)，t为时间。

对于漂浮ⅱ类污染物，其特征是污染物处于水气界面处，有部分位于大气中，有部分位于水中，这种情况下污染物的运动将需要针对大气(风应力)和水流对其的影响分别考虑，在模型中将分别考虑漂浮ⅱ类污染物受风应力的作用与水流冲击力的作用，并求出两者的合力作用来模拟该类污染物的运动扩散。

对于污染物扩散模型所需的污染物信息，其应包括船只(污染源)的位置，各种污染物的含量，其中对于悬浮ⅱ类污染物需要特别说明其对应的平均粒径和平均密度，这两个信息将用作污染物扩散模型中相关参数的计算，污染物信息所包含的内容如下表：

对于海滨浴场环境评估模型我们需要用户给定所要预测的海滨浴场的位置信息文件，该文件应以海滨浴场名，对应的经度，对应的纬度的形式给出。本发明中已经包含了一套海滨浴场环境等级与不同污染物之间的对应关系，如果用户不另外指定的话，将默认采用这套标准来进行评估，该标准如下：