DB21T 3780-2023 褐潮災(zāi)害預(yù)警數(shù)值模擬分析技術(shù)規(guī)程　

ICS13.020.01CCSZ17DB21Technicalspecificationforintestinalmicrobiotaanalysisandhealt遼寧省市場(chǎng)監(jiān)督管理局發(fā)布IDB21/T3780—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利，本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由遼寧省自然資源廳提出并歸口。本文件起草單位：遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院。本文件主要起草人：王昆，宋倫，艾叢芳，吳金浩，王召會(huì)，杜靜，姜恒志，邵澤偉，孔芳。本文件發(fā)布實(shí)施后，任何單位和個(gè)人如有問題和意見建議，均可以通過(guò)來(lái)電和來(lái)函等方式進(jìn)行反饋，我們將及時(shí)答復(fù)并認(rèn)真處理，根據(jù)實(shí)際情況依法進(jìn)行評(píng)估及復(fù)審。歸口管理部門通訊地址：遼寧省自然資源廳（沈陽(yáng)市皇姑區(qū)北陵大街29號(hào)聯(lián)系電話文件起草單位通訊地址：遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院（大連市沙河口區(qū)黑石礁街50號(hào)聯(lián)系電話1DB21/T3780—2023褐潮災(zāi)害預(yù)警數(shù)值模擬分析技術(shù)規(guī)程本文件規(guī)定了有關(guān)褐潮災(zāi)害預(yù)警數(shù)值預(yù)測(cè)分析的術(shù)語(yǔ)和定義、方法與技術(shù)、數(shù)值模擬結(jié)果的動(dòng)態(tài)演示及分析的相關(guān)技術(shù)要求。本文件適用于遼寧省管轄海域褐潮災(zāi)害預(yù)警的數(shù)值模擬與分析。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件，不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB3097海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB11607漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T12763.2海洋調(diào)查規(guī)范第2部分：海洋水文觀測(cè)GB/T17378.4海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范第4部分：海水分析DB21/T2426DB21/T2427DB21/T2776DB21/T3033污染事故影響數(shù)值預(yù)測(cè)分析技術(shù)規(guī)程海洋褐潮監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程褐潮損失評(píng)估技術(shù)規(guī)程褐潮生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程3術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1褐潮Browntide即“微微型浮游植物赤潮”，是由海洋中的一些微微型藻類在一定環(huán)境條件下暴發(fā)性增殖或聚集達(dá)到某一水平，引起水體變色或?qū)Ｑ笾衅渌锂a(chǎn)生危害的一種生態(tài)異?，F(xiàn)象。[來(lái)源：DB21/T2427—2015，3.2]3.2褐潮災(zāi)害Browntidedisaster每年的5月中下旬至7月下旬，微微型藻類暴發(fā)性增殖或聚集，當(dāng)一升水體中微微型藻類的密度達(dá)到107個(gè)及以上時(shí)，所誘發(fā)的海洋生態(tài)災(zāi)害。2DB21/T3780—20233.3數(shù)值預(yù)測(cè)分析Numericalpredictionanalysis采用數(shù)值模擬方法，針對(duì)特定海域假設(shè)某一事件發(fā)生后，可能對(duì)海洋環(huán)境造成的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)估與分析的過(guò)程。3.4水動(dòng)力數(shù)值模擬Hydrodynamicnumericalsimulation將水動(dòng)力學(xué)方面的實(shí)際問題抽象成滿足其物理特征的數(shù)學(xué)問題-偏微分方程組來(lái)描述，采用合適的離散方法進(jìn)行求解的過(guò)程。4方法與技術(shù)4.1方法步驟針對(duì)特定海域，基于褐潮藻類豐度的檢測(cè)信息，以海域水動(dòng)力數(shù)值模擬結(jié)果為背景推動(dòng)力，在經(jīng)過(guò)檢測(cè)驗(yàn)證過(guò)的褐潮藻類集中暴發(fā)的區(qū)域或點(diǎn)位，以呈指數(shù)倍增長(zhǎng)，即an=a0ean-1（其中a和n分別代表粒子個(gè)數(shù)和時(shí)間步，a0代表藻類的初始豐度）的模式釋放中性示蹤粒子，采用數(shù)值模擬的方法模擬粒子隨水動(dòng)力的漂移擴(kuò)散分布狀況。具體操作步驟如下：a）褐潮災(zāi)害預(yù)警研究海區(qū)的確定；b）褐潮災(zāi)害海域水動(dòng)力狀況的數(shù)值模擬分析；c）褐潮災(zāi)害藻類粒子漂移擴(kuò)散模擬分析；d）數(shù)值模擬結(jié)果后處理分析。4.2褐潮災(zāi)害預(yù)警研究海區(qū)的確定根據(jù)潮波的傳播趨勢(shì)確定粒子漂移擴(kuò)散所能影響的最大范圍，劃定褐潮災(zāi)害預(yù)警研究海區(qū)開邊界的位置和寬度。4.3監(jiān)測(cè)站位的布設(shè)a）實(shí)測(cè)站位盡可能均勻地覆蓋受褐潮災(zāi)害影響的海域，所獲信息能夠代表和反映海域的基本環(huán)境特征；b）重視歷史數(shù)據(jù)，考慮歷史站位的延續(xù)性；3DB21/T3780—2023c）對(duì)受褐潮災(zāi)害影響和人類活動(dòng)影響顯著的區(qū)域需加密布設(shè)；d）充分考慮海域本身的環(huán)境特征和問題，如水動(dòng)力環(huán)境特征、地形地貌特征、水團(tuán)分布、典型生態(tài)環(huán)境等；e）以盡可能少的站位來(lái)獲取盡可能多的環(huán)境信息，但一般水文監(jiān)測(cè)站位不得少于3個(gè)，水質(zhì)監(jiān)測(cè)站位不得少于9個(gè)，布設(shè)方法見GB/T12763.2。4.4海域水文觀測(cè)與水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)分析（1）水文動(dòng)力指標(biāo)：海流與潮位，觀測(cè)方法見GB/T12763.2；（2）水質(zhì)指標(biāo)：水溫、鹽度以及營(yíng)養(yǎng)鹽濃度（銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、活性磷酸鹽），檢測(cè)方法見GB/T17378.4。4.5應(yīng)急監(jiān)測(cè)頻率和時(shí)間（1）水文動(dòng)力指標(biāo)：在大、小潮期海流連續(xù)觀測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)度應(yīng)不少于25h，至少每h觀測(cè)一次；（2）水質(zhì)指標(biāo)：與水動(dòng)力同步。4.6褐潮災(zāi)害海域水動(dòng)力狀況的數(shù)值模擬分析4.6.1模型控制方程不可壓縮流體的三維連續(xù)性方程和動(dòng)量方程為： =-fu-+(nh)+(nh)+(nv)……（3）=-+(nh)+(nh)+(nv)-g……（4）在水深方向上對(duì)連續(xù)性方程進(jìn)行積分，可得如下的自由面水位方程為：+--式中，u、v、w分別為水平x、y方向和垂直z方向的流速；t為時(shí)間；p(x,y,z,t)為流體微元體上的4DB21/T3780—2023壓力，即為壓強(qiáng)；r為密度；f為柯氏力系數(shù)；g為重力加速度；nh、nv分別為水平和垂直方向的紊動(dòng)渦粘性系數(shù)，采用紊流模型計(jì)算；η為水位；=+u+v+w為流體質(zhì)點(diǎn)的隨體導(dǎo)數(shù)。4.6.2初始條件u(x,y,t0)=u0(x,y)；v(x,y,t0)=v0(x,y)；w(x,y,z,t0)=w0(x,y,z)；η(x,y,t0)=η0(x,y).……….其中，u0、v0、w0、η0分別為初始流速和潮位。在計(jì)算開始時(shí)，可采用“冷態(tài)”啟動(dòng)。4.6.3邊界條件（1）固壁邊界：給定法向流速為零的有滑移邊界。（2）在外海開邊界處，給定潮位時(shí)間序列文件?？赏ㄟ^(guò)以下兩種途徑來(lái)獲得：A.利用潮汐表直接查表?yè)Q算；B.利用潮汐調(diào)和分析的方法，即開邊界的水位為時(shí)間的調(diào)和函數(shù)：h（x,y,t)=fkHkcos[wkt+(v0+u)k-gk]..……..............（7）k=1式中：k—分潮序號(hào)；m—分潮個(gè)數(shù)；k—各分潮的角速度；Hk、gk—各分潮的振幅和遲角，即分潮調(diào)和常數(shù)；fk、uk—各分潮的交點(diǎn)因子和遲角修正；(V0+u)k—各分潮的天文初相位。（3）在自由表面（z=η處邊界條件通過(guò)風(fēng)引起的剪應(yīng)力來(lái)給定：……..……...............……..……...............式中：t、t—風(fēng)剪應(yīng)力在x、y方向的分量。（4）在底面（z=-h處邊界條件通過(guò)底摩阻來(lái)給定：式中：γB—非負(fù)的底摩阻系數(shù)。5DB21/T3780—20234.7網(wǎng)格劃分與數(shù)值離散基于平面計(jì)算域選取最合適的網(wǎng)格劃分形式，對(duì)岸線和地形坡度變化復(fù)雜的計(jì)算域，宜采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，對(duì)需要重點(diǎn)關(guān)注的褐潮生態(tài)災(zāi)害易發(fā)區(qū)或水質(zhì)指標(biāo)突變較大的海域，適當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)格加密。在網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，采用合適的數(shù)值格式對(duì)方程進(jìn)行離散，最后迭代求解。4.8模型驗(yàn)證與參數(shù)率定為了證明模型的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，需利用4.4-4.5的實(shí)測(cè)資料或已有歷史數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證與參數(shù)率定，率定的參數(shù)主要為粗糙系數(shù)。取計(jì)算穩(wěn)定后的典型潮期內(nèi)(如漲急、高潮、落急、低潮)時(shí)的潮位、海流或濃度的模擬值與觀測(cè)值進(jìn)行比較，獲得滿足該研究海區(qū)實(shí)際物理特征的數(shù)值模型。4.9褐潮災(zāi)害藻類粒子漂移擴(kuò)散模擬分析以前述獲得的水動(dòng)力場(chǎng)為背景，采用粒子追蹤模型對(duì)褐潮藻類漂移路徑進(jìn)行模擬，與實(shí)測(cè)路徑進(jìn)行對(duì)比，分析不同情景模式下褐潮藻類的漂移路徑。粒子追蹤模型通過(guò)朗之萬(wàn)方程描述粒子的輸運(yùn)和擴(kuò)散狀態(tài)，其微分形式見（10），為了模擬給定離散時(shí)間下歐拉近似的軌跡Y，在模擬的初始時(shí)刻給定初始位置X0處釋放粒子，即Y0=X0，采用以下推進(jìn)式求得下一個(gè)時(shí)刻的軌跡見（11）：dXt=a(t,Xt)dt+b(t,Xt)ztdt 式中：a—漂移項(xiàng)，一般情況下指水流的流速；b—擴(kuò)散項(xiàng)，對(duì)于保守型的粒子擴(kuò)散項(xiàng)可取零；x—隨機(jī)數(shù)，位于[0,1]之間。Y(t,Xt)YnDn+b(t,Xt)YnDMn （11）DMn=Mt-Ms 式中：DMn—滿足正態(tài)分布的維納過(guò)程的位移增量，粒子在時(shí)段[s,t]上具有獨(dú)立的位移增量（s>0）。當(dāng)粒子位于海水表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，受風(fēng)場(chǎng)影響顯著，此時(shí)粒子的運(yùn)動(dòng)速度可通過(guò)下式計(jì)算：nw-p+qw) vp=v+a×vw×cos(nw-p+qw) （14）式中：up、vp—粒子的運(yùn)動(dòng)速度分量；a—風(fēng)阻校正系數(shù)，由海氣邊界層理論可知與風(fēng)速有關(guān)，通常情況可取為