DB21T 3780-2023 褐潮灾害预警数值模拟分析技术规程　

ICS13.020.01CCSZ17DB21Technicalspecificationforintestinalmicrobiotaanalysisandhealt辽宁省市场监督管理局发布IDB21/T3780—2023本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起本文件的某些内容可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由辽宁省自然资源厅提出并归口。本文件起草单位：辽宁省海洋水产科学研究院。本文件主要起草人：王昆，宋伦，艾丛芳，吴金浩，王召会，杜静，姜恒志，邵泽伟，孔芳。本文件发布实施后，任何单位和个人如有问题和意见建议，均可以通过来电和来函等方式进行反馈，我们将及时答复并认真处理，根据实际情况依法进行评估及复审。归口管理部门通讯地址：辽宁省自然资源厅（沈阳市皇姑区北陵大街29号联系电话文件起草单位通讯地址：辽宁省海洋水产科学研究院（大连市沙河口区黑石礁街50号联系电话1DB21/T3780—2023褐潮灾害预警数值模拟分析技术规程本文件规定了有关褐潮灾害预警数值预测分析的术语和定义、方法与技术、数值模拟结果的动态演示及分析的相关技术要求。本文件适用于辽宁省管辖海域褐潮灾害预警的数值模拟与分析。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件，不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB3097海水水质标准GB11607渔业水质标准GB/T12763.2海洋调查规范第2部分：海洋水文观测GB/T17378.4海洋监测规范第4部分：海水分析DB21/T2426DB21/T2427DB21/T2776DB21/T3033污染事故影响数值预测分析技术规程海洋褐潮监测技术规程褐潮损失评估技术规程褐潮生态风险评价技术规程3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。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类在一定环境条件下暴发性增殖或聚集达到某一水平，引起水体变色或对海洋中其它生物产生危害的一种生态异常现象。[来源：DB21/T2427—2015，3.2]3.2褐潮灾害Browntidedisaster每年的5月中下旬至7月下旬，微微型藻类暴发性增殖或聚集，当一升水体中微微型藻类的密度达到107个及以上时，所诱发的海洋生态灾害。2DB21/T3780—20233.3数值预测分析Numericalpredictionanalysis采用数值模拟方法，针对特定海域假设某一事件发生后，可能对海洋环境造成的影响进行预测、评估与分析的过程。3.4水动力数值模拟Hydrodynamicnumericalsimulation将水动力学方面的实际问题抽象成满足其物理特征的数学问题-偏微分方程组来描述，采用合适的离散方法进行求解的过程。4方法与技术4.1方法步骤针对特定海域，基于褐潮藻类丰度的检测信息，以海域水动力数值模拟结果为背景推动力，在经过检测验证过的褐潮藻类集中暴发的区域或点位，以呈指数倍增长，即an=a0ean-1（其中a和n分别代表粒子个数和时间步，a0代表藻类的初始丰度）的模式释放中性示踪粒子，采用数值模拟的方法模拟粒子随水动力的漂移扩散分布状况。具体操作步骤如下：a）褐潮灾害预警研究海区的确定；b）褐潮灾害海域水动力状况的数值模拟分析；c）褐潮灾害藻类粒子漂移扩散模拟分析；d）数值模拟结果后处理分析。4.2褐潮灾害预警研究海区的确定根据潮波的传播趋势确定粒子漂移扩散所能影响的最大范围，划定褐潮灾害预警研究海区开边界的位置和宽度。4.3监测站位的布设a）实测站位尽可能均匀地覆盖受褐潮灾害影响的海域，所获信息能够代表和反映海域的基本环境特征；b）重视历史数据，考虑历史站位的延续性；3DB21/T3780—2023c）对受褐潮灾害影响和人类活动影响显著的区域需加密布设；d）充分考虑海域本身的环境特征和问题，如水动力环境特征、地形地貌特征、水团分布、典型生态环境等；e）以尽可能少的站位来获取尽可能多的环境信息，但一般水文监测站位不得少于3个，水质监测站位不得少于9个，布设方法见GB/T12763.2。4.4海域水文观测与水质指标检测分析（1）水文动力指标：海流与潮位，观测方法见GB/T12763.2；（2）水质指标：水温、盐度以及营养盐浓度（铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、活性磷酸盐），检测方法见GB/T17378.4。4.5应急监测频率和时间（1）水文动力指标：在大、小潮期海流连续观测的时间长度应不少于25h，至少每h观测一次；（2）水质指标：与水动力同步。4.6褐潮灾害海域水动力状况的数值模拟分析4.6.1模型控制方程不可压缩流体的三维连续性方程和动量方程为： =-fu-+(nh)+(nh)+(nv)……（3）=-+(nh)+(nh)+(nv)-g……（4）在水深方向上对连续性方程进行积分，可得如下的自由面水位方程为：+--式中，u、v、w分别为水平x、y方向和垂直z方向的流速；t为时间；p(x,y,z,t)为流体微元体上的4DB21/T3780—2023压力，即为压强；r为密度；f为柯氏力系数；g为重力加速度；nh、nv分别为水平和垂直方向的紊动涡粘性系数，采用紊流模型计算；η为水位；=+u+v+w为流体质点的随体导数。4.6.2初始条件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分别为初始流速和潮位。在计算开始时，可采用“冷态”启动。4.6.3边界条件（1）固壁边界：给定法向流速为零的有滑移边界。（2）在外海开边界处，给定潮位时间序列文件。可通过以下两种途径来获得：A.利用潮汐表直接查表换算；B.利用潮汐调和分析的方法，即开边界的水位为时间的调和函数：h（x,y,t)=fkHkcos[wkt+(v0+u)k-gk]..……..............（7）k=1式中：k—分潮序号；m—分潮个数；k—各分潮的角速度；Hk、gk—各分潮的振幅和迟角，即分潮调和常数；fk、uk—各分潮的交点因子和迟角修正；(V0+u)k—各分潮的天文初相位。（3）在自由表面（z=η处边界条件通过风引起的剪应力来给定：……..……...............……..……...............式中：t、t—风剪应力在x、y方向的分量。（4）在底面（z=-h处边界条件通过底摩阻来给定：式中：γB—非负的底摩阻系数。5DB21/T3780—20234.7网格划分与数值离散基于平面计算域选取最合适的网格划分形式，对岸线和地形坡度变化复杂的计算域，宜采用非结构化三角形网格进行剖分，对需要重点关注的褐潮生态灾害易发区或水质指标突变较大的海域，适当进行网格加密。在网格划分的基础上，采用合适的数值格式对方程进行离散，最后迭代求解。4.8模型验证与参数率定为了证明模型的准确性与稳定性，需利用4.4-4.5的实测资料或已有历史数据对模型进行验证与参数率定，率定的参数主要为粗糙系数。取计算稳定后的典型潮期内(如涨急、高潮、落急、低潮)时的潮位、海流或浓度的模拟值与观测值进行比较，获得满足该研究海区实际物理特征的数值模型。4.9褐潮灾害藻类粒子漂移扩散模拟分析以前述获得的水动力场为背景，采用粒子追踪模型对褐潮藻类漂移路径进行模拟，与实测路径进行对比，分析不同情景模式下褐潮藻类的漂移路径。粒子追踪模型通过朗之万方程描述粒子的输运和扩散状态，其微分形式见（10），为了模拟给定离散时间下欧拉近似的轨迹Y，在模拟的初始时刻给定初始位置X0处释放粒子，即Y0=X0，采用以下推进式求得下一个时刻的轨迹见（11）：dXt=a(t,Xt)dt+b(t,Xt)ztdt 式中：a—漂移项，一般情况下指水流的流速；b—扩散项，对于保守型的粒子扩散项可取零；x—随机数，位于[0,1]之间。Y(t,Xt)YnDn+b(t,Xt)YnDMn （11）DMn=Mt-Ms 式中：DMn—满足正态分布的维纳过程的位移增量，粒子在时段[s,t]上具有独立的位移增量（s>0）。当粒子位于海水表面运动时，受风场影响显著，此时粒子的运动速度可通过下式计算：nw-p+qw) vp=v+a×vw×cos(nw-p+qw) （14）式中：up、vp—粒子的运动速度分量；a—风阻校正系数，由海气边界层理论可知与风速有关，通常情况可取为