介绍

每一天,潮汐将盐水从太平洋的旧金山河口通过金门(美国加州)。河口是复杂的环境下从海洋中海水与淡水混合从河流因为潮汐,风力和波浪(图1)[1]。两大河流和几个较小的加入形成萨克拉门托-圣华金三角洲地区(δ)的上游端旧金山河口(河口)。许多小溪流和河流直接流入河口。河口附近的农场提供了所需的水种庄稼也作为饮用水的来源数以百万计的人。此外,河口提供了许多种鸟类的重要栖息地,鱼,和其他动物。

研究河口的复杂环境的一个方法是使用计算机模型。建立计算机模型的自然生态系统的河口需要了解物理、数学和计算机科学(2]。方程可以用来描述控制流体流动的物理过程,如空气或水。这些方程可以解决使用电脑,来预测诸如如何飞机的翅膀,周围的空气流动或水流的因为潮汐河口。通过求解这些方程,我们可以评估飞机是否会飞,或者有水流,盐度,在河口栖息地在未来可能会改变。我们可以利用计算机模型的河口理解的影响,建立一个新的港口或恢复湿地。我们也可以使用这些模型来规划未来改变河口,由于气候变化和海平面上升。

配方的河口

旧金山河口的最容易观察到的特征是每天上升和下降的水位高达2米,因为潮汐。引起的潮汐河口的地球自转,月球和太阳的引力太平洋。当海洋的水位上升,水涌入通过金门河口。当水位下降,水消退回到大海。这些起起落落电流可以相当强劲,高达2米每秒的金门大桥下。每一天,多达35亿立方米的水进出由于潮汐河口。这是足够的水来填满140万个奥运会标准大小的游泳池。潮流无论在水混合并侵蚀河口的沉积物在底部。

大风也吹在河口的表面。这些风驱动电流和产生表面波。风动水流和波浪更强,更重要的是在大,浅的河口区域。喜欢潮流,”波对沉积物侵蚀也重要。

尽管潮汐和表面波清晰可见,一个同样重要的特性是不那么容易。因为淡水来自河流比盐水轻(密度较低),新鲜的河水会漂浮在海面上的咸的海水使其向海,大海。当水与潮汐来回移动,下的密集的海水的水流则向陆地方向流动,新鲜的地表水。向海造成的水的循环电流在水面和底部附近的近陆的电流重力循环。density-driven电流导致重力循环一般弱于潮流。随着时间的推移,然而,重力循环盐上游移动到三角洲,淡水河口的一部分。这就是所谓的盐度入侵。如果δ的水变得太咸,可以不再被用于饮用或灌溉作物。结果,最重要的用途之一河口的计算机模型来预测盐多远会侵入到淡水的河口。

计算机建模

之前电脑是现在快,物理模型建立了解河口水流。这些物理模型看起来像游泳池但形状像小版本的河口。他们有泵使潮汐和充满盐水的“海洋”的一面。美国陆军工程兵团仍然运作河口的一个物理模型用于教育目的。今天,使用现代计算机,可以模拟在河口流更容易和准确的物理模型。电脑可以解决复杂的数学方程式,说明水对潮汐,河流,和风力3]。解决这些方程,说明水流的河口水动力建模。

物理定律的一个例子,必须包含在一个计算机模型的自然系统的原则质量守恒定律。在河口,这一原则告诉我们,水可以从地区移动,但它不是创造或毁灭。如果是有区别的水流入地区和水流的地区,这意味着大量的水储存在该地区已经改变了。同样的适用于盐进出的区域。

找出发生了什么在河口,模型需要大量的信息物理力量影响河口。河口上的作用力包括潮汐、河流、风(图1)。这些力量必须准确地测量,这些数据必须输入到模型,模型能够准确地预测河口的条件。由于这个原因,计算机建模与科学家合作,数据收集器,甚至其他建模模型所需要的信息。

由于河口是如此之大,创建一个精确的计算机模型水流,河口的面积(图2一个)必须分割成单独的小区域称为细胞(图2 b)。计算机之间的水反复计算运动的每一个细胞。最难的方面的计算的流入和流出所有细胞必须同意。这就意味着,数以百万计的方程必须解决在一起,使用数学家所说的联立方程。今天电脑一样快,他们仍然挣扎在这个尺寸的问题。

创建模型的河口是一个大的任务。最初的工作完成后,模型可以用来模拟很多不同的事情,如水流、波浪、盐度、温度、和生物体的运动,营养,和沉积物(图2 c)。

计算机模型帮助我们了解过去、现在和未来的河口

计算机模型是强大的工具,帮助我们对河口回答“如果”的问题。我们可以建立计算机模型,包括不同改变河口和比较这些模型的结果来帮助理解这些变化如何影响河口。

电脑模型可以用来预测哪些地区的河口最有可能被淹没在风暴或由于海平面上升。我们可以利用这些结果来估计多高必须建造堤坝保护家庭和企业围绕河口。许多大型科技公司在硅谷办公室旁边的水。计算机模型被用于帮助我们理解如何高的堤坝建筑物必须保护他们的未来洪水和恢复湿地附近。美国地质调查局最近的建模工作是用于开发一个在线互动映射工具(5]显示哪些地区会被淹没,因为风暴和海平面上升(图3一)。

在河口栖息地已经改变随着时间的推移,由于人类活动,如高山沼泽、建筑堤坝,疏浚渠道。电脑模型可以用来预测对鱼类和其他生物的栖息地会受到这些变化的影响。在河口称为一个重要的栖息地低盐度区(图3 b)。低盐度区是一个重要的过渡区之间的咸水的海洋和新鲜的三角洲地区的河水。计算机模型已经被用来改善我们的理解的低盐度区影响的淡水流入从三角洲4]。

在干旱时期,减少流从河流会导致盐度的增加入侵。如果太多的盐水从海洋进入三角洲,水变得太咸用于饮用水。加州水资源部的利用一个计算机模型来测试紧急障碍能否减少盐水进入三角洲在干旱(图3 c)[2]。模型显示,盐水的障碍减少了进入三角洲。

计算机模型增加了我们理解的河口过去和人类如何改变了它。计算机模型是更快,更多功能,更精确的比过去使用的物理模型。计算机建模者把现实问题和描述它们在数学和计算机的语言。然后解释产生的大量的数据通过计算机模型结果可以理解的和有用的。计算机模型产生的数据将帮助我们理解未来的变化将如何影响河口和社区依赖它,这样我们可以保护家庭和企业以及河口的健康。

术语表

河口:↑部分封闭的水从河流,淡水与海水混合的海洋。

计算机模型:↑在计算机上运行的一个程序,解决一系列数学方程。

盐度:↑量的盐溶解在水体。盐度测量在实际盐度单位(事业单位),这是一个基于电导率测量。

重力循环:↑残流型在河口附近的海水密度差异引起的床和新鲜表面附近的河水导致盐度入侵。

盐度入侵:↑盐水的上游运动下淡水由于重力循环。

流体动力学:↑研究流体的运动。

质量守恒定律:↑质量守恒定律的原理指出,在一个封闭的系统的质量随时间保持不变。

低盐度区:↑该地区的河口盐度0.5和6之间实用盐度单位。这一地区提供了许多鱼类和其他动物的重要栖息地,住在河口。

的利益冲突

MM是受雇于锚QEA LLC。

其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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引用

[1]↑布朗,J。,冷却。、公园、W。菲利普斯·d·J。Rothery D。赖特,j . 1989。波浪、潮汐和浅水流程。牛津大学:帕加马出版社。

[2]↑MacWilliams, m . L。Ateljevich,大肠。、Monismith s G。Enright, c . 2016。萨克拉门托-圣华金三角洲地区的多维模型的概述。圣法郎。河口Sci分水岭。14:1-35。doi: 10.15447 / sfews.2016v14iss4art2

[3]↑街,r . L。继续萎缩,g . Z。Vennard, j . k . 1995。基本的流体力学,第七版。新泽西州霍博肯:约翰威利和儿子。

[4]↑MacWilliams, m . L。贝弗,a·J。总值,大肠。Ketefian, g。Kimmerer, w . j . 2015。流体力学的三维建模和旧金山河口盐度:评估模型的准确性,X2,低盐度区。圣法郎河口Sci分水岭。13:1-37。doi: 10.15447 / sfews.2015v13iss1art2

[5]↑巴拉德,G。,巴纳德,p . L。埃里克森,L。菲茨吉本,M。喜怒无常,D。Higgason, K。,等。2016。我们的海岸我们的未来(OCOF)。“宇宙CA:美国地质调查项目。网上:www.ourcoastourfuture.org(2020年9月28日访问)。