论文摘要
频繁的人类活动导致海岸带生境退化和生态功能丧失的形势日趋严峻。为了保护和改善海岸带生态环境，有必要理解污染物在水体中的迁移扩散规律和水体的自净能力。而深入研究泥沙的运动特性对于理解污染物的迁移扩散也是至关重要的，因为泥沙（尤其是细颗粒泥沙）是海洋环境中众多污染物的载体。本文首先建立水深积分的二维潮流模型，用解析解、实验数据和渤海的实测数据校准和检验了模型。检验结果表明本文建立的潮流模型可以得出可靠的渤海湾的流场。其次，建立了拉格朗日粒子跟踪模型，模拟了渤海湾水质点的运动。根据数值模拟结果，以水交换时间尺度作为指标评价了渤海湾整体和局部的水交换特性，并结合余流场的特性分析了水交换特性的内在机理。结果表明：渤海湾整体的更新时间在2.41~2.54年左右，水交换能力较弱；水交换能力和当地的余流场特性有明显的相关性。此外，研究还表明：在将返回系数应用于水交换能力较弱的大型海湾时，存在着一对多的情况，不能单独通过返回系数来评价各处水体对整个区域水交换的贡献，需结合驻留时间和曝光时间进行分析。然后，基于SWAN模型建立了渤海的波浪模型并进行了校准和验证。以渤海的实测风场数据为基准对ECMWF风场数据进行了检验和修正，结果表明修正后的ECMWF风场在渤海区域基本可用。进一步，针对本文的研究区域，对波浪模型中的风成长系数和底摩阻系数进行了校准。结果表明：用修正后的ECMWF风场驱动校准后的SWAN波浪模型，无论是在不同水深区域亦或是不同时间尺度及时间范围上，模拟结果都与实测数据符合较好。最后，建立了波、流共同作用下的渤海湾悬沙输运模型。实测数据的检验表明模型可以获得比较满意的结果。进一步，用该模型模拟和分析了渤海湾悬沙输运的季节性变化特性。结果表明：冬季渤海湾的泥沙含量整体较夏季大，其原因在于冬季多大风天气，风浪作用对于泥沙的再悬浮作用较大，冬季与夏季相比底部切应力整体较大；冬季大风过境时，波高较平常显著增大，泥沙含量增大的水平不如波高明显，且大风过后波高迅速恢复到大风来临之前的水平，而泥沙含量基本维持在大风过境时的水平；从作用范围来看，相对于潮流，波浪仅在近岸区域对泥沙输运有显著影响。