基于遥感和数值模拟技术的河口水流及水质过程模拟研究

论文摘要

人类对河口的开发与利用已有悠久的历史,现在的河口地区仍然是世界上人类经济活动最频繁、人口最稠密、环境变化影响最为深远的地带之一。然而,在经济高速发展的同时,河口地区的环境遭到人类高强度活动的干扰,影响了河口地区的可持续发展。对河口的水环境进行系统、科学的模拟、分析,对于今后进行水环境质量的规划、管理具有十分重要的意义。本论文以2007年7月对射阳河口进行实地观测所得数据为依据,主要研究射阳河口的水动力特征和水质情况。通过对射阳河口潮流和水质的计算分析,研究了其潮流场特征。在此基础上,对水质要素的扩散进行了研究。由于海洋污染主要来自于内陆河流的排放,因此本论文的研究工作对于河口陆源污染对江苏沿海河口及其邻近海域的影响,海域环境容量的确定,近海海域的环境保护策略的制订等都具有重要的理论价值和实践意义。论文主要内容和成果包括以下几个方面:(1)通过实测资料和翻阅国外相关参考文献,并经过多次的调试,确定了射阳河口EFDC模型的相关水动力水质参数,为后面的进一步模拟水质水动力条件奠定了基础。尝试引入了遥感影像反演海表温度的技术,初步反演出射阳河口海水表层温度。通过对遥感影像的大气、几何校正,利用影像的热红外波段进行计算,从而得到射阳河口海表温度,作为数值模拟的部分数据资料。(2)通过对潮位站和测点的流速、流向计算值和实测值的比较,得出模型不仅能够较好地体现潮位的变化过程,而且在射阳河口岸线、地形较为复杂的射阳河口也能较好地反映潮流的分布和变化。模型模拟的结果表明流场在垂向上存在一定差异,下层流速明显小于上层流速。这种现象是由于底部摩擦和垂直紊流混合作用形成的。这说明要模拟射阳河口流场应该充分考虑径流的作用,使用三维模拟。(3)利用建立的水质模型模拟射阳河口水质情况分布,误差分析表明水质模型具有较高精度。研究表明污染物主要来自径流的输入,易降解的有机氮颗粒和溶解性有机氮浓度基本上由河口向外围衰减的趋势,易降解有机碳颗粒、磷酸盐等物质受涨落潮的影响,逐渐向偏南方向扩散。(4)研究结果显示污染源对水体的影响范围主要是在污染源附近,随着时间的推移,污染源逐渐向外围扩散。射阳河口的水动力条件有利于污染物的稀释扩散。射阳河口是江苏省的典型河口,其排污总量在江苏省23条入海河流中仅次于长江口北支。因此研究其水动力过程和水质情况对于阐明人类活动对近海海域生态环境的影响有着非常重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 前言
• 1.1 选题依据和意义
• 1.2 国内外研究现状及进展
• 1.2.1 水动力学模型研究进展
• 1.2.2 水质模型的研究进展
• 1.2.3 EFDC模型在国内外的应用
• 1.3 工作内容和技术路线
• 1.3.1 工作内容
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 EFDC模型及其求解
• 2.1 EFDC模型概述
• 2.2 EFDC水动力数学模型
• 2.2.1 水动力方程及运移模型的控制方程
• 2.2.2 水动力方程的求解
• 2.3 EFDC水质模型
• 2.3.1 水质模型质量守恒控制方程
• 2.3.2 水质模型方程的求解
• 第三章 射阳河口水动力及水质模型参数化
• 3.1 研究区概况
• 3.1.1 研究范围概况
• 3.1.2 水文气象概况
• 3.1.2.1 径流、潮汐及潮流情况
• 3.1.2.2 气象情况
• 3.1.3 地质情况
• 3.2 射阳河口野外数据采集
• 3.2.1 测区范围
• 3.2.2 测量仪器和方式
• 3.2.2.1 测量仪器设备
• 3.2.2.2 水下地形测量方法
• 3.2.2.3 水位测量方法
• 3.2.3 水样采集方法
• 3.3 射阳河口研究区网格布置和处理
• 3.3.1 原理
• 3.3.2 网格布设
• 3.3.3 初始化数据
• 3.3.3.1 cell.inp文件初始化
• 3.3.3.2 dxdy.inp文件初始化
• 3.3.3.3 lxly.inp文件初始化
• 3.4 温度场的遥感影像反演
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 MODIS数据预处理
• 3.4.2.1 辐射校正
• 3.4.2.2 几何校正
• 3.4.3 MODIS SST反演
• 3.5 射阳河口水动力模型定解条件
• 3.5.1 射阳河口水动力模型边界条件
• 3.5.2 射阳河口水动力模型初始条件
• 3.6 射阳河口水动力及水质模型参数取值
• 3.6.1 水动力模型的糙率取值
• 3.6.2 水质模型的相关参数取值
• 第四章 射阳河口水动力及水质模型模拟验证
• 4.1 水动力模型验证
• 4.1.1 潮位验证
• 4.1.2 流速流向验证
• 4.1.3 结果讨论
• 4.2 水质模型验证
• 4.2.1 水质要素的验证
• 4.2.2 结果讨论
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢