大连湾海域氨氮、磷酸盐及藻类生长的数值模拟研究

论文摘要

本文以大连湾海域为主要研究区域,以大连湾的主要污染物氨氮和磷酸盐为主要研究对象,基于对历史资料与监测数据的分析,用数值模拟技术,建立了适用于模拟大连湾主要污染物氨氮-磷酸盐及预测藻类生长的季节性三维水运动-水质模型。模型再现了大连湾水文要素和主要污染物-氨氮和磷酸盐在大连湾水体中的分布变化规律,定性分析了营养盐（主要指氨氮和磷酸盐）结构对藻类生产的影响,预测了浮游植物的空间分布特性和季节变化机理、污染物负荷的排放量和排放位置的变化对大连湾水体的影响,并基于Tecplot图形工具对大连湾水质模拟结果数据进行了可视化,为大连湾的水质规划和管理提供科学依据。 模拟结果表明,由于排污口区水交换能力弱,污染物被排放之后不能及时被稀释,而积累形成污染。在湾顶部,扩散过程是影响氨氮、磷酸盐及藻类碳浓度的主要因素;在湾中部,硝化过程是影响氨氮浓度的主要因素,浮游植物的死亡率是影响磷酸盐浓度的主要因素,磷酸盐的含量是藻类生长的限制性因素。陆源负荷是氨氮的主要来源,底层腐殖质的分解补充是湾中部及湾口区磷酸盐的主要来源。 营养盐负荷对大连湾水质的影响主要集中在湾顶部的排污口区,随着污染物负荷的增加水体中相应的污染物浓度迅速增加,营养盐浓度对藻类生产的影响越来越小。 总负荷的变化对藻类生产的影响与磷酸盐负荷对藻类的影响类似,大于氨氮负荷对藻类的影响,且在大连湾的湾顶部,年平均N/P比率大大高于16。氨氮浓度和磷酸盐浓度的变化对藻类生长的影响定性分析结果也说明在湾顶部,磷酸盐是限制性营养盐。由于湾中高的无机氮的输入,N/P的值越来越高,在这种情况下,一旦有高的磷输入时,就有可能引发某些种的水华的发生。可以通过控制磷的排放来控制大连湾水体中藻类的生长。 不同的排放位置对大连湾水体影响的差异反映了海域局部自净能力的差异。如果排污点源位于水交换能力大的湾口附近的陆源边界,则进入该海域的污染物质在海洋环境动力作用下会很快地被输送扩散,而不会在点源附近积累。

论文目录

• 摘要
• 引言
• 1 国内外的研究概况
• 1.1 模型的研究历史
• 1.1.1 水动力学模型的发展历史
• 1.1.2 水质模型的研究历史
• 1.2 水质模型的应用研究
• 1.2.1 营养盐循环过程模拟
• 1.2.2 初级生产力变化过程模拟
• 1.2.3 水体富营养化预测及预防
• 1.2.4 水质规划与管理
• 1.2.5 污染物危险性评价
• 1.3 水质模型与新方法和技术的结合
• 1.3.1 模型的随机性研究
• 1.3.2 模糊数学在水质模型中的应用
• 1.3.3 水质模型与人工神经网络相结合
• 1.3.4 水质模型与地理信息系统相结合
• 2 水质模型的建立
• 2.1 建立模型的一般性方法
• 2.1.1 数据的收集与分析：
• 2.1.2 模型的结构选择
• 2.1.3 模型参数的估计
• 2.1.4 模型的验正
• 2.2 大连湾监测数据的搜集
• 2.2.1 大连湾自然地理环境概况
• 2.2.2 大连湾海域地区气候气象要素变化
• 2.2.3 大连湾海域水文情况
• 2.2.4 大连湾污染源调查结果与分析
• 2.2.5 大连湾海域水质污染趋势分析
• 2.2.6 大连湾海域监测站位情况
• 2.3 水质模型结构的选择
• 2.3.1 模型的来源
• 2.3.2 模型的介绍
• 2.3.3 控制方程
• 2.3.4 模型假设与简化
• 2.3.5 计算单元的离散化
• 2.3.6 方程求解
• 2.3.7 模型所需边界和初始数据
• 2.4 模型参数的估计
• 2.5 模型验证
• 2.6 本章小结
• 3 模型数据结果的可视化
• 3.1 前言
• 3.2 可视化处理的主要内容与基本步骤
• 3.3 大连湾水质模型数据结果的可视化
• 3.3.1 数据的处理
• 3.3.2 图形的绘制
• 3.3.3 图形显示
• 3.4 本章小结
• 4 水质变量的行为模拟与预测
• 4.1 引言
• 4.1.1 光对水质的影响
• 4.1.2 温度对水质的影响
• 4.1.3 上升流对海岸水体的影响
• 4.2 大连湾水文要素的变化规律模拟
• 4.2.1 水位的变化模拟
• 4.2.2 海域水温的变化模拟
• 4.2.3 海水盐度的变化模拟
• 4.2.4 海水密度的变化模拟
• 4.2.5 海域潮流流速分布模拟
• 4.2.6 海域溶解氧的变化模拟
• 4.3 营养盐分布变化过程模拟
• 4.3.1 氨氮的分布变化过程模拟
• 4.3.2 正磷酸盐的水环境行为模拟
• 4.4 浮游植物的水环境行为预测
• 4.5 海湾营养盐结构对浮游植物生长的限制
• 4.6 本章小结
• 5 模型应用——污染控制与规划
• 5.1 大连湾污染现状
• 5.1.1 氨氮浓度
• 5.1.2 活性磷酸盐
• 5.1.3 主要污染站位
• 5.2 大连湾海域环境功能区划
• 5.3 确定水质控制区和主要污染物
• 5.3.1 确定重点控制区
• 5.3.2 确定控制区的控制边界
• 5.3.3 确定目标污染物
• 5.4 确定近期内水质控制目标值
• 5.5 水污染控制规划
• 5.5.1 陆源排放负荷与水体中污染物浓度之间的量化关系
• 5.5.2 大连湾营养盐排放位置对水质影响
• 5.5.3 富营养化的估计
• 5.6 本章小结
• 结论
• 创新点
• 建议
• 参考文献
• 个人简介
• 攻读博士学位期间学术论文发表情况
• 致谢
• 附录A 水质模型的假设简化
• 附录B 水质变量作用的描述
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书