近岸海域环境数学模型研究及其在胶州湾的应用

论文摘要

近岸海域在国民经济发展中具有战略地位,开展近岸海域数值模式研究与应用具有重要的意义。本文主要目标是构建一个适合近岸海域的潮流、泥沙、生态数学模型,并将模型用在胶州湾海域解决工程环境问题。本文分两部分,第一部分为数值模型研究;第二部分为模型的应用研究。研究的主要内容和结论如下:（1）在水动力学ECOM-SI模型的基础上,耦合NPZD生态动力学模型和ECOMSED模式的泥沙输运模型和波浪模型,构建一个三维变边界潮流、泥沙、生态数学模型。模型集成了目前先进的海洋数值计算模块和计算方法,可为近岸海域环境规划与管理提供有力的计算工具。该模型成功地应用在胶州湾海域,潮流场,泥沙浓度分布、营养盐以及生物量的数值模拟结果同监测结果符合良好。（2）为满足近岸海域的需要,用欧拉-拉格朗日格式改造物质输运方程的平流项。模式应用在胶州湾海域,模拟效果良好,在近岸海域环境模型的研究上具有重要应用价值。（3）在潮流数值模拟的基础上,展开了前湾填海对海洋动力影响的研究,得到如下结论:前湾填海对胶州湾的潮波系统影响甚微,振幅和位相的变化都在1%以内。但是对于潮流和余流,在前湾和工程附近海域水动力条件变化比较大,填海后,潮流速度减小16.9%～55.7%;余流速度减小29%-70.1%。其他海域水动力变化不大,潮流的变化在1%左右,余流速度变化的绝对值在3.14%～9.16%之间。（4）计算了胶州湾的潮能通量,并从能量角度评价了前湾填海造地对潮能通量的影响。填海后,内湾口和外湾口附近潮能通量增加2.6%～5.24%,前湾和工程局部区域潮能通量减小20.21%～87.23%。（5）利用泥沙数学模型计算了胶州湾海底应力分布并分析了胶州湾的冲淤趋势。结果表明,胶州湾由于河流泥沙来源减少,只有周边海域和前湾处于微淤趋势,湾中,大沽河水道,沧口水道等海区处于微冲状态,湾口附近处于不冲不淤的状态。定量化评估了填海造地对地形冲淤的影响。主要结论是,填海将促使前湾海区淤积,对工程附近的湾口地区则可导致冲刷。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一部分 近岸海域环境数学模型
• 1 绪论
• 1.1 近岸海域环境数学模型研究的意义
• 1.2 近岸海域环境数学模型研究进展
• 1.3 研究内容
• 2 近岸海域环境数值模式介绍
• 2.1 ECOM 数值模式介绍
• 2.2 泥沙输运数值模型
• 2.3 海洋生态动力学模型
• 3 平流－扩散方程中平流项的改造及数值实验
• 3.1 近岸海域平流扩散方程的重要性
• 3.2 漫滩过程的物质输运问题
• 3.3 三维湍平均运动的物质输运方程
• 3.4 数值实验
• 3.5 试验结论
• 第二部分 近岸海域环境数学模型在胶州湾的应用研究
• 4 胶州湾概况
• 4.1 胶州湾自然环境概况
• 4.2 胶州湾环境相关学科发展现状
• 4.3 本章小结
• 5 胶州湾扩大域潮流数值模拟
• 5.1 潮流数值模拟
• 5.2 前湾填海造地对海洋水动力的影响
• 5.3 前湾填海造地对潮能通量的影响
• 5.4 本章小结
• 6 胶州湾悬沙数值模拟
• 6.1 胶州湾沉积物的类型及来源
• 6.2 胶州湾潮流泥沙数值模拟
• 6.3 胶州湾冲淤变化的数值计算
• 6.4 泥沙冲淤模型的应用-前湾填海造地对泥沙冲淤环境的影响
• 6.5 本章小结
• 7 胶州湾生态数学模型
• 7.1 考虑潮间带过程生态模型研究的难点
• 7.2 胶州湾生态动力学模型运行条件
• 7.3 胶州湾水质、生态监测资料
• 7.4 胶州湾北部潮滩对营养盐浓度场的影响
• 7.5 夏季胶州湾营养盐、浮游植物浓度数值模拟
• 7.6 前湾岸线演变对营养盐、浮游植物浓度分布的影响
• 7.7 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 本文的主要工作及其结论
• 8.2 论文的创新点
• 8.3 论文的不足及今后的工作
• 参考文献
• 致 谢