胶州湾水交换数值研究

论文摘要

近岸海域水交换是海洋环境科学研究的一个基本命题,研究海域水交换能力是研究海域的物理自净能力,评价和预测海域环境质量的重要指标和手段。交换不畅的水体,由于污染物的持续累积,往往会形成诸如富营养化等问题,胶州湾近年赤潮频发就是一个例证。本文以胶州湾为研究对象,在三维水动力模型的基础上建立一个水质模型,研究胶州湾的水交换规律,为全面落实“环湾保护、拥湾发展”战略部署,改善胶州湾生态环境质量提供科学依据和技术支持。主要工作内容和结论如下：1、在FVCOM模型水动力模块的基础上,利用干湿判断法考虑了潮滩对潮流的影响,建立胶州湾三维变边界水动力模型,通过湾内三个潮流观测站和两个潮汐观测站的观测资料验证了模拟结果的准确性。2、建立了与动力模块相耦合的三维水质模型,模拟了胶州湾2007年CODMn浓度,与前人结论一致,结果表明胶州湾CODMn的浓度分布由湾顶向湾口带状递减,湾内海域CODMn的平均浓度在2mg/l左右。由于墨水河、娄山河、李村河、海泊河和大沽河等河流都位于胶州湾湾顶附近,距离湾口较远,且水流速度偏小,因此这些河口附近海域的CODMn浓度在2mg/l-5mg/l之间,数值相对较大。3、在确认三维水质模型正确的基础上,以被动溶解保守物质（PDCM）为湾内示踪物,以胶州湾的外湾口为界,计算了胶州湾水交换时间,得到如下结论：根据Takeoka（1984）提出了“平均存留时间”的概念,计算得到胶州湾平均存留时间为62d；胶州湾不同水域的水交换时间差异很大,有如下分布特点：离湾口越近,水交换时间越短,越靠近湾顶,水交换时间越长,呈南低北高状分布；湾内西部水交换时间要大于东部,呈现出东西不对称性；胶州湾水交换能力分布规律受水体距湾口远近、湾内潮流场大小以及余流分布三者的影响；4、对比与前人的研究工作,认为考虑潮间带是造成本文与前人工作结论差异的主要原因,且潮间带对水交换的影响主要通过纳潮量的变化体现。就这一思路,设计了多个数值试验,结果表明：（1）不考虑潮间带,计算得到胶州湾水体平均存留时间为76d,与前人（吕新刚,2010）较新的研究结果基本一致；（2）考虑潮间带计算得到胶州湾纳潮量为9.02×108m3,不考虑潮间带计算得到的纳潮量为7.24×108m3,前后变化率为22.6%,纳潮量的变化与水交换时间的变化反趋一致；（3）尽管潮间带会对海湾的潮流场和纳潮量都会产生影响,从而改变海湾的水体交换能力,但是在实际模拟工作中,潮间带对潮流场的影响可以通过改变模拟条件来克服；而由于海湾水交换能力与海湾纳潮量密切相关,所以潮间带考虑与否对海湾水交换能力的影响,更多是由于潮间带考虑前后纳潮量的变化而引起的。这就是本文的研究结果与前人结果差异的原因。同时从本文的研究过程中可以看出潮间带资源对于保护胶州湾的水环境有着至关重要的作用,这就需要我们在对胶州湾进行治理的过程中,更加关注对广阔潮间带的保护工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 潮流数值模型研究进展
• 1.2.1 国、内外研究进展
• 1.2.2 胶州湾潮流模型研究
• 1.3 水交换研究进展
• 1.4 本文研究内容
• 2 胶州湾概况
• 2.1 地理位置
• 2.2 自然环境
• 2.2.1 气候
• 2.2.2 水温和盐度
• 2.2.3 潮汐与波浪
• 3 水交换研究模型介绍
• 3.1 FVCOM水动力模型介绍
• 3.1.1 原始方程
• 3.1.2 边界条件
• 3.1.3 三角形网格的设计
• 3.1.4 内外膜分离计算
• 3.1.5 "干湿网格"判断法
• 3.2 FVCOM水质模型介绍
• 3.2.1 模型控制方程
• 3.2.2 模型积分方法
• 3.2.3 潮间带的处理
• 4 胶州湾三维水交换数值模拟
• 4.1 水动力数值模拟
• 4.1.1 计算海域及网格设置
• 4.1.2 开边界输入
• 4.1.3 潮位、潮流计算结果验证
• 4.1.4 潮流计算结果分析
• 4.1.5 拉格朗日余流场分析
• 4.2 三维水质模拟
• Mn监测资料'>4.2.1 CODM_Mn监测资料
• 4.2.2 初始条件
• 4.2.3 边界条件
• Mn模拟结果'>4.2.4 CODM_Mn模拟结果
• 4.3 三维水交换数值模拟
• 5 水交换研究结果对比分析
• 5.1 不考虑潮间带的水交换时间模拟
• 5.2 胶州湾纳潮量的计算
• 5.3 计算结果分析
• 6 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 不足与展望
• 文献
• 致谢