近岸海域沉积物示踪模型及其应用

论文摘要

近年来,随着人们环境保护意识的提高,近岸海域的污染排放有所减少,但是对于历史上沉积于底泥中的重金属、PAH和DDT等污染物,由于其难分解、残留时间长,很容易随着底泥的启动造成水体的二次污染,破坏生态环境,甚至危害人类健康。因此研究近岸海域沉积物的迁移扩散规律对于对近海污染的防治有非常重要的意义。本文首先建立了近岸海域的水动力学模型(包含波浪模型和潮流模型)、污染物迁移扩散模型和泥沙模型,并在此基础上,提出了一种理想示踪剂的概念,建立了沉积物示踪模型。对于波浪模型,首先用经典的实验结果进行了验证,然后根据渤海湾的实测资料对其进行了校正和验证。对于潮流模型,用渤海湾海域实测数据对模型进行了验证,模拟结果与实测结果符合良好。对于泥沙模型,分别计算了潮流单独作用下以及潮流和波浪共同作用下的泥沙浓度分布;根据曹妃甸附近的大潮平均含沙量对纯潮流作用情况做了验证,结果吻合较好;对于风浪天气下的渤海湾含沙量情况,用2000年9月6日和2001年3月8日的渤海湾遥感含沙量分布图进行了验证,尽管在具体数值上有所差别,但模拟的泥沙运动趋势是一致的。各项验证结果表明本文建立的水动力学、对流扩散模型和泥沙数学模型是可靠的,可以支持沉积物示踪模型的运行。用验证后的水动力模型计算了渤海湾的余流场,通过余流场的特性对沉积物的可能迁移路径进行了分析。然后模拟了释放于渤海湾海域的保守物质的迁移扩散行为,初步得出了保守物质的迁移扩散路径。最后用本文建立的沉积物示踪模型模拟了沉积物的迁移行为,得出了沉积物的迁移扩散的一些基本结论。结果表明:保守物质和沉积物的长期迁移路径与余流的特性是一致的;由于扩散的效应,保守物质和沉积物除随余流迁移外,还不断的向外海扩散;随水深的加大,悬浮泥沙将逐渐下沉,并且不易再次起悬,因此,与保守物质相比,沉积物更难迁移到外海。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 波浪
• 1.2.2 潮流
• 1.2.3 沉积物
• 1.2.4 示踪技术
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 数学模型的原理及数值计算方法
• 2.1 风浪模型
• 2.1.1 SWAN 数学模型简介
• 2.1.2 SWAN 模型的数学表示
• 2.1.2.1 波浪的传播方程
• 2.1.2.2 源项与汇项的输入
• 2.1.3 计算域边界条件的处理
• 2.2 潮流模型
• 2.2.1 潮流模型的控制方程
• 2.2.2 潮流模型初始条件与边界条件
• 2.3 对流扩散模型
• 2.3.1 对流扩散模型的控制方程
• 2.3.2 对流扩散模型初始条件和边界条件
• 2.4 泥沙模型
• 2.4.1 悬沙的迁移扩散的控制方程
• 2.4.2 源（汇）项的处理
• 2.4.3 河床变形方程
• 2.5 沉积物示踪模型
• 2.6 数值求解方法
• 2.6.1 SWAN 模型的离散格式与求解
• 2.6.2 潮流模型的离散格式与求解
• 2.6.3 对流扩散模型的离散格式与求解
• 2.7 本章 小结
• 第三章 数学模型的验证
• 3.1 研究区域自然条件概述
• 3.1.1 渤海海域状况
• 3.1.2 渤海相关水文特征
• 3.2 波浪数学模型的验证
• 3.2.1 椭圆浅滩实验验证
• 3.2.2 模型在渤海湾的验证
• 3.3 潮流数学模型的验证
• 3.4 泥沙数学模型的验证
• 3.4.1 潮流作用下泥沙数学模型的验证
• 3.4.2 波浪与潮流共同作用下泥沙数学模型的验证
• 3.5 本章 小结
• 第四章 渤海湾沉积物迁移扩散规律的研究
• 4.1 渤海及渤海湾污染现状分析
• 4.2 渤海湾流场和余流场分析
• 4.2.1 渤海湾流场分布情况
• 4.2.2 余流介绍
• 4.2.3 渤海湾的余流场分布情况
• 4.3 天津近岸海域保守物质迁移扩散模拟
• 4.4 天津近岸海域沉积物迁移扩散模拟
• 4.5 本章 小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢