辽东湾水质数值模拟及富营养化状况分析

摘要

辽东湾位于渤海东北部，属于三面环陆、一面邻海的封闭式海湾，海水交换能力很有限，属于渤海海域中污染比较严重的海湾之一。随着辽东湾沿岸经济迅速发展过程中工业污染物及生活污水大量排放流入湾内，以及近海水产养殖业的迅猛发展和海上人类活动的日益频繁，使得辽东湾内的氮、磷等营养盐的含量不断增加，导致湾内局部海域已呈现富营养化状态并诱发多次赤潮，给海洋环境保护及经济发展造成巨大损失，因此辽东湾的富营养化研究日益引起人们的重视。 本文基于POM(Princeton Ocean Model)水动力学模型模，建立综合考虑了污染物的物理、化学及生物相互作用的辽东湾水质数值模型。在水质模型中采用了与POM模型相兼容的垂向σ坐标及交错网格系统，并采用有限体积法TVD(Total VariationDiminishing)格式对方程进行离散。模型的水平网格尺度为500m×500m，根据离散格式的Courant限制条件，内外模态时间步长分别取8s和240s。在验证了水动力学模型的基础上，根据渤海1981～1982年的污染调查资料采用插值方法获得了辽东湾水质参量的初始场及边界条件，模拟了辽东湾的化学耗氧量COD、无机氮DIN及无机磷DIP的输运循环过程，给出并分析了这三者的时空分布及变化特征。根据模拟结果采用近海富营养化评价标准探讨了辽东湾1982年的富营养化状况。结果表明此期间从宏观上来看辽东湾海域未达到富营养化状态，但局部海域处于富营养状态甚至超富营养化。通过分析辽东湾在1982年的N/P比值，可知其低于正常海水的Redfield数16，表明此期间无机氮为辽东湾浮游植物生长繁殖的主要限制影响因子。数值模拟结果与已有实测资料进行了比较，表明该模型能够正确的模拟辽东湾COD、DIN及DIP时空分布。最后根据辽东湾富营养状况及成因，提出应依据辽东湾水交换及自净能力，加强对各种污染物的入海总量控制以保护辽东湾的海洋生态环境。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1选题意义

1.2研究背景

1.2.1富营养化的概念

1.2.2富营养化的影响

1.3水质模型研究现状

1.4主要研究内容

2辽东湾概述

2.1辽东湾自然环境特征

2.1.1地形地貌

2.1.2气候条件

2.1.3潮流浪

2.1.4水温

2.1.5盐度

2.1.6含沙量

2.1.7透明度

2.2辽东湾海域富营养化现状

2.3主要营养盐及化学要素

2.3.1溶解氧(DO)

2.3.2化学耗氧量(COD)

2.3.3活性磷酸盐(PO4-P)

2.3.4无机氮(DIN)

2.3.5硅酸盐(SiO3-Si)

2.3.6N:P比值

2.3.7PH值

3辽东湾水动力学模型的理论及其建立

3.1模式的特点

3.2控制方程

3.3边界条件

3.3.1海面边界条件

3.3.2海底边界条件

3.3.3岸边界条件

3.3.4开边界条件

3.4初始条件

3.5数值格式

3.5.1网格离散和变量布置

3.5.2时间步长限制CFL条件

3.6数值模拟

3.6.1模型配置

3.6.2潮汐模拟

3.6.3模拟结果

3.6.4结果分析

4辽东湾水水质数值模型的理论及其建立

4.1水质模型基本理论

4.1.1水体富营养化形成的机理

4.1.2水体富营养化的影响因素

4.2水质模型基本方程

4.2.1控制方程

4.2.2生物过程方程

4.2.3非生物过程方程

4.2.4其它过程

4.3模型的数值解法

4.3.1初始条件

4.3.2边界条件

4.3.3数值格式

4.4数值模拟

4.4.1模型参数的选取

4.4.2模型验证

4.4.3辽东湾水质计算分析

5辽东湾富营养化的研究

5.1富营养化评价标准和方法

5.1.1单因子法

5.1.2综合指数法

5.2辽东湾富营养化分析

5.2.1辽东湾富营养状况分析

5.2.2辽东湾富营养化成因

5.3富营养化控制措施

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢