渤海水层营养盐生态动力学数值模拟研究

摘要

渤海作为我国最大的半封闭型内海，其北、南、西面分别环绕着山东、河北、辽宁、天津三省一市的13个主要城市，沿岸人口密集，经济发达;海域内饵料丰富，是众多经济鱼虾类的产卵场以及索饵场，是我国关键的海洋经济区域。然而由于人口增长以及经济高速发展，众多污染物排污入河后经由入海口入海，导致渤海海域内污染物超标海域面积逐年扩大，营养盐成为海域主要污染物。
　　本文建立了渤海三维生态动力学模型，采用MIKE3 Flow Model(FM)水动力模型与Ecolab富营养化生态模块耦合，考虑渤海沿岸河流中污染物贡献率较高的黄河入海，对2010年渤海温盐情况及黄河口附近海域营养盐的输移扩散进行数值模拟，以此得到了温盐及营养盐的水平分布特征，季节变化趋势;为未来研究渤海营养盐在海域内生态变化以及对生态环境的具体影响提供理论方法，为改善海域生态环境质量提供技术支撑。
　　本文的主要研究内容及结果如下:
　　(1)利用MIKE3 FM建立渤海三维斜压水动力数值模型，考虑黄河入海，边界条件考虑四个主要分潮驱动(O1、K1、M2、S2)，在考虑风、降水、蒸发强迫条件下模拟海域潮流情况，并选取了5个站位实测潮流资料对模拟结果中的潮位、潮流予以验证，验证发现潮流模拟结果可信且可以为生态模拟提供水动力场。
　　(2)考虑热交换（短波辐射、长波辐射、感热、潜热、大气条件）强迫条件下，考虑黄河温盐入海，边界采用全年月平均的温盐数据驱动，模拟温盐的结果表明冬季近岸温度低，莱州湾、渤海湾、辽东湾温度均低于0℃，其中辽东湾温度最低，达到了-2℃左右，海域中部温度高，最高可达5℃，海水垂向混合均匀，不同水深下温度等值线分布差别不大;冬季盐度海域平均值为30.8PSU，莱州湾盐度由于黄河径流稀释而最低，垂向上分布均匀。
　　夏季海域中部温度低，沿海温度高，温差最大可达8℃，且温度等值线越靠岸越与海岸平行分布;夏季莱州湾的盐度由于黄河剧增的径流稀释而稍有降低;垂向上出现的明显盐跃层。
　　三维温盐模拟结果可以合理概括渤海温盐季节变化及平面分布，可为下文生态模拟提供可靠的温盐场;
　　(3)根据渤海生态过程特点，查阅大量文献确定了众多生物参数，使用Ecolab生态实验室软件建立EU(Eutrophication Model)生态水质模块，模块包括铵盐、硝酸盐、磷酸盐、浮游植物、浮游动物、碎屑、DO等7个状态变量。概括了各个状态变量的具体“源”和“汇”。
　　(4)将MIKE3 FM三维斜压水动力模块与EU生态模块耦合，将黄河各生态变量的浓度设置点源输入，在太阳辐射、风、降雨、蒸发等的条件下，模拟并分析了叶绿素、硝酸盐、铵盐、磷酸盐、浮游动物等的季节变化。结果表明:营养盐大体表现出了春季水华消耗、冬季得以积累的过程，叶绿素也对应呈现了在春季、秋季时的双峰结构，浮游动物的生物量在冬、春季节较少，但在夏秋季明显增长。
　　(5)生态模块模拟出的平面分布结果表明:由于黄河入海通量注入、海流输移扩散、海域内生态过程等原因，表层在近岸及河口附近海域叶绿素、硝酸盐、铵盐、磷酸盐、浮游动物保持较高浓度，大致向东北部海域递减。由模拟结果可知EU生态水质模型可定性模拟渤海表层叶绿素、营养盐的年变化特征。

目录

声明

摘要

0 前言

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 研究进展

1．2．1 水质数值模拟的研究进展

1．2．2 水动力-水质耦合模型研究进展

1．3 本文研究内容

2 渤海环境概况

2．1 位置概况

2．2 自然环境特征

2．2．1 气候特征

2．2．2 温盐情况

2．2．3 水文

2．3 渤海环境质量现状

2．3．1 渤海海水环境概况

2．3．2 渤海生态概况

3 水层生态动力学模型的建立

3．1 水动力模型概况

3．1．1 控制方程

3．1．2 数值计算格式

3．1．3 边界条件

3．2 生态动力学模型概况

3．2．1 ECOlab构成

3．2．2 非生物因子影响概况

3．2．3 生态过程的控制方程

3．2．4 生态模型参数配置

3．3 模型耦合

4 数值模拟结果

4．1 三维斜压水动力模拟

4．1．1 模型配置

4．1．2 潮流模拟结果及验证

4．1．3 温盐模拟结果分析

4．2 生态动力学数值模拟

4．2．1 模型配置

4．2．2 生态模拟结果及分析

5 结论与不足

5．1 结论

5．2 不足

参考文献

致谢

个人简历、在校期间发表的学术论文与研究成果