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基于FVCOM模拟河流输入对胶州湾水质的影响

作　者: 邱照宇
导　师: 娄安刚
学　校: 中国海洋大学
专　业: 环境科学
关键词: FVCOM 胶州湾水质模拟河流输入环境影响
分类号: X55
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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引　用: 2次
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内容摘要

近年来,随着环胶州湾地区经济的高速发展与城市化进程的加快,大量工业废水、生活污水通过沿岸河流、直排口和混排口等方式排入胶州湾沿岸海域,导致胶州湾海域水质不断恶化,而众多污染源中,入海河流是污染物进入湾内的主要途径。本文针对目前胶州湾水质数值模拟中对入海河流影响研究工作的不足,进行了胶州湾主要入湾河流对胶州湾水质分布分担率的研究,从而为该海域的环境整治与管理提供定量依据,为全面贯彻落实“环湾保护、拥湾发展”战略部署,加快推进环湾流域污染综合整治步伐,全面改善胶州湾生态环境质量提供科学依据和技术支撑。本文首先简要介绍了研究背景,并对国内外水动力模型与水质模型的发展现状做了较为详细的综述,重点分析了对胶州湾水动力和水质研究的现状。研究的具体内容和结论如下：1、采用美国FVCOM模型水动力模块,利用干湿判断法考虑了潮滩对潮流的影响,模拟了胶州湾及附近海域的三维正压潮流场,从而为污染物扩散输移提供动力场,并采用3个潮流测站资料和2个潮汐测站资料对水动力模型进行了验证。2、在潮流模拟正确的基础上,建立三维物质输运模型,模拟了2007年胶州湾CODMn、无机氮、活性磷酸盐的浓度分布,通过与2007年水质监测资料及前人研究结果的对比,验证了模型计算的合理性。3、通过数值实验比较了外部条件完全相同的情况下FVCOM模型与有限元模型的潮流场和物质守恒性。结果表明：有限元模型所计算的流速、潮位比实测值大,物质守恒性试验中污染物浓度降幅较大,约为7.4%-14.9%；FVCOM模型计算的潮流场与实测值更为吻合,污染物浓度降幅较小在0.4%-5.4%之间,更好的解决了物质输运过程的守恒性,能够更准确地模拟污染物在水体中的扩散迁移,从而可以更好地模拟分析胶州湾河流输入对水质环境影响。4、应用建立的三维物质输运模型,对5条主要入湾河流单独输入时污染物的浓度分布及对胶州湾水质的分担率场进行了模拟。模拟结果表明：各河流排放污染物在胶州湾的分布趋势除了与河流流量和污染物排放量有关之外,与各河流所处海域的水交换能力和余流也密不可分,具体计算结果如下：(1)大沽河流量较大,污染物入海时动量较大,因此污染物东西向扩散范围较其他河流大,入海口附近海域浓度等值线密集。又因大沽河附近海域的潮流基本为南北向往复流,因此以大沽河为中心,南北向的分担率基本一致。对胶州湾中部海域分担率在18%-52%之间,湾口处分担率约为23%-45%,东北部海域分担率小于10%,距大沽河入海口10.5km-12.15km范围内分担率超过30%。(2)墨水河处于胶州湾东北角,受地形影响,该海域潮流较小,水交换能力较弱,污染物扩散不利,墨水河入海口附近海域浓度分布相对集中,等值线密集,对胶州湾水质的影响主要在东北部海域,分担率在35%-58%之间,中部海域分担率在9%-22%之间,西部和湾口分担率小于12%。(3)楼山河入海口海域较为开阔,水交换能力优于墨水河入海口,因此虽然污染物排放量大于墨水河,但污染物浓度较低,且扩散范围较广,楼山河输入对胶州湾水质的影响主要在楼山河与李村河之间海域,分担率为30%-52%,东北部海域分担率约为20%-35%,中部分担率在7%-24%之间,西部和湾口分担率小于15%。(4)李村河入海口西部海域存在顺时针余流涡,减弱了污染物向西扩散,污染物主要集中在入海口附近海域及东北海域,但由于墨水河与楼山河输入污染物对该海域的影响,导致李村河输入污染物对该海域的分担率较低。李村河输入对胶州湾水质的影响主要在李村河与海泊河入海口之间的海域,分担率为22%-44%,西部海域分担率小于10%,中部及湾口海域在10%-20%之间,东北部湾顶小于15%。(5)由于顺时针余流涡减弱了污染物向西扩散,因此海泊河输入污染物主要分布于东部及东北部海域。但因为墨水河与楼山河对东北部海域的影响较大,海泊河输入污染物对东北部海域的影响较小,对胶州湾水质的影响主要在入海口附近海域,分担率为28%-68%,西部海域分担率小于12%,中部海域在15%-33%之间,东北部小于15%,湾口约为17%。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
0 前言  12-13
1 绪论  13-18
  1.1 研究目的和意义  13-14
  1.2 潮流数值模型研究进展  14-16
    1.2.1 国、内外研究进展  14-15
    1.2.2 胶州湾潮流模型研究  15-16
  1.3 水质模型、海洋生态动力学模型研究进展  16-17
    1.3.1 国内外研究进展  16
    1.3.2 胶州湾水质研究现状  16-17
  1.4 本文研究内容  17-18
2 胶州湾概况  18-24
  2.1 地理位置  18-19
  2.2 自然环境  19-20
    2.2.1 气候  19
    2.2.2 水温和盐度  19-20
    2.2.3 海洋水文  20
  2.3 胶州湾的环境质量状况  20-21
  2.4 胶州湾功能区达标情况  21
  2.5 胶州湾主要入海河流概况  21-24
3 模型研究  24-35
  3.1 FVCOM水动力模型介绍  24-31
    3.1.1 控制方程  24-27
    3.1.2 边界条件  27-28
    3.1.3 非结构网格的设计  28-29
    3.1.4 模态分离方法  29
    3.1.5 潮间带数值模拟方法  29-31
  3.2 水质模型介绍  31-35
    3.2.1 数学控制方程  32
    3.2.2 数值计算方法  32-34
    3.2.3 潮间带的处理  34-35
4 胶州湾三维水质数值模拟  35-53
  4.1 水动力数值模拟  35-43
    4.1.1 计算海域及网格设置  35
    4.1.2 岸界和水深  35
    4.1.3 水界输入  35
    4.1.4 潮流、潮位计算结果验证  35-36
    4.1.5 潮流计算结果分析  36-43
  4.2 FVCOM模型与有限元模型的比较  43-47
    4.2.1 潮流、潮位对比  43-46
    4.2.2 物质输运的守恒性比较  46-47
  4.3 胶州湾水质数值模拟  47-53
    4.3.1 初始条件  47-48
    4.3.3 定解条件  48
    4.3.4 胶州湾水质监测资料  48-49
    4.3.5 COD_(Mn)、无机氮、活性磷酸盐的数值模拟  49-53
5 入海河流的环境影响模拟  53-65
  5.1 分担率  53-54
  5.2 大沽河单独排放时污染物浓度场的数值模拟  54-56
  5.3 墨水河单独排放时污染物浓度场的数值模拟  56-58
  5.4 楼山河单独排放时污染物浓度场的数值模拟  58-60
  5.5 李村河单独排放时污染物浓度场的数值模拟  60-62
  5.6 海泊河单独排放时污染物浓度场的数值模拟  62-65
6 结论及展望  65-68
  6.1 结论  65-67
  6.2 不足与展望  67-68
文献  68-72
致谢  72-73
在学期间发表的学术论文  73

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