（环境科学专业论文）胶州湾水交换数值研究.pdf

胶州湾水交换数值研究 新刚，2 0 1 0 ) 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 0 2 x 1 0 8 m 3 ，不考虑潮间带计算 得到的纳潮量为7 2 4 x 1 0 8 m 3 ，前后变化率为2 2 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牛影响，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。 关键词：水交换；水质模拟；f v c o m , 胶州湾 胶州湾水交换数值研究 n u m e r i c a lm o d e l i n go f t h ew a t e re x c h a n g e 。j i a o z h o ub ayin j i a o z0 na y a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fw a t e re x c h a n g ei nt h eo f f s h o r ea r e ai sab a s i cp r o p o s i t i o ni nt h e m a r i n ee n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ，a n di sa l s oa ni m p o r t a n ti n d e xa n dm e t h o di ns t u d y i n g t h ep h y s i c a ls e l fp u r i f i c a t i o nc a p a b i l i t yo fw a t e r s ，e v a l u a t i n ga n dp r e d i c t i n gt h e m a r i n ee n v i r o n m e n tq u a l i t y t h ew a t e r sw i t hw e a ke x c h a n g ea b i l i t ya l w a y sh a v e m a n ye n v i r o n m e n t a lp r o b l e m ss u c ha se u t r o p h i c a t i o n ，t h ef r e q u e n t l yo c c u r r i n gr e d t i d e si nj i a o z h o ub a yi sag o o de x a m p l e t h i st h e s i s s i m p l y i n t r o d u c e st h e b a c k g r o u n do f t h i sk i n do fs t u d y , a n ds u m m a r i z e st h eh y d r o d y n a m i cm o d e la n dw a t e r q u a l i t ym o d e ld e v e l o p i n ga th o m e a n da b r o a d i nd e t a i l s ，t h e ns e t su paw a t e rq u a l i t y m o d e lb a s e do nt h e3 dc u r r e n tm o d e lt os t u d yt h ew a t e re x c h a n g er e g u l a r i t y , s oa st o p r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sa n dt e c h n o l o g i c a ls u p p o r tf o rt h ef u l li m p l e m e n t a t i o no ft h e ”c e n t r a lb a yp r o t e c t i o n ，o w n e db a y ”s t r a t e g i cp l a n ，a c c e l e r a t i n gt h ec e n t r a lb a y w a t e r s h e dp o l l u t i o nc o m p r e h e n s i v et r e a t m e n t ，a n do v e r a l li m p r o v e m e n ti nt h eq u a l i t y o ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti nj i a o z h o ub a y s p e c i f i cw o r k sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 i no r d e rt op r o v i d ead y n a m i cf i e l dt ot h ew a t e re x c h a n g er e s e a r c h ，t h e b a r o t r o p i ct i d a lc u r r e n ti sc a l c u l a t e db yf v c o m t i d a ln u m e r i c a lm o d e lw h i c ht a k e s t h et i d a lz o n ei nc o n s i d e r a t i o n ，a n dv e r i f i e db yc o m p a r i n gw i t ht h em e a s u r e dd a t a f r o mt h r e ec u r r e n ts t a t i o n sa n do n et i d a ls t a t i o n 2 o nb a s i so fc o r r e c tc a l c u l a t i o no ft i d ec u r r e n t ，t h i st h e s i ss e t su pa t h r e e d i m e n s i o n a lc o n s e r v a t i v es u b s t a n c e t r a n s p o r tm o d e l ， a n ds i m u l a t e st h e c o n c e n t r a t i o no fc o d m ni n2 0 0 7i nj i a o z h o ub a y , v e r i f i e db yc o m p a r i n gw i t ht h e m e a s u r e dd a t aa n dp r e v i o u ss t u d i e s t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed i s t r i b u t i o no fc o d m n i nj i a o z h o ub a yi sb a n d e dd i m i n i s h i n gf r o mt h eb a yh e a dt ot h eb a ym o u t h ，i nm o s t a r e at h ea v e r a g e dc o n c e n t r a t i o ni sa b o u t2 m g 1 ；m o s tr i v e r sa r el o c a t e do nt h et o po f j i a o z h o ub a y , f a rf r o mt h eb a ym o u t h ，a n dt h et i d a lc u r r e n tn e a rt h e s ea r e a sa r es m a l l ， 胶州湾水交换数值研究 s ot h ec o n c e n t r a t i o no fc o dn e a rt h e s ee s t u a r i e si sb e t w e e n2 m g la n d5 m g a ，w h i c h i sm o r el a r g e rt h a na n yo t h e ra r e a s 3 b a s e do nt h ec o r r e c tt h r e e d i m e n s i o n a lw a t e rq u a l i t ym o d e lo fj i a o z h o ub a y , p d c mi su s e da st h et r a c e rt oc a l c u l a t et h e “a v e r a g er e s i d e n c et i m e t h em o d e l e d a v e r a g er e s i d e n c et i m ei sa b o u t6 2d a y s t h es p a t i a ld i f f e r e n c eo fa v e r a g er e s i d e n c e t i m ei sc o n t r o l l e db yt h et i d a lc u r r e n t s ，t h ed i s t a n c et ot h eb a ym o u t h ，a n dt h e d i s t r i b u t i o no ft h et i d a lr e s i d u a lc u r r e n t t h em o d e l i n gr e s u l ti su n r e l a t e dt ot h eo r i g i n d e n s i t yo fp d c m o rt h es t a r t i n gm o d e l i n gt i m e 4 c o m p a r e d w i t ht h ep r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s ，i ti sf o u n dt h a tt ot a k et h et i d a l z o n ei n t oc o n s i d e r a t i o nd u r i n gm o d e l i n gi st h em a i nr e a s o no fc a u s i n gd i f f e r e n c e s b e t w e e nt h er e s u l t so ft h i st h e s i sa n do t h e r s ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft h et i d a lz o n ei s o p e r a t e dp r i m a r i l yt h r o u g ht h et i d a lp i r s m i no r d e rt os t u d yt h ef u n c t i o no ft h et i d a l z o n e , s e v e r a ln u m e r i c a le x p e r i m e n t sa r e d e s i g n e da n dt h er e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) t h ea v e r a g er e s i d e n c et i m eo fj i a o z h o ub a yb e c o m e st o7 6d a y si ft h et i d a l z o n ei si g n o r e dd u r i n gt h en u m e r i c a lm o d e l i n g ，w h i c hi si n c r e a s e db y2 4 6 t h a nt h e a c t u a lv a l u e t h i sr e s u l ti sq u i t ec l o s et ol v si n2 010 ( 2 ) t h et i d a lp r i s mo fj i a o z h o ub a yi s a b o u t9 0 2 x10 8 m 3 ，t h i sr e s u l tw i l lb e i n d u c e db y2 4 6 ，t o7 2 4 x10 8 m 3i ft h et i d a lz o n ei si g n o r e d ( 3 ) a c t u a l l y , t h et i d a lz o n eh a se f f e c t sb o t ho nt h et i d a lc u r r e n t sa n d t h et i d a lp r i s m ， b u tt h ee f f e c to nt h et i d a lc u r r e n tc a nb en e g l e c t e db yc h a n g i n gm o d e l i n gc o n d i t i o n s d u r i n gt h ea c t u a lr e s e a r c h ，a n dt h et i d a lp r i s mi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ea r e ao ft h eb a y , w h i c hc a n n o tb en e g l e c t e db yh u m a nf a c t o rd u r i n gt h en u m e r i c a lm o d e l i n g s ot h e i n f l u e n c eo ft h et i d a lz o n et ot h ew a t e re x c h a n g et i m ei sp r i m a r i l yd i s p l a y e db yt h e t i d a lp r i s m ，a n dt h i si st h er e a s o nw h yt h et h e s i sh a sad i f f e r e n tr e s u l to ft h ea v e r a g e r e s i d e n c et i m ei nj i a o z h o ub a yw i t ht h ep r e v i o u sr e s e a r c h i tc a na l s ob es o o nt h a tt h e t i d a lz o n ep l a y sac r u c i a lr o l ei nt h ew a t e re n v i r o n m e n to fj i a o z h o ub a y , w h i c hn e e d s u st ob em o r ec o n c e r n e do ft h et i d a lz o n ei nt h ep r o c e s so ft h ee n v i r o n m e n t m a n a g e m e n to fj i a o z h o ub a y k e y w o r d s ：w a t e re x c h a n g e ；w a t e rq u a l i t ym o d e l ；f v c o m ；j i a o z h o ub a y 胶州湾水交换数值研究 u 月i j 吾 海洋是牛命的摇篮，她孕育了人类文明，是人类资源的天然宝库，人类的生 存和发展和社会的进步都离不开海洋所提供的必不可少的物质基础。随着世界人 口激增以及上地资源的衰竭，开发利用海洋成为解决人口、资源、环境问题的重 要途径。 我国是一个海洋大国，拥有1 8 万多公里长的海岸线，沿海地区因其丰富的 物质资源和先进的生产力水平，成为我国人口分布最为集中、生产生活最为活跃 的地带。据知，我国沿海地区有大约1 0 0 个海湾，而这些地区是人类牛活、生产 和社会活动的活跃地带，可以说海湾经济已经成为我国国民经济中重要的增长 点。 在沿海经济发展突飞猛进的同时，由于人类对海湾开发缺乏科学的认识和规 划，使得沿海地区的环境污染不断加重，尽管海洋资源非常丰富，但人类不合理 的开发活动还是引发了海湾系统功能的衰退和牛物多样性的减少，而基于人类与 环境之间的反馈机制，被污染的海湾环境又反过来制约着人类经济的发展，甚至 威胁到人类自身生存。根据2 0 0 9 年中国海洋环境公报，我国近岸海域水体污染 程度非常高，全海域未达到清洁海域水质标准的面积约为1 4 7 万平方公里，比 上年增长了7 3 ，处于健康、亚健康和不健康状态的近岸海洋牛态系统分别占 所检测海洋牛态系统的2 4 、5 2 和2 4 ；7 3 7 的入海排污口超标，部分排污 口邻近海域海洋环境污染呈加重态势：全年发现赤潮6 8 次，累计面积1 4 1 0 0 平 方公里。这些海洋污染污染数据触目惊心，海洋污染治理任重道远。 要对海洋污染进行治理，首先要认识海域水体的水交换能力，因为，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。在海洋中，污染物通过对流扩散等物理过程与周围水体混合，并随着潮 涨潮落与外海水混合、交换，使得海域内海水污染物浓度降低，从而改善水质。 水交换能力较高的海域可以不断地将污染物输送出该海域，而水交换能力较弱的 海域，由于其物理自净能力偏弱，排放的污染物若是超过其物理自净能力，将会 对该海域的海洋环境造成非常严重的负面影响。可见，研究海域水体尤其是海湾 的水交换能力是治理海洋污染重点考虑的方面之一。因次，钊。对海湾交换进行深 入研究，对于缓解海洋污染，维护海洋牛态系统健康，以及保障沿海地区经济可 胶州湾水交换数值研究 持续发展具有重要的意义。 1 绪论 1 1 研究目的和意义 胶州湾位于黄海西部，山东半岛的南岸，是一个典型的温带半封闭型海湾， 也是我国著名的天然优良港湾之一。胶州湾四周为青岛市、胶州市、胶南市所包 围，形成了高度密集的沿湾产业区，是青岛的母亲湾”：东部有青岛港：湾口 西部有黄岛码头以及前湾港；西部、北部及东部沿岸有大面积的养殖区，既是多 种经济鱼、虾、蟹类的繁殖、育幼和索饵场所，也是对虾、扇贝、海带等经济物 种的增养殖基地。胶州湾对青岛的经济、社会、文化等各项事业的发展有着极其 重要的作用。 近年来，随着胶州湾周围区域工农业城市的快速发展以及胶州湾水域和岸滩 的开发利用，大量生产生活垃圾污染物通过各种方式排入胶州湾中，与此同时胶 州湾的潮问带面积也逐年减少。河流输入量持续下降，海湾水域污染严重，导致 近岸海域水体富营养化，又加上水温的升高，造成赤潮频繁的发生，危机到胶州 湾近岸生态资源的可持续利用和发展( 杨东方，2 0 0 6 ) 。众所周知，胶州湾的地 理优势以及丰富的海洋资源是青岛近些年快速发展的绝对依靠，随着环胶州湾地 区经济的不断发展，胶州湾水体的环境问题日益突出，污染物排放量呈逐年上升 的趋势，特别是污染物入海的速度超过了湾内海水的物理自净能力，使得胶州湾 的水环境质量不断恶化，并给青岛的经济发展造成了严重的影响。2 0 0 9 年，胶州 湾内1 4 个监测点位的功能区达标率为5 0 0 ，胶州湾水质主要污染物为无机氮和 活性磷酸盐，无机氮污染较重的区域为主要河口及红岛附近海域，活性磷酸盐污 染较重的区域为主要河口附近海域( 青岛市环境保护局，2 0 0 9 ) 。 胶州湾的环境问题引起了青岛市政府和海洋科学界的高度重视，近二十年青 岛市实行了各项污染物浓度控制政策，以浓度排放标准为核心，在经济快速发展 的同时初步遏s l i t 胶州湾水环境不断恶化的趋势，但是胶州湾的海洋环境质量并 未从根本上得到改善。为了保护和改善胶州湾海洋环境，维护牛态平衡，实现经 济和社会的可持续发展，青岛市政府提出了“环湾保护，拥湾发展”战略。“环 湾保护”是“拥湾发展”的前提，而“环湾保护”则势必需要对海水交换能力进 行研究分析，以确定胶州湾各区域海水的物理自净能力，为环胶州湾污染物的综 2 胶州湾水交换数值研究 合防治及区域规划提供科学依据和技术指导。 本文通过建立胶州湾三维水动力模型以及水质耦合模型，对胶9 i 1 湾的水交换 能力进行数值模拟研究，定量掌握胶州湾整体和区域水交换能力的大小，为正确 评仙海域的海洋环境容量，评价和预测海洋环境质量提供重要指标和手段，从而 为全面贯彻落实“环湾保护、拥湾发展战略部署，合理部署青岛环湾工业区， 全面改善胶州湾生态环境质量提供科学依据和技术支撑，因此本研究具有重要的 实际意义和应用价值。 1 2 潮流数值模型研究进展 1 2 1 国、内外研究进展 潮流作为沿海地区主要的水动力条件之一，是研究入海污染物质及温盐热通 量输运机制的前提，因而一直是海洋数值模拟的热点，潮流数值模拟也就成为各 国海洋学者研究海洋的基本工作，其原理就是首先通过物理原理和数学公式建立 潮流运动控制方程组，继而利用数值离散的方法对其求解，从而模拟潮流运动。 随着科学技术的发展，人类对海洋认识的不断加深，潮流数值模型也经历了从一 维到三维的发展过程，一、二维模型原理简便，计算方法成熟，在人类研究海洋 的早期得到广泛的应用，但随着人类对海洋认识的不断加深，一、二维模型的弊 端也就不断显露出来，此时随着计算机技术和计算技术的发展，三维模型渐渐成 为潮流数值模拟的丰流。目前，越来越多的使用s i g m a 坐标和混合坐标的海洋模 式正在被广泛使用，它们改进了时间步长，水平对流，压力梯度，子网格尺度的 参数化等。海洋数值模式从最初的一维模型发展到三维模型，水平方向从直角网 格到正交网格到三角形网格，垂直方向从z 坐标，到s i g m a 坐标，经历了一个从 简单到复杂，并且逐渐细化的过程，目的都是为了更加接近实际，以更好地模拟 海洋现象。 三维动力学模型出现于2 0 世纪7 0 年代，比较著名的有英国海洋学家h e a p s ， d a v i e s 的谱模型，美国l e e n d e r t s e 等基于简化的三维浅水方程建立河口海岸三维 动力学模型等。进入8 0 年代以后，美国普林斯顿大学的b l u m b e r g 和m e i l o r 开 发的e c o m 和p o m 模型、德国汉堡大学b a c k h a u s 开发的h a m s o m 陆架海洋 三维动力模型，这些模型因物理过程完备、数值方案合理、运行性能稳定，得到 了广泛的应用。美国麻州大学陈长胜研究组于2 0 0 0 年成功的建立了三维非结构 3 胶州湾水交换数值研究 原始方程、有限体积的海洋模型f v c o m 模型，该模式将有限元法灵活拟合 边界、局部加密的优点和有限差分法差分直观、计算高效的优点结合起来，在近 岸海域的模拟方面具有明显的优势。模式在水平方向上采用无重叠的非结构化三 角形网格，可以对重点研究区域或地形复杂的区域进行局部加密，使之与实际岸 线更加拟合，有助于处理近岸岸线复杂的情况，在对潮间带的处理上采用“干湿 网格”判别技术，充分体现出海水对潮间带的淹和露的动力过程，更好的模拟潮 问带面积较大的近岸海域。 国内数值模型研究起步于8 0 年代中期，现如今也得到了快速发展，并不断 应用于国内社会牛产中，曹德明等( 1 9 9 2 ) 采用s 坐标变化模拟了杭州湾正压三 维潮波运动；卢启苗( 1 9 9 5 ) 建立的海岸河口三维潮流数学模型，垂向采用绝对 分层坐标系，将整个水柱分成若干层，在每层通过垂向积分平均，将三维问题简 化为多个平面二维问题，将本模型应用于香港维多利亚水道，取得了不错的结果： 罗义勇、孙文心( 1 9 9 5 ) 从三维浅海非线性流体动力学模型方程出发，使用进一 步发展了的流速分解法，对北部湾的潮汐与风暴潮的耦合水位及流速进行了数值 模拟；刘子龙等( 1 9 9 6 ) 采用平面正交曲线坐标变换，垂向采用无量纲化变换， 将整个计算区域转变换成固定的规则区域，然后选择合适的分裂算子，计算了长 江口三维水流；任杰，包芸( 2 0 0 1 ) 采用基于b a c k h a u s 的三维斜压模式，改进 了原模式的盐度差分格式和方程，采用二阶精度差分格式并引入了物理扩散项， 计算了珠江口水动力特性；孙英兰、张越美( 2 0 0 1 ) 基于b l u m b e r g 等( 1 9 8 6 ) 的河口、陆架和海洋模式，引入2 5 阶湍封闭方程组和变边界处理技术，建立了 胶州湾三维变动边界的潮流模型。 1 2 2 胶州湾潮流模型研究 鲍献文等( 1 9 9 9 ) 将ecom 模式应用于胶州湾分潮的潮汐与潮流数值模拟， 获得了三维潮流水平与垂直分布结构以及若干个潮致余流涡的水平分布状况；王 学昌，娄安刚等( 2 0 0 0 ) 应用分步杂交方法建立了胶州湾变边界潮流数值模型， 并对其进行了模拟计算，重现了该海域的潮流分布规律，并对几个填海方案分别 进行了预测计算，得到了各方案分别实施时对潮流、水位、流通量等水动力因素 带来的影响：孙英兰、张越美( 2 0 0 1 ) 基于b l u m b e r g 等( 1 9 8 6 ) 的河口、陆架和 海洋模式，引入2 5 阶湍封闭方程组和变边界处理技术，建立了胶州湾三维变动 4 胶州湾水变换数值研究 边界的潮流模型；万修全，鲍献文等( 2 0 0 3 ) 采用曲线网格技术，将e c o m s e d 模式应用于胶州湾的潮流和污染物c o d 的稀释扩散研究，建立了一个三维保守 污染物c o d 输运的对流扩散数值模型；对胶州湾m 2 分潮和c o d 污染状况进行了 模拟；王翠等( 2 0 0 8 ) 基于e f d c 模型建立胶州湾三维变边界潮流数值模型，模 拟了m 2 分潮的时空分布特征。吕新刚等( 2 0 0 8 ) 基于普林斯顿海洋模式，通过1 二 湿网格判别法引入潮汐潮流的漫滩过程，考虑m 2 、s 2 、k i 、o i 、m 4 和m s 4 六个主要分潮，建立了胶州湾潮汐潮流数值模拟和预报模型，研究了该海域潮汐 潮流特征，并讨论了漫滩对潮流模拟的影响。 1 3 水交换研究进展 作为近岸环境科学的重要命题，水交换研究一直是国内外专家学者的研究热 点之一。b a c k h a u s ( 1 9 8 4 ) 、r o g e r e ta 1 ( 1 9 9 5 ) 用欧拉弥散的方法对北海水交换能 力进行了模型研究；r o s e n b e r g ( 1 9 9 0 ) 和l i n d a h le ta 1 ( 1 9 9 8 ) 通过研究k o l j o 湾发现， 由于该海湾水交换能力极弱，尽管其周围没有特别突出的污染源，但是其湾内水 体的营养盐浓度仍逐年增加，最终导致水体环境日益恶化；k i t h e k a ( 1 9 9 7 ) 研究表 明热海海域的水交换能力与其近岸生态系统密切相关：l ep a p ee ta 1 ( 1 9 9 7 ) 通过 研究法国布雷斯特湾发现，由于该湾与大西洋的水交换能力非常强，因此尽管污 染物排放量不断增加，但是湾内的牛态系统的稳定性没有收到太大影响； c h o i ( 1 9 9 9 ) 估计了黄东海风牛流、潮汐余流、密度环流等驱动下不同水体的更新 时间。此外，k r a u f v e l i ne ta 1 ( 2 0 0 1 ) 研究表明，当生态系统受到的污染减轻后， 水交换有利于其恢复过程。 在我国，匡国瑞等( 1 9 8 7 ) 运用中村武弘的水质预测公式对乳山东湾的海水交 换和环境容量进行了初步探讨：董礼先、苏纪兰( 1 9 9 9 ) 以溶解态的保守物质作 为湾内示踪物，建立了二维对流扩散水交换模式，模拟了象山港的水交换， 对不同区域的水交换机制进行了研究：袁柱瀚( 1 9 9 7 ) r 研究渤海海峡的水交换，认 为渤海海峡交换有北进南出的特点，且在老铁山水道处交换量最大，整个海峡交 换量和交换率都不大；魏皓等( 2 0 0 2 ) 利用水质模型研究了渤海水交换时间，研究 表明由于渤海环流结构及季节变化，使得渤海3 个海湾及渤海中部交换能力相差 很大，莱州湾交换能力最强，辽东湾特别是其西部海域交换能力最弱。孙英兰和 张越美( 2 0 0 3 ) 通过建立丁字湾三维潮流模式、污染物输运模式计算了该湾c o d 5 胶州湾水交换数值研究 浓度分布，定量分析了丁字湾的水交换能力，较为精确地计算出丁字湾内水交换 率和水交换半更换期的空间分布；许苏青等( 2 0 0 3 ) 采用箱式模型、二维a d i 流体方程和对流扩散模型计算浔江湾海水交换时间，分析浔江湾的水动力特点 和湾内海水交换时空分布的特点。沈林杰( 2 0 0 9 ) 在建立温州近海及河口二维潮 流数值计算模式的基础上，建立了该区域的水交换数学模型，并以2 0 0 2 年为基 准水平年，利用该模型对温州市在建和拟建的围垦工程对瓯江、飞云江和鳌江河 口水交换能力的影响进行了模拟，探讨了各个河口对应于不同阶段围垦工程的水 交换半更换期的变化。 最初的水交换研究方法是基于现场实测指示物质浓度资料计算海水的交换 律，后来随着计算技术的发展，人们逐渐使用数值模式来研究水交换问题。以物 质守恒为基础，把水量和物质量的连续方程式作为基本条件式的箱式模型率先 兴，此后质点追踪模型和水质模型也方兴未艾。基于箱式模型的水交换定义得到 广泛应用，该模型可以用于讨论海水交换的平均状况和较大物质移动及扩散的情 况。但是，箱式模型的前提是假设湾外的海水一旦流入湾内即与整个海湾内海水 充分混合，而实际海水水质具有不均匀性，所以进入箱内的水体不能与原有水体 完全混合，因此用箱式模型可能会高估海域的水交换能力。质点追踪法可以标示 出海域内外的水质点，通过统计一段时间内通过某界面流出海域的质点数，计算 水体交换率。早期的质点追踪模型忽略了扩散过程，因而在近岸弱流区往往会低 估海水的水交换能力：且在s i g m a 坐标下的追踪实验中，每一个被动质点代表了 一定水体体积，相应地各个质点应有不同的权重，而目前可见的研究没有做类似 考虑( 刘哲，2 0 0 4 ) ；目前常见的水质模型虽然物理过程完备，但是无法描述各 个子区域之间的相互作用。 对胶州湾水交换问题的研究，也经历了三种数值模型的更迭：借助一个箱式 模型，吴永成等( 1 9 9 2 ) 利用盐度资料计算了胶州湾水体半交换时间：国家海洋 局和青岛水产局( 1 9 9 8 ) 计算了胶州湾的“水体净化时间 ( 指水流通过开边界 进入并充满整个箱体所需时间) ；孙英兰等( 1 9 9 8 ) 用二维a d i 模型通过拉格朗日余 流分布、标识质点跟踪对胶州湾水交换作了探讨；赵亮等( 2 0 0 2 ) 运用e c o m 模式 建立质点追踪模型对胶州湾潮波系统及其驱动下的标识质点运移规律进行数值 模拟，将胶州湾划分为6 个区域，定量研究了整个海湾水的存留时间和不同区域 6 胶州湾水交换数值研究 水的交换能力，并指出流场结构对湾内水交换起了决定性作用。刘哲( 2 0 0 4 ) 用 p o m 模型建立了水动力以及三维水质模型，模拟计算了胶州湾的水交换分布， 并对胶州湾海域各分区之间的水交换能力进行了进一步研究；吕新刚( 2 0 1 0 ) 利 用基于p o m 模式建立的胶州湾及临近海域潮汐潮流数值模型，结合胶州湾口走 航式声学多普勒海流剖面仪( a d c p ) 测流资料，研究了胶9 、h 湾口的潮( 余) 流特征， 并在潮流模型的基础上耦合建立了水质模块，模拟了胶州湾的水交换过程。 尽管前人对胶州湾水交换研究做了很多工作，但早期研究仪限于二维情形， 且绝大多数工作仪侧重丰要分潮m 2 的模拟分析，难以体现胶州湾真实的潮汐特 点( 高大鲁，2 0 0 7 ) ；质点追踪模块由于忽略了扩散过程，往往会低估水交换能 力；一些研究还忽视了广阔的潮问带，未考虑漫滩效应，而胶州湾潮间带面积占 胶州湾总面积的近三分之一，如果不考虑漫滩过程，势必会影响潮流模拟的精度 和纳潮量的大小( 吕新刚等，2 0 0 7 ) ，而且根据杜伊等人( 2 0 0 7 ) 的研究，海湾 水交换能力的强弱与纳潮量大小成正比，因此不考虑漫滩效应是进行水交换能力 研究的重大缺陷。我们还注意到，前人对胶州湾数值模拟采用的网格较粗，或者 为均匀正交网格，无法精确体现胶州湾岸线的崎岖复杂特点。总之由于各种原因， 前人得出的胶州湾平均水体存留时间从5 d 至u s 0 d 不等，差别巨大。这也说明有 必要采用更精细的模式对胶州湾水交换问题做进一步探索。 1 4 本文研究内容 考虑到胶州湾岸线复杂、潮问带面积广阔的特点，在选择模拟胶州湾潮流的 数值模型时，必须要求模型对岸线具有较高的拟合度，而且在物理机制上必须考 虑到潮间带的“淹 和“露的物理过程，这就需要数值模式在设计上必须引入 动边界技术。此外，由于实际海水运动是三维的，海水上层流与底层流可能会有 较大的差别，这点将直接影响水交换模拟的准确性，所以选取的水动力模型必须 能够计算三维潮流场。因此，一个三维动边界水动力模型可以对沿岸潮问带宽阔 海湾的潮流场和水交换情况进行更加精确的研究。 随着海洋模式的不断发展，基于对流扩散方程的水质模型整越来越频繁 的应用于水交换研究，这种方法较之以往的研究更加客观，在物理o l n 上更为合 理( 魏皓，2 0 0 2 ) 。描述水交换概念的定义非常多，常常导致混淆，不同的研究 方法以及不同的研究学者都在各自的研究中提出了不同的水交换概念。钊。对水交 7 胶州湾水交换数值研究 换概念繁杂混淆这一现象，t a k e o k a ( 1 9 8 4 ) 作了深入分析，提出了一个合理的水 交换时间的概念“平均存留时间”，若以t o 和t 分别表示初始时刻和某一特定 时刻，c ( t ) 表示某示踪物的浓度，则该示踪物相应的平均存留时间为： p ：f 。旦 j o c ( f 0 ) 其他水交换时间的概念如净化时间( f l u s h i n gt i m e ) 和半交换时间( h a l f - l i f et i m e ) 经常分别用作线性和负指数型水交换时间尺度，因此平均存留时间的概念在物理 意义上更加合理，而且在具体数据处理上更加方便，因此，目前越来越多的水交 换研究都是基于平均存留时间的概念，这也方便了不同研究结果的对比。 综上所述，本文选用基于不规则网格、有限体积、变边界海洋河口模型 f v c o m ，并考虑多个分潮和漫滩过程，建立胶州湾三维水动力模型以及与之耦 合的水质模型，采用平均存留时间的概念来定义水交换时间，对胶州湾水交换能 力进行定量研究。主要工作内容如下： ( 1 ) 采用f v c o m 模型中的水动力模块，开边界考虑m 2 、s 2 、o l 、k i 四个 主要分潮，并通过“干湿判断法 将胶州湾潮间带考虑在内，模拟胶州湾三维 潮流场，将潮流场的模拟结果与实测资料进行验证，以确保水动力模型的正确性； ( 2 ) 在上述三维潮流场的基础上，基于f v c o m 物质输运模型建立胶州湾 三维水质模型，模拟2 0 0 7 年胶州湾c o d 的浓度分布，并利用已有资料对模拟 结果进行验证，确保水质模型结果的准确度； ( 3 ) 利用建立的三维水质模型，考察被动溶解保守物质( p d c m ) 的浓度 变化，计算胶州湾水体的平均存留时间。 ( 4 ) 通过与前人工作的对比研究，得出关于胶州湾水交换结论的异同并给 出异同原因。 8 胶州湾水瓮换数值f j f 究 2 胶州湾概况 2 1 地理位置 胶州湾( 地理化置如下罔所示) 位一j ：1 2 0 0 0 4 1 2 0 。2 3 e ，3 5 0 5 8 3 6 0 1 8 n ， 黄海之滨，山东半岛的南岸，是一个伸入青岛辖区陆域的! ，封闭内湾，i i ，均水 深1 0 米f i 彳i ，海湾俑f 积约3 9 7i i 正方公m ，潮附、，f i l , j i - i f i 移 1 0 5 8i p 方公晕，约i i j 整 个海湾面移 的1 3 。胶州湾以闭岛和薛家麦岛连线为湾u ，湾口狭小，最窄处仪 有3 1 k m 左右( 邱照宁，2 0 0 7 ) 。作为青岛的“母亲湾”，胶州湾港深水阔，足一 个非常难得的天然不冻港。它以丰富的港口资源、旅游资源、渔业资源成为肯岛 市经济发展的重要支撑( l f l 国海湾志编纂委员会，1 9 9 3 ) 。 n “；l ri i i i 一 i i - i ，li lj ii 。、 i y l i ：，i ：l 。： 图2 一i 胶州i 湾地理似胃l 剞 2 2 自然环境 2 2 1 仁候 胶州湾属j ：滞“挣季风气候。j ：海洋纠：境的i j i1 j ，夏秋季1 了受来l ，lf f - i f i il ：n 勺 东i 朽季风及海流、水1 的影响，具有! i i i 蒋的海洋悱7e 候特点。窄产e 湿润、r l ：ll i l ：充 苫 胶州湾水交换数值研究 沛、四季分明。春季气温回升缓慢，夏季湿润多雨，但无酷暑。秋季天高气爽， 降水少，蒸发快。冬季风大温低，持续时问较长。据青岛气象台多年资料统计， 海湾年平均气温为1 2 3 。 累年全年平均风速为5 5m s ，1 1 月第二年2 月风速最大，平均为6 2m s ； 7 、8 月最小，均为4 7m s 。全年最大风速为3 8 c m s ，全年风力大于8 级的天数 为3 9 5 天( 张学庆，2 0 0 6 ) 。 据统计，胶州湾年均降水量为7 5 5 6m m ，集中在6 月下旬到9 月上旬，占 全年降水总量的7 0 左右。年最大降水量为1 2 2 7 6m m ( 1 9 7 5 年) ，年最小降水量 为2 6 3 8m m ( 1 9 9 1 年) 。 2 2 2 水温和盐度 平面分布：冬季( 2 月) ，海水温度处于全年的最低期。整个海域各层水温 的分布大体相似，其总的分布趋势是：近岸低于远岸，胶州湾顶低于湾口和湾外。 胶州湾表层水温在2 3 3 0 摄氏度之间，湾口和竹岔岛以南为3 肌3 3 摄氏度。 夏季( 8 月) ，整个海域的表层水温为全年的最高值，水温分布的总趋势与 冬季相反：胶州湾湾口和中央以及远离岸边的外海区域水温较低，均低于2 5 5 摄氏度；近岸特别是湾顶区的水温较高，超过2 6 摄氏度。胶州湾水温等值线呈 舌状，从湾口向湾外伸展。胶州湾以南表层水温在2 6 5 2 7 3 摄氏度之间，湾以 北则低于2 6 摄氏度。底层水温的分布趋势与表层相似，但温差较大。 垂直分布：冬季水温分布属垂直均匀型，水温垂直分布曲线近似于直线情况。 夏季水温垂向分布呈现负梯度两种类型，海水的温度值随水深增加而降低。从4 月起，随着表层海水的迅速增温，上，下水层问的温差增大，温跃层逐渐显著， 同时本类型的分布范围也迅速扩大。6 7 月除近岸浅滩和湾口区外，负梯度型的 分布几乎遍及整个青岛海域，8 月其分布范围明显缩小，9 月趋于消失。 胶州湾海水盐度的季节变化不如水温规则，但整个海域盐度的季节变化趋势 较相近。最低盐度多出现在8 月，盐度值一般在3 1 5 - 3 1 7 ：最高盐度大都 见于6 月和1 0 月之间，盐度值为3 2 1 3 2 6 。盐度的季节变幅在0 5 1 2 之间。从地理分布看，盐度的季节变幅以胶州湾湾项区为最大，自湾内向湾口逐 渐减小；在湾外远岸一带盐度的季节变幅仪为0 5 左右。在垂直方向上。各层 盐度的季节变幅虽然差异不大，但仍有随深度减小的趋势。 胶州湾水交换数值研究 2 2 3 潮汐与波浪 胶州湾的潮汐类型稳定，属正规半日潮。两次高潮的高度基本一致，两次低 潮的高度略有差异。潮波系统具有明显的协振潮性质，转流发生在高低潮。潮流 也属正规半日潮。平均潮流流速为1 5 c m s ，最大流速为1 5 0 c m s ，出现在胶州湾 入口处。涨潮流速大于落潮流速。涨潮流速一般为1 0 0 1 3 5 c m s ，最大涨潮流速 为1 3 8 c m s ，出现于湾口北侧；落潮流速一般为8 0 1 0 0 c m s ，最大落潮流速为 1 2 1 e m s ，出现于团岛北侧。由湾口向湾内，流速逐步减小，近岸处流速仪1 0 c m s 左右。 根据波浪显浪嘴测波站实测资料表明：胶州湾常浪向为n w 向，频率为 1 0 4 3 ；次常浪向为n 向，频率为7 5 2 ；强浪向为n n e ，n e 实测最人波高为 1 5 m ，次常浪向为e n e 向，该向h l l o 大于1 2m 的频率为0 3 8 。胶州湾内的 波浪主要为胶州湾生成的小风区波浪，j 、部分为外海传入，一般情况下波浪较小。 胶州湾水交换数值研究 3 水交换研究模型介绍 3 1f v c o m 水动力模型介绍 水动力研究是海洋环境研究的基础和重要内容，而潮流场模拟是海洋物质输 运模拟的前提和丰要动力因素，其对入海污染物、温盐、海洋生物的数值模拟结 果起着决定性的作用。正确模拟海域的水动力环境是再现物质输运过程的前提保 证。 胶州湾岸线曲折，潮问带面积广阔，因此在选择水动力模型的过程中必须考 虑到两点：一是模型网格与岸线的拟合程度：二是模拟过程中必须充分体现出海 水潮间带涂的“淹”和“露”的物理过程。基于上述两条，本文采用非结构网格 有限体积海洋模型f v c o m