（环境科学专业论文）胶州湾水体交换与营养盐收支过程数值模型研究.pdf

现为硅限制，前湾与海西湾氮相对不足：秋季与夏季相似，只是墨水河与李村河 附近水域由硅限制转换为磷限制。胶州湾底层限制因子较表层单一，大部分区域 除春季外，多表现为光限制。 ( 7 ) 在上述工作的基础上，模拟了1 9 9 2 年胶州湾营养盐季节变化与收支。 营养盐的变化多呈双峰双谷型，经历了春季的减少和夏、秋季回井、冬季积累， 浮游植物生物量变化对应于营养盐变化，在春季随着温度升高不断增加，到5 月前后出现浮游植物的高峰，此后开始下降，至1 2 月到达一年的最低值。从空 间分布来看，全年各月，营养盐都呈现湾内高而湾口低的趋势。大沽河、李村河、 墨水河河口处的浓度明显高于湾北中部海域；海泊河河口受气旋式余流涡的影 响，水质点搬运能力强，与其它河口相比并未形成显著的高值区。浮游植物在营 养盐更新中起了重要的作用，浮游植物光合作用是营养盐最大的汇，同时呼吸作 用又可以补充光合作用所消耗的营养盐的2 3 左右。河流输送的氮磷总量要比大 气沉降的贡献高出一个量级：而输送的硅总量与大气沉降相当。胶州湾海底对氮 和磷而言是汇：而对硅则是源，其对水体硅的输送量是河流输送的近2 0 倍。经 过一年的循环，大量营养盐被输送到外海，其中包括氮5 0 3 1 0 3 t ，磷0 1 7 1 0 3 t 和硅3 3 7 1 0 3 t 。 ( 8 ) 通过数值实验讨论了生态系统对河流输入、大气沉降和水温等外部强 迫变化的响应。河流输送量的变化，对氮的影响最显著，对磷的影响次之，但硅 对河流的响应并不强烈，这因为胶州湾的硅主要来自底矿化。氮和磷对大气沉降 通量表现为同位相变化，这在浅水区更明显；春季，湾东北部海域硅酸盐的浓度 却有可能对大气呈反位相交化，其原因主要是，春季由于浮游植物数量的增加， 营养盐处于较低的水平，湾东北部大部分海域呈现硅限制，大气输入量的增加( 减 少) ，有可能会加速( 延缓) 浮游植物的生长，所消耗的硅大于( 小于) 大气沉 降量的变化。水温的变化对营养盐有双重影响，升温( 降温) 时，浮游植物对营 养盐的吸收会加强( 减弱) ，但与此同时，生物的代谢也会加强( 减弱) ，向水体 释放的营养盐会相应的增加( 减少) 。 关键词：富营养化，水交换，营养盐收支，数值模型，胶州湾 2 r e s e a r c ho n m o d e l l i n g w a t e r e x c h a n g e a n dn u t r i e n tb u d g e t i nj i a o z h o ub a y a b s t r a c t at h r e e d i m e n s i o n a ld i s p e r s i o nm o d e la n dap h y s i c a l - b i o l o g i c a lc o u p l e dm o d e l w e r ed e v e l o p e da n d a p p l i e dt oj i a o z b o nb a y i no r d e rt os t u d yt h ew a t e r e x c h a n g ea n d n u t r i e n tb u d g e tt h a ta r ec l o s e l yr e l a t e dt oe u t r o p h i c a t i o np r o c e s s e s t l l i ss t u d yl a y sa c o n s t r u c t i v ef o u n d a t i o nf o r 缸 d i e rr e s e a r c ho nt h ed e c a d a lv a r i a t i o no fc o a s t a l e u t r o p h i c a t i o na n di t sm e c h a n i s mi n l en e a rf u t u r e s i g n i f i c a n tr e s u l t sa n du s e f u l c o n c l u s i o n sh a v eb c c na c h i e v e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l y , p r i n c e n t o n0 c e a nm o d e l w a s a p p l i e dt oj i a o z h o ub a y i no r d e rt op r o v i d e t h ep h y s i c a lp a r a m e t e r s ，i e ，e l e v a f t o n ，v e l o c i t ya n dd i f f u s i v i t y , f o rt h es t u d yo fw a t e r e x c h a n g ea n d n u t r i e mb u d g e t t h et i d a ls i r e u l a t i o na g r e e dq u i t ew e l lw i t hd r i f t e x p e r i m e n t sa n dw a t e re l e v a t i o no b s e r v a t i o n sa tt h ed a g a n g t i d es t a t i o n i ti n d i c a t e s s t a t i o n a r yw a v ef c a t u r e sc o n t r o lt h ep r o p a g a t i o no ft h et i d a l l y - d r i v e ns y s t e m t i d a l c u r r e n t si nm o s ta r e a sf l o wb a c ka n df o r t h t h em o d e l l e dc o a m p l i t u d ea n dc o p h a s eo f t h em 2c o m p o n e n ts h o w st h a tt i d a lc u r r e n t st u r nc l o c k w i s ea st h e yp r o p a g a t ei nj z b ， w i t hm a x i m a l 口h a s ea n da m p l i t u d ed i f i e r e n c eo f3 0 。a n d5c m ，r e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , t h em o d e l l e da v e r a g er e s i d e n c et i m ew a sa b o u t5 2d a y s ，r a n g i n g f r o m l e s st h a n2 0d a y si nt h ed e e dp a r tn e a rt h eb a yc h a n n e l ，t h eo n l yp a s s a g ec o n n e c t i n g t h eb a yt ot h ey j l l o ws e a , t oo v e rl0 0d a y si nt h es h a l l o wa r e ai nt h en o r t h w e s t t h e s 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 et i m ew a s c o n t r o l l e db yt i d a lr e s i d u a lc u r r e n t s a n dt h ed i s t a n c et ot h eb a yc h a n n e l t h ea v e r a g er e s i d e n c et i m eb e t w e e ns u r f a c ea n d n e a rb o t t o mw a t e r sw a ss i m i l a rd u et os t r o n gv e r t i c a lt i d a lm i x i n g n l em o d e l l e dr i d a l e x c h a n g er a t ew a su n e v e ni nt h eb a y , a n dc o n s i s t e n tw i t h “5 r ao b s e r v a t i o n s t h c t e m p o r a le v o l u t i o no f t h ep a s s i v et r a c e ra c c o r d sw i t h t h ee v o l u t i o no f 也er a i nf r a c t i o n a f t e rt h er a i n s t o r mi n a u g u s t2 0 0 1 n l i r d l v - m e t h o d sf o rc a l c u i a t i n ge n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yw c l es u m m a r i z e da n d d i s c u s s e d 1 1 他a u t h o rp o i n t so u t f o rt h ef i r s tt i m e ，t h a te n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yc a n n o t i u s ts i r r l d l yb et a k e na st h em a x i m u mp e r m i t t e dd i s c h a r z ea m o u n tf o rt h em a r i n e e n v i r o n m e n tt om e e tt h ed e t e r m i n e ds t a n d a r d t oc l a r i 瓯也ee n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y d e f i n e dh e r ei st h ed i s c h a r g ea m o u n tf o rn o r m a le n v i r o n m e n t a lf u n c t i o n s a n df o r t h e t o t a le c o n o m i cp r o d u c t i o nv a l u eo ft h e c o m p a n i e s ( o rc o m m u n i t i e s ) g e n e r a t i n g p o l l u t a n t st om a x i m i z ea tt h es a m e t i m e t h em e t h o d si nd e t e r m i n i n gt h er e a s o n a b l e s e a w a r d p o l l u t a n td i s c h a r g ea r es u g g e s t e d f o rt h ea b o v ep o i n to f v i e w , f o u r t h l y , t h el o n g - t e r mc h a n g ei nw a t e rt e m p e m t u r ew a ss i m u i a t e da n dt h eh e a t b u d g e td i s c u s s e d n l i sp a r ti sn e c e s s a r yf o rt h em o d e ls t u d yo fn u t r i e n ts e a s o n a l v a r i a t i o na n dt h eb a s i so ft h e l o n g t e r me u t r o p h i c a t i o np r o c e s s i nj i a o z h o ub a y t e m p e r a t u r ed e c r e a s i n gi n1 9 6 0 sa n d1 9 7 0 sa n dc o n t i n u a li n c r e a s i n gi nt h er e c e n t2 0 y e a r sa c c o r d sw i t ht h ec l i m a t ec h a n g ei nt h ei nt h ea d j a c e n ts e aa r c 丑i e y e l l o ws e a e o f a n a l y s i sw a su s e dt oo b t a i nt h ee i g e n v e c t o r sa n d t h e i rt i m ec o e 蚯c i e n t so ft h e t e m p e r a t u r e i nw i n t e ra n d s u m m e r , r e s p e c t i v e l y t h e f i r s tm o d e s a i l s f a c t o r l y 3 d e s c r i b e st h e s p a t i o t e m p o r a l v a i l a t i o n ，s i n c e i t s s i g n i f i c a n tp e r c e n t a g e s o ft h e a c c u m u l a t e dv a r i a n c e s 9 8 f i r h l y , t h ed i a p y c n a le d d yd i f f u s i v i t yw a sc a l c u l a t e d b a s e do nt h ei n t e n s i v e o b s e r v a t i o no fv e r t i c a ld i f f u s i o nc o n d u c t e di na u g u s t2 0 0 1i nj i a o z h o ub a y n l e r e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p o r a lv a r i a t i o nr a t eo ft h ev e r t i c a ld i f f u s i o nc o e f f i c i e n ti ss o c o m p l i c a t e d t h a tt h ed i a p y c n a le d d yd i f f u s i v i t yc o u l dc h a n g eb yo n eo r d e ro f m a g n i t u d ep e rt i d a lc y c l e t 1 1 i sw o r kh e i p s t op r o v i d es i g n i f i c a n tb a c k g r o u n df o rt h e f u r t h e rr e s e a r c ho ns e n s i t i v ea n a l y s i so f v e r t i c a ld i f f u s i o n s i x t h l y , a r e re s t a b l i s h i n g a p h y s i c a l - b i o l o g i c a lc o u p l e dm o d e l ，t h es e n s i t i v i t yo f i t sp a r a m e t e r sw a sd i s c u s s e da n dv a r i a t i o ni nl i m i t a t i o nf a c t o r si n c l u d i n gl i g h td e n s i t y a n dn u t r i e n tc o n c e n t r a t i o na r ea n a l y z e d t h ec o u p l e dm o d e li sm o r es e n s i t i v et o p h y t o p l a n k t o nm a x i m u mg r o w t hr a t e ，r e s p i r a t i o nr a t e ，d e a t hr a t e a n dz o o p l a n k t o n g r a z i n gr a t e ，w h i l e o t h e r p a r a m e t e r s s u c ha sh a l fs a t u r a t i o nc o n s t a n t sa n d r e m i n e r a l i z a t i o nr a t ea 糟i n 船n s i t i v eo n e s s e e m i n g l y , t h i sm o d e li sn o tt o os e n s i t i v et o v e r t i c a ld i f f u s i o nc o e 自日c i e n t b u t 血ev e r t i c a ld i f f u s i o nc o e 蚯c i e n tc o u l dc h a n g eb y o n eo r d e ro fm a g n i t u d ep e rt i d a lc y c l e w h i l et h et u r b u l e n c e - c l o s u r em o d e lc a n n o t a d e q u a t e l yd e s c r i b et h ec o m p l i c a t e dc h a n g e s t h i ss h o r t c o m i n gc a nr e s u l ti nq u i t e s t r o n gu n c e r t a i n t y i n e c o s y s t e mm o d e l i i l g i nw i n t e r , m o s tb a ys u r f a c ea r e a sa r e c h a r a c t e r i z e db y p h o s p h o r l i m i t a t i o n i ns p r i n g ，p h o s p h o rn e a rt h ed a g ur i v e re s t u a r y i sr e l a t i v e l yi n s u f f i c i e n t ；s i l i c o ns h o r t a g ee x i s t si nm o s tn o r t h e a s t e r np a r t s ；a n dt h er e s t o f t h ea r e a sh a v el i m i t e dn i t r o g e n i ns u m m e r , p h o s p h o rl i m i t a t i o ni sc l e a r l yi n c r e a s e d i nt h en o r t ho f t u a n d a o h u a n g d a o n 他a r e a sn e a rt h em o s h u ir i v e ra n dl i c u n r i v e r a r es i l i c o n1 i m i t e d n i t r o g e nd e f i c i e n c ye x i s t si nq i a n w a na n dh a i x i w a n i na u t u m n t h es i t u a t i o ni sq u i t es i m i l a rt ot h a ti ns u m m e r , e x c e p tf o rt h ea r e an e a rm o s h u ir i v e r a n dl i c u n 鼬v e rw h e r es i l i c o nl i m i t a t i o ni sr e p l a c e db yp h o s p h o rl i m i t a t i o n f o rt h e b o t t o ml a y e r , t h el i m i t a t i o nc o n d i t i o ni ss i m p l e rt h a nt h a to nt h es u r f a c e e x c e p tf o r s p r i n g 1 i g h tl i m i t a t i o ne x i s t si nm o s t o f t h ea r e a s s e v e n t h l y , t h ec o u p l e dm o d e lw a su s e dt os i m u l a t et h es e a s o n a lv a r i a t i o na n d b u d g e to f n u t r i e n t si nj i a o z h o ub a y i n1 9 9 2 t h eb i m o d a lp a t t e mo fn u t r i e n tv a r i a t i o n 1 sc h a r a c t e r i z e db yc o n s u m p t i o nms p r i n g ，m c r p 譬l s ei ns u m m e ra n da u t u m n ，a n t i a c c u m u l a t i o ni nw i n t e r c o r r e s p o n d i n g l y , p h y t o p l a n k t o nb i o m a s sv a r i a t i o n ss h o w i n c r e a s h a gt r e n di ns p r i n gw i t hp e a ki i lm a y a n dd e c r e a s et om i n i m u mi nd e c e m b e r t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o ni sc h a r a c t e r i z e db yh i 曲c o n c e n t r a t i o ni n s i d et h eb a ya n dl o w c o n c e n t r a t i o nt o w a r dt h eb a yc h a n n e l c o n c e n t r a t i o ni ne s t u s r i n ea r e a so ft h ed a g u r i v e r , l i c u nr i v e ta n dm o s h u ir i v e r , i sc l e a d vh i g h e rt h a nt h a to f t h ec e n t r a la r e ai n t h en o r t ho ft h eb a y 1 1 地h a l b or i v e rm o u t hi su n d e rt h ei n f l u e n c eo fc y c l o n i ct i d a l r e s i d u a le d d y , w h i c hc a ne f f e c t i v e l yt r a n s p o r tw a t e rp a r t i c l e sa w a y , s on oo b v i o u s l l i g hv a l u ei sf o 腓e d p h y t o p l a n k t o nh a v ea ni m p o r t a n tr o l ei nn u t r i e n tr e n e w a l p h o t o s y n t h e s i si st h eb i g g e s ts i n ko fn u t r i e n t s ，a n dr e s p i r a t i o nc o u l dc o m p e n s a t ef o r 2 3o fn u t r i e n t sc o n s u m e di np h o t o s y n t h e s i s r i v e td i s c h a r g eo fna n dpi so n eo r d e r o f m a g n i t u d eh i g h e rt h a na t m o s p h e r i cd e p o s i t i o n t h es e d i m e n ta c t sa sas i n kf o rn a n dp b u tas o u l eo fs i s if i o mt h es e d i m e n t si sa l m o s t2 0t i m e st h a tf r o mr i v e r w a t e r a t i e rw h o l ey e a rc i r c u l a t i o n ，m u c h ( 5 0 3 1 0 tn ，0 1 7 1 0 。tpa n d3 3 7 1 矿ts i ) o f n u t r i e n t si st r a n s p o r t e dt ot h e b a y so u t e rs e a i e y e l l o ws e a 4 i nt h ef i n a l p a r to ft h i sw o r k ，s e v e r a ln u m e r i c a le x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e d f o c u s i n go nt h ee c o s y s t e m sr e s d o n s e st ot h ev a r i a t i o no fe x t e r n a lf o r c e si n c l u d i n g r i v e rd i s c h a r g e ，a t m o s p h e r i cd e p o s i t i o na n dw a t e rt e m p e r a t u r e t h er i v e rd i s c h a r g e v a i l a t i o nh a sr e m a r k a b l ei n f l u e n c eo n n i _ t x o g e nc o n c e n t r a t i o n ，b u td o e sn o tn e a r l ya l t e r t h es i l i c o nd i s t r i b u t i o n ，s i n c em o s to ft h es i l i c o nc o m e sf r o mb e n t h i cr e g e n e r a t i o n n a n dp v a 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廿l a tf r o ma t m o s p h e r i c d e p o s i t i o n i n c r e a s i n g ( d e c r c a s i n g ) w a t e rt e m p e r a t u r eb y1 s h o w e dn os i g n i f i c a n t i n t l u e n c eo no t h e rs t a t e p a r a m e t e r s 啊1 eo n l ye x c e p t i o n i n t h i sc a s e i st h a t p h y t o p l a n k t o n b i o m a s sw a s s l i g h t l yi n c r e a s e d ( l o ) i nt h ea r e as o u t ho f t h em o s h u i r i v e ra n dw e s to f t h el i c u nr i v e rw h e n t e m p e r a t u r ed e c r e a s e s w a t e rt e m p e r a t u r eh a s t w os i d e si nt h e e c o s y s t e m 融i n ga ne x a m p l e i n c r e a s eo ft e m p e r a t u r ei s o f t e n h e l p f u l f o re n h a n c i n gp h o t o s y n t h e s i st h a ts e r v e sa st h es i n kf o rn u t r i e n t s i nt h e m e a n t i m e ，h o w e v e lp h y t o p l a n k t o nr e s p i r a t i o na n de x c r e t i o nw o u l da l s ob ee n h a n c e d ， r e s u l t i n gi ni n c r e a s i n gr e l e a s eo f n u t r i e n t s k e y w o r d s ：e u t r o p h i c a t i o n ，w a t e re x c h a n g e ，n u t r i e n tb u d g e t ，n u m e r i c a lm o d e l ， j i a o z h o u b a y s 胶州湾水体交换与营养盐收支过程数值模型研究 0 绪论 中国有着长达1 8 ，0 0 0 k i n 的海岸线，沿海地区以1 3 的陆地面积承载了4 0 多的人口，创造了6 0 以上的国民生产总值。据统计，在这狭长的沿海地带分布 着1 5 0 多个面积在1 0 k i n 2 以上的海湾( 中国海湾志编纂委员会，1 9 9 3 ) ，蕴藏着 丰富的自然资源。无论是海洋牧场的兴起、潮汐能的开发利用、旅游业的发展还 是港口货运，无不与这些海湾密切相关。当前，大部分海湾地区已经成为人类生 活、生产和社会活动的活跃地带，在2 4 个沿海开放城市中，有1 7 个就是依托海 湾发展起来的。 然而，在过去几十年里，由于缺乏科学规划和管理，加上人类不合理开发造 成的环境污染，直接引发了海湾系统功能的衰退和生物多样性的减少；同时，被 污染或被破坏的环境又通过种种反馈作用制约着沿海的经济发展，进而威胁到人 类自身的发展和生存。当今，海洋环境最突出的问题之一，就是近岸水体的富营 养化。富营养化通常是指由于进入的水体营养盐不断增加使有机物富集的过程 ( n i x o n ，1 9 9 5 ) ，其直接的后果常常是导致高生物量的水体及引发灾难性的赤潮， 有充分证据表明，在赤潮多发海域，其富营养化程度往往也颇为严重。最新监测 表明，在我国，劣于第类水质标准的海域面积超过2 6 1 0 4 l a n 2 ；有害赤潮正 以每1 0 年3 倍的速度增长，1 9 5 2 1 9 9 8 年，中国近海共发生3 2 2 次有害赤潮， 其规模亦不断扩大，有的甚至影响到数千平方千米，平均每年经济损失高达1 0 亿元人民币以上( 周名江等，2 0 0 1 ) 。近岸水体富营养化问题引起世界沿海各国 的重视，许多有关海洋环境污染控制与生态系健康的国际计划都将富营养化问题 的研究放在十分重要的位置。2 0 0 1 年国际海洋科学研究指导委员会( s c o r ) 与 联合国教科文组织政府间海洋学委员会( i o c ) 联合提出了关于全球赤潮生态学 和海洋学科学计划，共制订5 项主要研究计划，其中“营养盐与富营养化”和“赤 潮观测、模拟和预测”皆与富营养化演变过程密切相关( g e o h a b ，2 0 0 1 ) 。富 营养化往往是人类活动与自然变化综合作用的结果，总体来说，人们对其动力机 制的研究尚不成熟，还不能为决策者提供系统的科学依据。 富营养化所涉及的机制非常复杂。值得重视的是，近岸水体物理自净能力对 营养盐的输运和富集有着密切的关系；只有定量认识近岸区域与外海之间水体交 换动力机制，才能更好地研究营养盐在水体中的变化与收支。可见，针对海湾水 胶州湾水体交换与营养盐收支过程数值模型研究 交换进行深入研究，查明营养盐收支的动力机制，对于了解海湾富营养化过程， 有效控制营养盐入海通量，保持健康的海洋环境，以及保障沿海地区经济可持续 发展具有重要的意义。 1 水交换研究进展 物理输运过程主要包括平流和扩散，这是营养盐迁移的主要“载体”。污染 物通过对流输运和稀释扩散等物理过程与周围水体分担、与外海水交换，浓度降 低，水质得到改善。交换不畅的水体，由于污染物的持续累积，往往会形成诸如 富营养化等问题。 数值模式是研究水交换问题的有效方法，常见的模型有以下三种：1 ) 箱式 模型、2 ) 质点追踪模型、3 ) 水质模型。自上世纪8 0 年代以来，水交换一直是 近岸环境科学的重要命题之。k r a u f v e l i ne ta 1 ( 2 0 0 1 ) 认为，污染减轻后，水 交换对受到污染的生态系统的恢复有非常重要的影响。l ep a p ee ta 1 ( 1 9 9 7 ) 研 究发现，在法国布雷斯特湾，尽管污染物排放量不断增加，但因大尺度的水交换 将其迅速带入大西洋，从而维持了湾内生态系统的稳定性。r o s e n b c r g ( 1 9 9 0 ) 和l i n d a h le ta 1 ( 1 9 9 8 ) 发现，在k o l j o 湾，尽管周边海域没有十分强的污染源， 但该区域水交换极弱，与之有关的水体更新非常慢，营养盐不断增加，导致水体 环境日益恶化。除此之外，b a c k h a u s ( 1 9 8 4 ) 、r o g e r ( 1 9 9 5 ) e ta 1 用欧拉弥散 模型计算了北海的水交换时间；s i g n e u c ta 1 ( 1 9 9 2 ) 对波士顿港的潮交换与弥散 进行了模型研究：k i t h e k a ( 1 9 9 7 ) 指出水交换与热带海域近岸生态系( 红树林、 海藻和珊瑚礁相隔分布) 密切有关；y a n a g i ( 1 9 8 6 ) 、t a k e o k a e t a l ( 1 9 8 7 ) 对大 阪湾、濑户内海等海域水交换随季节的变化进行了深入研究；c h o i ( 1 9 9 9 ) 估计 了黄东海风生流、潮汐余流、密度环流等驱动下不同的水体更新时间 在我国，匡国瑞等( 1 9 8 7 ) 以高低潮盐度变化给出了乳山湾一个潮周期内的 水交换率。韩舞鹰等( 1 9 9 1 ) 探讨了大亚湾混合交换特征，高抒( 1 9 9 2 ) 、陈伟 ( 1 9 9 9 ) 等分别用物理模式，动力模式模拟了狭长海湾一象山港的水更新时间。 魏皓等( 2 0 0 1 ) 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，使得渤海三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差。赵亮等( 2 0 0 2 ) 利用追踪模型 研究了胶州湾不同区域的水质点在潮流作用下的运动规律，指出由于流场结构的 2 胶州湾水体交抉与营养盐收支过程数值模型研究 复杂性，造成各区域水交换能力相差较大，大沽河1 2 、沧口水道左侧、黄岛以北、 墨水河附近及海西湾和前湾湾顶区域水质点很难与湾外水交换。孙英兰和张越美 ( 2 0 0 3 ) 计算了丁字湾水交换速率，指出当湾中部水体交换5 0 时，湾口交换达 8 0 ，而湾顶只有2 4 。 箱式模型的结构相对简单，易于建立。质点追踪模型可用于描述每个释放的 被动质点的平流路径，多用来研究污染分担问题。水质模型中全面考虑了平流和 扩散过程，因此其物理过程相对前两者而言是最完备的。尽管关于近岸水体交换 的研究十分丰富，但目前这三种方法都存在一定的缺陷。箱式模型不能描述水交 换的时空结构，也难以周全考虑参数的变化，如混合系数和潮通量变化：并且采 用箱式模型往往会过高估计研究海域的水交换能力，特别是流场结构不均匀的海 区。质点追踪模型最大的缺陷是其忽略了扩散过程。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间的相互作用。此外，即使是同一地区， 采用不同的模型或者不同的水交换时间定义，所得的结果也有很大的差别。以北 海为例，箱式模型所计算的水体更新时间不到水质模型的一半( l u f fa n d p o h l m a n n ，1 9 9 6 ) 。需要特别注意的是，模式研究需要有观测来校验，所模拟的 流场尽管可与观测资料相比较，但是水交换过程却普遍缺少观测的直接佐证。 2 营养盐模型研究 国外的富营养化模型研究工作开展较早，并已取得了长足的进步。美国的切 萨匹克湾、佛罗里达沿岸、欧洲的北海、地中海、亚德里亚海、波罗的海、日本 的濑户内海等海区都曾进行过富营养化演化过程的研究。c e r c oe ta 1 ( 1 9 9 5 a , b ) 建立的模型包含了磷循环、氮循环、硅循环、碳循环、氧平衡和早期成岩过程等 六个子模型，有各种形态的营养盐、硅藻、鞭毛藻、溶解氧及底栖藻类和底栖氧 含量等2 1 个状态变量：该模式成功再现了美国c h e s a p e a k e 湾3 0 年( 1 9 5 9 1 9 8 8 ) 春季水华后营养盐的下降，夏季底层有机物分解造成的底层缺氧，及营养盐浓度 升高导致的生物量增加。他们( c e r c oe ta 1 ，1 9 9 5 a , b ) 发现，中间1 0 年缺氧体 积的增加主要是由于气候条件变化( 湿润) 和降水量偏大所致：河流径流加强使 得层化加强，这一方面阻止了表层溶解氧向底层的输运，另一方面，混合减弱使 得春季水华更强，夏季分解消耗更多的氧，富营养化程度加重。m o l l ( 19 9 8 ) 在 原有一维模型基础上发展了三维生态模型- - e c o h a m ，尽管依然只包含一种营 胶州湾水体交换与营养盐收支过程数值模型研究 养盐( 磷酸盐) ，但营养盐再生过程考虑较为详细，并耦合三维斜压水动力模型 h a m s o m ，对整个北海浮游植物的年循环进行模拟，证实了近岸海区水平对流 的输运