（环境工程专业论文）近岸海域环境数学模型研究及其在胶州湾的应用.pdf

近岸海域环境数学模型研究及其在胶州湾的应用 摘要 近岸海域在国民经济发展中具有战略地位，开展近岸海域数值模式研究与应 用具有重要的意义。本文主要目标是构建一个适合近岸海域的潮流、泥沙、生态 数学模型，并将模型用在胶州湾海域解决工程环境问题。本文分两部分，第一部 分为数值模型研究；第二部分为模型的应用研究。研究的主要内容和结论如下； ( 1 ) 在水动力学e c o m - s i 模型的基础上，耦合n p z d 生态动力学模型和 e c o m s e d 模式的泥沙输运模型和波浪模型，构建一个三维变边界潮流，泥沙、 生态数学模型。模型集成了目前先进的海洋数值计算模块和计算方法，可为近岸 海域环境规划与管理提供有力的计算工具。该模型成功地应用在胶州湾海域，潮 流场，泥沙浓度分布、营养盐以及生物量的数值模拟结果同监测结果符合良好。 ( 2 ) 为满足近岸海域的需要，用欧拉一拉格朗日格式改造物质输运方程的平 流项。模式应用在胶州湾海域，模拟效果良好，在近岸海域环境模型的研究上具 有重要应用价值。 ( 3 ) 在潮流数值模拟的基础上，展开了前湾填海对海洋动力影响的研究，得 到如下结论：前湾填海对胶州湾的潮波系统影响甚微，振幅和位相的变化都在 l 以内。但是对于潮流和余流，在前湾和工程附近海域水动力条件变化比较大， 填海后，潮流速度减小1 6 9 5 5 7 ；余流速度减小2 9 - 7 0 1 。其他海域水 动力变化不大，潮流的变化在1 左右，余流速度变化的绝对值在3 1 4 9 1 6 之间。 ( 4 ) 计算了胶州湾的潮能通量，并从能量角度评价了前湾填海造地对潮能通 量的影响。填海后，内湾口和外湾口附近潮能通量增加2 6 5 2 4 ，前湾和工 程局部区域潮能通量减小2 0 2 1 8 7 2 3 。 ( 5 ) 利用泥沙数学模型计算了胶州湾海底应力分布并分析了胶州湾的冲淤 趋势。结果表明，胶州湾由于河流泥沙来源减少，只有周边海域和前湾处于微淤 趋势，湾中，大沽河水道，沧口水道等海区处于微冲状态，湾口附近处于不冲不 淤的状态。定量化评估了填海造地对地形冲淤的影响。主要结论是，填海将促使 前湾海区淤积，对工程附近的湾口地区则可导致冲刷。 ( 6 ) 进行胶州湾营养盐、生态动力学过程研究 过程研究表明：变边界模型模拟污染物的浓度比定边界模拟的浓度要高 1 2 0 ，原因是模型考虑了污染物在潮间带上的输运造成的。河流输送是胶 州湾氮磷营养盐的主要来源，沉积一海水界面氮的释放形成的浓度占河流输送形 成浓度的2 0 4 0 ，而磷的为1 1 5 。硅酸盐底部释放形成的浓度场与河 流输送形成的浓度场相当。填海后前湾无机氮浓度增大7 1 2 ，在其他海域浓 度变化都在2 以下。对浮游植物生物量的影响较小，各代表点上变化均在1 0 9 6 以下。填海使营养盐的浓度有增加的趋势，对浮游植物，除了前湾中部的代表点， 其他代表点上浮游植物生物量却减小。说明了营养盐浓度受物理过程控制而浮游 植物主要受生物过程控制。 关键词：近岸海域，胶州湾，e c 0 m 模式，泥沙数学模型，生态数学模型， 欧拉一拉格朗日格式，潮能通量 拓爹七cr*_嗨镕l，*善，露童琴；，氢毒，秘*融k一鬟，* ； s t u d yo nm o d e l i n ge n v i r o n m e n to fn e a r s h o r ea r e a a n d a p p l i c a t i o ni nj i a o z h o ub a y a b s t r a c t n e a rs h o r ea r e ap l a y sa 蚰恻cr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yf o ro l l e c o r i n t h t h es t u d yo nm o d e l i n ge n v i r o n m e n ta n da p p l i c a t i o ni sv e r ys i g n i f i c a n t t h e f i r s to b j e c to ft h ep a p e ri st oe s t a b l i s hc u r r e n t - s e d i m e n t - b i o l o g i c a lm o d e lf o rt h en e a r s h o r ea r g a a n o t h e ro n ei st oa p p l i e dt h ee n v i r o n m e n tm o d e lt ot h ej i a o z h o ub a y t h e p a p e rh a v et w op a r t s ，i nt h ef i r s tp a r t , t h em o d e l i n gw a ss t u d i e d i nt h es e c o n do n e ， t h ee n v i r o n m e n tm o d e lw a sa p p l i e dt oj i a n z h o ub a y s i g n i f i c a n tr e s u l th a sb e e 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 1 0 1 1t h eb a s eo fe c o m s im o d e l ，an p z de c o l o g i c a ld y n a m i c a lm o d u l e ，a s e d i m e n tm o d u l ea n daw a v em o d u l ew i t ht h ee c o m s e d 躺c o u p l e d ad r y - w e t t h r e e - d i m e n s i o n a lp h y s i c a l s e d i m e n t - e c o l o g i c a lm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d , w h i c hi s au s e f u lt o o lf o rt h eo ( x | 8 ne n v i r o n m e n tm a n a g e m e n ta n dp l a n n i n g ，s o m ec u r r e n t a d v a n c e do c e a nn u m e r i c a lm o d u l e sh a v eb e e ni n t e g r a t e d u s i n gt h em o d e l ，t h et i d a l f i e l d , s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n , n u t r i e n tc o n c e n t r a t i o na n dt h eb i o m a s so ft h e p h y t o p l a n k t o nh a v eb e e ns i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f o r mt ot h eo b s e r v e d d a t a 2 i no r d e rt om e e tt h en e e do ft h en e a rs h o r ea r e a , t h em a s sr a n s p o r tm o d e lh a s b e e ni m p r o v e db ya d o p t i n gt h e e u l e r - l a g r a n g es c h e m et ot h ea d v e c t i o nt e r m t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o nt oj i a o z h o ub a y , t h en u m e r i c a lr e s u l t sa w e l l t h e i m p r o v e m e n ti sn 加嘴v a l u et ot h em o d e l i n ge n v i r o n m e n to f n e a rs h o r ea r e a 3 o nt h eb a s eo fs i m u l a t i o no ft i d a lc u r r e n t , t h ei m p a c t so fq i a n w a nb a ym a r i n e r e c l a m a t i o nl a n do nt h eh y d r o d y n a m i cw a ss t u d i e d s o m em e a n i n g f u lc o n c l u s i o nh a s b e e no b t a i n e di nt h ef o l l o w i n 晷t h ee f f e c to nt h et i d eb u l g es y s t e mi sv e r yl i t t l e t h e v a r i a t i o nr a n g eo f t h ea m p l i t u d e0 ft h ep h a s ei sl e s st h a n1 a st ot h ee f f e c to nt h e t i d a la n dr e s i d u a lc u r r e n t , t h ei n f l u e n c ei sv e r yl a r g ei nq i a n w a nb a ya n dt h el o c a l r o u n dt h ee n g i n e e r i n g a f t e rs e a - f i l l i n gt h et i d a le l m e t ad e c r e a s e1 6 9 0 0 - 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m o u t ha r e f l 6 s t u d yo nt h ep r o g r e s so f t h en u t r i t i o na n dt h ee c o l o g i c a ld y n a m i c s s o m ec o n c l u s i o nh a sb e e na c h i e v e di nt h ef o l l o w i n gb yp r o g r e s ss t u d y t h en u t r i e n t c o n c e n t r a t i o ns i m u l a t e dw i t hv a r i a b l eb o u n d a r yc o n d i t i o ni sh i g h e rt h a nt h a tw i t h f i x e db o u n d a r yc o n d i t i o n i n p u tf i - o mr i v e ri st h em a i ns o u l r c co fn 卫a n dt h e c o n c e n t r a t i o np r o d u c e db yt h er e l e a s ea tt h es e d i m e n t - w a t e ri n t e r f a c ei s2 0 - 4 0 p e r c e n to ft h a tp r o d u c e db yi n p u tf r o mt h er i v e r , a n dt h ep e r c e n t a g eo fp h o s p h a t ei s 1 1 5p e r c e n t a f t e rs e a - f i l l i n g , t h ee o n e e n l r a t i o no fi n o r g a n i cn i t r o g e ni n c r e a s e 7 7 一1 2 i nq i a n w a nb a y i no t h e rs e aa r e at h ec h a n g eo fc o n c e n t r a t i o ni sl e s st h a n 2 1 1 豫e f f e c to f s e a - f i l l i n g0 1 1t h ep h y t o p l a n k t o ni sv e r yl i t t l e ( l o 1 a t rs e a - f l i n g t h en u t r i e n tc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e , b u tt h ec o n c e n t r a t i o no fp h y t o p l a n k t o nd e c r e a s e t h er e s u l tp r o v et h a tt h en u t r i e n te o n e e n l r a t i o ni sc o n t r o l l e db yt h ep h y s i c a lp r o g r e s s b u t t h ep h y t o p l a n k - t o ni sc o n t r o l l e db yt h eb i o l o g i cp r o g r e s s i ( e y w o r d s ，n e a rs h o r ea r e a , j i a o z h o ub a y , e c o mm o d e l ，s e d i m e n tm o d e l ， e c o l o g i c a lm o d e l ，e u l e r - l a 鲜a n g em o d e l ，t i d a le n e r g yf l u x ft，鞔，磐、# 图幅索引 图1 1 潮流、泥沙、生态数学模型及其应用结构框架1 2 图2 2 1 粘性泥沙海床演变模型示意图2 6 图2 3 1 生态动力学概念模型3 1 图3 3 1 平面内二阶拉格朗日插值示意图“ 图3 4i 理想流场和粒子轨迹4 8 图3 4 2 粒子轨迹理论解和本文模型结果对比4 8 图3 4 3 欧拉格式和欧拉拉格朗日格式计算结果对比。4 8 图4 1 1 胶州湾地理位置示意图5 l 图4 ，1 2 胶州湾水深及现状地形图5 1 图5 1 1 胶州湾及扩大域计算网格图6 3 图5 1 2 潮位验证曲线6 3 图5 1 3 胶州湾潮流、潮位验证点及代表点6 4 图5 1 4m 2 分潮同潮时线和等振幅线。6 4 图5 1 5 潮流验证玫瑰图6 5 图5 1 6m 2 分潮涨潮中间时流场( 表层) 6 6 图5 1 7 m 2 分潮落潮中问时流场( 表层) 6 6 图5 1 8m 2 分潮涨潮中间是流场( 底层) 6 7 图5 1 9m 2 分潮落潮中间时流场( 底层) 6 7 图5 1 1 0 涨潮中间时的垂直断面流速分布图6 8 图5 1 1 1 落潮潮中间时的垂直断面流速分布图6 8 图5 1 1 2 m 2 分潮余流场( 表层) 6 9 图5 1 1 3 m 2 分潮余流场( 底层) 6 9 图5 1 1 41 9 9 6 年3 月大港一个月潮位过程曲线7 0 图5 2 1 前湾现状和规划示意图7 2 图5 3 1 胶州湾潮能通量分布图7 7 图6 1 1 胶州湾沉积物中值粒径分布8 l 图6 1 2 胶州湾泥百分含量等值线图一8 2 图6 1 3 胶州湾粉沙百分含量等值线图8 3 4 去铲。 鬻簟- b谚：妻毒p*k k#扣爵；啭，。#。p 1口静l囊，ff：妻， 图6 2 1 胶州湾及临近海区悬沙浓度的分布一8 7 图6 2 21 9 9 6 年3 月4 5 日大港潮位过程曲线8 7 图6 2 31 9 9 6 3 5 日1 0 ：0 0 胶州湾及临近海区表层潮流场8 8 图6 2 41 9 9 6 3 5 日1 0 ：0 0 数值模拟的悬沙浓度的分布8 8 图6 2 52 0 0 3 1 0 2 6 日胶州湾风生流8 9 图6 2 62 0 0 3 1 0 2 6 胶州湾显著波高图8 9 图6 2 72 0 0 3 1 0 2 5 2 7 大港潮位过程曲线9 0 图6 2 82 0 0 3 1 0 2 6 1 0 ：0 0 胶州湾表层海流场9 0 图6 2 92 0 0 3 1 0 2 7 数值模拟的悬沙浓度的分布9 1 图6 3 1 涨潮中间时底应力分布9 4 图6 3 2 落潮中间时底应力分布9 4 图6 3 3 高潮时底应力分布9 5 图6 3 4 低潮时底应力分布9 5 图6 3 5 胶州湾的冲淤等厚度图9 6 图6 3 6 胶州湾冲淤等厚度图( 1 9 8 5 1 9 9 2 ) 9 6 图7 2 1 胶州湾海域水温随时间变化1 0 3 图7 2 2 胶州湾海面光强随时间变化1 0 3 图7 2 3 胶州湾海面风速随时问变化1 0 3 图7 3 1 水质及生态调查站位1 0 4 图7 3 21 9 9 1 - 2 0 0 2 年平均的胶州湾叶绿素a 的监测结果1 0 7 图7 5 1 河流输入形成的无机氮浓度场的分布1 1 3 图7 5 2 河流输入形成的磷酸盐浓度场的分布1 1 3 图7 5 3 河流输入形成的硅酸盐浓度场的分布1 1 4 图7 5 4 底层释放形成的无机氮浓度场1 1 4 图7 5 5 底层释放形成的磷酸盐浓度场1 1 5 图7 5 6 底层释放形成的硅酸盐浓度场1 1 5 图7 5 7 夏季无机氮浓度分布1 1 6 图7 5 8 夏季磷酸盐浓度的分布1 1 6 图7 5 9 夏季硅酸盐浓度的分布1 1 7 图7 5 1 0 夏季浮游植物大面分布。1 1 7 图7 s 1 l 夏季浮游动物大面分布1 1 8 图7 5 1 2 夏季水体碎屑浓度分布1 1 8 图7 5 1 3 夏季营养盐摄取量一1 1 9 图7 5 1 4 夏季营养盐再生产量。1 1 9 表索引 表2 3 1 浮游动物摄食浮游植物常见的数学表达式3 6 表2 3 2 胶州湾生态动力学模型参数含义及其取值4 l 表5 2 1 填海工程7 l 表5 2 2 现状地形和规划地形下潮流的变化7 3 表5 2 3 填海前后余流变化7 4 表5 2 4 代表点上填海前后潮波系统的变化。7 5 表5 3 1 代表点上潮能通量变化7 8 表6 1 1 胶州湾主要入海河流年平均输沙率8 0 表6 | 3 1 数值计算结果同文献结果的比较9 3 表6 4 1 现状地形下代表点上的底应力9 8 表6 4 2 规划地形下代表点上底切应力盒相对变化9 8 表7 2 1 胶州湾氮、磷入海通量1 0 3 表7 2 2 河流及污水处理厂排放的污水中s i 0 3 4 含量及其入海通量1 0 3 表7 4 1 变边界和定边界模型数值模拟的c o d 浓度单位及相对变化。1 0 8 表7 6 ，1 填海前后营养盐浓度和浮游植物浓度变化1 2 0 6 独创声明 本人卢明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致酎的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ( 注：垫塑直基焦盏噩犍别直盟 鲍：奎拦亘窒! 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任俐贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彩学欠 签字日期：动够年石月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完争了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被杳阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 彩形疚 签字日期：却以年莎月，f 日 学位论文作者毕业后去向。守留荡争穴髫 工作单位：辨谠币 ，鹦z 糟管弦 通讯地址： 导师筘字 签字目期：。f 年月j - l 日 电话： 邮编冽彩 近岸海域环境数学模型研究及其在胶州湾的应用 1 绪论 第一部分近岸海域环境数学模型 1 1 近岸海域环境数学模型研究的意义 1 1 1 近岸海域的含义 近岸海域是一个广泛应用的概念，在经济、国防、科研等各个不同的领域， 它所包含的海域并不相同，所指海域也比较模糊。例如海洋环境质量公报( 国家 海洋局，2 0 0 5 ) 中提到的近岸海域是指我国领海基线向陆一侧的全部海域，尚未 公布领海基线的海域及内海，指负1 0 米等深线向陆一侧的全部海域。近岸海 域环境功能区划分规范( 国家环境保护总局) 规定：根据沿海各省划定近岸海域 环境功能区的实际范围和环境保护需要，确定近岸海域的范围为与沿海省、自治 区、直辖市行政区域内的大陆海岸、岛屿、群岛相毗连。孙文心( 2 0 0 4 ) 等著的近 海环境流体动力学数值模型一书中：近岸海域是指陆架海、沿岸海域以及感潮 河口等，而且也称为近海。 本文提到的近岸海域指沿岸狭窄海域，是陆地系统与海域系统相互耦合的复 合地带。一般为离岸几十公里海区，而且水深较浅，一般在5 0 m 以下( 朱首贤， 2 0 0 5 ) 。 1 1 2 近岸海域环境数学模型研究的意义 ( 1 ) 近岸海域对我国发展具有战略地位 我国具有漫长的海岸线，沿海陆地是人口最密集、经济最活跃、社会发展最 繁荣的地带。陆地资源匮乏、而海洋蕴藏了丰富的资源，按其属性可分为海洋生 物资源，海底矿产资源，海水资源，海洋能资源与海洋空间资源。海洋资源的开 发利用和保护在国民经济可持续发展中具有极其重要的地位。 ( 2 ) 近岸海域是受人类活动干扰最严重的区域 近岸海域是陆地、海洋、大气之间各种过程相互作用最活跃的界面，其环境 和生态系统受到来自海洋和陆地的双重作用的影响，尤其对人类活动的影响十分 敏感，生态系统脆弱。人类活动对海洋生态系统的干扰主要来自以下两个方面： 第一，人类活动产生的“三废”物质给河流和近岸海域造成严重污染。 近岸海域环境数学模型研究及其在胶州湾的应用 人类活动产生的“三废”包括人类陆上活动产生的“三废”和海上活动产生 的。三废”海上人类活动如捕捞、疏浚、沙滩开发、油气勘探与开采、水产养 殖等活动所产生的各种污染物及其开发过程对海洋环境也产生较大的影响。 第二，沿海地区过度围海造地对海洋生态环境和海洋可持续发展的影响。 围海造地给土地紧缺的沿海地区带来明显的社会效益和经济效益，但过度的 围海造地会破坏海岸和海底的自然平衡状态，导致入海口泥沙的淤积，天然湿地 减少，海岸线上生物多样性下降，减弱海水自净能力，水质恶化等一系列的环境 问题。 近年来，受人类活动的影响，近岸海域环境质量状况日益下降。2 0 0 5 年海 洋环境质量公报( 国家海洋局，2 0 0 5 ) 监测结果表明：2 0 0 5 年海域总体污染状况仍 未好转，近岸海域污染形势依然严峻，污染海域主要分布在辽东湾、渤海湾、长 江口、杭州湾、江苏近岸、珠江口和部分大、中城市近岸局部水域；近岸海域生 态系统健康状况恶化的趋势尚未得到缓解，大部分海湾、河口、滨海湿地等生态 系统仍处于亚健康或不健康状态。 ( 3 ) 环境数学模型是研究海洋环境问题的重要工具 海洋虽有巨大的自净能力，但是局部海域却因流体动力过程和生物化学过程 不同，水体的纳污和自净能力差别很大。了解某海域的物理与化学t l 净能力，掌 握污染物入海后的的输运规律，探明污染物在水体中的浓度分布及变化，研究污 染物对海洋生态环境的影响等是海洋环境研究的主要任务。研究手段主要有两 类：一类是模型方法，包括数值模型和物理模型，另一类则是近似估算法。后者 相对简单，主要用于较简单的海洋环境预测。 模型是对实际事物高度的抽象和概括，包括物理模型和数学模型两类。物理 模型即常用的比尺模型，因其造价高、建设时间长，方案更改周期比较长，对复 杂自然环境条件不容易模拟，受时间和空间尺度限制较大等缺点，物理模型实际 应用中受到很大限制。数学模型是在对事物机理抽象的基础上建立起来的数学物 理方程。在合适的初、边值条件下，可以通过数值方法求得物理变量的时空分布。 数学模型除了能重现研究区域的流体运动和污染物的浓度分布外，具有实践意义 的是模型经过调整和验证可以用来预测由于大型海洋工程引起的海域形态的变 化对流场，浓度场，泥沙运动和生态系统的影响。数学模型以其建造周期短，简 2 近岸海域环境数学模型研究及其在胶州湾的应用 单、经济和易调试等优点，目前已成为海洋环境研究的重要工具。 ( 4 ) 近岸海域数值模式的研究是提高我国数值研究水平的需要 我国数值模式研制同欧美发达国家有较大的差距，在国际上有广泛影响的数 值模式比较少，更多的是引用国外数值模式。大洋数值模式具有国际共性，而对 于近海和近岸海域而言，区域的特殊性明显，因此开展以近岸海域应用需求为主 的近岸海域模式研究，是提高我国海洋数值研究水平的迫切需要。 1 2 近岸海域环境数学模型研究进展 本文提到的近岸海域环境数学模型包括潮流数值模型、泥沙数学模型、海洋 生态动力学模型。建立潮流、泥沙，生态数学模型对于近岸海域环境管理和环境 保护具有重要的意义。本节对这三方面的模型研究进展进行简要的综述。 1 2 1 潮流数值模型研究进展 1 2 1 1 潮流数值模型研究的意义 潮流数值模型是海洋数值模型的基础，也是海洋数值模型中难度最大，最难 建立的模型。沿岸海域及潮间带已成为人们越来越重要的经济活动区域，这一区 域的海岸工程和制约人们经济活动的海洋环境都涉及到近岸潮流这一动力因素； 因此，研究近岸浅海的潮流模型具有重要意义。 1 2 1 2 国、内外研究进展 潮流数值模拟就是利用数值离散通过求解潮流运动控制方程组来模拟潮流 运动。潮流数值模拟开始于2 0 世纪2 0 年代，5 0 年代后，海洋流场的数值模拟 工作全面展开，先后有大量的数值模式出现。 按维数来分，流场数学模型可分为一维模型、二维模型和三维模型，目前一、 二维模型得到广泛的应用，已经到达实用化的程度。但由于一、二维模型本身的 局限性，随着计算机技术和计算技术的发展，三维模型成为潮流数值模式的主流。 本文对三维潮流模式的发展作简要介绍： 国外的三维模型应用开始于1 9 7 0 年代末，基于简化过的三维浅水方程 l e n d e r t s e ( 1 9 7 3 ) 的工作具有开创性，他在垂直方向采用固定分层方法建立了海湾 三维潮流、盐度模型；为更好模拟底地形的变化p h i l i p s 提出的坐标变化方法被 应用到三维模型中；为了较严格地确定涡动粘性系数和扩散系数，湍流模式理论 近岸海域环境数学模型研究及其在胶卅湾的应用 在潮流模型中得到了应用。m e u o r 和y a m a d a 建立的海洋三维紊流模型经过十几 年的发展，在全世界得到了最广泛的应用。c a u s u l l i ( 1 9 9 4 ) 对三维模型的发展做了 相当多的工作。国、内外先后研制的三维流场模式非常多，这些模式各有特点， 可以从以下几个特性进行分类：垂直方向坐标、水平网格、垂向涡动扩散系数、 海面处理方法、数值计算方法、边界处理等。 ( 1 ) 垂直方向采用不同的坐标可以分为z 坐标系、盯坐标系和等密度坐标系。 c 2 ) 水平方向坐标分为直角坐标、曲线正交坐标、非正交曲线坐标。 ( 3 ) 变量的空间配置有a r a k a w aa ，b ，c 网格等。 ( 4 ) 湍流参数化 垂向湍流参数化是流场模式的重要问题，垂向湍扩散系数有：取常数、采用 p r a n d t l 混合长模型、采用k 方程模型、采用j i 一材卅封闭模型等。水平混合参数有： 忽略不计、取常数、采用s m a g r i n s k y 公式求解等。 ( 5 ) 按是否考虑温盐对流场的影响可以将流场分为正压模式和斜压模式。 正压模式不考虑温盐对流场的影响；斜压模式考虑温盐对流场的影响。 ( 6 ) 海平面处理方法上有刚盖假定和自由波动两种。 刚盖的方法不考虑海表面的波动，略去了易造成计算不稳定的快速传播的外 重力波和k e l v i n 波，时间步长可以取得比较大，常用于大洋模式，但不适合应用 于潮波和风暴潮中。 数值计算方法 在空间离散上有；有限差分法、有限元法和有限体积法； 在时间积分上有显式、隐式、半隐半显格式以及时间分步方法；其中时间分 步方法被许多模式采用，其基本思想是引入一个或多个中问变量，在每一时间步 内把对时间的积分分解成两个或多个子时闻过程，象著名的a d i 差分格式，预测 校正格式以及高阶r u n g e k u t t a 法等。 ( 8 ) 边界处理 流场模式的边界包括开边界和岸边界，对于开边界条件，有些模式采用实测 资料，有的采用单一分潮或多个分潮的组合潮位，有的模式采用嵌套处理，建立 嵌套模式。对于岸边界，有的采用固定边界，有的采用活动边界作漫滩处理，对 河口、海湾水域，如果出现大范围漫滩，应该采用动边界模型。目前应用较多的 4 幸警 h 。e 护尹k争擎瓠p # ；+ 擎ll；#l， 近岸海域环境数学模型研究及其在胶州湾的应用 动边界处理方法有干、湿点法、窄缝法和自适应网格等方法。 国际上较为流行的三维潮流模型有： p r i n c e t o n 大学以m e l l o r 为首的海洋动力环境数值模拟小组的p o m 模型 ( p r i n e c , e t o c e a nm o d e l ) ，e c o m - s 1 0 z s t u a r i n e c o a s t a la n do c e a n m o d e l s e m i - i m p l i c i t ) 模型；美国麻州大学f v c o m ( f i n i t ev o l u m ec o a s ta n do p , e a n m o d e l ) 模型；德国汉堡大型海洋研究所汉堡陆架模式- - h a n s o m ，( h a m b u r g s h e l f o c e a n m o d e l ) ：美国r a n d 公司的r a n d 模型；美国陆军工程兵团的( c h 3 d ) ；意 大利的t r i m 3 d 模型；荷兰的d e l f t t j ( 利学实验室的d e l f t 模型。 其中，最有代表型的有限差分方法的模型就是p o m 和e c o m s i 以及相似的 s 雅 m 和s r u m ，较有代表性的有限元模型是q u o u d y 。有限差分方法是最简单 的数值离散方法，它最大的优点是计算结构简单、计算速度快、容易修改调整； 其最大的弱点是对复杂岸界拟合较差。虽然在有限差分中引入正交曲线坐标系和 非正交曲线坐标系，在一定程度上改变了对较为平滑的浅海岸线的拟合精度。但 对弯曲多变的岸界、群岛等复杂的几何结构仍束手无策。有限元最大的优点是几 何易曲性。通过采用非结构三角网格，有限元模型能够精确的拟合复杂曲率的岸 界，在网格设计上基本解决了浅海模型中最令人头痛的复杂岸界拟合问题。可是 传统的有限元模型计算量较大，国内外其主要应用在海洋工程界。近年来有限体 积数值计算方法在流体力学方面受到人们的重视，与有限差分和有限元方法不 同，有限体积法不直接求解二阶的海水运动方程组而是通过从数值上求解方程组 的积分形式。这种方法综合了有限差分方法的计算速度效率和有限元方法的网格 易曲性。最近美国麻州大学( t h eu n i v e r s i t yo f m a s s a c h u s e t t s ) 海洋科学技术学院 陈长胜研究组成功的建立了三维非结构原始方程、有限体积的海洋模型 ( f v c o m ) ( c h e n c ，2 0 0 3 ) 此模型在理论和数值计算方面基本解决了浅海陆架、 河口物理海洋和生态动力学模型中最令人头痛的复杂的几何岸界和计算有效性 的难题。 国内的学者针对渤、黄、东、南海发展了一些三维潮流数值模式，有孙文心 等( 2 0 0 1 ) 利用流速分解方法建立的三维空间非线性潮流数值模型；沈育疆等( 1 9 8 4 ) 对整个东中国海潮流数值模拟；奚盘根等( 1 9 8 4 ) 建立的非线性三维潮波边值问题 模型；孙英兰等( 1 9 9 0 ) 建立的渤海三维斜压模型；石磊等( 1 9 9 5 ) 用分步杂交方法 5 近岸海域环境数学模型研究及其在胶州湾的应用 建立的三维浅海流体动力学模型，采用t l r 坐标，时间上采用分步方法，模型采用 三角形网格，模型具有较好的灵活性；白玉川( 1 9 9 8 ) 用分层拟三维水流数学模型 对广西廉州湾潮流进行了模拟；方国洪( 1 9 9 8 ) 的斜压海洋动力学三维数值模式采 用内外模式分离，外模态采用a d i 方法，内模态采用半隐半显格式，可用于潮 潮汐、潮流和风暴潮的模拟。近岸海域和漫滩过程的潮流数值模拟近年来也取得 了满意的结果。目前已有不少数值模型研究工作( 史峰岩，1 9 9 5 ，1 9 9 7 ；孙文心， 1 9 9 4 ：孙英兰2 0 0 1 ；张越美，2 0 0 2 ；张学庆，2 0 0 5 ) 一般采用干、湿点方法或者 采用运动学边界条件的坐标变化，技术比较成熟。 同欧美发达国家相比，我国缺乏在国际上有影响力的数值模式，大部分模式 在国外模式的基础上根据区域特点添加一些过程改进而来的。p o m 和e c o m 模 式是国内应用较多的模型。 1 2 2 海洋生态动力学模型研究进展 近海水质模型是海洋环境管理的重要工具。较早出现的水质模型主要是预测 保守物质的物质输运模型。近年来近岸海域赤潮频繁发生，进入2 0 世纪9 0 年代， 随着g l o b e c 计划的出台，兴起了海洋生态动力学模式研究的热潮。 1 2 2 1 海洋生态系统动力学研究的方法 海洋生态系统动力学传统的研究方法是强调生物自身循环，生物状态变量包 括各类复杂的自养和异养系统以及它们之间的相互关系，强调完善的生物化学过 程。这类模型在某种程度上忽视了物理场的作用。当今生态系统研究的潮流和正 确的研究方法应该是：首先模拟物理环境场，在物理场模型较完善的基础上，从 简单到复杂逐步发展生物模型( 陈长胜，2 0 0 3 ) 。这类模型以过程研究为主，生物 状态变量的个数视研究的目的和获得资料的情况而定，不盲目增加变量的个数。 1 2 2 2 国、内外研究进展 汉堡的北海生态模型属典型的海洋生态模型，它强调完善的生物、化学过程。 美国以陈长胜为代表的学者强调物理一生物过程的祸合作用，突出过程的研究。 近年来，美国乔治浅滩模型，密歇根湖，s t i l l a 河，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，中国的胶州湾、 渤海、长江1 2 1 等海区都曾进行过