（环境科学专业论文）夏季珠江河口底层水体缺氧现象的模拟研究.pdf

中山大学博+ 学位论文夏季珠f j ：河l j 底层水体缺氧现象的模拟研究 物质和氨氮，以及底泥的耗氧过程成为溶解氧迅速消耗的原因，最终导致缺氧现 象的出现。 6 、控制条件的模拟试验结果显示：密度梯度差异导致的斜压梯度力和潮汐 摩擦混合是珠江口盐度一潮汐混合锋面的共同驱动力，而锋面的产生以及锋面带 内稳定层化区域的出现是底层水体缺氧现象形成和发育的重要原因。 关键词：缺氧；珠江口：水动力生态耦合模型；锋面；层化 【i p 山大学博士学位论文 豆季珠江河l i 底层水体缺氧现象的模拟研究 s i m u l a t i o ns t u d y o fh y p o x i ai nb ( y r r o ml a y e r so f t h ep e a r l r i v e re s t u a r y i ns u m m e r m a j o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：l u ol i n s u p e r v i s o r ：l is h i y u h y p o x i ai so n eo ft h ee n v i r o n m e n tp r o b l e m se x i s t e di nt h ep e a r lr i v e re s t u a r y ( p r e ) a c c o r d i n gt ot h ei n t e g r a t i v ee f f e c t so fc o a s t l i n e ，t o p o g r a p h y ，h y d r o d y n a m i c s ， t i d a ld y n a m i c sa n dh u m a na c t i v i t i e s s i n c et h ee c o l o g i c a lp r o c e s s e si sc o u p l e dw i t h t h eh y d r o - d y n a m i c a lp r o c e s s e s ，a n dt h ec u r r e n ts y s t e mi sm u l t i s c a l ea n dn o n l i n e a ri n t h ec o a s t a lr e g i o ni nn a t u r e ，ac o u p l e d3 - dh y d r o d y n a m i c a i e c o l o g i c a ln u m e r i c a l m o d e li s n e c e s s a r ya n di m p o r t a n tt o u n d e r s t a n dt h e d y n a m i ct r a n s f o r m a t i o no f e c o l o g i c a lp r o c e s s e sa n di t sa s s o c i a t i o nw i t ht h ee s t u a r i n ec i r c u l a t i o ni nt h ep r e a f t e rt h ed e v e l o p m e n to fac o u p l e dm o d e l ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h ed i s s o l v e do x y g e n f d o ) i ss u c c e s s f u ls i m u l a t e di nt h ep r ei ns u m m e r n o to n l yt h ed y n a m i c sp r o c e s s e s o fd oa n di t sa f f e c t i n gf a c t o r s b u ta l s ot h ec a u s e so fh y p o x i ai nt h eb o t t o ml a y e r sa r e w e l lu n d e r s t o o d t h em a i nr e s u l t so fa n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns h o wa sf o l l o w s ： 1 、t h e r ea r ec o r r e l a t i o nr e l a t i o n s h i p sa m o n gt h ee n v i r o n m e n t a le l e m e n t si nt h e p r e s u c ha sd o ，c h i n s a l i n i t y 2 、f h e3 - dh y d r o - e c o l o g i c a ld y n a m i cm o d e l ，w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e di nt h i s d i s s e r t a t i o n ，c a l lw e l ls i m u l a t et h eh y d r o d y n a m i cp r o c e s s e s s u c ha st h e s p a t i a l t e m p o r a l v a r i a t i o no fc i r c u l a t i o n 、s a l i n i t ys t r u c t u r e f r o n t a l s t r u c t u r e ，a n dt h e d i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o no ft h ee c o l o g i c a lf a c t o r s ，s u c ha sm i c r o p l a n k t o n d e t r i t u s d i s s o l v e dn u t r i e n ta n dd oi np r e 3 、t h ef o r m a t i o no ft h ef r o n ti nt h ep r ei sm a i n l yd u et ot h et i d a lm i x i n ga n d t h eg r a d i e n t so fs a l i n i t ye x i s t e db e t w e e no p e ns e aa n di n t e r i o re s t u a r y t h ef r o n t e x t e n d sa l o n gt h ei s o b a t h so f10 m ，a n di n t e r s e c t sw i t ht h eb o t t o mo b l i q u e l y t h ef r o n t i i i 山山大学精十学位论文 夏季跺f 河口底层水体缺氧j ! l l 象的模拟研究 a n ds a l i n i t ys t r a t i f i c a t i o ng r e a t l yi m p a c to nt h ed i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o no fe c o l o g i c a l e n v i r o n m e n ti nt h ep r e 4 、t h e r ea r et w oo b v i o u sz o n e sw i t hh y p o x i ai nb o t t o ml a y e r si np r e o n e c o m e sf o r t hi nt h es h a l l o ww a t e rb e t w e e nt h eq i a oi s l a n da n dd ah e n g q i ni s l a n d t h e o t h e ro n ea p p e a r sa r o u n dt h en e il i n g d i n gi s l a n d t h ed i m e n s i o n sa n di n t e n s i t i e so f z o n e sw i t hh y p o x i ac u td o w nd u r i n gt h es p r i n gt i d e a n db u i l tu pd u r i n gt h en e a pt i d e 5 、t h eh y p o x i ap h e n o m e n ar e s u l tf r o mc o u p l e dd y n a m i c s o ft h ew a t e r s t r a t i f i c a t i o na n dt h eb i o c h e m i c a lp r o c e s s e s d oi nb o t t o ml a y e r s c a l l g e t r e p l e n i s h m e n tn e i t h e rb yp h o t o s y n t h e s i s ，n o rb ya d v e c t i o na n dd i f f u s i o nf r o mu p p e r l a y e r st h r o u g hv e r t i c a lm i x i n g t h ed oi n b o t t o ml a y e r si s d e p l e t e db yd e t r i t u s ， a n a m o n i aa n da e r o b i cb i o c h e m i c a lp r o c e s s e si ns e d i m e n t t h u sh y p o x i ah a p p e n s 6 、t h ec o n t r o l r u ne x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h eb a r o c l i n i cp r e s s u r eg r a d i e n ta n d t h et i d a lf r i c t i o nd o m i n a t et h ef o r m a t i o no ff r o n ti ut h ep r e a n dt h ed o n ta n d s t r a t i f i c a t i o na r ei m p o r t a n tf o rt h ef o r m a t i o na n de v o l u t i o no fh y p o x i ai nb o t t o m l a y e r s k e y w o r d s ：h y p o x i a ；p e a r lr i v e re s t u a r y ( p r e ) ；c o u p l e dh y d r o d y n a m i c a l 。e c o l o g i c a l m o d e l ：f r o n t ；s t r a t i f i c a t i o n v 中l l 大学博士学位论文 鼋季珠江河口底层水体缺氧现蒙的模拟岍究 1 1 选题意义 1 1 1 缺氧问题研究意义 第一章绪论 l 、沿岸和河口区域底层水体缺氧观象的由来 溶解氧代表溶解于海水内氧气的含量，以每升水所含氧的毫克数表示，海水 中溶解氧的含量在卜8 5 m g l ，但住某些低温海区，当光合作用旺盛时，其含 量可超过这个上限。绝大部份的海洋生物均需依赖溶解在水中的氧气来维持生 命，适量的氧是鱼类和好氧菌牛存和繁殖的基本条件。在溶解氧低于4 m g 几时， 鱼类就难以生存。影响海水中溶解氧含量的主要囚素有：海气交换过稗；有机物 质的合成和分解；海水动力过程如潮汐、海流和上升流等忙i 。 根据研究目的和区域环境特征的不吲，从沿岸种群对水体低溶解氰状况的耐 受度以及地区水质标准出发，对缺氧现象的含量阀值定义也各有小同。如美国纽 斯河口的研究以2 m g l 作为缺氧晌闽值3 1 ；日本福冈湾的研究分别以溶解氧含量 低于3 6 和0 0 3 6 m g i 作为缺氧水域和无氧水域的判断标准；拉帕汉诺克河流 的研究甚至将溶解氧f | 平均浓度低于5 m g 定义为缺氧5 1 等。由于鱼类币贝类在 溶解氧低于3 m g l 的水体中开始死亡，本研究q j 将海水中溶解氧的含量低于 3 m g l 的现象被定义为“缺氧”( h y p o x i a ) 现象，溶解氧含量接近零定义为“无 氰”( a n o x i a ) 现象m l ，缺氧会改变生物的生理特性，通过消灭敏感种和刺激耐受 冲的增殖改变牛物群落的组成和结构，降低鱼类和底觚群落的物种多样性和二 j 蔓，进而影响海洋生态系统的营养动力学；还会改变p h 、e h 等环境凶于从而改 娈沉积物环境，使沉积物捕集到的微量元素、何毒金属物质及营养物质发生化学 彤态及物理形态的改变，重新向水体释放，卣接威胁生物牺息繁衍，对整个河口 区的水生生态系统部会产生严重影响：研究表明，发生缺氧现象后，温带区域需 要2 年甚至更长：的时间才能恢复底柄群落，、f 热带区域则需要t 5 个月序右卜9 i ， 百汪据表明，在全世界范周内，底层水缺氧的现象普遍存在于夏季的滑岸浅 中山大学博士学位论文夏季珠江河口底层水f 本缺氰风象的模拟研究 图l l 底层水体缺氧现象产生的原因( 引自l o n g i s l a n ds o u n ds t u d y ( l i s s ) ) 水和河口地区，井随着人类的活动而增加和d d 居l j m 】，导致缺氧现象发展和存在 的两个基本因素是水体的层化作用和有机物的分解。河t e l 口系统的物理机制决定了 缺氧区的可能存存：有机物质的呼吸分解等导致了氧的消耗。这两个因素共同产 牛作用，不可分割。 ( 1 ) 物理冈素作用。由于地形的约束和沿岸流的作用以及高冲淡水径流等条 件，河流与河口地区或多或少都存在季节惟的层化现象。任秋季和冬季强烈的 帆应力搅拌作用和表层水的冷却下沉使水体混合均匀，底层的氧消耗得到缓解。 备夏季，风力混合作用减弱，衷层水迅速增温形成稳定的层化结构，较冷的底层 水利较暖的表层水之间很难形成交换。同时，河流径流一般在春夏季达到最大值， 密度较小的冲淡水加剧了水体的层化分布。在混合不充分的条件下，底层溶解氧 无法得到补充。溶解氧的含量南藻类和其它有机物向下输送和分解的速率与复瓴 率的平衡决定，而这种平衡与层化的强度成反相关i “i ， _ 在一些岛屿众多的贫氧区，贫氧现象的产生可能由外海低层的高盐低温低氧 水沿岸坡爬升入侵造成”i 。 此外，渊汐、径流、风力及其它环境因素均可影响层化的生长、动态和减弱 中山大学博士学位论史 豆季珠妇河口底层水体缺氧现象的模拟研究 【o l ， ( 2 ) 富营养化。在大多数海域和淡水区域，如墨西哥湾北部、美国长岛等缺氧 现象的发生，是富营养化的结果】。由于经济的发展，大量的有机质和营养物质 随河流径流进入河口，从直接影响上看，过量的营养物质造成藻类的大最繁殖， 初级生产力增加，使过多的有机物质沉降到水体分解耗氧；从间接影响上看，营 养盐的比率变化，改变了浮游植物的种群结构，新演替出的浮游植物优势种经常 变为不受捕食者欢迎的种类而不被捕食，最终| = 沉到海底被分解【9 】，线层水体的 溶解氧消耗速度大大超过了其再生和补充的速度，导致缺氧的发生。 浮游植物的种群结构演替由两个关键机制决定：资源竞争和选择性捕食。浮 游植物的种群结构演替由两个关键机制决定：资源竞争和选择性捕食。在资源竞 争中能获胜的藻类必是能将刈限制性营养盐的利用降至最低的种类。如当s i 相 对于n 和p 成为限制元素时，依靠s i 构建细胞擘的优势种硅藻必然式微，而一 些非硅藻类的浮游植物如甲藻等可能占优势地位，其中有些藻类是有害或有毒 的。从尺寸的角度看，在适度限制和稳定的生长条件下，较小尺寸的藻类为竞争 优胜者，而在波动和营养富余的环境巾，较人j t 寸的藻类成为竞争优胜者。藻类 成为优势的能力不仅与其竞争能力有关，且与其减少捕食损灾的能力宵关。在富 营养( e u t r o p h y ) 和超营养( h y p e r t r o p h y ) 叫：境卜，浮游捕食者不可食的藻类占 优势 因此，沿岸和河口区域底层水体的缺氧现象既是水动力作用的结果，也是水 体富营养化的结果。 二、缺氧现象的研究手段 目前对河口海湾区域底层水体缺氖现象的研究的手段多种多样包括g i s 、 ；隘测、试验分析、统计分析和模拟等。前四者的研究均建立在f 地场勘测的基础上。 海洋监测足获取水质信息的可靠手段，对于水体环境现状的评价具有决定性的作 卜h ，f h 需耍大量的人力、物力，成本人，历时长，监测范围有限，同步数据获取 困难目无法达到预测的同的。数学模型恰恰能够做到这一点它可以通过有限 监测点的数据准确掌樨整个水域的水环境特征及其变化规律，允许我们弥补观测 数据的f ：足，有助十我们通过一系列l 】j 控实验，了解河口 要的动力过程，并做 出预报“，而且在定义河口的环境状况时，相对于即时观测得到的浓度，化学 中l u 大学博士学位论文 夏季珠江河口底层水体缺氧现象的模拟研究 物质或污染物的转化“过程”( p r o c e s s ) 具有更重要的意义叫1 ， 1 1 2 珠江口缺氧现象的研究意义 l 、珠江口慨况 珠江e l 是中国与世界各国交往的南大门，地理位置极其重要，具有重要的经 济、政治和军事价值。沿岸城市人l i 集中，经济发达，湾e i 两翼毗迮港澳地区， 是海外交通、贸易和海防的要地。珠江口位于北回归线以南，面临热带海洋南海， 地处南亚热带，属南亚热带海洋性季风气候区水热条件好，具有丰富的自然资 源和人文资源，是中国著名的三人河口之一。珠江水系主要干流西江、北江和东 江流经珠江三角洲经济发展区，汇合后由虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、 鸡啼门、虎跳门和崖门八大口门分流进入珠江口。其中，虎、焦门、洪奇门和 横门的淡水径流进入伶仃洋水域，磨j f l 的淡水径流进入磨刀门水域，鸡啼门的 淡水径流进入鸡啼门水域，虎跳门和崖fj 的淡水径流进入黄茅海水域，形成刚河 与喇叭形河口湾并存的地貌。珠江1 2 1 水域面积广阔，岛屿众多，生态环境独具特 色1 1 。 2 、珠江口及其邻近水域底层水底的缺氧问题 近几十年来，经济的快速发展和人l 的急剧膨胀给珠汀河口及其沿岸地区的 水域带来前所未有的污染，使珠江i r | 水负载了高浓度而且比例严重失调的人为营 养源( 如n ：p 约为1 2 8 ：1 ，八倍1 ：r e d f i e l d 比1 6 ：1 ) ，随珠江径流进入河口区域 后，造成了河e l 区水域的营养盐明显过剩。营养盐的结构也发生了改变，形成珠 江口浮游植物生长的磷限制i 吲，同时珠江口具有复杂的地形和水动力条件，在 风、潮汐、沿岸流、地形、河流径流及季节性温差变化等诸多因素的控制影响下， 河厂】的流场异常复杂。携带大吊营养物质的珠江河水进入河口后受河口的环流场 支配，对河口攻邻近海域的生态环境发生影响。珠江河口，特别是伶仃洋地区的 有机污染和富营养化问题引起人们越来越多的关注。作为海洋t 态环境的重要参 数，了解珠江f i 的d o 分布状况及其影响凶素，进而研究底层水体缺氰现象的形 成原冈，对珠江口的叮持续发展具有重要意义。 陆架浅海环流小仅住时间和空间上呈多尺度结构，而h 还具有较强的非线性 特征。因此，浅海动力学理论多半建立存观测资料和数值模拟的基础上，并且在 中山大学博士学位论文复季珠 i 河u 底层水体缺氧现蒙的模拟研究 某一个局部范围内找到的动力学规律并不见得适用于任一海域1 6 。 因此，在珠江口建市一个水动力生态祸合的动态数值模型，了解该水域的 物理、生态过程及人类活动对生态环境的影响，进而揭示物理环境与生态过程的 描合作用对底层水体缺氧现象发生的影响，无疑具有重要的现实意义和学术价 值。 1 2 研究进展 1 2 1 国外缺氧问题研究进展 迄今为止，低氧或无氧现象已影响了全世界数干平方公里的广阔沿海海域， 南北美、非洲、欧洲、印度、东南亚及澳洲、日本和中国都对此有市h 关的报道_ l 。 缺氧现象在国外得到充分的重视莉旷泛的研究，研究的手段多种多样，包括g i s 、 监测、试验、模拟和统计分析等。由于半数以上的耍要河口都出现了持续数周至 数月、影响范围不等的缺氧现象i 川，从8 0 年代起美国就开始了对沿岸海域底层 水体缺氧玑象的系统监测和模拟研究：f 妒于路易斯安娜一德克萨斯大陆架卜的墨 西哥湾北部是全美，至整个西太平洋最大的季节性缺氧区域，科学家们对该区域 进行了【圭达十几年的陆源污染、水文水质嗡测及模拟，揭示r 其季节性、年际问 和长朗的缺氧特征变化及其与气象、水动j 特征和营养盐负荷的响应关系【1 7 “1 9 1 通过对长岛缺氧盛 j ：区域、出现时机和持续时问等的观测和周边污水处理厂排污 量等的统计，1 9 9 4 年纽约州政府和围家环保署提出_ r 环境目标干一系列应对措 施旧”i ：此外还仃切萨皮克湾及其支流、北卡罗米纳中东部的纽斯河口等重要 河口和海湾地区，不同的科学团体通过模拟揭示了缺氧现象在不同地区形成的不 同机制| 2 ”“，口本使用一个3 d c h e m 水动力和富营养化复合模型模拟了福冈湾 更季的缺氧现象，并用统计模式计算缺氧水和无氧水在时空i j 的山现概率h l ；通 过孤立水训的年龄测定，确定了流场的作片在伊势湾的缺氧现象发展巾t l j + 主导地 f 迂口，澳大利亚的哈维河口是一个狭窄的地巾海型河r ，h e a r n c j 等利用一个 纯物理的、只考虑底泥耗氧和垂向交换的模型较好的模拟了哈维河口的缺氧；队况 2 6 1 ， 中山大学博士学位论文夏季珠t t nl j 底层水体缺氧现象的模拟研究 1 2 2 国内缺氧问题的研究进展 国内对缺氧现象的调查和研究并不多见。在1 9 9 9 年的海洋科考中曾发现了 长江口外一处面积达万余平方公里的底层缺氧区域，而据史料记载在1 9 8 0 1 9 8 1 的中美合作长江口及其邻近东海水域沉积动力学研究和1 9 8 1 1 9 8 3 年的上海海岸 带资源调查中都记录了夏季长江u 外沿存在低d o 区域，与珠江口相比，范围较 大【2 ”。1 9 9 8 年记录的烟台四十里湾由于爆发大规模的赤潮事件也曾引起下层水 体严重缺氧，导致养殖扇贝大批死亡【2 8 i ， 1 2 3 珠江口缺氧问题研究进展 在珠江口对底层水体缺氧现象的脱测可上溯到上世纪七八十年代进行的大 规模海岸带和海涂资源综合调查在二灶岛和高栏岛以南以及上川岛东北海区部 发现了底层水体缺氧区域的存在，溶解氧浓度最低达到1 2 3 m 1 1 1 2 i ，这一发现打 破了我国海洋界普遍认为的中国沿海水域不存在海水缺氧现象的说法；随后进行 的多次调查都发现了这一现象2 9 1 9 i ( 表1 1 ) ：林洪瑛等根据珠江口多年的力| 史 佩奇资料对珠江口底层海水季1 7 性的缺氧现象进行了分析阐述，提出其具有引 发“化学定时炸弹”( c t b ) 的潜在威胁一】；一些学者则通过实验和采样实测等 手段对珠江口和邻近水域的生态环境进行了一系列的研究，从营养盐循环和浮游 植物习性的角度提出了缺氧出现的擘垒问题和环境效应【3 0 弛1 ，林卫强等也根据 监测资料对伶仃洋的d o 垂向结构进行分类，并剖析了底层水体低氧的产生原因 l 3 3 1 ， 衷1 一l 历史调佥的缺氧现象m 玑时问和区域 情蠢时问缺氧区域 l 9 8 0 钲 1 9 8 5 年7 月 9 8 7 年丰水崩 t 9 9 0 年7 月 1 9 9 2 午6 月 1 9 9 6 年8 月 灶和吉i 栏岛以南和上j i | 岛东北海区 高栏岛与横琴岛附近水域 j f | 板洲至内伶仃一线 岛榉岛与横琴岛附近水域：万l 【i 群岛一大濠岛附近水域 内冷f j 附近，k 域：睦l 【1 一大濠岛附近水域：万i f i 群岛尔部水域 内怜仃附近水域：担杆岛以北海域 中山大学博士学位论殳 曼季珠7 l ：河l j 底层水体缺氧现象的模拟研究 1 2 3 缺氧现象的模拟研究进展 从模拟的角度来说，国内尚无对河口沿岸底层水体缺氧现象的专门模拟研 究。但由于溶解氧的浓度在生物的光合作用、呼吸作用以及细菌的硝化和反硝化 怍用中都具有重要影响作用，溶解氧往往是区域生态环境模型中的重要模拟因 子，在胶州湾、珠江口都进行过相应的模型开发和模拟。根据研究侧重角度的不 同，各生态模型或准生态模型各有其特色，如俞光耀等丌发了包括浮游植物、浮 游动物、无机氮和磷、溶解态与悬浮有机物及溶解氧七状态变量的浅海水体牛态 动力学箱式模型和包含了底栖动物等的水层一底栖生态系祸合箱式模型，成功的 模拟了胶州湾北部各生态变量的季节，变化特征3 4 。刚：林卫强等开发的磷限制三 维准生态水质模型及生态动力学模型能够揭示水体富营养化的程度和氮磷摩尔 比等环境指标的空间分布规律”3 7 1 1 香港科技大学也开展了珠汀河口氮和磷循 环及溶解氧的数值模拟3 83 9 1 、但至今没有任何模拟研究对底层水体的缺氧形成 机制进行剖析。 l 3 论文总体设计 1 3 1 研究内容 旃一部分：绪论，通过文献资料的育阅、整理和分析，概括的描述论文选题 意义、国内外研究进展及论文总体设计情况。提出本研究所要解决的科学问题， 即珠江河口及其邻近海域底层水体的缺氧现象和程度，并揭示其产生的原剀， 第二鄙分：由既往文献材料总结珠江口的地理环境、水文、水质特征：通过 对在珠江口进行的两次夏季现场监测和采样结果进行统计，分析夏季溶解氧的分 布特点，表、底层溶斛氧与各生态因了和水文要素的关系定性的说明盐度、温 度、潮汐、营养盐、c h l a 等对溶解氧、溶斛氧饱和度的影响关系。 第三部分：根据研究的科学问题和研究区域环境特点选择和修改模型，纽建 膜型并运行调试和验证，建立起适合珠江口环境的水动力牛态耦合模型。 菊四部分：对研究区域的物理过程和生态过程进行模拟，展现水动力环境、 溶解氧及其他生态凶子的分布和转化趋势，再现底层水体缺氧现象的生消演化过 阵，对缺氧区域的形成机制进行探讨，并通过一个简单的概率模掣体现缺氧敏感 p 山大学博十学位论文夏季珠t i 河口底层水体缺氧现象的模拟研究 性区域出现缺氧现象的概率。 第五部分：数值敏感性试验，由数值统计和真实模拟的结果总结出对珠江口 底层水体溶解氧输送交换有重要影响的关键因素，进行强迫因子试验，并与全冈 子真实模拟进行比较。 第六部分：对数据分析和数值模拟结果进行总结，对研究过程中存在的不足 和缺陷进行检讨，并提出将来发展和进一步深化的方向。 1 3 2 研究路线 本文的研究遵循这样一条基本路径：统计分析总结规律构建模型进行模 拟数值试验强化论证。根据这条路径，沧文的研究技术路线如图l 一2 所示。 罔1 2 论文研究技术路线 h 山大学博十学位论文 复季菲江河u 底层水体骁氧现蒙的模拟研宄 第二章溶解氧及其影响因素的统计分析 本章内容主要包括两部分，第一部分总结历史文献资料，对夏季珠江口的地 理环境、水文、水质特征进行简要的介绍：第二部分对夏季珠江口的实测水文、 水质数据进行统计分析，找出与珠江口溶解氧含量密切相关的重要影响因子。 2 1 夏季珠江口的水文和水质概况 本节主要依据历史文献资料的成果进行总结。 2 1 1 既往水文和潮汐动力状况 【、地形地貌特征和水文状况 珠江是我国三大河流之一，丰要由西江、北江、东江及珠江三角洲网状河流 组成，总流域面积约4 5 2 6 0 0 k m 二。i 二游河流汇入珠汀2 角洲网河区后，由虎f j 、 焦门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门和崖门八人分流河口注入南海。 其中以西江主要干流口门磨刀门的入海径流量最大，占总水最的约2 8 。珠江年 均径流量占全国的1 3 ，是伞国第二大径流每的河流系统。但全年的径流量分配 图2 i 1 1珠江口的卫星图像( 珠委2 0 0 0 ) 中山大学博士学位论文 夏季珠江河l i 底层水体缺氧现象的模拟研究 不均匀，主要集中在夏季丰水期，占全年的7 5 8 5 芹右【4 。 伶仃洋位于东经u 3 。3 3 _ 1 1 4 。0 9 ，北纬2 2 。1 2 _ 2 2 。4 57 ，足个喇叭 形河口湾，湾顶在虎门口宽约4 k m ，湾口在香港至澳门宽约6 0 k m ，自湾顶至湾口 纵向长度约6 2 k m 。水下地形西北高、东南低，湾内浅滩和深槽相间，自两向东 有西部浅滩伶仃水道，中部浅滩( 矾石浅滩) 一矾石水道一东部浅滩排列，形成“三 滩两槽”的格局。湾内有舢舨洲、大铲、小铲、内伶仃岛和淇澳岛等丰要岛屿4 ”， 沿河口湾的西部水域，以粉砂和细砂的沿岸堆积为丰，形成河口的沙坝沉积相： 尔部的深槽水域，沉积物为砂质粘土、沙砾或基岩裸露，有洪淤枯冲特征，形成 潮汐通道。湾外的两南沿岸，为潮滩沉积相【4 2 l 。珠江口水域的现代沉积环境、 地形、海底地貌环境特征，对河口湾的流场分布变化规律均有影响。 珠江口的水体分为珠汀径流、冲淡水和南海外海水团三个部分。河口湾东鄙 的深槽区，以外海的潮流影响为主，两部的浅滩区，以珠江径流下泄及低盐沿岸 水影响为主。夏季，河口区有明显的盐水楔照j 流现象。 2 、潮汐与潮流 广东沿岸海区，由太平洋经巴士海峡和巴林塘海峡传入南海的潮波，受地形 的影响，一部分向台湾海峡传去，大部分滑着华南大陆架呈现弧形方向传播。随 荷潮波由西向东或由东向匿的推进，传播速度逐渐减慢，大陆沿岸潮差也相应自 两向东或自东向两逐渐增大。 以沿用的( h k l + h o i ) h m ! 比值作为划分潮汐类型的依据，珠江口的潮汐系 故在o 5 3 1 4 l 之间，属可i 规则半日潮，每天两涨两落，在夏季低高潮在先，商 高潮在后。潮流运动受地形和径流影响比较锓著，沿程潮差自南向北逐渐增人。 庄万山群岛、担杆列岛附近平均潮差为o 8 5 0 9 5 m 至u 门附近为l0 15 m ， 到达虎门附近最大为t 7 0 m 。落潮时受径流下泄的影响，较涨潮时延长些。河u 湾的表层瞬时流况均旱现以1 丁 南偏南瞬时流为主。 是南海潮汐和珠江径流影响，湖流运动足略带旋转性的往复流，庄复流主轴 上要沿伶f j - 洋水道取南北向。庄湾内，潮流略呈逆时针方向旋转，以偏西南向往 复的潮流为多见。一般规律是高潮后6 h 或高潮前5 h 潮流流速增至最大，夏季表、 底层最大流速分别为1 5 3 c m s 、6 6 c m s 。主要潮流分布区在伶仃洋水道、九沃岛 至黄茅岛水域和深圳湾附近水域。夏季表层最大潮流位于伶仃洋水道，底层最大 0 | 1 山大学博士学位论文皂季珠 i ：河u 底层水体缺氧现象的模拟研宄 潮流位于金星fj 水道。余流特征为终年下泻余流，以东南或西南向的余流为丰m n 1 。 3 、水温与盐度 水温的分布变化取决于大陆气候、径流、潮流和太阳辐射等因素的影响。夏 季因气温高于水温，径流在流动过程中不断从空气中吸取热量，水温分布具有从 _ 7 耳北往东南递减的变化趋势，表层水温变化范围在2 7 8 3 0 1 度之间，底层水温 分布趋势与表层基本相同，变化范围在2 1 9 2 9 2 度之间。因夏季风力不强海 水对流混合比较弱，导致上、下层温差大，海水层化现象明显，1 5 m 以浅水层水 温垂向变化梯度大，一般在1 0 。c m 左右。 水温的日变化与潮流及太阳辐射的影响有关。涨潮时水温较低，落潮时水温 较高，因此珠江口海区的水温也相应出现两低、两高分1 i 趋势。目最高水温出现 在1 5 1 7 时( 第一次低潮时) 。受潮汐影响，常出现底层水温日变化比表层大的 现象。 盐度的分布变化主要受大陆径流和外海高盐水团的制约。珠江口北有虎门、 两有焦门、洪奇沥、横门四个入海口门，径流经这些口fj 流入伶仃洋，向东南方 向冲溢，当珠江口外的高盐水随南海潮波向西传递进入伶仃洋后，与 东南向冲 溢的大陆径流珠江混合稀释，使盐度逐渐往西北区域降低，从而形成盐度白两北 往东南递增的变化趋势。，衰层等温线自淇澳岛附近的9 【) 0 逐渐往尔南递增到担 忤列岛附近的3 i o o 。底层盐度变化趋势与表层大致相同。最低盐度分布在北伶 仃岛北部i 每区，最高盐度分布在万山群岛和荷包岛附近。垂向盐度分层比较明显 i o m 以浅水层盐度垂直变化梯度在o 2 0 2 5 0 p p t m ，淇澳岛东部海区最大可达7 3 8 p p t m 。 珠江口的盐度日变化与潮位变化密切相天，呈半日周期变化，涨潮时盐度高， 落潮时盐度低，口变化比较显著。夏季表层盐度日较差平均为( ) 3 6 ，底层平均为 7 9 7l 。 4 、表层的冲淡水舌和锋而的产生 f h 于复杂地形、河流输入淡水和混合的影响，珠汀河口存在潮侵锋、岬角锋、 浅滩锋等几种锋面现象，应秩甫认为锋生的原因与潮汐的进退，特别是随潮八】受 佝咸水有重要关系“l 。p e r p p 项目的渊奋资料也显q 了珠江河口在洪、阽两季 巾山大学博士学位论文 复季珠河口底层水体缺氧现象的模拟研究 部存在大尺度的河口锋。由于夏季盛行西南风，风海流表层离岸分量较大，表层 低盐水舌甚至可以延伸到到万山群岛的南面。珠江口外存在丰水期流i _ 东北、枯 水期流向西南的沿岸流，冲淡水流出口门后受沿岸流影响较大，在两南风较弱时， 冲淡水舌基本与等深线垂直，当西南风较强时水舌将向东飘移。盐度3 3 以上的 陆架水可以入侵到伶仃洋外缘底层，在近岸与低盐水体混合形成了盐度3 0 以上 的高盐水体，高盐水沿外伶仃洋东侧的5 1 0 m 以深水域下层和内伶仃洋的东、 两两条深槽底部向上游入侵。在河口冲淡水和外海高盐水之间形成河口锋“。 2 1 2 水质状况 2 1 2 1 主要污染物及其来源 珠江口的丰要污染源包括八大口n 径流输入、沿岸城市和工厂直接排放的废 水、海上水产养殖、船舶排放废水以及沿岸农出等面源输入。其中，由卜人均综 合生活用水定额居高不下，生活污水处理率1 i 高滑海城市生活污水仅1 0 经处理，城镇生活污水成为污水排放总量的首位，且绝大部分直接排入滨海、河 l i ，成为珠江主要的污染源。主要呈现无机氮和化学需氧量含量高的特征【， 表2 1 一i1 9 9 6 , t - 珠 1 ：口八大口门主要污染物排海情况( 南海二基调查) 中山大学博十学位论文 夏季珠江河口底层水体缺氧现象的模拟研究 表2 1 2 面源污染单位面积负荷1 ( 吨瓜m 2 年) 1 ) l i ux i n y u a n ，f a nl i p i n g ，l u oc h e n g p i n g ，w a t e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o na n dc o a s t a lw a t e r e n v i r o n m e n ti ns h e n z h e nc i t gs y m p o s i u mo nc o a s t a lo c e a nr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t 9 7 ( 1 9 9 7 ) 2 1 2 2 溶解氧及各水质参数的数控分布规律 i 、溶解氧。 夏季珠江口表层d o 含量从南到北呈高、低间断分布趋势，底层含量分布略 哩南低、北高趋势。8 6 的海岛峪测站d o 含量随深度增j 而逐渐降低，水体分 层明显，只有少数站在中层m 现极大值。 2 、堪础生物 e 水朗珠汀口的叶绿素a 含量平均约为1 9 8 m g m 3 、初级乍产力约为 8 6 m g m 。d ，仅为枯水期的l l o 和l 7 。 3 、营养盐 更季珠江口硝态氮含量呈北高、南低的分布趋势，底层呈现近岸高、远岸低 的分布趋势。垂向分布上，6 7 海岛监测站硝酸盐含量随深度增加而减少，只有 少部分站是底层高十表层。 赶部分海域的无机氮形态以硝态氮为宅，而在深圳湾附近海域则以氦氮为 ：e ，显示了附近陆源污染办有h 月显的贞献。珠江口海域的无机氮含阜= 普遍超过 0 3 0 m g d m 3 的二类海水水质标准人部分海域已超过0 5 0 m g d m 的四类标准。 无机磷的分布略呈北高、南低的趋势，在内伶仃岛海域含量较高，大万山岛 东部海域较低。底层分布住河口内呈东高、西低的趋势。河口径流的贡献不明显， 而深圳湾附近的陆源( 包括深圳两部排海工程和香港西北部) 则有较明显的贡献。 5 8 的海岛：监删站的活性磷酸盐含量随深度增加而升高，2 9 在中层尚现极小 中山大学博十学位论文豆季珠江河l j 底层水体缺氧现象的模拟研究 值，且表层低于底层，1 3 站深度的增加而降低。除深圳湾附近海域的活性磷酸 盐含最超过o , 0 3 m g d m 3 的二类海水水质标准外，其余海域基本符合0 0 1 5 m g d m 3 的一类海水水质标准值陋4 6 1 。 2 1 2 3 目前存在的主要环境问题 如前所述，随着河口环境污染物的数量和种类日益增加，河口区面临的各种 环境日渐凸现出来。其中最主要的环境问题包括： l 、有机污染程度重、范围广。有机物和营养盐污染严重，冷仃洋的n 、p 和石油类已超过二类海水标准。其中c o d 大于1 o m g 1 的区域面积达到3 8 ， 无机氮浓度劣于海水水质二类标准的水域面积超过1 0 。随着经济的发展，河口 环境污染物的数量和种类还在与日俱增。 2 、底层水体季节性缺氧，早在8 0 年代初海岸带和海涂资源调查中就发现了 珠江口底层水体缺氰区域的存在，随后的多次调金均证实这一特殊现象的存在， 同时发现有缺氧范围不断扩大，缺氧程度逐年加剧的趋势。 3 、赤潮时有发生，近年来珠江f _ | 赤潮发生频繁，影响范围广，造成了巨大 的经济损失。仅1 9 8 0 1 9 9 0 年在广东珠江口至大亚湾地区就记录发生人规模赤潮 2 2 次，赤潮生物达1 2 7 种。 4 、溢油对河口乍态环境造成极大的威胁。由于海洋运输繁忙，海洋市故时 有发生，溢油污染严重。 5 、成潮入侵。珠江口有八大入海几f ，每年进潮量很大，初步统计，珠江 口常年受咸水影响的十地面积为4 6 x1 0 “m ! 左右。盐水楔的深入使珠江几河床 淤积速度加快一方面抬高r 正常水位，对淡水供给构成威胁，一疗面使目前已 存在的水质变坏、二 地盐碱化问题变得更为严重。 近年工、l e 废水直接排海量比以往减少，但生活污水和海上污染物排放量却有 增加趋势。随着沿海经济的发展，污染物排海量近期内不会有明显的减少。凶此， 河口环境质量状况不容乐观4 ， 4 中山大学博十学位论文 夏季珠 l ：河u 底层水体缺氧现象的模拟研究 2 2 溶解氧及其影响因素间的统计分析研究 水体的动力作用和富营养化作用对溶解氧分布水平的影响有多大二二者谁为 主导因素并不清楚。本节尝试通过对珠江口的大规模监测资料进行统计分析从 而对该问题进行探讨。 1 9 9 9 年7 月1 7 - 2 8 目，海监7 4 船对珠江口进行了大规模的水动力和水质调 查，如图l 所示为采样站点。其中大面站安排在小潮期，大部分分布在白天的落 潮阶段，具一定可比性；连续站安排在随后的寻常潮和大潮期1 3 “，其中大面站 点l o 、1 5 、2 4 随走肮路线安排进行了重复测量，共取得大商站资料3 5 个，连续 站3 个( 图2 2 一l 左) 。 d o 、d o c h l a 、盐度和温度用y s i 一6 6 0 0 水质检测仪测定：营养盐要素的 采集用g o f l o 采水器，经o 4 5um 滤膜过滤分离后现场测试。业硝酸盐、硝酸 盐、氨氮和活性磷酸盐含量按g b1 2 7 6 4 4 9 l 的方法测定。 1 9 9 6 年广州港黄埔出海航道疏浚工程环境影响评价调查中对航道上1 1 个点 进行了水质监测凋查( 站点布设如幽2 2 一l 右) ，调查时在7 月1 5 目( 大潮划) 的高高潮和低低潮各采样一次。盐度以电导法分析，d o 以碘量法测景( 4 8 f 。 1 9 9 9 年的巡测结果主要用于分析d o 与温、盐、营养盐的关系；1 9 9 6 年的 监测数据主要用于分析高低潮周期循环划d o 的影响。 冈22 1 伶仃洋观测站位分布幽， l 3 l 、3 9 ：大面站) 左：1 9 9 9 年观测站位( c l c 3 ：连续站 台：1 9 9 6 年人面站观测站似 p 山大学博士学位论文 夏季珠江河口底层水体缺氧现象的模拟研究 对实测资料的统计分析内容包括：表、底层的d o 、d o 。、c h l a 、盐度和温 度、溶解态无机n 、p 的浓度：d o 、营养盐和温、盐的表底层问浓度差以表 示，! n a d o = d o 。f d o bo 【，a s 、t 、i n 、k i p 等皆以此类推。无机n 的总 含量由亚硝酸盐( n 0 2 + ) 、硝酸盐( n 0 3 ) 、氨氮( n h “) 的含量加和表示，即 i n ：n 0 3 一+ n 0 2 + n h “。 统计分析的手段为相关分析和多元线性回归。相关分析是研究变量间密切程 度的一种常用统计方法，线性相关分析研究两个变量间线性关系的程度，这种线 性关系程度和方向的统计量即相关系数，用r 表示。本研究中使用的p e a r s o n 相 关系数，计算方法是 。= ( _ 一j ) ( * 一歹) ( t j ) 二s ( y i - 歹) 二 j x 、y 为参与分析的变量。 筛选出