（环境科学专业论文）大辽河口盐淡水混合与水交换特性数值研究.pdf

加剧了大辽河口沉积和污染物输运等环境过程的复杂性。 对于混合河段的水体在水平向的交换，径流的大小是决定其更新交换能力的 强弱的主要动力因素，径流越大整个水体交换得越快；枯水期，外海潮流的稀释 作用对于水体的更新占主导地位，尤其是受潮影响较大的下游河段；但当径流增 大，径流下泄与潮流顶托这种相互作用显著时，最不利于中游河段的水体交换更 新，故易造成污染物质的回荡和滞留。 关键词：数值模拟；大辽河口：盐淡水混合；水交换 n u m e r i c a ls t u d yo nf r e s ha n ds a l tw a t e rm i x i n ga n dw a t e r e x c h a n g ei nd a l i a o h ee s t u a r y a b s t r a c t a so n eo ft h em a i nf i v e mf l o w i n gt h r o u g hl i a o n i n gp r o v i n c e ，d a l i a o h er i v e r i n j e c t su p t o3 8 5xl0 8m 3 af r e s h w a t e ri n t ob a h a is e a t h em o u t ho ft h et i d er i v e ri s l o c a t e di nn o r t h e a s tl i a o d o n gb a y s ，y i n g k o uc i t y ，w h i c hh a si m p o r t a n tg e o g r a p h i c a l a d v a n t a g e si ni n d u s t r y ，a g r i c u l t u r e ，f i s h e r y ，p o r tt r a n s p o r t a t i o na n ds oo n i nr e c e n t y e a r s ，t h e r a p i di n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ta n di n c r e a s i n gd e m a n do ff r e s hw a t e ri n d a l i a o h ee s t u a r yh a v ep u tt h ee s t u a r yw a t e rq u a l i t ya n de c o s y s t e mi n t oj e o p a r d y ，s u c h a se u t r o p h i c a t i o n ，f r e s hw a t e rr e s o u r c es c a r c i t ya n ds e r i o u ss a l tw a t e ri n t r u s i o n b a s e d o nt h e s a l i n i t y ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dl a wo fw a t e rm i x i n ga n de x c h a n g ea r e r e s e a r c h e dt os u p p l ys c i e n t i f i ct h e o r yg u i d a n c ef o rp r o t e c t i n gw a t e rr e s o u r c e sa n d u s i n gr e a s o n a b l yf r e s h w a t e rr e s o u r c e s i nt h ep r e s e n ts t u d y ，c o n s i d e r i n gt h ei n t e r a c t i o no fr u n o f fa n dt i d e ，t h e t h r e e - d i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i c s w a t e rq u a l i t yc o u p l i n gn u m e r i c a lm o d e l ( f i n i t e v o l u m ec o a s t a lo c e a nm o d e l ，f v c o m ) i sa p p l i e dt os i m u l a t ea n dc o m p u t es a l i n i t y d i s t r i b u t i o n ，s a l tw a t e ri n v a s i o n ，m i x i n ga n de x c h a n g et i m e f i r s t ，t h es i m u l a t e da n d o b s e r v e dw a t e rl e v e l ，t i d a lc u r r e n ta n ds a l i n i t yi n2 0 0 9a n d2 010a r ev a l i d a t e d t h e n ， t h er u n o f fc o n d i t i o n si nt h ed r y ，m e d i u ma n da b u n d a n ts e a s o n sa r ec o n s i d e r e dt o o b t a i nt h es a l i n i t ys p a c e t i m ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h em i x i n gr a t i oc o n c e p t i su s e dt oq u a n t i t a t i v e l yd e t e r m i n em i x e dt y p e l a s t ，t h ew a t e re x c h a n g ec h a r a c t e r i s t i c i sd i s c u s s e db ym e t h o do fc o n s e r v a t i v es u b s t a n c ec o n v e c t i o n d i f f u s i o n v i e w i n gt h es a l i n i t yh o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o n ，t h e r e a r eg r e a td i f f e r e n c ei ns a l t w a t e ri n t r u s i o na n df r e s hw a t e re x p a n s i o nf r o md i f f e r e n ts e a s o n s i nd r ys e a s o n ，t h e 0 5 p s ui s o h a l i n ei sl o c a t e dt i a n z h u a n g t a ir i v e rr e a c h ，a n ds a l tw a t e ri n t r u s i o ni s f a r t h e s ta n dm o s ts e r i o u s i nm e d i u ms e a s o n s ，t h es a l i n i t yi sl o w e rt h a no 5 p s uo n f l u c t u a t i o nt i d ep r o c e s sn e a rr o n g x i n gp u m ps t a t i o nw i t ht h eo 5 p s ui s o h a l i n ea b o u t d a o b a z ir e a c h ，s ot h er u n o f fc a nb ea sar e f e r e n c es u p p r e s s i n gt h et i d ef o ri r r i g a t i o n a tt h es a m et i m e ，d i l u t e dw a t e rm a i n l ye x p a n d sa l o n gt h ew e s tf i v e rc h a n n e lo ft h e t i d a lf l a tt oo p e ns e aa f f e c t e db yt e r r a i na n dt h ec o r i o l i sf o r c e w i t hb i g g e rr u n o f f f r o md r ys e a s o nt oa b u n d a n ts e a s o n ，d a l i a o h er i v e rp l u m ee x p a n d sf a r t h e ra n d f a r t h e rs ot h a tt h ew a t e r3 0 k i na w a yf r o mt h em o u t hi sd i l u t e du n d e rt h er u n o f f 4 3 4 m 3 s v i e w i n gv e r t i c a lm i x i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，f r e s ha n ds a l tw a t e ri nd a l i a o h ee s t u a r y s t a y sb a s i c a l l yi nt h eh i g h l ym i x e ds t a t e ，t h a ti si ti st h et i d er a c ee s t u a r y ，w h i c hi s d e t e r m i n e db yp r o p e r t yo fs t r o n gt i d ee s t u a r ya n dg r e a t e rb r e a d t hd e p t hr a t i o ，a n dh e m i x i n gi sm a i n l yc a u s e db yt h ev e r t i c a lt u r b u l e n td i f f u s i o nm o v e m e n t t i d a lr a n g e a n dt i d a lv e l o c i t ya r ec l o s e l yr e l a t e d 、 五mt h em i x e ds t a t e f r e s ha n ds a l tw a t e rc a n m i xm o r es u f f i c i e n t l yd u r i n gs p r i n gt i d e ，a n dt h em i x i n gi n t e n s i t yh a st h eh i g h e s t v a l u ea tt h em o m e n to ft h eh i g ha n dl o wt i d e i nt h ea b u n d a n ta n dm e d i u ms e a s o n w h e nr u n o f fi sl a r g e ra p a r t l ym i x i n gp h e n o m e n o nc a nb eo b s e r v e di nt h em a i nb o d y p l u m er i v e r z o n en e a rt h em o u t h t h es t r a t i f i c a t i o ni n t e r f a c e sh a v e i m p o r t a n t i n f l u e n c eo ne n v i r o n m e n te f f e c t ss u c ha st h ee s t u a r ys e d i m e n td e p o s i t i o n ，p o l l u t a n t a c c u m u l a t i o na n ds oo n f o rt h ew a t e re x c h a n g ei nm i x i n gz o n e ，t h er u n o f fi st h em a i nd y n a m i cf a c t o r d e t e r m i n i n gt h ea b i l i t yo ft h ee x c h a n g e ，t h a ti st h ee x c h a n g ep r o c e e d sf a s t e r 晰t i l g r e a t e rr u n o f f d u r i n gd r ys e a s o n ，t h ed i l u t ee f f e c to fs e at i d ei sd o m i n a n tf o rw a t e r u p d a t e ，e s p e c i a l l yf o rt h er i v e rd o w n s t r e a m b u tw h e nt h er u n o f fi n c r e a s e sa n dt h e i n t e r a c t i o n sb e t w e e nr u n o f fa n dt i d ea r eo b v i o u s ，i ti sl e a s tf a v o r a b l ef o rm i d d l e r e a c h e sw a t e rt oe x c h a n g e ，s ot h a ti t e a s i l yc a u s e sr e v e r b e r a t i o na n dd e t e n t i o no f p o l l u t a n t s k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d a l i a o h ee s t u a r y ；f r e s ha n ds a l tw a t e rm i x i n g ； w a t e r e x c h a n g e i v 大辽河口盐淡水混合与水交换特性数值研究 0 前言 “河口是一个与开阔海洋自由联系的半封闭的海岸水体”t l 】。国内外在河 1 3 研究中，对河口类型的分类方法多种多样。在综合考虑河口的动力过程、地形 条件等诸多因素的基础上，1 9 6 7 年b g l e n n e 提出了河e l 综合分类系统【2 】，一般 把河口分为三大主要区段：河流近口段、河口段和口外海滨。河流的近口段水域 内水流主要为河流性特性；口外海滨水域水流主要为海洋性特性；河口段水域水 流运动特性是河流因素和海洋因素强弱交替、相互作用的结果，且在通常的河口 研究中，河口段往往是关注的重点。 河口作为一个半封闭式的近岸水域，是海洋与陆地河流的交汇结合部，是陆 海相互作用最强烈的地带。除近岸河口区域水深、地形条件的制约影响外，由于 受外海潮汐与河流径流双重动力要素的相互作用，加之风、波浪、气压、密度、 热通量、降水等多动力要素的分别或耦合效应，使得河口区的环流结构与类型具 有异于海洋潮流和内河水流的特殊性，因此也决定了河口水域中的物质输运扩散 和生态效应等环境过程与机制的复杂性【3 j 。 涨潮过程中外海潮流将高浓度的盐水推向河口，同时，陆地河流带来的淡水 经河口向外海扩散，盐水和淡水在此发生混合与交换。盐淡水混合是河口区水流 特有的运动现象，驱动着盐度的纵向输运，是盐水向河流上游入侵的内在机制； 伴随着盐水与淡水垂向上的混合运动，混合水体在水平向上进行交换与更新。潮 汐与径流此消彼长的变化过程为河口水域水体的混合与交换过程提供了动力背 景，水体交换引起的盐淡水混合使得河口区盐度差异更加明显。因此，研究河口 水体混合与交换过程是理解陆海相互作用( l o i c z ) 的关键环节。 河口混合是研究河口水流泥沙运动、物质输运、河口沉积等过程的基础依据； 作为海陆物质交换载体的水体交换，可影响甚至改变河口区的物理、化学、生物 环境，制约河口水域中污染物和营养盐的输运扩散及交换能力，从而决定了河口 区生物的初级生产力和底栖生物的次级生产力。因此，研究混合过程与机制以及 河口水交换问题具有重要的科学意义。 大辽河口盐淡水混台与水交换特性数值研究 1 概述 1 1 研究背景和意义 大辽河流域贯穿辽宁省的重要的工业基地，浑河和太子河两大子流域流经本 溪、抚顺、沈阳、辽阳、海城等大中小城市，营口市是大辽河流域的末端。大辽 河河口地区是我国海洋综合开发利用的重要经济活动区，辽河口和辽河三角洲沿 岸分布着广阔丰富的浅海水域，同时具有丰富的海洋渔业、油气、矿产等资源和 港口、航运条件。 近年来，随着大辽河流域人口的激增和经济的迅猛发展，以及沿岸城市化、 工业化进程的不断加快，大辽河接纳了上游城市和营口市的大量陆源排污，目前 大辽河流域各市段水质均超v 类标准，水体的使用功能严重受损，c o d 平均浓 度、综合污染指数居于全国7 大流域之首【4 】。每年辽河携带大量的陆源污染物进 入大辽河口海域，造成河口区海洋生态环境严重恶化，以致近年来的辽河口海域 污染一直都较为严重，河口区的水质整体上劣于四类海水水质标准，水质呈现富 营养化，夏秋季节赤潮频繁发生，己无法满足海洋渔业养殖、海上娱乐、滨海旅 游区及海港运输等用海需求i 列。同时，由于工农业等用水过于集中导致辽河口 地区淡水资源严重不足，咸潮危害日益加重，极大制约了河口区域工农业 发展进程。淡水资源的缺乏与河口水体生态环境问题已成为制约大辽河口区域 经济发展的关键因素。 图l - l 、1 2 和1 3 分别为国家海洋局网站上公布统计的2 0 0 8 年渤海海域春、 夏、秋季污染分布状况。可见，辽河口沿岸海域的水质污染最为严重，春季河口 区主要污染因子为磷酸盐和油类，夏、秋季为c o d 、和氮、磷营养盐的含量占 主要。 自1 9 9 6 年，国务院将辽河流域列为国家重点治理的“三河三湖”对象之一 后，辽河污染的整治和管理工作已取得一定成效，流域的水质状况有所好转。但 采取科学有效的保护措施，进一步加大治理力度，保护和恢复整个辽河流域及辽 河口区生态环境仍任重道远。 因此，本文借助数值模拟手段，从河口盐淡水的混合与水交换机制角度出发， 2 大辽河口盐淡水混合咛水交换特性数值研究 研究和揭示大辽河口的水体环境形成污染相关的过程与规律，分析河口区域环境 变化的根本原因，有利于对辽河口水域水质生态环境进行科学有效的管理、优化 利j j 河口的水资源、控制与治理污染、制定科学合理的海洋环境保护对策，进而 在大辽河口沿岸地区工农业、社会经济发展等方面具有重要理论意义和实用价 值。 图1 12 0 0 8 年渤海春季污染分布示意图 3 9 3 7 图1 - 22 0 0 8 年渤海复季污染分布示意斟 i 刘l 32 0 0 8 年渤海秋季污染分布示意图 4 大辽河口盐淡水混合与水交换特性数值研究 1 2 国内外研究现状和发展动态 1 2 1 河口混合研究方法与现状 ( 1 ) 河口混合类型与判定方法 潮流、径流、河宽和水深等因素的变化差异，决定了各个河口特有的盐、淡 水混合类型。在c a m e r o n 和p r i t c h a r d 【6 1 ，p r i t c h a r d l 7 1 河口理论研究中，根据河i s l 分层环流模式及其盐度分布特性对河口进行了分类，从理论上把自然界存在的河 口分为3 种不同的混合类型：a 型高度分层或盐水楔型；b 型部分混合 型；c 型垂向均匀混合型。 a 型常发生在潮差较小、径流作用强、宽深比也相对较小的河口，如我国的 珠江正干河口、美国的密西西比河口的西南侧水道；b 型则常出现在潮流和径流 两者的作用都比较强的河口，如长江河口的南支、美国的切萨匹克湾、哈得孙河 口。c 型多见于潮流作用较强、且宽深比较大的河口，如我国的钱塘江河口、瓯 江河口和长江口的北支、美国的特拉华湾、英国的泰晤士河口。 在早期的河口混合特性研究中，主要基于实测的盐度资料采用径、潮流量的 比值嘲、分层系数9 1 、分层环流图解1 川方法进行判别。 径、潮流量的比值k = ( 一个潮周期中的河水径流量) ( 涨潮期的进潮量) ，当 k 0 7 时为高度分层，o 1 k 0 7 为部分混合，k 0 1 为强混合。这种判别方 法的应用只需要知道径流量和潮流量，因此对于复杂的大河口以及讨论表征混合 过程的某些物理量的研究上存在局限性。 分层系数玎= ( 表、底层盐度差) ( 垂线平均盐度) ，刀1 0 0 时为高度分层或出现 盐水楔，1 0 2 刀 4 0 时，河口淡盐水混合呈现 强混合型；当比值4 时，河口盐淡水混合一般以弱混合即高度分层型为主，两 者之间一般表现为部分混合或缓混合型为主。国内在河口盐淡水混合方面的研究 与国j , l - l t 较，仍存在较大的差距，且研究的区域主要集中在部分的大河河口，如 长江口【1 9 - 2 2 、珠江d 2 3 - 2 4 、钱塘江1 3 2 5 i 等，而且，很多研究仍停留在描述盐度 分布和水流运动方面。潘定安【2 6 】采用盐、淡水混合比的概念研究闽江1 3 的混合 状态，并确定了分层、部分混合、高度混合3 种类型的分类指标；姚运达【2 7 l 等 利用垂向二维模型研究了部分混合型河口的水深、口门宽度、拦门沙地形变化对 盐度分布的影响；郑金海【2 8 】建立了长江河e l 三维非线性斜压潮流盐度数学模型， 采用欧拉拉格朗日法离散潮流运动方，提出盐度边界条件初始条件以及盐度场计 算稳定标准的设置方法，针对长江河口水域的盐淡水混合情况进行模拟计算，结 果反映了部分混合型河口盐度分布特征；包芸【2 9 l 基于b a c k h a u s 的三维斜压模式， 模拟了夏季丰水期珠江口的盐度分层现象。 6 大辽河1 ：3 盐淡水混合与水交换特性数值研究 1 2 2 河口海湾水交换研究动态 ( 1 ) 水交换研究方法 近年来，海湾河口水交换能力问题已成为近岸海域环境科学研究一个基本命 题，国内外学者基于不同的水交换概念和不同的方法已经开展了一系列的研究。 数值模式是研究水交换问题的有效方法，常见的主要有箱式模式、质点跟踪模式、 水质模型等。 a 、箱式模型 箱式模型 3 0 - 3 1 1 在应用中基本上分为两种，单箱型：即将所研究的区域简单得 当成一个整体来看待，多箱型：即根据研究需要将研究的区域分割成几个不同的 箱形。无论是单箱模型还是多箱模型，首要的前提是都必须满足质量守恒定律， 具体要符合以下几点基本假定：水体的流动为定常的，且通量要设定为常数；箱 外的进入箱内后与整个箱内的水体发生混合，这种混合的进行是即刻完成的；通 过边界时为无扩散作用的实行交换。 发展得最早的水交换率研究是通过箱式模型方法来实现的，但其适用范围具 有一定的局限性。箱式模型的由于其结构相对简单，因此易于建立，但无法用于 描述水交换在时空上的结构，对与混合有关的物理性参数( 如混合系数和潮通量 等) 的变化也难以周全考虑，并且箱式模型的假定条件决定了采用该方法计算谁 交换率往往会过高地估计研究海域的水体交换能力，特别是用于流场结构不均匀 的区域。 b 、质点跟踪模型 质点跟踪法【3 2 - 3 3 1 ，即首先将一系列的标识质点布置在所研究的海域内，然后 设定的某一界面，并统计通过该界面流出海域的质点数，一段时间后，当海域内 的所剩的质点数为初始质点数的3 7 ( 或流出海域的质点数为初始的6 3 ) 时，所 需的时间记为水体的更新时间，而该海域的水交换率被定义为海域内的质点数与 初始质点数的比值。 基于l a g r a n g e 质点追踪的另一种水交换研究方法随机游动法 3 4 】就是把污染 物质当作是有标志的质点来看待，通过释放大量的有标志的污染物质点来跟踪其 迁移扩散路径。计算模拟主要在湍动作用下这些大量的粒子的空间、时间上的变 化，随着时间的变化来跟踪所有这些粒子的空间分布特征，并转化成污染物所对 7 大辽河口盐淡水混合与水交换特性数值研究 应的浓度，从污染物的浓度变化和分布角度来判断水体的交换情况。 l a g r a n g e 方法在研究流体运动上较为常用，它着眼于描述流体的质点，研究 它们的位置随时间变化的空间分布规律，因此目前利用该方法研究海湾水交换能 力的比较多见【3 5 - 37 1 。质点追踪模型多用来研究污染分担问题，可描述每个被释放 质点的平流路径，却其忽略了运动中的扩散过程。 c 、对流扩散为主的水质模型 水质模型通常也被称作是对流扩散模型 3 s - 3 9 ，就是基于水动力学模型得到 相应流场，再以溶解态的保守性物质作为示踪剂，建立示踪物的对流一扩散数值 计算模式。就是即假定模型的边界浓度为0 ，给定研究初始浓度假定为c 0 ，在一 定的时间内，被置换出去的水体的比率就是被置换出去的浓度( 初始浓度与剩余 浓度的差) 与初始浓度的比值。 水质模型在计算水体交换率时全面考虑了平流和扩散动力过程，因此其物理 机制相对前两者而言是最完备的，但其最大缺点是无法对各个子区域间的相互影 响作用进行分析描述。 d 、三维水动力模型 实际上，水体流动在空间上呈现三维的特性，表层水和底层水的流动会存在 差异甚至会截然相反，这就必然会对水体的混合与交换产生影响。因此，运用三 维变动边界的潮流物质输运模型，可以更加准确的描述和研究河口和海湾水交 换情况和特点。目前，在研究水体交换能力的应用上较为广泛的三维水动力模型， 有近岸河口海洋模式1 1 6 - 1 7 ( e c o m ) 和海洋环境与泥沙模型 1 8 1 ( e c o m s e d ) ，以 及河e l 、陆架和海洋数值模式f v c o m 1 9 - 2 0 。 ( 2 ) 水交换的基本概念 a 、基于物质守恒的箱式模型 箱式模型应用的前提条件是假定物质守恒，基本条件式是水量和物质量的连 续方程式，根据研究需要将研究水域分割成几个箱型；箱内水与箱外水的交换率 定义为= l 一已+ i a c + ( a c , 为n 箱内水体的浓度；g + 1 为与1 1 箱相接的箱 外的浓度) 。箱式模型定义了3 种表示水体交换能力的时间： ( 1 ) 净化时i 盲 ( f l u s h i n gt i m e ) t 4 5 1 ：即水流从开边界进入箱内后并迅速与箱内水 体完全混合所需时间，其计算公式为t = v f ，这里y 为计算水域( 即箱内) 水体 大辽河口盐淡水混合与水交换特性数值研究 的总体积，f 为通过箱体开边界的总通量： ( 2 ) 物质存时f n q ( r e s i d e n c et i m e ) t 4 5 】：单位时间内其它水体进入该水域的物质 量与该海域水体体积的比值，假定在单位时间内原有的物质得以存留； ( 3 ) 水体更新时i h q ( t u m o v e rt i m e ) t 4 6 】：箱内的物质量减少到原有物质总量的 3 7 所需要的时间。 b 、基于标识质点的拉格朗日数值跟踪方法 用质点跟踪的方法标示给出水域内的水质点，根据研究需要设定某一界面并 统计一定时间内通过该界面跑出水域的质点数，采用这种方法来计算水体交换 率，一旦标志的水质点穿越过设定的界面，则可认为水体己发生了交换更新。此 方法定义： ( 1 ) 当水域内质点数时为原有质点数的3 7 时，此时间即为水体的更新时间， 流出水域的质点数与初始质点数之比则为该水域水交换率； ( 2 ) 标识质点只要通过界面到达水域外，即可被认为与清洁水进行过交换更 新，记录下每个质点第一次到达水域外的时间，即为水域内水体的存留时间； ( 3 ) 当交换一定时间后，水域内的质点数变化小于2 时，即为交换状态达到 稳定的时间，此时跑到水域外的标示质点数与原来各个区域初始标识质点数之比 为该区域的交换率。 c 、基于对流扩散型的水交换模式 半交换时间的概念( h a l f - l i f e t i m e ) 是由l u f f 4 7 1 引入的，其定义同放射性同位 素的半衰期类似，即在对流扩散作用下某水域内的保守物质浓度稀释为初始浓度 的一半时所需的时间。 ( 3 ) 水交换研究现状 水交换的概念是在1 9 7 2 年由学者p a r k e r 【4 8 】提出的；1 9 8 0 年，中村武弘【4 9 】 采用水质预测模式对日本大村湾水污染问题进行了研究；随后，柏井诚5 0 1 对在 分析研究海水的交换中，引入了扩散系数和输送系数；s i g n e l l p l l 运用模型对波士 顿港的潮交换与弥散进行了研究；t a k e o k a l 5 2 】在解决濑户内海的海域水交换问题 时，重点考虑了季节的变化的影响；k i t h e k a 5 3 1 通过研究发现：水交换能力与热 带海域近岸生态环境密切相关；c h o i t 矧考虑黄东海风生流、潮汐余流、密度环流 等多动力因素的驱动，估算了不同动力条件下的水体更新时问。近年来，国外对 于感潮河口水交换的研究较多，s h e n 5 5 1 基于一个三维模型对y o r kr i v e r 在不同的 大辽河1 3 盐淡水混合与水交换特性数值研究 动力条件下水体平均水龄、存留时间和更新时间进行了试验研究；d y u a n i s 6 运 用水动力扩散模型计算了英国m e r s e ye s t u a r y 的水体平均存留时间，并指出外 海潮流和径流对存留时间具有重要影响；f e l e k ea r e g a 卯】采用剩余函数的方法对 潮流主导的e a s ts c o t tc r e e ke s t u a r y 水体交换情况做了数值分析，重点关注潮流 变化与存留时间的响应关系。 相对于国外，国内在海湾水交换所做的工作较多，而对感潮河口的水交换研 究尚少。匡国瑞【5 s l 用中村武弘的水质预测公式计算了乳山湾的海水交换率，并 初步探讨其环境容量：许苏清等【5 9 1 分别利用箱式模型和数值模式计算江湾海水 交换时间，并对两者结果进行了比较，得到水体平均的交换时间约为1 0 4 天， 并进一步分析了湾内水交换时空分布的特点；董礼先【3 9 】等在象山港的水交换研 究中使用二维对流扩散型水交换模式进行模拟研究，并初步讨论了对不同区域 的水交换控制机理；孙英兰【4 1 ，删基于三维潮流模型和污染物输运模式，对胶州湾 和丁字湾的水交换能力进行了定量化分析；魏皓【6 l 】将水质模型应用于研究渤海 的水交换能力。通过模拟半交换时间来表征交换情况，研究表明辽东湾、渤海湾 和莱州湾三个海湾与渤海中部交换能力相差很大，并指出交换时间与物质初始浓 度无关，而与投放时刻，外源强迫密切相关；王聪【6 2 】等对大亚湾的潮流场进行 三维数值模拟，分别基于l a g r a n g e 质点追踪法和保守物质输运扩散两种方法来 研究大亚湾的水交换能力，并把大亚湾分成7 个子区域，计算整个海湾和各子区 域的水体平均存留时间和更新时间。 1 2 - 3 辽河口水环境研究现状 ( 1 ) 辽河口水动力数值模拟现状 辽河水系是我国7 大水系之一，近年来由于污染严重，被列为我国重点规划 整治的流域之一，在河口水环境研究方面取得一定进展，但相比于我国长江口、 珠江口等大河河口，辽河口水环境演变特征及预测研究稍显落后。在河口水文动 力预测模拟方面，2 0 世纪9 0 年代以后，张秀剖6 3 1 、杨连武【6 4 1 、l i uh a o 6 5 1 等人 通过数值方法对辽东湾顶部潮流进行数值计算，得出该海区的潮流类型属于正规 半日潮流的结论，并通过实测资料对计算结果进行了合理性验让。王立强【6 6 】基 于大量遥感资料的分析研究辽河口水沙运动演变规律，采用有限元方法将河口内 大辽河口盐淡水混合与水交换特性数值研究 一维非恒定流计算和河口外二维平面计算相结合，对辽河口区的潮汐潮流进行了 模拟计算；刘明【5 】采用交错式矩形网格、二维三维嵌套模式、动边界处理技术， 并引入大辽河月均径流量，建立了大辽河1 ：3 水动力模型；刘哲【67 】基于正交网格， 采用大小范围嵌套的方式计算了大辽河口附近的潮流运动特征，并通过大潮期间 的实测资料对潮位及流速流向等结果进行了验证。然而，目前对于辽河口区域在 潮汐、风浪、径流、降水等多动力因素作用下的感潮河段及口外海域的水位和盐 度变化情况，研究极少。 ( 2 ) 辽河口水质环境研究现状 在大辽河口水质研究方面主要以监测调查为主要手段，在此基础上分析水质 污染的变化变化规律和影响因素，如蒋岳文【6 8 】根据1 9 9 2 年5 月和8 月两次的辽 河口水域营养要素实测结果，讨论了无机氮、活性磷酸盐等在辽河口的分布和化 学特性及其入海通量；王继龙t 6 9 j 贝, l ! 在调查数据基础上分析了辽河1 3 水体溶解氧 与主要营养盐的分布与变化特性及其相关关系，结果表明其存在显著相关性；刘 娟【7 川采用2 0 0 7 年不同水期大辽河口及邻近海域主要污染的水质监测结果，表明 平水期营养盐含量最高，因而秋季辽东湾更易发生赤潮。而运用数值模型来反映 大辽河流域及河口水域的污染特征，分析水质污染规律的研究尚少见。大辽河口 水质污染数值研究较为典型的是：刘吲5 】在其硕士论文中，以河流中的c o d 入 海通量作为源强，考虑一级降解过程，模拟了大辽河口附近海域的c o d 浓度分 布情况，并在此基础上计算了大辽河口区的环境容量。因此，以水质调查为基础， 模型模拟再现大辽河口生态环境污染机制的研究，对于辽河口水资源保护与环境 的质量恢复具有科学有效的指导意义。 1 3 本文的工作 综上所述，通过数值计算手段对大辽河口区域潮汐潮流、盐度时空变化特征 等相关研究甚少，鉴于此，本文研究不同河海条件下的大辽河口盐度三维时空分 布变化规律，关注河口研究中的重要命题盐淡水混合与水交换，以科学的理 论依据为大辽河口环境污染的防治与水资源的综合利用提供参考。 本文的主要工作是：在实地监测调查、搜集相关研究资料的基础上，结合国 内外的研究方法和现状，运用三维近岸河口海洋数值模式( f v c o m ) ，综合考虑 1 1 大辽河口盐淡水混合与水交换特性数值研究 潮汐与径流两大主要动力要素的相互作用，建立大辽河h 三维斜压水动力水质 耦合模型，对不同河海条件作用下大辽河口的潮汐、潮流、盐度分布、盐淡水混 合及水交换特性进行模拟和计算，着重讨论感潮河口盐淡水混合、水交换特性等 对径流、潮的周期变化等因素的响应，并初步分析多动力共同作用下与大辽河口 沉积过程和物质输运等相关环境效应的机制与规律。 研究的主要内容包括： 第一章，绪论 主要阐述河口的概念及其环境特点，盐淡水混合及水交换过程研究背景、意 义和现状进展； 第二章，大辽河口模型的建立与验证 首先对采用非结构三角形网格分辨的有限体积的海洋数值模式f v c o m 进 行详细介绍；然后概述大辽河口自然社会环境状况，在此基础上通过调试参数建 立河口研究区域模型，并进行模型的合理性与稳定性验证；最后实现大辽河口漫 滩过程的模拟，分析河口潮流的运动特征。 第三章，大辽河口盐淡水混合的数值研究 对不同水期的四种径流条件下，大辽河口盐度平面和纵向剖面的分布进行可 视化与分析，并采用混合比与混合系数的概念分析枯、平、丰水期大辽河口盐淡 水混合特征，及整个潮周期混合强度的变化规律。 第四章，大辽河口水交换的数值研究 在盐淡水混合分析的基础上，通过保守示踪物质的对流扩散数值方法，进一 步研究大辽河口混合水域水体的交换特性和过程： 第五章，结论。 1 2 大辽河口盐淡水混合与水交换特性数值研究 2 大辽河口模型的建立与验证 2 1 大辽河口区域环境概况 2 1 1 地理区域概况 大辽河是流经辽宁省境内的一条重要河流，为浑河、太子河汇合后由三岔河 至营口入海的河段，其右岸位于盘锦市境内，有南河沿排水总干、新开河、外辽 河等3 条主要支流，左岸在营口市境内，仅劳动河一条支流。整个大辽河的流向 是西南向，荣兴农场附近折向东南后再西折，最终于枣木沟附近入海。大辽河入 海河口位于辽东湾东北端，出口轴线与岸线呈斜交，河口为弯曲的喇叭状【7 1 】。 大辽河在营口境内流域面积为1 9 6 2 k m 2 ，河段长9 7 2 k m ，河宽3 0 0 - - 7 0 0 m 之间，水深变化为3 , - - - , 1 5 m 。由于整个流域地处下辽河冲积平原，地势较平坦， 地面坡降小，河道蜿蜒曲折，滩槽分明，河槽具有较大的宽深比，河道泄流以主 槽为主。河岸土质一般由亚粘土和沙壤土组成，河岸坍塌较少，弯道发育较缓。 大辽河口海岸属平原型淤泥质类型，两侧岸滩宽阔，坡度平缓，与双台子河、大 小凌河河口的入海水下浅滩构成辽河三角洲地貌；大辽河河口拦门沙分布主要为 东滩、西滩，涨潮时淹没，落潮时露出。 2 1 2 降水和径流 辽河流域地处中纬度温带区，四季交替明显，降水量的季节差别显著，夏季 ( 6 8 月) 雨量最为丰沛，且降水日最多，降水量占全年降水6 0 ，其中以7 月的 水量居全年之首；冬季( 1 1 、1 2 - - , 翌年1 、2 月) 降水最少，仅占全年7 ；春( 3 5 月) 、秋( 9 、1 0 月) 两季降水量约占全年的1 4 2 0 。 大辽河多年平均年流量为5 2 5 1 0 8 m 3 ，入海淡水量3 8 5 x 1 0 8 m 3 。受年内降水 量等气象条件的支配，大辽河的径流量季节性变化较大，分配极不均匀，河流具 有明显的枯、平、丰水期。通常每年有春、夏两个汛期，春汛期融雪径流量小， 汛期短，夏汛期径流量3 4 左右集中在6 9 月，河道水量消长通常与雨期同步， 整个汛期的径流量为全年的7 5 左右。枯水期( 1 2 月翌年3 月) 径流很少， 大辽河口盐淡水混合与水交换特性数值研究 平水期( 4 5 月) 径流仅占年径流的1 0 左右。春播期，灌溉用水量大，降水 稀少，常出现旱象或水源短缺。辽河流域降水的时空变异导致的径流时空变化是 流域旱涝灾害的直接原因。 表2 1 大辽河多年逐月实测流量统计( t 9 6 2 1 9 8 2 年) 月份 l 2 34 5 6789l ol l1 2 l 实测径流量 o 6 2o 5 01 3 1 2 2 83 3 83 _ 8 88 8 i1 3 7 35 9 63 2 i1 9 0o 9 9 2 1 3 潮汐潮流 大辽河口的潮波由渤海潮波系统分支之一逆时针旋转的辽东湾环流传入，整 个大辽河系感潮河段，枯水期潮水可上溯至浑河的三界炮及太子河的唐马寨，多 年来潮流界位于三岔河河段。自河口至三岔河，由于河槽断面束窄且不规整、河 道弯曲段增多、河床底摩擦变大等原因，潮波进入河道后发生弯曲变形，加之径 流下泄而潮流逆坡而上，潮能量随之减弱，潮差、潮流速大小随之向上游递减。 河口潮汐类型为非正规半日型，即在1 个太阴e l ( 2 4 h 5 0 m i n )，涨潮两次和落潮 两次，但两个相邻的高潮或低潮的潮高均不相等。涨潮历时较短，为4 - - - - - 5 小时 左右，落潮历时较长且沿河向上逐增。大辽河口潮汐作用强烈，据相关数据统计 分析，河口区多年平均潮差为2 4 7 m ；营口潮位站历史最高高潮位3 2 m ，最低低 潮位为0 2 6 8 m ，平均高潮位1 4 5 m ，平均低潮位。1 2 4 m ，最大潮差4 1 7 m ；相关 推算出三道沟站最高高潮位3 7 5 m ，平均高潮位1 9 0 m 。 大辽河u 区域的海流，潮流占绝对的优势，冲淡水流和风海流相对较弱。涨 潮时流向大致为n e 或者n n e 向，落潮呈s w 或s s w 向，流向多以逆时针旋转， 平均流速为0 4 0 6 m s ；潮流在河道里的涨落流向大多与岸线平行，呈往复流性 质。由于受径流影响，落潮时的流速明显大于涨潮流速，落急时刻流速一般最大。 大辽河口的余流结构主要受潮、径流、风和地形等因素控制，因而也呈现很 大的季节变化。夏、秋季节余流的流向均介于e 与s e 之间，方向较为一致，余 流的流速仅为实测流速的1 5 左右。 2 1 4 盐度 受径流携带淡水量的季节分配不均影响，辽河口区水域的盐度亦存在着明显 的季节变化。根据以下的资料图2 1 可见，辽河口区的高盐度等值线在丰水期8 1 4 大辽河口盐淡水混合与水交换特性数值研究 月被大径流推向外海，冲淡水扩展强烈，2 5 等盐线位于大辽河口西滩和盖州滩 外侧，河口区域受淡水稀释明显。秋季( 1 0 月) 径流量减小相应的盐度随之增高， 水平差达5 以上，淡水舌退至口门附近。 1 l l - j 0 1 1 2 2 2 y 1 2 1 2 2 模式介绍 图2 - 1 辽河口水域夏( 8 月) 、秋季( 1 0 月) 盐度分布 根据大辽河口地形和水动力特点，选用河口、陆架和海洋模式( f v c o m ) ， 建立大辽河口水域三维斜压水动力模型。 2 2 1 模式特点介绍 f v c o m ( a nu n s t r u c t u r e dg r i d ，f i n l t e v o l u m ec o a s t a lo c e a nm o d e l ) 是2 0 0 0 年由美籍华人陈长胜教授及其所领导的美国佐治亚大学海洋学院海洋生态动力 学实验室和美国麻省大学海洋科学和技术学院海洋生态模型实验室团队成员，共 同开发出来的海洋环流生态模型。目前已被广泛应用于近海环境数值模拟研究 中，此模型至