胶州湾水体交换与营养盐收支过程数值模型研究

发布时间：2020-08-21 04:45

【摘要】：本文的主要研究目标是构建一个三维水质模型和物理-生物耦合模型，并以胶州湾为研究对象，讨论该海域与富营养化密切相关的水体交换与营养盐收支过程，为富营养化多年际变化的深入研究作准备。具体来讲，主要包括如下工作和结论： (1) 应用美国普林斯顿海洋模型研究了胶州湾水动力特征，为水体交换和营养盐收支研究，提供动力场。模型较好地再现了大港验潮站水位变化和浮标运动轨迹。计算结果表明，胶州湾潮波系统明显表现胁振潮的性质，自湾口传播至湾顶大约需要6分钟，振幅增加5cm左右；潮流呈往复流特征，转流发生在高低潮。 (2) 建立了与动力模型相耦合的三维水质模型，计算了胶州湾水体的平均存留时间。研究发现，湾内水体平均存留时间大约为52天，不同区域水交换能力差异颇大，湾口不到10天，而湾西北部则高达100天以上。在强烈潮混合作用下，水交换时间表底差异不大。胶州湾内部各区域物理自净能力的差异主要受两个因素的影响：一是与湾口距离的远近；二是潮余流场结构。湾内水体与外海交换的同时，各子区域之间存在着强烈的相互作用。模拟的水交换结果与强降水过后盐度恢复过程和镭同位素观测结果基本一致。 (3) 基于水交换模型的研究结果，讨论了环境容量的计算方法。并首次指出，不应把环境容量片面理解为在水质不超过某环境标准值前提下，污染物的最大允许排放量；而是不破坏海域功能的前提下，排污企业(或社团)经济产值总合达到最大时所对应的排放量。并针对新的定义，尝试概括了测算合理的污染物入海总量的步骤。 (4) 在水质模型的基础上，建立了温度模型，成功模拟了胶州湾近40年的水温演变过程，并讨论了水体的热收支。该研究不仅可以为营养盐季节变化提供必要的水温场，也为今后研究富营养化长期演变过程奠定了基础。研究表明，胶州湾水温变化与黄海基本相似，在上世纪60年代和70年代是降低的，而在最近的20年里持续升高。应用EOF分析分别得出了冬季和夏季水温的特征向量和时间系数。第一特征向量和它的时间系数对方差的贡献率显著(大于98％)，可以较好地描述水温的空间和时间变化。 (5) 为了分析混合对生态变元的影响，特进行了混合的强化观测，并推算了密度扩散系数，结果表明，密度扩散系数的时间变化率非常大，可在一个潮周期内波动一个量级。这为研究垂向混合参数对浮游植物生物量的敏感实验提供了有意义的背景。 (6) 建立了物理-生物耦合模型，讨论了参数的敏感性和营养盐与光照强度对生态系统限制的转换。模型对于浮游植物最大生长率、浮游植物呼吸率、浮游植物死亡率、浮游动物捕食率等参数比较敏感，而对半饱和常数和水体碎屑水解速率相对不敏感。虽然，从表面上来看，模型对垂向扩散系数的敏感度不大，但由于目前的湍封闭模型，尚不能很好地刻画扩散系数复杂的时间变化，这势必对生态系统的模拟有着较强的不确定性。冬季胶州湾表层大部分海域多受磷限制；春季，大沽河口附近水域磷相对不足，湾东北大部分区域硅不足，其余水域则受氮限制；夏季，团岛-黄岛以北，磷限制明显增强，墨水河与李村河附近水域表现为硅限制，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1992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、秋季回升、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12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乃左右。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20倍。经过一年的循环，大量营养盐被输送到外海，其中包括氮5.03 xl护t，磷0.17XI夕 t和硅3.37x 103t。 (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变化，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
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：X55
【图文】：

胶州湾,地理位置,地形,水体交换

胶州湾地形及地理位置

剖面图,湍动能耗,扩散系数,密度

图4.2.2流速大小(m/:)(a)、湍动能耗散率(附”一3)(b)和密度扩散系数(mZs一，)(e)连续剖面图注:湍动能耗散率和密度扩散系数剖面图是取以10为底的对数后的结果

【引证文献】