北仑河口水交换能力及物质输运的数值模拟研究

【目的】随着入海污染物的不断增加,北仑河口海域的生态环境保护面临严峻挑战,因此对其水交换能力和物质输运特征进行研究尤为重要。【方法】基于COD调查结果,应用ECOMSED模型模拟北仑河口海域的水交换能力以及夏季与冬季的COD输运特征。【结果】北仑河口海域的水交换半周期为4.5d,水体交换80%的时间约为29d。北仑河口海域夏季两侧的COD浓度比冬季高0.4mg/L,冬季中央区域COD浓度则比夏季高,这一方面与夏季较强的羽状流引起的较强水交换有关,另一方面与该区域冬季存在气旋式涡旋有关。【结论】北仑河口海域的羽状流及环流结构对污染物浓度分布有重要影响。     

围填海工程对渤海湾水交换能力影响的数值模拟

基于水动力模型和拉格朗日粒子跟踪法,从整体和局部两个层面分析了围填海工程对渤海湾水交换能力的影响.根据数值模拟结果统计出大规模围填海之前(2003年前)渤海湾海水的整体半交换时间约为300,d,这与其他研究者的结论基本一致;大规模围填海之后半交换时间显著增大,达到600,d以上.分析表明,半交换时间增大的主要原因可能是围填海工程显著影响了渤海湾沿岸的余流场,致使西部水体沿岸南下进入渤海中部的通道受阻.进一步计算了各节点上的驻留时间、曝光时间和返回系数,分析了围填海工程影响下渤海湾各处的局部水交换能力及其对渤海湾整体水交换能力的贡献.结果表明:渤海湾西部、中部和南部沿岸地区对渤海湾整体水交换的贡献小,黄骅港东北部近岸区域对渤海湾整体水交换的贡献较大,且其水交换能力受岸线变化的影响较小;渤海湾湾口的水交换能力受岸线变化影响较大,湾口北部的水交换能力变弱,南部的水交换能力增强;湾内及湾口的余环流对渤海湾的局部及整体水交换能力影响显著,围填海后湾口北部回流对渤海湾整体水交换能力的影响大,南部回流的影响较小.     

夏季波浪对钦州湾水交换能力的影响研究

基于无结构三角网格的FVCOM海洋模式,以K1、O1、P1、Q1、M2、S2、N2和K2这8个分潮调和常数为驱动,考虑钦江和茅岭江两条径流,建立了钦州湾海域的高分辨率三维水动力数值模型。通过与实测数据的对比,该模型可以较好地模拟钦州湾海域的水动力特征。在此基础上叠加浪流耦合模块和DYE-RELEASE模块,模拟了夏季波浪对钦州湾海域流场结构以及水交换能力的影响。结果表明:波浪对钦州湾海域流场的影响,涨急和落急潮流场的变化不显著,而涨憩尤其是落憩时,钦州湾的流速明显增大。钦州湾在潮汐径流作用下的半交换时间为14.3 d,在潮汐径流波浪作用下的半交换时间为4 d。内湾茅尾海的水体交换主要受制于潮汐和径流,而外湾钦州湾的水体交换受制于潮汐和波浪。     

基于随机游动模型的铁山港水交换的数值模拟

采用三维浅海水动力模型和粒子随机游动模型,模拟了铁山港潮汐、潮流场,分析了湾内水体平均驻留时间的时空特征和物质迁移特征.研究结果表明,铁山港海水交换主要受潮汐控制,上层海水与湾外水交换率大,平均驻留时间为9.84d,下层海水为25.18d;腹大口小的海湾内湾顶水交换较慢,湾口和湾中水交换较快;落潮期水体交换速度明显快于涨潮期.采用单点中性粒子追踪公馆河入海处等5个较典型位置水体的运动轨迹,结果表明北暮—营盘附近口门海域和石头埠沿岸水交换活跃,利于水体物理自净扩散;湾顶、白沙河和沙田均水交换缓慢,容易造成物质的沿岸堆积.     

海岸带开发对葫芦山湾水交换能力的影响

为评价2000年至2010年海岸带开发活动对葫芦山湾水交换能力的影响,本文通过数值模拟方法计算2000年、2005年和2010年葫芦山湾海域潮流场、纳湖量和海湾水交抉率的情况。研究表明,2000年至2010年葫芦山湾岸线减少2.1km,海域面积减少约14.8km2s2000年至2005年纳湖量平均减少了0.21×108m3,水交换率平均增大了3.15%;2005年至2010年纳潮量平均减小了0.11×108m3,水交换率平均减小了0.05%,说明葫芦山湾海岸带开发活动速成海湾纳潮量减小,导致环境容量的逐年减少,是海湾污染日益加剧的主要原因之一。     

渤海典型余环流及其影响因素研究

以大阪大学海湾模型（ODEM）,三维斜压水动力模型研究了渤海夏、冬季节典型余环流结构及其控制园子的影响．浅析了不同计算工况下余流结构对海域不同部分水交换能力的影响．通过分析渤海中部流速的垂向分布,探讨了潮汐、季风和表面热交换对杂环流的贡献．从表面和底层的潮余流结构可以看出渤海的余环流由多个而不是一个旋涡构成,海域的地形和海岸线形状是控制沿岸潮余流结构的主要因素．渤海典型风向下的夏季风和冬季风对余环流的影响差异较大;区域性热盐效应导致的密度流不管是否引起层化现象都会对凤生流和潮余流产生较大的影响．     

沿岸海域三维斜压场的数值模拟：Ⅱ.渤海湍流能量数值计算

研究建立渤海海域三维斜压场的流能量模型。对计算网格无法分辩的湍流运动，引入湍流能量得垂向动量、质量及能量交换系统，从而形成封闭的湍流运动方程组。     

渤海海峡断面温度结构及流量的季节变化

作者采用POM模式，利用从卫星遥感资料反演的风和海表温度（SST）数据并考虑M2分潮作用，对渤海海域的温度，流场的三维结构进行数值计算，根据数值模式的计算结果，重点分析渤海海峡温度结构和水交换的季节变化特征，结果表明风应力和SST的季节性变化导致渤海海峡的水交换流型，温度结构和流量有明显的季节性变化。     

岬湾海岸海滩养护工程对水体交换的影响

岬湾海岸内岬头后侧水动力条件较弱容易造成水体生态环境退化,水环境改善可归结为控制污染物,而水体交换能力的强弱反映了水体自净能力.采用MIKE 21软件建立潮流和保守物质输运模型对人工岬湾内部进行分区研究,引入时间尺度指标定量分析水体交换对海滩养护的响应.由于海滩养护工程中沙坝与水流走向保持基本平行,沙坝修建后使得岬头后侧环流减弱,沙坝坝顶处流速增加,两沙坝间通道流速减小.滩肩前方海域流速减小,两沙坝后侧的流速减少更多.人工岬头与沙坝之间形成潮汐通道使得靠近岬头处流速有所增加,工程后滞留时间缩短;其中岬湾内近岬头的2个子区域滞留时间减少量较多,岬湾内中部区域滞留时间变化不明显.波浪和风场均会促进水体交换,但由于波浪受到风场影响,波浪和风场共同作用下滞留时间并不为单独条件的线性叠加关系.     

半封闭海湾围填海对水动力 环境的影响分析

以东山湾为例,采用平面二维数学模型,从潮流、纳潮量和水交换3个方面探讨湾内围填海对东山湾水动力环境的影响.研究结果表明:随着填海面积的增加,影响范围及程度不断增大;湾口海域对填海区位置及填海范围的响应较为敏感,当填海范围扩大到湾口海域后,纳潮量减少10%以上,大潮平均水交换率均减小8.82%,小潮平均水交换率减小13.33%,易影响湾内的污染物扩散能力,从而引发水质和生态问题.     

有限体积海岸海洋模型模拟泉州湾人工岛建设对水交换的影响

以泉州湾秀涂人工岛的建设为例,基于有限体积海岸海洋模型,建立泉州湾三维数值模型,模拟分析建岛前、后水动力特征、潮致余流和纳潮量的变化.采用欧拉弥散方法模拟污染物浓度的对流扩散,对泉州湾的水交换能力进行分析.结果表明:建岛后,大部分海域的海潮流速约减小0.1 m·s^-1;石湖港区人工岛连线以西大部分区域的潮致余流变化不显著,但湾口的潮致余流出现较为明显的减少;纳潮量的变化较为明显,小潮期间纳潮量的变化率为10.09%,使小潮期间湾内水体与外海的交换能力变弱,更易遭受污染威胁;洛阳江流域和金屿的污染物浓度差变化较大,导致湾内水体的半交换时间约增加3 d.     

基于MIKE3的丰枯水期防城湾水交换能力研究

为了对防城湾水交换能力有全面的认识,本文基于无结构的三角网格建立高分辨率的MIKE3水动力数值模型,采用Lagrange质点追踪方法,选取水体半交换周期和水体交换律作为评价指标,评价防城湾丰枯水期水交换能力。结果表明:防城湾水交换主要受径流和潮流控制,因防城河的存在,西湾保守物质浓度的空间分布呈现由河口向湾外增加趋势,东湾的保守物质浓度的空间分布呈现由湾口向湾内增加趋势,随着时间的增加,两湾保守物质浓度下降速率降低;西湾水交换时间明显少于东湾,半交换期在丰水期为1.7d,在枯水期为3.6d;东湾在丰水期半交换时间为15.2d,在枯水期为27.8d。     

浔江湾海水交换时间的计算

采用箱式模型、二维ADI流体方程和对流-扩散模型计算浔江湾海水交换时间，分析浔江湾的水动力特点和湾内海水交换时空分布的特点。计算表明，浔江湾的海水平均交换时间为1．04d；湾内海水涨潮速度比落潮速度快；湾口的海水交换比湾内的其他地方快。     

丁字湾物质输运及水交换能力研究

通过建立丁字湾三维潮流模式、污染物输运模式计算了该湾COD浓度分布，定量分析了丁字湾的水交换能力，较为精确地计算出丁字湾内水交换率和水交换半更换期的空间分布。计算结果表明，当湾中部水交换50％时，湾口水交换达80％，湾底仅为20％－40％；丁字湾湾口的半更换期为1－5d，湾中部为18－20d，湾顶为24－32d。     

渤海浮游植物生物量时空变化初析

本根据40年间收集的综合观测资料、部分成果以及1998／1999年本课题执行的2个航次的调查和岸边监测，分析了渤海浮游植物生物量的年循环规律、水平分布的年际变化及长期变化。结合渤海水温、盐度、黄河径流量及营养盐浓度的变化，初步分析了原因。渤海为高生产力陆架海，每年有2次生物量的高峰期，水华时间有1个月的前后移动；生物量及其水平分布的年际变化大于10年际变化，渤海温盐有增加趋势，无机氮浓度增加、磷酸盐浓度降低，河流输入变化只影响局部海域子系统，近岸海域的富营养化使得营养盐更多地消耗在近岸，而中央海区依然保持良好水质。物理系统的变化是该时空变化的重要原因之一。     

海水入侵含水层中水一岩间阳离子交换的实验研究

对黄河营海水入侵区水－岩间的阳离子交换进行了一系列的室内实验研究，实验包括对研究区所取土样进行的阳离子交换容量及交换盐基分量的测定、利用研究区所取土样与当地洗涤 地下淡水按不同比例配成的交换液进行的阳离交换实验、以及利用所取土样与海水进行的淋滤实验。     

原子交换中苯醌自由基CIDEP谱的变化

本文用时间分辨ＥＳＲ波谱仪，研究了对苯醌／乙二醇／水体系中光解苯醌自由基的质子交换。     

山海关旅游海滩生态修复工程水动力变化特性

为改善海滩环境,针对山海关白鹭岛至唐子寨岸段展开了旅游海滩生态修复工程.基于Delft3D软件采用三重嵌套的方法建立了渤海-秦皇岛海域-山海关海域的波流耦合数学模型,并用实测资料进行模型率定和验证.基于验证后的数学模型对工程海域水动力变化特征进行分析,结果表明:潮流场基本不受工程影响,海域的水体交换能力基本不变;潜堤掩护区常浪下的波高减幅约为10%,强浪下的波高减幅约为20%.总体上,山海关旅游海滩生态修复工程的建设既保护了工程海域水动力环境,又削弱了波浪对海滩的侵蚀,有利于维持当地旅游海滩的生态环境与稳定.     

渤海风暴潮过程的数值模拟研究

基于三维近海海洋模式——FVCOM(the finite volume coastal ocean model)海洋动力学模型,利用中尺度气象预报资料WRF(the weather research forecasting model)风场数据和网格嵌套方法,通过潮汐和风场共同驱动,建立了渤海风暴潮模型.对1997年8月的Winnie台风风暴潮进行数值模拟,研究了渤海风暴潮增减水及流场的时空变化特征.研究表明,渤海沿岸增水幅度较大,水位变化明显,潮流运动发生较大改变.利用模拟结果,研究了岸线变化对渤海湾风暴潮增水的影响.岸线变化后,曹妃甸港、天津港和黄骅港海域,风暴潮增水有不同程度的增加,渤海湾风暴潮灾害强度有增加的趋势.     

质子交换中苯醌自由基CIDEP谱的变化

本文用时间分辨ＥＳＲ波谱仪，研究了对苯醌／乙二醇／水体系中光解苯醌自由基的质子交换。观察了ＴＲＥＳＲ谱的线形与溶液的ｐＨ值关系．在溶液为中性时，谱线为ＢＱＨ·的六条发射线，当ｐＨ～２．０２时谱线为ＢＱＨ２＋的五条发射线．ＢＱＨ２＋的各超精细分量的衰减速率与因交换而移动的谱线所占份额有关，那些因交换而移动的线所占的份额越大，谱线强度的衰减越慢