渤海水动力环境的数值模拟研究

摘要

渤海被津、冀、辽、鲁四省市环抱，是中国最大的内海。环渤海地区人口密集、经济发展活跃，是中国经济发展的重要引擎之一。然而，在经济社会快速发展的同时，渤海面临的环境压力也日益增长。水动力环境是影响渤海整体环境质量的重要因素，是保护和治理渤海环境的关键所在。本文以水动力学数学模型为主，结合现场调查及地球化学分析，对渤海水动力环境进行了研究和探讨。 建立了一种新的地下水-地表水全耦合数学模型。基于海滩地下水和地表水自然联系的事实，从基本的控制体出发，推导出了一组形式统一的、适用于地下水和地表水运动耦合模拟的方程，对该方程组进行差分离散，建立了一种新的地下水-地表水全耦合数学模型，并对模型进行了基本验证。该模型不区分地下水和地表水，将二者视为统一整体，采用统一的方程和数值格式进行计算，为地下水和地表水的全耦合计算开辟了新的途径。在模拟具有广阔潮间带的海域的地表水运动时，由于该模型可以将地下水纳入计算域统一计算，无需为处理移动边界而对水深进行截断，从而具有很好的质量和动量守恒性。 将水动力学模型与地球化学分析相结合，对渤海三大海湾之一的渤海湾的水动力条件、沉积状况和沉积物中重金属含量的分布及三者的关系进行了研究。对表层沉积物中重金属含量进行了分析，发现在渤海湾西部及西北部、中部和湾口北部附近存在三个沉积物重金属含量峰值区。通过水动力学模型和粒子示踪模型分析了渤海湾环流及水动力状况，结果表明，水流可以将主要排污口的污染物输运至以上三个重金属含量的峰值区，这三处分别为渤海湾中三个环流的中心且环流中心水动力较弱，利于泥沙及其携带的重金属沉积。进一步对沉积物柱状样中放射性同位素活度分布进行了分析，结果表明渤海湾中沉积物重金属含量峰值区也正是稳定的沉积区域。沉积物重金属含量峰值区、稳定沉积区和渤海湾环流结构三者显著相关，印证了本文所发现的渤海湾沉积物中重金属的分布规律，表明水动力条件是影响渤海湾内重金属输运和分布的关键机制之一，也从地球化学的角度间接证明了本文水动力学模型及由该模型得到的渤海湾环流结构的可信性。 基于所建立的二维水动力学模型和已有的物质输运模型建立了平均年龄模型，并结合分区研究的方法，对渤海环流及渤海各部分的水交换特性进行了数值模拟研究。采用年龄模型计算了海水进入渤海后的平均年龄分布，结果表明，进入渤海的海水到达辽东湾、渤海湾和莱州湾的平均时间（年龄）分别约为2~6年、10年和11年，表明渤海总体上存在一个逆时针环流，渤海海峡在较长的时间尺度上存在“北进南出”的状况。采用分区的方法对渤海各部分水体的来源和去向及各部分的水交换能力进行分析，结果表明：渤海中部是渤海各海湾之间及同外海进行水交换的枢纽；渤海各海湾水交换能力差异较为显著，但总体来看，莱州湾水交换能力强于渤海湾和辽东湾，渤海湾和辽东湾与渤海其他海域及外海的水交换都较为困难。 基于所建立的水动力学模型和SWAN风浪模型，用NCEP CFSR风场作为驱动模型的风场，建立了波流耦合模型，并对渤海风暴潮的特性、影响因素及成因进行了数值模拟研究。利用实测风速数据对NCEP CFSR风场进行了修正。采用实测数据对水动力学模型和SWAN模型进行了验证，并在此基础上利用实测风暴潮增水数据对耦合模型进行了整体验证，结果表明：所建立的波流耦合模型可以较好地模拟风暴潮增水过程的特征。利用该波流耦合模型对渤海风暴潮特性、影响因素和成因进行分析，结果表明：渤海风暴潮增水较大的区域主要为浅水区，波浪引起的辐射力对增水的影响也主要集中于此；波浪破碎和波能耗散导致的沿岸流是影响渤海南部风暴潮增水的重要因素；缓变地形导致的方向一致的波能梯度和辐射力对渤海湾南部、莱州湾和辽东湾北部的增水也有重要影响。此外，模拟结果还表明：潮汐对波浪导致的增水具有重要影响，将不考虑潮汐因素的风暴潮增水计算值与潮汐水位相加计算风暴潮水位的做法可能存在较大误差，尤其是在浅水区。

目录

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第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2研究综述

1.3本文主要工作

第二章 水动力学模型及其基本验证

2.1控制方程

2.2数值格式

2.3模型基本验证

2.4本章小结

第三章 研究区域与观测数据

3.1渤海及渤海湾概况

3.2渤海湾海洋调查

3.3数据测量和样品处理

3.4本章小结

第四章 渤海湾重金属分布特征及水动力机制

4.1渤海湾底泥中重金属分布

4.2渤海湾环流与重金属输运

4.3渤海湾海底沉积状况

4.4水动力状况与重金属及 210Pb放射性活度分布的关系

4.5本章小结

第五章 时间尺度模型与渤海水交换

5.1水动力学模型的长期验证

5.2年龄模型

5.3渤海水体年龄

5.4渤海水交换及半交换时间

5.5本章小结

第六章 波流耦合模型及渤海风暴潮特性

6.1风浪模型

6.2波流耦合模型

6.3风场和模型的验证

6.4渤海风暴潮增水的影响因素

6.5本章小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

附录

A.1 连续性方程

A.2 运动方程

发表论文和参加科研情况说明

致谢