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《中国海洋大学》 2012年
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基于三维海洋生态动力学模式的莱州湾氮、磷营养盐环境容量研究

虞兰兰  
【摘要】:近年来,随着莱州湾沿岸工、农业的发展和人口的增长,入海河流携带的营养盐不断增多,导致莱州湾生态环境严重受损,具体表现为湾内海水的富营养化不断加重、赤潮频发,产卵场受到破坏,主要经济鱼类和渤海对虾资源严重衰退。依照中国的国情,立即停止营养盐的排放并不现实,应结合海水的环境容量进行营养盐点源排放的合理规划,以减小其对海域环境的危害。本文在前人研究的基础上建立了计算非保守物质环境容量的方法,并将该方法成功应用到了水动力较强、面积较大的莱州湾海域。 进行莱州湾氮、磷营养盐环境容量计算的基础是生态动力学模式,本文通过建立一个基于PIC(Particle-In-Cell)粒子追踪方法的N-P-Z-D(营养盐-浮游植物-浮游动物-碎屑)生态模式,模拟分析了莱州湾无机氮(DIN)、无机磷(DIP)和浮游植物的大面分布特征与季节变化特征,并研究了21世纪初莱州湾的营养盐限制问题以及黄河和小清河输入的营养盐对莱州湾生态系统的作用。 经过分析发现在莱州湾海域,比较适合的环境容量计算方法是排海通量最优化法。在使用该方法计算污染物某段时间的环境容量时,必须保证这段时间内目标海域对于污染物存在确定的响应系数场。由于氮、磷营养盐的分布具有明显的季节变化特征,其响应系数场也相应地随时间不断发生变化,不可能最终趋于稳定、获得确定的响应系数场,从而无法直接计算出营养盐的环境容量。 为获得确定的响应系数场,本文分别选取满足排海通量最优化法适用条件的营养盐月平均浓度场及月最高浓度场数据,依次计算出莱州湾海域每个月的营养盐响应系数场,并进一步使用排海通量最优化法求解出营养盐的月环境容量。根据月平均浓度场计算出的响应系数场为线性,符合线性规划法的前提假设;而根据月最高浓度场计算出的响应系数场包含非线性部分,不能采用线性规划法而必须使用非线性规划法进行环境容量的计算。 由于每个月浓度超过月平均浓度的天数比较多,经验证发现,即使严格按照月平均浓度场计算出的环境容量进行总量控制,仍将严重破坏海域生态环境,所以不应选用月平均浓度场而应采用月最高浓度场数据进行非保守物质环境容量的计算,以更好地保护海域生态系统。即对于氮、磷等非保守物质,应该使用非线性规划法进行海域环境容量的计算。 氮、磷营养盐之间相互影响、此消彼长,当氮(或磷)的浓度处于不同状态时,相应的磷(或氮)的环境容量是不一样的。本文旨在探讨计算非保守物质环境容量的方法,为简化数值计算量,将保持磷(或氮)的排放现状不变,计算相应的莱州湾氮(或磷)的环境容量和剩余环境容量。根据渤海近岸海域主要海洋功能区划的要求,莱州湾内五个点源附近的海域都应满足二类水质要求。对于21世纪初莱州湾的营养盐环境容量,使用非线性规划法的最终计算结果为,在保持DIP排放现状不变的情况下,莱州湾DIN年环境容量为21843吨/年,剩余年环境容量为-8264吨/年,需要减少点源DIN的排放量;在保持DIN排放现状不变的情况下,莱州湾DIP年环境容量为1794吨/年,剩余年环境容量达1485吨/年,可继续容纳部分DIP的排放。 最后,本文探讨了不同水动力条件对莱州湾生态系统以及营养盐环境容量的影响。黄河水动力条件在不同情况下对湾内生态系统和营养盐环境容量的影响不同:当黄河输入莱州湾的营养盐通量不变时,黄河的强水动力条件能限制和削弱莱州湾的富营养化状态;而当黄河输入莱州湾水体中的营养盐浓度不变时,黄河的弱水动力条件能限制和削弱莱州湾内的富营养化状态。可以利用黄河水动力条件及其营养盐的输入量,抑制并改善莱州湾的富营养化现象。另外,模式考虑了正压状态、正压潮(正压状态下只考虑潮的作用)状态和关闭风场对莱州湾生态系统和环境容量的影响,结果表明,无风场作用和正压潮状态都将低估莱州湾的DIN浓度,而正压状态则会高估湾内DIN的浓度。
【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:X131.2

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