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《中国海洋大学》 2004年
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胶州湾水体交换与营养盐收支过程数值模型研究

刘哲  
【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

【引证文献】
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3 杨东方;;胶州湾浮游植物生长的生态变化过程[A];科技、工程与经济社会协调发展——中国科协第五届青年学术年会论文集[C];2004年
4 左军成;杜凌;李磊;李培良;陈宗镛;;“胶莱运河”项目水流动力学条件初步估计(潮汐、环流)[A];胶莱人工海河论坛论文集[C];2006年
5 王涛;孙进忠;杜明性;王忠胜;王继明;;胶州湾地区区域工程地质稳定性灰色模糊综合评价[A];工程地质力学创新与发展暨工程地质研究室成立50周年学术研讨会论文集[C];2008年
6 马彩华;游奎;彭斌;许志华;李康;赵焕利;袁伟;;胶州湾产业格局变动对环境的影响分析[A];2011中国环境科学学会学术年会论文集(第一卷)[C];2011年
7 杨永亮;麦碧娴;潘静;李凤业;殷效彩;;胶州湾沉积物中多环芳烃的分布及来源[A];第六届全国环境地球化学学术讨论会论文摘要汇编[C];2002年
8 吴永森;张士魁;吴隆业;张绪琴;李宝华;郑建民;;胶州湾黄色物质物理及生化特性现场试验初步分析[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展(下册)[C];2001年
9 李新正;于海燕;王永强;帅莲梅;张宝琳;刘瑞玉;;胶州湾大型底栖动物的物种多样性现状[A];中国海洋与湖沼学会甲壳动物学分会、中国动物学会、中国海洋与湖沼学会生态学分会2000年学术研讨会论文摘要集[C];2000年
10 高大鲁;华锋;范斌;卢燕;;胶州湾口走航ADCP测流数据统计分析[A];中国海洋湖沼学会水文气象分会、中国海洋湖沼学会潮汐及海平面专业委员会、中国海洋湖沼学会计算海洋物理专业委员会、山东(暨青岛市)海洋湖沼学会2007年学术研讨会论文摘要集[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 孙庆伟 王瑜 刘锟锋;大青岛涌动蓝色春潮[N];青岛日报;2010年
2 记者 刘成 通讯员 赵法文;胶州湾产业新区加快建设生态新城[N];经济日报;2009年
3 证券时报记者 郑昱;三木集团15亿掘金胶州湾产业基地[N];证券时报;2010年
4 记者 代桂云;让胶州湾承担起百年发展重任[N];人民政协报;2009年
5 李攻;青岛要把胶州湾变城区“内湖”[N];第一财经日报;2008年
6 记者 陈小艳代桂云 通讯员 管仁成;把胶州湾打造成“生态之湾”和“活力之湾”[N];人民政协报;2008年
7 国家海洋局北海监测中心 高振会;胶州湾近岸污染变化研究[N];中国海洋报;2005年
8 代青;胶州湾湿地保护与恢复刻不容缓[N];人民政协报;2004年
9 霍峰;青岛:拟投资31亿元建设胶州湾北部高新区[N];经济参考报;2008年
10 郝金岭 崔增光;胶州湾工业园 未雨绸缪迎接新挑战 锐意创新再谱新华章[N];中国乡镇企业报;2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘哲;胶州湾水体交换与营养盐收支过程数值模型研究[D];中国海洋大学;2004年
2 李颖虹;胶州湾生态系统动态变化研究[D];中国科学院研究生院(海洋研究所);2012年
3 赵淑江;胶州湾生态系统主要生态因子的长期变化[D];中国科学院研究生院(海洋研究所);2002年
4 侯新文;环胶州湾地区城市地质及工程建设适宜性研究[D];中国矿业大学(北京);2011年
5 王翠;基于生态系统的海岸带综合管理模式研究[D];中国海洋大学;2009年
6 闫菊;胶州湾海域海岸带综合管理研究[D];中国海洋大学;2003年
7 刘东艳;胶州湾浮游植物与沉积物中硅藻群落结构演替的研究[D];中国海洋大学;2004年
8 李小宝;大型海湾水交换高效计算方法研究[D];天津大学;2011年
9 边淑华;基岩海湾潮汐通道动力地貌及其发育演变[D];华东师范大学;2005年
10 孙磊;胶州湾海岸带生态系统健康评价与预测研究[D];中国海洋大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 姚云;胶州湾水域富营养化特征和形成机制的初步探讨[D];中国科学院研究生院(海洋研究所);2004年
2 孙蜀东;胶州湾南美白对虾(Penaeus vannamei)移植放流的初步研究[D];中国海洋大学;2004年
3 董贺平;胶州湾层序地层及潮流沉积体系研究[D];中国海洋大学;2005年
4 李丹丹;砷的原子荧光光谱法改进及其在胶州湾、黄、东海的应用[D];中国海洋大学;2003年
5 刘飞;胶州湾李村河口沉积物中重金属的赋存及其环境意义[D];中国科学院研究生院(海洋研究所);2005年
6 陈应华;胶州湾小型浮游动物群落特征的初步研究[D];汕头大学;2002年
7 田胜艳;胶州湾大型底栖动物的生态学研究[D];中国海洋大学;2003年
8 马妍妍;基于遥感的胶州湾湿地动态变化及质量评价[D];中国海洋大学;2006年
9 张林;胶州湾建设桩基式海上城市的可行性分析[D];中国海洋大学;2009年
10 叶曦雯;胶州湾中生物硅的研究[D];中国海洋大学;2002年
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