近海物质输运时间尺度的基本理论研究

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1、近海水交换相关研究王林慧中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，青岛，中国，266100摘要：本文总结了水交换相关理论，给出了净化时间在理想状态下的计算过程及其假设条件。介绍运用数值模拟方法研究水交换研究现状，分析几种数值模拟方法的优缺点。关键词：物质输运时间尺度，水龄，存留时间，净化时间1、水交换研究意义海洋环境是人类赖以生存和发展的自然环境的重要组成部分。全球海洋面积约3.62亿平方公里，占地球总面积的71%，具有巨大的能量和无数的宝藏。资源和环境已成为当今世界各国共同关注的严重问题。海洋环境污染来源有陆源污染

2、、海上污染及空中污染，但主要来自陆源排污。根据国家海洋局1995年的调查，陆源排污已严重损害了海洋的资源和环境。据统计，排入我国海域的污水和各种有害有毒物质中80％以上来自陆地。它们首先进入河口、海湾和近岸海域，引起该地区严重污染。仅沿岸工厂和滨海城市直接排海污水就达86亿吨/年，主要有害有毒物质约146万吨；通过河流入海的数量难以统计。这些污染物对社会经济地位十分重要、生态平衡十分脆弱的近岸海域造成了巨大的冲击。近岸海域水交换是海洋环境科学研究的一个基本课题，污染物通过对流输运和稀释扩散等物理过程与周围水体混合，与外

3、海水交换，浓度降低，水质得到改善。交换不畅的水体，由于污染物的持续累积，往往会形成诸如富营养化等问题。BertBolin等(1972)提出水龄的概念，定义为海水微团自进入控制体以来到流经该点所需要的时间。Zimmerman(1976)将离开控制体时的水龄称为存留时间（residencetime）。Luff（1996）引入了半交换时间的概念，定义为某海域保守物质浓度通过对流扩散稀释为初始浓度一半所需的时间。污染物稀释的快慢代表了水质变化的速率，即代表了该海域的交换能力。通过研究近岸海域的水交换，可以了解海湾的交换能力。这

4、对海湾污染的预防、治理、以及预测都有非常重要的意义。（哲）2水交换的相关研究在1972年，Parker提出水交换的概念；中村武弘（1980）运用水质预测模式对日本大村湾水污染进行研究；木村晴保（1984）通过对日本高知县古田湾的研究，提出海水交换量的推算法；曾刚（1984）以现场实测资料为依据，采用半日潮流比较分析法，计算厦门港的余流，为研究厦门港海水交换及港口排污等问题提供水动力依据，进而利用出水量与总水量，并引入海水“半交换周期”概念来计算海水交换率；匡国瑞、杨殿荣等（1986）运用中村武弘的水质预测公式对乳山东湾

5、的海水交换及其环境容量进行了初步探讨；孙英兰等（1988）通过拉格朗日余流分布，标识质点跟踪，对胶州湾水交换活跃程度进行区域划分，将其分为湾顶滞留区，黄岛附近活跃区和湾口良好区，对胶州湾水环境进行了一种定性研究；林洪瑛等（1989）提出多河流河口海区海水混合交换简单的数学模式，并以1987年调查站的实测资料对珠江口河口湾水交换进行了讨论计算；王寿景（1990）根据“厦门港湾海洋环境综合调查”资料，选用盐度为指标物质浓度，通过计算嵩屿－鼓浪屿和厦门－鼓浪屿断面海水交换率，求得厦门西湾海水交换状况，并计算了由潮流和潮余流引

6、起的海水半交换期；潘伟然（1992）利用现场观测数据，采用单箱模型，二维数值模型分别计算了湄洲湾海水的平均交换率，平均半更换期和各区段海水的半更换期；Roger等（1995）用欧拉弥散模型计算了北海的水交换时间；周诗贲、陈聚法等（1996）为了解丁字湾的自净能力，对丁字湾的水质，潮汐和海流进行了调查，并对湾内外的海水交换规律进行了探讨；胡建宇等（1998）根据多年的实测潮位资料分析罗源湾的潮汐特征，然后计算出罗源湾的纳潮量，进而求出罗源湾海水的交换率及海水的半更换期；董礼先，苏纪兰（1999）以溶解态的保守性物质作为湾

7、内水的示踪剂，建立了对流－扩散型的海湾水交换数值模型；毕远博，刘海映等（2000）利用大潮汛期对小窑湾海水交换与环境预测进行的调查，运用Parker和柏井诚定义的海水交换率和中村武弘等导出的水质预测式对小窑湾进行了调查分析，其讨论的海水交换与水质预测模式，是通过污染物排放在海湾后在潮汐和海流的推动下，用物理方法分析污染物混合与稀释以及污染物的迁移规律。赵亮、魏皓等（2002）基于一个成熟的水动力模型ECOM（EstuaryCoastalOceanModel），对胶州湾潮波系统及其驱动下的标识质点运动规律进行数值模拟，将

8、胶州湾划分为6个区域，定量研究了整个海湾水的存留时间和不同区域水的交换能力，并指出流场结构对湾内水交换起了决定性作用。3、水交换相关理论净化时间是一个综合的参数描述水体的综合交换特征，忽略相关的物理过程和空间分布不均匀性。净化时间可以用定义的水体体积（V）除以通过系统的流量（Q）。由于V、Q等常未知，计算净化时间长可以假设水体为一