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1、第32卷第4期青岛海洋大学学报32(4):519～5252002年7月JOURNALOFOCEANUNIVERSITYOFQINGDAOJuly,2002渤海水交换的数值研究X-水质模型对半交换时间的模拟1121魏皓田恬周锋赵亮(1青岛海洋大学,青岛,266003;2国家海洋局第二海洋研究所,杭州,310012)摘要介绍了几种关于水交换的概念和模型。认为以水质模型模拟半交换时间研究海域的水交换能力更全面、客观。对渤海水交换的研究表明,由于渤海环流结构及季节变化,使得渤海3个海湾及渤海中部交换能力相
2、差很大,莱州湾交换能力最强,辽东湾特别是其西部海域交换能力最弱。交换时间与物质初始浓度无关,与投放时刻、外源强迫密切相关。在治理渤海环境时,应分区进行,注意选择污染物排放时间和位置。关键词水质模型;半交换时间;渤海中图法分类号P731.2文章编号1001-1862(2002)04-0519-07近岸海域水交换是海洋环境科学研究的一个基本命题,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
3、,渤海近年赤潮频发就是一个例证。渤海三面环陆,是1个典型的半封闭海域。关于渤海水交换时间有不同的说法,从几个月¹到十几年º不等,这主要是基于不同的水交换概念和以不同的水动力模式进行模拟造成的差异。为此我们有必要从探讨水交换概念入手,分析各种定义的前提,对渤海水交换进行数值研究。1关于水交换的几种概念和模型[1]净化时间(Flushingtime):水流通过开边界进入箱内并充满整个箱体所需时间。其计算公式为:T=V/F,这里V为计算海域总体积,F为通过箱体开边界的总通量。物质存留时间(Residen
4、cetime):单位时间其他水体进入该海域的物质量去除该海域水体体积,认为在这样时间内原有物质得以存留。X国家自然科学基金项目(497901001)和国家重点基础研究项目(G1999043804)资助收稿日期:2002-01-08;修订日期:2002-04-23魏皓,女,1964年出生,教授,博士。¹HainbucherD,WeiH,PohlmannT,etal.VariabilityoftheBohaiSeacirculationbasedonmodelcalculations.[J]Journ
5、alofMarineSystem,acceptedº祝光耀.渤海碧海行动计划,国家环保局.1998,89520青岛海洋大学学报2002年[2]水体更新时间(Turn-overtime):箱内物质量减少到原有物质总量的37%所需的时间。这3种表示交换能力的时间定义有几个相同的基本假设:(1)流动定常,通量F为常数;(2)箱外水进入箱内立即与整个箱内水体完全混合;(3)通过边界无扩散交换。这是基于箱式模型的概念,因此箱内水质均匀是最基本前提。[3][4]基于箱式模型的水交换定义早期得到广泛应用。Dav
6、ies,Backhaus等分别计算了北海[5]的净化时间;Choi估计了黄东海风生流、潮汐余流、密度环流等驱动下不同的水体更新时间;[6][7]匡国瑞等以高低潮盐度变化给出了乳山湾一个潮周期内的水交换率;高抒以狭长海湾多箱物理模型,研究了象山港的水交换机制。然而该类定义的应用有一定的适用范围。当通过界面的通量有季节变化时(非常数),对水[8]体更新时间有很大影响;随着周期性潮运动(流动非定常),流出该海域的原有水体还会流回,而不带来水质的明显改善;特别是当箱内水质不均匀时,进入箱内的水体不能立即与
7、原有水体完全混合,造成局部海域交换不充分,海域内的水交换不均匀。因此应用箱式模型往往会过高估计海域的水交换能力。为此人们又以考虑流场非均匀性的质点追踪法,标示出海域内外的水质点,统计通过某界面流出海域的质点数。当海域内含原有质点数达到稳态时(或为原有质点数的37%时),纪录为水体更新时间,流出海域的质点数与初始质点数之比为该海域水交[9][10]换率。Signell以此方法研究了波士顿港区与马萨诸塞湾的水交换。袁柱翰则探讨了渤海海峡的水交换,认为渤海海峡89%的交换量发生在老铁山水道,交换有北进南
8、出的特点,整个[11]海峡交换量和交换率都不大。赵亮等将此方法用于胶州湾水交换研究,指出由于流场的不[12]均匀,胶州湾深水区交换时间为7d,而北部和西部海区交换时间超过2个月。孙英兰等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,这是一种定性研究,对胶州湾环境规划起到了一定的指导作用。质点追踪模型能够刻画出海域内交换的不均匀性,而且可以描述质点的去向和来源,进而[13]可研究海域的分担问题。而Luff等引入
