（环境工程专业论文）大连湾海域氨氮、磷酸盐及藻类生长的数值模拟研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 本文以大连湾海域为主要研究区域，以大连湾的主要污染物氨氮和磷酸盐为主要研 究对象，基于对历史资料与监测数据的分析，用数值模拟技术，建立了适用于模拟大连 湾主要污染物氨氮一磷酸盐及预测藻类生长的季节性三维水运动一水质模型。模型再现了 大连湾水文要素和主要污染物。氨氮和磷酸盐在大连湾水体中的分布变化规律，定性分 析了营养盐( 主要指氨氮和磷酸盐) 结构对藻类生产的影响，预测了浮游植物的空间分 布特性和季节变化机理、污染物负荷的排放量和排放位置的变化对大连湾水体的影响， 并基于t e c p l o t 图形工具对大连湾水质模拟结果数据进行了可视化，为大连湾的水质规 划和管理提供科学依据。 模拟结果表明，由于排污口区水交换能力弱，污染物被排放之后不能及时被稀释， 而积累形成污染。在湾顶部，扩散过程是影响氨氮、磷酸盐及藻类碳浓度的主要因素： 在湾中部，硝化过程是影响氨氮浓度的主要因素，浮游植物的死亡率是影响磷酸盐浓度 的主要因素，磷酸盐的含量是藻类生长的限制性因素。陆源负荷是氨氮的主要来源，底 层腐殖质的分解补充是湾中部及湾口区磷酸盐的主要来源。 营养盐负荷对大连湾水质的影响主要集中在湾顶部的排污口区，随着污染物负荷的 增加水体中相应的污染物浓度迅速增加，营养盐浓度对藻类生产的影响越来越小。 总负荷的变化对藻类生产的影响与磷酸盐负荷对藻类的影响类似，大于氨氮负荷对 藻类的影响，且在大连湾的湾项部，年平均n p 比率大大高于1 6 。氨氮浓度和磷酸盐 浓度的变化对藻类生长的影响定性分析结果也说明在湾顶部，磷酸盐是限制性营养盐。 由于湾中高的无机氮的输入，n p 的值越来越高，在这种情况下，一旦有高的磷输入 时，就有可能引发某些种的水华的发生。可以通过控制磷的排放来控制大连湾水体中藻 类的生长。 不同的排放位置对大连湾水体影响的差异反映了海域局部自净能力的差异。如果排 污点源位于水交换能力大的湾口附近的陆源边界，则进入该海域的污染物质在海洋环境 动力作用下会很快地被输送扩散，而不会在点源附近积累。 关键词：大连湾；水质模型；数值模拟；负荷分配；控制技术 夫连湾海域氨氮、磷酸盐及藻类生长的数值横拟研究 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o ra m m o n i an i t r o g e n ，p h o s p h a t ea n da l g a l p r o d u c t i o ni nt h ed a l i a nb a y a b s t r a e t t h ed o m i n a t i n gp o l l u t a n t si nt h ed a l i a nb a y ，s u c ha sa m m o n i u mn i t r o g e na n dp h o s p h a t e ， w e r et h ef o c u so fa t t e n t i o ni nt h i sp a p e r b a s e do nt h ea n a l y s i so fh i s t o r i c a lr e c o r d sa n d m e a s u r e dd a t a , t h et h r e e d i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i c sa n dw a t e rq u a l i t ym o d e lh a v eb e e n e s t a b l i s h e d 、i ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n i q u e t h ed i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o no ft h e h y d r o l o g i cf e a t u r e sa n dt h em a i np o l l u t a n t si nt h ed a l i a nb a yw e r er e p e a t e di nt h em o d e l q u a l i t a t i v ea n a l y s i sw a sa p p l i e do nt h ei n f l u e n c eo fn u t r i e n t ( a sa m m o n i u mn i t r o g e na n d p h o s p h a t em a i n l ”s t r u c t u r eo na l g ap r o d u c t i o n t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o na n ds e a s o n a lv a r i a t i o n o fp h y t o p l a n k t o nw e r es i m u l a t e d t h ei n f l u e n c eo ft h ew a s t e w a t e rl o a d sa n dt h ed i s c h a r g e s t a t i o n so nt h ew a t e rq u a l i t yw a sp r e d i c t e d t h ev i s u a l i z a t i o no ft h ew a t e rq u a l i t ym o d e lw a s d e v e l o p e dw i t ht e c p l o t t o o l s i tc o u l db ea d o p t e di nt h ec o a s t a lm a n a g e m e n to f d a l i a nb a y t h es i m u l a t i o nr e s u l t si m p l i e dt h a tf o rt h ep o o rf l o wc a p a c i t yo f w a t e ri nt h ee x i s t i n go u t l e t , t h ed i s c h a r g e dp o l l u t a n t sa r en o td i l u t e di nt i m eb u ta c c u m u l a t e da n dm s u l ti ns e aw a t e r p o l l u t i o n i nb a y 邱d i f f u s i o ni st h em a i nf a c t o ra f f e c t i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i a n i t r o g e n , p h o s p h a t ea n da l g ac a r b o n i nb a ym i d ，t h en i t r i f i c a t i o nc o n s u m p t i o na n dt h e p h y t o p l a n k t o nm o r t a l i t yd e c i d e st h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i an i t r o g e na n dp h o s p h a t ea n dt h e p h o s p h a t el i m i t st h ea l g ap m d u c t i o n l a n dl o a d ss u p p l yt h ea m m o n i an i t r o g e np r i m a r i l yi nb a y a n dt h es e ab e dh u m u ss u p p l i e st h ep h o s p h a t ep r i m a r i l yi nb a ym i da n db a ym o u t h t h er e g i o no fn u t r i e n tl o a di n f l u e n c eo nw a t e rq u a l i t yi sc h i e f l yl o c a t e di no u f l e ta r e ai n b a yt i p t h ec o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n ti n c r e a s e sa l o n gw i t ht h el o a dr a p i d l ya n dt h ee f f e c to f t h en u t r i e n to na l g ap r o d u c t i o nb e c o m e sw e a kg r a d u a l l y t h et o t a ll a n dl o a d sa n dt h ep h o s p h a t ep l a yt h es i m i l a rr o l eo nt h ea l g a lp r o d u c t i o n ；t h e y a r es t r o n g e rt h a na m m o n i an i t r o g e no nt h ea l g a lp r o d u c t i o n i nt h eb a y t i pt h ey e a ra v e r a g en p v a l u ew a sh i g h e rt h a nl6 t h ei n f l u e n c eo f a m m o n i an i t r o g e na n dp h o s p h a t eo na l g ap r o d u c t i o n i n d i c a t e dt h a tp h o s p h a t ei st h el i m i t i n gn u t r i e n ti na l g a lp r o d u c t i o ni nb a yt i p d u et oh i 出 n i t r o g e ni n p u t ，t h en pv a l u ew i l lb ev e r yh i g h ；i nc a s et h eh i g hp h o s p h o r u si n p u ta d d e d ，s o m e k i n da l g a eb l o o m i n gw i l lb ei n i t i a t e d t h ea l g ap r o d u c t i o nc o u l db ec o n t r o l l e dt h r o u g hr e d u c i n g t h ep h o s p h a t el o a d t h ed i f f e r e n ti n f l u e n c eo fv a r i o u so u t l e tp o s i t i o n so nt h ew a t e rq u a l i t yr e f l e c t sw a t e r ss e l f - p u r i f i c a t i o ni nd i f f e r e n tr e g i o n i ft h eo u t l e tp o s i t i o nw a sc h a n g e di n t ot h eb a ym o u t hw i t ht h e i l 人连理大学博士学位论文 r i c hf l o wc a p a c i t y ，t h ep o l l u t i o nw i l lb ed i f f u s e da n dw a n s p o r t e dp r o m p t l yb ym a r i n e e n v i r o n m e n t a ld y n a m i ce f f e c tb u tn o ta c c u m u l a t e da r o u n dt h ep o i n ts o u r c e s k e yw o r d s ：d a l i a nb a y ；w a t e r q u a l i t ym o d e k n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；l o a da l l o c a t i o n ；c o n 押o t e c h n i q u e s 引言 1 i 可题的提出 海洋作为地球系统的主要组分，在提供可再生资源、调节全球气候和维持生态平衡 中起着举足轻重的作用，而海湾是整个海洋中与人类关系最密切的部分：海湾是全球单 位面积生物生产力最高的区域，是人类可利用生物资源的重要生产基地；海湾是海、陆 相互作用以及人为干扰作用的强烈承受地区，是环境变化的敏感区和生态系统的脆弱 带。因而，海湾是进行生态系统动态过程研究的最佳场所，也是可持续发展研究的优先 区域。 我国是沿海大国，众多的海湾蕴藏着丰富的自然资源，大部分海区成为人类生活、 生产和社会活动的活跃地带。目前我国近1 3 的人口居住在沿海地区，沿海地区的工农 业总产值占全国总产值的6 0 9 上【1 1 。沿海经济无不与海湾生态系统息息相关。大连湾 曾经是中国重要的渔业生产基地和水产品集散地，由于大量生活、工业污水排放入海， 水质较差，多项检测指标超过海水水质标准，大量的生物死亡，多处养殖基地被废置， 多次引起赤潮 2 1 ，水质中主要污染物为无机氮( 主要为氨氮) 、活性磷酸盐和石油类。 人口的增长，资源的开发和环境的破坏使得地球生态系统的维持能力日益下降，保护生 物圈、维护生态系统的平衡已成为全球范围内亟待解决的重大问题。过去由于缺乏持续 发展的思想，海洋生物资源的开发和污染物的排放大大超过了其补充、再生能力与环境 的自净能力，导致生态的破坏( 如生物多样性减少，赤潮和毒性藻华的发生等) ，生物 资源衰退和环境污染( 如营养盐过剩，底部水体的严重缺氧和水体透明度的下降等) ， 并影响到沿海社会与经济的持续发展。 显然，对海湾生态系统进行深入的调查研究，查明其生态学过程和动力学机制、以 及动态变化规律和关键制约因子，对于保护海湾资源与环境、维持生态平衡，生态环境 的规划和管理，使沿海经济持续、稳定的向前发展具有重要意义。近2 0 年来，随着地 球系统科学的发展和全球资源环境问题的日益突出，人们开始逐渐重视在全球变化及人 类干预背景下生态系统的结构、功能及其动态变化过程，以揭示生态系统的动态变化规 律，最终实现人类社会发展、环境保护与生态平衡的协调统一。 海岸污染问题己受到世界各国政府和社会公众的共同关注。以观察全球战略问题出 名的美国世界观察研究所，1 9 9 9 年发表了世界观察报告保护海洋健康。未来研究 将注重全球碳循环、水循环和食物及人类与环境的相互作用，并突出区域战略部署。我 国自1 9 8 6 年以来在全球变化研究领域已有较大规模的投入，做出了具有国际影响的科 大连湾海域氨氮、磷酸盐及藻类生长的数值模拟研究 学贡献。在此基础上，国家自然科学基金委拟于“十五”期间继续资助“全球变化与地 球系统的研究”，研究亚洲季风区海一陆气相互作用及人类活动对区域环境变化影响 的机理，获取该区域地球系统中各圈层相互作用过程、动力机制、环境效应及未来变化 的趋势，从而为我国在水安全、食物安全及国际公约中的国家立场等方面提供科学依 据，并可使海洋生态走向良性循环，达到持续开发利用沿岸带资源的需求。 2 水质变化规律的研究方法 研究水质问题常用的方法有现场观测、物理模型试验和数值模型。物理模拟法以模 型和原型之间物理相似或几何相似为基础。数学模拟的方法，以模型与原型之间数学形 式上的相似为基础。三种方法既相互联系，又各具特点。使用模型的目的和意义是为了 更深刻的揭示实际环境系统的本质。 目前常用的方法是根据实际资料所提供的各种信息，通过逻辑推理和数理方法建立 模型，然后在模型匕进行研究与模拟。现场观测不仅为物模试验提供极为珍贵的原始资 料，而且是检验物模试验成功与否的主要依据。但是大型水体中大面积野外观测需要耗 费大量的人力、物力，受观测仪器性能和测试技术水平的限制。实验方法由于海洋监测 成本高，很难获得时间、空间上地连续数据，在实际应用上受到限制。物理模型受相似 率的制约、试验周期长，难以模拟出水体系统自然的风生环流、物质的生化过程，很难 模拟出真实环境条件的变化。与其它形式的模拟相比，数值模拟不需要太多的专用设备 和工具，可节省大量的实验费用，因其经济、有效、省时而得到广泛应用。数值模型的 理论分析研究，在水流运动规律的基础上，建立了各类主控方程，提出了各种简化模 型，给出了一系列问题的解析解和数值计算方法，用电子计算机对实际环境系统进行模 拟和计算，可以节约大量的时间、人力、物力和财力，表现出了极强的生命力。这些研 究使得建立水质数值模型是目前水体污染控制研究工作的常用和主要方法。然而在水污 染控制中，有许多反应机理还不甚清楚，许多过程还不可能或难于用确定数学方法来表 达。因此，数值模拟的准确度还不高。选择模型方法时要根据研究目的、要求、成本等 方面综合考虑。 水质模型指污染物在水环境中因物理、化学和生物的作用而发生变化的规律及影响 因素之间相互关系的数学描述，是定量描述污染物在水体中迁移转化规律的数学方程。 水质模型考虑周围自然条件和人类活动对水环境影响，对污染物的水环境行为进行模 拟、预测、对水体质量进行评价，为水质控制规划、实施水环境目标管理提供科学依 据。水质模拟与几个重复的过程有关如；问题确定，模型选择，校核，验证，模型应用 2 大连理t 大学博j 学位论文 与灵敏度分析。在本论文中，基于历史资料分析，以数值模拟为主的方法，建立适用于 大连湾主要污染物的水质模型。 3 论文的主要研究内容 基于对历史资料与监测数据的分析，用数值模拟技术，建立适用于大连湾主要污染 物氨氮和磷酸盐及预测藻类生长的季节性三维水运动一水质模型，定量研究在人为干扰 作用下，大连湾主要污染物的动态变化规律和关键制约因子，预测浮游植物的空间分布 特性和季节变化机理，预测人类负荷排放对大连湾水体的影响，为满足环境质量目标、 污染物排放量最大的污染控制布局方案和污染负荷的分配方案提供科学依据。 本论文研究的主要工作包括： 1 ) 大连湾主要污染物的季节| 生三维水运动水质模型的建立 2 ) 对模型的数据结果进行可视化，能够显示任意物质的空间分布特性与随时间变 化的信息 3 ) 用验证过的模型对大连湾水体中的主要污染物氨氮和磷酸盐的行为进行模拟， 并研究影响其行为的主要因素，预测藻类生长的分布变化规律； 4 ) 分析人为的干扰即污染负荷的排放量与排放位置对大连湾水质的影响 一3 一 大连湾海域氨氮、磷酸盐及藻类生| 吏的数值模拟研究 1 国内外的研究棚况 海洋生态系统动态过程是全球性的研究热点。其重点是在全球尺度上了解生源要素 的生物地球化学循环及其资源、环境效应。就生态系统动态过程研究而言，在研究水平 上，早期的研究主要是生态因子调查，后来发展到室内模拟试验和现场实验研究。研究 内容包括：理化、水文、环境因子以及能量、营养输入与初级生产者、微生物二次生产 者、浮游动物、底栖生物的群落组成、生物量、生产力、生产过程的相互作用与耦合机 制；无机物( 如：营养盐) 与有机物之间、溶解有机物( d o m ) 与颗粒有机物0 o m ) 之 间、生命体与非生命体之间、不同营养级之间的物质分配和能量流动等。在表达方法 上，早期多为中间竞争、捕食关系模型，此后发展到营养吸收动力学模型、生态过程、 食物链模型。在可持续发展方面，日本濑户内海当属典型代表。这个7 0 年代曾是日本 环境污染最严重、生物资源破坏最厉害的海区，经过实施环境治理与资源保护等措施， 特别是“渔业资源持续生产与环境保护”计划( 1 9 9 2 1 9 9 5 ) ，使其生态条件大为改善，走 上了持续发展的道路【1 l 。2 0 世纪8 0 年代以来，随着对环境和全球变化的重视，大尺度 的物理过程和生态过程的耦合越来越被强调。全球规模最大、最为成功的研究实例为欧 洲北海生态动力学研究，己建立了相应的区域海洋生态系统模型。切萨皮克湾是美国国 家基金委( n s f ) ，陆缘生态系统规划的重点观测站，已在生物生产力、生源要素的循 环、生态过程等方面积累了大量的数据资料，并为有关的研究计划和经济决策作出重要 贡献。 水流水质计算模型由一维稳态模型向多维动态模型发展；被模拟的状态变量不断增 多，已增加到几十个，模拟的变量由非生命物质如“三氧”( 溶解氧、生物化学需氧及 化学需氧) 、“三氮”像氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮) 、可溶性磷、大肠杆菌等向细菌、 藻类、浮游动物等水生生物发展。模拟范围包括生物生长率同营养物质、阳光和温度的 关系，浮游植物和浮游动物生长率间的关系，水生生态系统生物量和水中有毒物质的积 累与转化的交互，水质与底质的交互，水相与固相的交互等方面，考虑了污染物在水体 中的对流、扩散和转化的时空变化规律，具有处理点源、面源及边界交换的功能。 1 1 模型的研究历史 以“场”为背景，对物理、生物和化学相互作用过程的研究是生态动力学模型发展 的基础。以较完整的物理过程为基础，从简单的生物过程开始，研究物理与生物场的耦 合关系已成为海洋生态系统动力学研究的潮流。在深刻理解物理、生物和化学各过程相 4 大造理= 大学i 冉士学位论文 互作用机理的基础上，建立实用于评估海洋生态环境状况和预测海洋生态系统平衡、演 变的数学模型己成为沿海各国寻求经济持续发展的科研战略。 1 1 - l 水动力学模型的发展历史 水动力学模型的理论起源于1 9 世纪的s a i l l t - v e n a n t 【3 】，他通过研究建立了著名的 s a i n t - v e n a n t 方程，从而奠定了非恒定水流的理论基础。本世纪初，s t e m e c k 和d e f a n t 给出了一维潮流方程的数值解法，并且对一些狭长的海域进行了计算，取得了相当好的 结果。但真正意义上的数学模型则是计算机诞生以后才开始的。 2 0 世纪5 0 、6 0 年代，是水动力学数学模型发展的起点，曾进行了大量基础性和探 索性的研究工作，建立了许多一维数学模型，也出现了一些简单的二维数学模型，主要 研究水流运动规律。1 9 5 2 年，i - i a d s e r l 利用潮汐运动的周期性，简化基本方程，提出了 二维潮流数值计算的边值方法，并用台式计算机成功的对北海潮流场进行了模拟。 p r i t c h a r d 等将热扩散的研究方法移植于感潮河流的盐淡水混合过程。1 9 6 5 年，两位著名 力学家z i e k i e m i c z 和c h e t m g 提出用有限元法解决势流问题，使基于经典变分原理的 r i t z n 和g a l e r k i n n 方法在水动力学计算中得以直接应用。 2 0 世纪7 0 年代，二维模型得到深入研究和广泛应用，对三维模型的研究也开始起 步。l e e n d e n s e 嘲发展了半隐格式，b u 一7 】提出了全隐格式数值方法。前苏联学着 y a n e l l k o 嘲和m a r c h u k n 提出了著名的分裂算子法，为丰富和发展水动力学模拟做出了贡 献。由纯粹的水动力学的研究到盐水入侵、泥沙运移和污染物扩散的探讨，大大丰富了 数值模拟的研究内容。为适应应用性研究的深入和数学模型本身发展的要求，1 9 7 2 年 g e n d e y 1 0 】和h e a p s 】试图获得速度的垂直分布，进行三维模型的研究，此后也陆续出现 了一些简单的三维模型【b1 3 】等。 2 0 世纪8 0 年代至今，一方面，作为三维发展基础的二维数学模型的研究和应用日 臻完善和成熟，积累了许多成功的经验；另一方面，2 0 世纪9 0 年代后，计算机技术日 新月异的发展，为三维模型的发展提供了保障。天然水体是三维的，因此，数学模型须 以三维形式来模拟才能更全面的反映其基本特征。迄今为止，对三维水流物理现象的了 解还不够深入，而且其相关基本理论尚不够完善，体现在控制方程中非线性项的存在， 涡粘系数的确定等。在具体计算时，又会遇到诸如自然边界的复杂多变，底床物质的错 宗交叠，自由表面受气象因素制约，外边界难以正确把握以及水平和垂直尺度较大等困 难。l e e n d e r t s e l l 4 1 和k a w a h a r a l l5 j 等发展了多平面模型，其垂直网格数是固定的，上层厚 度可随水位变化而不同。但这也只适用于水位变幅不大的水域( 如湖泊和某些港湾) ， 在极浅水域退化为二维模式。l e e n d e r t s e t 4 l 等成功的应用了多层模型，有效处理了多平 一5 一 大连湾海域氨氨、磷酸盐及藻类生眭的数值模拟研究 面模型存在的问题，利用p h i l l i p s 提出的对垂向坐标无量纲化形成的6 坐标，将三维水域 分成。方向的若干水平层，各层分别处理为二维平面问题。优点是简单实用，有利于计 算分层流，缺点在于引入人为交界面及相应的摩阻系数，而交接面与摩阻系数的选用往 往带有很大的经验性和主观性。d a v i e s 婚1 9 】，t e e l 2 0 划1 ，沈育疆1 2 2 1 ，叶安乐 2 3 1 ， k o u t i t a s 【2 4 】，魏守权口5 1 ，韩国其皿6 1 等开展了对解析模型的研究，力图求得流速垂直分布 的解析表达式，以避免因垂向剖分网格带来的诸多问题。 1 1 2 水质模型的研究历史 最早发展得水质模型是简单的氧平衡模型。1 9 2 5 年，美国的两位工程师s t r e e t e r 和 p h e l p s 在对o h i o 河流污染源及其对生活用水造成的影响的研究中，提出了氧平衡模型 的最初形式，即s - p 模型田】。在该模型中，他们假定河流的自净过程中存在两个相反的 过程，即有机污染物的生物氧化反应，其速率与有机污染物浓度成正比；同时大气中的 氧不断进入水体，其速率与水中氧亏值成正比。在这两相反过程的作用下，水中的溶解 氧达到平衡。该模型最初被用于城市排水工程的设计和简单水体自净作用的研究。在此 后2 0 年间由于研究手段的限制等原因，水质模型研究并没有太大进展，直到2 0 世纪 5 0 、6 0 年代，随着人们对环境保护和污染控制认识的加深，特别是计算机技术的发 展，水质模型的研究x p j - 得以较大进展。 2 0 世纪5 0 年代水质模型的发展仅限于对s - p 模型的改进，般只考虑生化需氧量 与溶解氧耦合的双线性系统模型 2 9 - 2 9 。2 0 世纪6 0 年代末，随着计算手段的提高和对生 物化学机理认识的深入，模型中考虑的变量越来越多，如b o d ，d o ，有机氮，氨氮， 亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等，模型的结构多为线性系统，空间维数为一维和二维，如 o c o r m e r 3 0 模型。与此同时，开始出现一些随机水质模型1 3 ”3 1 。实质上，上述模型都可 归类为氧平衡模型，有机物降解耗氧和大气复氧的动态平衡关系是其主要的理论依据。 上述模型中，以o c o n n e r 和d o b b i n s 模型最为重要，它们在s - p 模型的基础上增加了 氮化物和底泥的作用，无论是模型参数形式还是求解技术方面都有较大改进。g r e e n e y 在此工作基础上研制出了美国环保局推荐实用的q u a l - i i 河流有机污染综合水质模型 ”，这是一种较为复杂的非线 生氧平衡生态模型。包括1 3 个状态变量，有水温，溶解 氧，生化需氧量，藻类，氨氮，亚硝酸盐氮，硝酸盐氮，可溶性磷，大肠杆菌，任选的 一种可降解物质和三种任选的非降解物质，并建立了差分法求解技术和计算机程序。目 前，该模型已被广泛的用于河流水质预测和水质规划管理工作中。 随着污染物水环境行为研究和水质标准制定工作的不断深入，氧平衡模型己不能满 足社会经济发展对环境保护的要求。同污染物，由于它在水环境中的存在状态和化学 一6 一 人造理大享限 学位论文 形态不同，将会表现出很不相同的环境行为和生态效应，如对人体和生物群落的毒性。 因此，将需要一种能反映污染物和不问存在状态和化学形态下水环境行为的模型，这就 是2 0 世纪8 0 年代兴起的形态模型。f o r s t h e r 在研究重金属污染物的形态模型时，针对 溶解态和悬浮态，把某一种金属分为7 种化学形态，即简单水合离子、简单无机络合 物、简单有机络合物、稳定无机络合物、稳定有机络合物、无机胶体吸附物和有机胶体 吸附物。l a w r e n c e 等研究形态模型时，把一般有机物看作是两性电介质，首先分为溶解 态、吸附态和生物结合态三种存在状态，然后对每一状态分为5 种不同的化学形态，即 非离子化的分子、单电荷的阳离子、双电荷的阳离子、单电荷的阴离子、双电荷的阴离 子等形态，分别模拟预测出不同状态下各种形态的污染浓度分布情况。1 9 8 5 年b u m s 、 o n n o l l y 等通过污染物对水生生态( 如鱼类) 和人体的毒性暴露分析，分别提出暴露分 析模拟系统模型和具有水质分析模拟程序的食物链模型，分析化学物质不同形态情况下 长期慢性毒害，化学物质在水生系统的浓度分布和滞留时间，食物中化学品对人体和生 物体的毒性暴露，以及被生物能控制的污染物在生物体内吸附、消化、吸收、代谢和排 泄过程。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着对水环境变化复杂性认识的深入，各相关学科相互渗 透。相互激励，水环境数学模型的研究进入到多介质环境综合生态系统模型。所谓多介 质环境是指大气、水体、土壤、生物等组成的庞大系统，其中水是核心。模型内部结构 为多种相互作用的非线性系统，空间维数已发展到三为，该模型认为污染物排放到自然 环境后，将通过各种途径在环境介质中传播、演变和分配，对环境的影响与他们在各种 环境单元中的浓度水平和停留时间密切相关。因此，非常重视对于跨越环境相边界( 如 大气、水、土壤等) 的迁移及它们在环境中的积累对环境潜在的影响的研究。多介质环 境综合生态模型可以将各种不同的环境单元内部的污染物变化过程与导致污染物跨过介 质边界的过程相联系，组成一个能描述多介质环境中污染物转化和介质问污染物迁移的 数学表达式。模型中的状态变量大大增加，有的己达几十个。多介质水环境综合生态模 型，实质上是从系统理论角度来研究污染物在环境中从宏观到微观的综合效应。自从 1 9 8 5 年c o h e n 提出该模型以来，这方面的工作已有很大进展，但主要集中在理论模型 的探讨方面，如各种界面过程的建构、参数估计方法及模型灵敏度分析等。 m a c k a y 等【3 ”7 1 将逸度概念引入多介质环境模型，提出了一种所谓逸度模型。该模 型用逸度代替浓度，使计算大大简化，容易掌握，可以避免许多在浓度计算模型中出现 的参数。它以热力学原理为基础，通过一定温度下唯一的逸度容量和与化学势相联系的 一7 一 大连湾海域氨氮、磷酸盐及藻类生长的数值模拟研究 逸度来计算每种化学物质的浓度，使许多参数可以通过热力学计算方法获得，从而省去 了许多参数的实验测定工作。 我国的海洋生态系统动态研究尚处在起步和发展阶段。对近海各生态系统的基本特 征( 水文、物理、地质、化学、生物、环境、生态等) 已经有了一个大体的了解，而动态 过程和变化规律的研究还不多。我国近年来在有机污染物水质模型理化参数测定和计 算、水环境有机污染非确定性分析和水动力学与水质变化耦合求解方面都有较大发展。 如叶守泽等邯】将确定性b o d d o 模型中的参数取为概率分布参数、灰色参数和模糊化 后，建立了河流水质不确定性数学模型，雒文生等 3 9 1 以确定。陛, - k v a 模型为基础，与随机 过程模拟方法结合，建立了确定与随机耦合的水质不确定性预测方法。他们还将湍流、 温度、生态相互耦合【帅】，建立了垂向二维水动力学生态综合生态模型，并在实际应用中 获得比较满意的效果。 1 2 水质模型的应用研究 水质模型是指对污染物在水环境中因物理、化学、生物作用而发生变化的规律及影 响因素之间相互关系的数学描述，是定量描述污染物在水体中迁移转化规律的数学方 程。水质模型的研究是环境影响评价、环境规划、环境管理和水污染综合防治的重要基 础和前提。2 0 世纪5 0 年代，在大量研究的基础上，开展定量研究对生物分布和群落组 成与环境的关系进行了较深入的研究。7 0 年代初，对浮游植物生产力的估计、分布和 影响因素都有了相当的了解。4 0 多年来，水质迁移转化模型从最初的用于简单水体自 净作用研究的斯特里特费尔普斯的简化氧平衡模型起，到7 0 年代初建立的用于水质 预测的包括氮循环的d o b o d 线性耦合系统模型，模型的组分增加到6 个。近年来， 由于对水体中各类物质问的相互影响，尤其是营养物对水生生态系统的影响日益受到重 视，建立了非线性交互作用系统的水质模型：模拟的成分除d o 、b o d 、氮循环系统 外，还包括磷循环和食物链，成分间关系复杂。如美国环保局1 9 7 6 年修正的q u a l 4 模型，用于河流水质预测和水质管理规划。由于复杂的物理、化学、生物过程的结果， 释放到环境中的污染物在大气、水、土壤、植被等环境介质中进行重新分配，为了综合 描述它们之间的相关关系，产生了多介质环境综合生态模型。考虑的变量多大几十个， 用于污染物危险性评价。近几十年来，对于与环境、资源等与人类生活密切相关的特定 生态系统的研究也得到了很大发展，如河口、近岸生态系统，合理利用近海生物生产力 的研究也得到了高度重视。 一8 一 大连理工大学1 尊士学位论文 1 2 1 营养盐循环过程模拟 营养盐是海洋浮游植物生长繁殖所必需的成分，也是海洋初级生产力和食物链的基 础。营养盐是指氮，如离子硝酸盐，亚硝酸盐或氨；磷，如磷酸盐与硅酸盐。营养盐含 量的大量增加即水体富营养化，会导致某些毒性浮游植物的大量繁殖或引起赤潮，其腐 殖质的微生物分解将消耗大量的溶解氧，水体缺氧导致水体生物如鱼类的死亡。 营养盐的大量输入，引发海水富营养化，富营养化的频繁发生一方面促使浮游植物 大量生长，引起水质恶化，破坏水环境，加重工业用水的设备费和运转费用，另一方面 直接改变浮游生物群落的结构与功能，间接影响高营养级生物种群结构。因此，海水中 的氮、磷等营养盐循环过程、收支研究是如何控制营养盐入海量，抑制富营养化和有机 污染加剧趋势，保持生态环境健康的最基本的基础研究。研究物理、生物过程及其变化 对于营养盐的更新、循环和收支的影响，对于解决资源问题、缓解环境压力具有重要意 义。所以，有很多作者对营养盐的动力学过程【4 n ，分布变化规律嗣及其源和汇陋晰 了研究。 k a r a f i a a na 等人【4 2 】通过分析观测数据指出营养盐的分布与变化规律，在地中海的西 部区域和阿尔及利亚海岸，磷酸盐浓度在垂直方向上存在明显的梯度，从表层的零值到 约5 0 0 m 深度0 4 u a t g 1 ，在往下到底部变化非常小。在两个区域，整个夏季和秋季保持贫 营养特性，浓度小于0 1 u a t g 1 。1 月n 3 月冬季，相对高的磷酸盐浓度出现在西北部，可 能是陆源输入的结果。浮游植物大量繁殖出现在2 月，影响从东部地中海表层水体去除 磷酸盐，直到冬季末。从深水输入的磷酸盐大大高于河流输入，生物学提取的小的变化 与河流输入相比将更强烈的改变磷酸盐预算。在开放海中，硝酸盐耗尽比磷酸盐耗尽出 现的更为频繁【4 3 1 。 赵亮等 4 4 1 分析不同过程对营养盐收支的贡献，指出浮游植物吸收和通过呼吸作用释 放是营养盐最大的源与汇，水体矿化是另一个重要的源。河流的输入对于营养盐的长期 变化，尤其是无机氮的变化有着重要的作用。地中海的营养盐浓度受至l j g i b r a l t a r 与 s i c i l y 海峡的交换，大气的输入与河流的流入的影响1 4 0 。相对氮的循环，磷的全球循环 非常慢，没有从海水到大气的损失，若要保持稳定的状态，则河流的磷输入需要与磷的 沉积物埋入量保持平衡。三维的物理一化学综合模型m k _ 3 1 4 5 1 估计氮和磷的通量来调查海 草层对于营养盐循环的作用。盒模型显示硝酸盐通过物理过程如河流流出与水平对流从 外部区域补充，且通过内部的生物作用消耗。另外，磷从系统内部补充向外流出。没有 鳗草( s e a g r a s s ) h , j ，硝酸盐与磷酸盐通过内部的生物与化学过程减少。有鳗草时，硝 酸盐减少，磷酸盐通过内部产生。 9 大连湾海域氨氮、磷酸盐及藻类生长的数值模 h 研究 营养盐一年的负荷预算显示，营养盐的沉积物补充是非常重要的，特别是在高温和 低溶解氧的时期，沉积物流出的氮和磷为一年负荷的7 8 ，5 0 【4 2 l 。从海底再悬浮的物 质所携带的营养盐主要影响一年的生产量 4 6 1 。海底与微生物的过程把有机氮转化为无机 氮，向水体释放，表现为主要的源。微生物的有机氮向氨的矿化与海底的氨的释放表现 高的流出速率。浮游植物的消耗是无机氮的主要损失源，对流与扩散迁移是次要的损失 源 4 ”。海底再生的氨的比例根据沉积物的物理化学特性而改变，在表层的氧环境下可 能被氧化为硝酸盐。e r s e m ( 欧洲区域海洋生态系统模型) 尝试再现实际的欧洲大陆架海 洋的碳与营养盐的循环【4 8 】，其海底子模型包括生物扰动，生物扰动对于海底与水体之间 进行营养盐交换起着重要的作用。 1 2 2 初级生产力变化过程模拟 海洋生物及其食物链中最重要的步骤是光合作用和呼吸作用。海洋生产力是海洋中 生物通过同化作用生产有机物的能力。海洋初级生产力是浮游植物、底栖植物( 包括定 生海藻、红树，海藻等) 及自养菌等，通过光合作用，将无机营养盐和无机碳转化成有 机物的能力。如果浮游植物、原生动物或细菌异常的急剧增值会使海水被生物污染、变 色如赤潮。有很多文献报道浮游植物年循环动力学状况 4 9 1 ，浮游植物的分布与季节变 化，不同的过程的影响。 m o up o 】发展了三维生态模型- e c o h a m ，对整个北海浮游植物的年循环进行模拟， 证实了近岸海区水平对流的输运作用较大的推论。魏皓等【5 l l 认为湍流混合的不均匀性是 造成浮游植物高生产力区呈斑块分布的原因之一。l e n h a r t 等【5 2 】考虑了河流、大气等的 界面输入，研究了不同营养盐循环过程，他们以实际北海周边河流载荷和大气沉降模式 结果驱动e r s e m i i ，发现在近岸区河流输入的营养盐对初级生产有很大影响，远岸区 大气输入为主要来源。s k o g e n 掣5 3 l 建立了三维生态模型n o r w e c o m 。他研究了北海 营养盐的输运和初级生产力的年变化，较好的再现了初级生产力的分布和季节变化。研 究表明，有些区域总生产力的4 0 来源于水体营养盐的再生，在风较大的情况下，浅水 区域由于碎屑的再悬浮可以引起初级生产的突然增大。 k r o m 等【硐提出磷酸盐是限制性营养盐，限制浮游植物的生长。认为磷通过吸附到离 子丰富的颗粒物上进行迁移。表层营养盐的平均停留时间非常短，表层水体营养盐的迅 速周转有助于水体再生生产。t a m p ab a y l 5 5 1 提出对于海藻生长磷丰富、氮有限。潮汐平 均模型( 用扩散系数描述潮汐平均的影响) 预测的生长速率显示，光和无机氮的有效性 列浮游植物的生长是限制因子。z a r b o c k 等瞄6 】报道外部的氮负荷补充2 5 11 的总氮需 求，支持初级生产。其余的通过微生物与海底的无机氮再生补充。 1 0 一 1 2 3 水体富营养化预测及预防 春季藻华已经成功的用模型进行了证明【5 7 i5 ”。r a d a c h l 5 7 1 研究了浮游植物和营养盐 垂直结构的春季变化，考虑了物理过程( 湍流扩散、光透射、沉降) 与生物过程( 初级 生产、呼吸、死亡、营养盐吸收) 的相互作用，再现了水华的结构与量值，水华时间、 峰值等与观测值一致。s j o e b e r g 等 印】的模型以浮游植物生物量、碎屑和一种营养盐为变 量，正确模拟了最大水华发生的时间，但模拟的初级生产比实测高两倍，水华消衰很 慢，没有再现营养盐耗尽与最大生产力之间的相位差。他认为营养盐的再生与向上输运 限制了水华后的初级生产，而不是光的限制。r a d a c h 等【6 l 】在其最初模型中加入底碎屑 变量，考虑营养盐从碎屑的再生。在最低初始浓度下，浮游植物出现了较强的春季水华 和小的夏季水华；当初始浓度加倍时，浮游植物生物量春季峰值并未成倍增加，夏季峰 值却增加3 - 8 倍，后者几乎与春季水华相当；水华后极低营养盐浓度出现的时间从5 1 0 月缩短为7 - 9 月，最后缩短至8 月一个月。他们认为，夏季水华加强是由于冬季荷载增 加，导致夏季向上湍流混合输运营养盐增加。r a d a c h 等圈讨论了温暖湿润的1 9 6 3 年和 寒冷多风的1 9 6 7 年的情形，发现不同的混合状况会引起不同的浮游植物年循环。较弱 的混合( 1 9 6 3 ) ，引起较早的、生物量较大的春季水华；而混合较强( 1 9 6 7 ) ，则春季 水华推迟至4 月，并造成夏季水华提前和延长。c e r c o 等 6 3 6 4 成功模拟了美国 c h e s a p e a k e 湾3 0 年( 1 9 5 9 1 9 8 8 ) 春季水华后营养盐的下降及夏季底层有机物分解造成 的底层缺氧，再现了3 0 年来营养盐的增加生物量的增加。他们发现，中间1 0 年缺氧体 积的增加主要是由于气候条件的变化( 润湿) 和降水量偏大所致。河流径流加强使得层 化加强，这一方面阻止了表层溶解氧向底层的输运，另一方面，混合减弱使得春季水华 更强，夏季分解消耗更多的氧，富营养化程度加重。 生态系统模型预测藻华的时间与范围，不仅仅是常规的春季与秋季藻华，也包括 由于过量的营养盐引起的毒性藻华与赤潮。水体富营养化是赤潮发生的基本原因，海区 的水