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胶州湾海域非保守物质水质模型研究 摘要 我国近岸海域赤潮频发，氮、磷列入海洋主要污染控制指标，反映了海洋 污染的现状。发展非保守物质水质预测技术是一项基础工作。 基于美国普林斯顿大学建立的e c o m 模型，结合近年来胶州湾海域岸形 变化对潮流场进行模拟，为水质模型提供流场i 分析了近岸海域影响氮、磷含 量及时空分布的主要物理、生物化学过程，建立了胶州湾海域非保守物质( 氮、 磷) 的水质模型。模型将氮、磷及与其相关的浮游植物、浮游动物作为状态变 量，以海水温度和光强作为外强迫，模拟了胶州湾海域夏季各状态变量的时空 分布。最后，讨论了陆地径流输入、生物过程对氮、磷浓度时空分布的影响， 同时对胶州湾海域夏季浮游植物、浮游动物的时空分布进行初步探讨。 与实测资料对比表明，模式能够较好的模拟出胶州湾夏季氮、磷浓度及浮 游植物、浮游动物时空变化特征。计算结果表明，在湾北部、东部，无机氮、 磷酸盐的含量较高，整个夏季均维持一个相对较高的水平。在湾北部浮游植物、 浮游动物的生物量含量较高。浮游植物、浮游动物会在8 月份中旬出现一个峰 值。 胶州湾口狭窄，北部海域水交换滞缓，同时入海河流较多，认为这是造成 北部海域氮、磷营养盐的含量较高的主要原因。浮游植物、浮游动物的分布， 一定程度上也影响了氮、磷的分布，在湾西北部磷酸赫含量较低，认为是出于 此海域浮游植物过多的摄取而造成的。 对模型参数敏感性分析表明，营养赫对各参数敏感度均较低。浮游植物对 较多参数均敏感。相对而吉，温度影响函数中的常数( ql o ) 、浮游植物最大生长 率、浮游动物对浮游植物的最大捕食率、以及浮游动物对浮游植物捕食过程函 数中的常数，都是较敏感的参数。 本文以非保守物质为研究对象，发展非保守物质( 氮、磷) 的水质预测技术， 为氮、磷的环境容量研究提供手段和方法，为总量控制方案的编制提供依据。 关键词：非保守物质；氮、磷：水质预测；胶州湾 r e s e a r c ho nw a t e r q u a l i t yp r e d i c t i o nm o d e l o fn o n c o n s e r v a t i v e m a t t e ri nj i a o z h o ub a y a b s t r a c t r e dt i d a l f r e q u e n t l yo c c u r si nn e f i t i cs e aa r e a s ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa r el i s t e di n m a j o rp o l l u t i o nc o n t r o lg u i d e p o s t s t h a ta l l r e f l e c t st h es t a t u so fm a r i n ep o l l u t i o n i t s f u n d a m e n t a lt od e v e l o pw a t e rq u a l i t yp r e d i c t i o nt e c h n o l o g yo f n o n c o n s e r v a t i v em a t t e r b a s e do ne c o mm o d e lc r e a t e d b y p r i n c e t o n u n i v e r s i t y , t h e c u r r e n tf i e l dw a s s i m u l a t e dc o n s i d e r i n gt h ev a r i a t i o no fj i a o z h o ub a yb a n kf o r mi nr e c e n ty e a r s t h e nt h e w a t e r q u a l i t yp r e d i c t i o nm o d e l o fn o n c o n s e r v a t i v em a t t e rw a sc r e a t e di nj i a o z h o ub a yo n t h eb a s eo fa n a l y s i n gp r i m a r yp h y s i c a la n db i o c h e m i c a lp r o c e s sr e l a t i n gt on i t r o g e na n d p h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n f o r c e db yo b s e r v e dw a t e rt e m p e r a t u r ea n dl i g h t i n t e n s i t yt h ep a p e rs i m u l a t e st h et e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o no fe v e r ys t a t ev a r i a b l e a t l a s tt h ei n f l u e n c eo fr i v e ri n f l o wi sd i s c u s s e d a tt h es a m et i m et h e r ei sar o u g hd i s c u s s i o n a b o u td i s t r i b u t i o no f p h y t o p l a n k t o na n dz o o p l a n k t o ni nt h ep a p e r t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nc a l c u l a t i o nr e s u l ta n do b s e r v a t i o nd a t ai n d i c a t et h a tt h e m o d e ls i m u l a t e sw e l lt h et e m p o r a la n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o no fe v e r ys t a t ev a r i a b l e t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a tn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sk e e pah i g h e rc o n c e n t r a t i o ni nt h e n o r t ha n de a s tp a r tj i a o z h o ub a yd u r i n gt h ew h o l es u m m e r ；t h a tt h ec o n c e n t r a t i o no f p h y t o p l a n k t o na n dz o o p l a n k t o ni sh i g h e ri nn o r t hj i a o z h o ub a y t h e r ei s a p e a kv a l u eo f p h y t o p l a n k t o na n dz o o p l a n k t o ni nt h em i d d l eo f a u g u s t ， t h ep a p e rt h i n k sm o r er i v e ri n f l o wa n dt h es l o ww a t e re x c h a n g ea r ec h i e fr e a s o n s w h yn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sm a i n t a i nah i g h e rc o n c e n t r a t i o ni nn o r t hj i a o z h o ub a y t h e d i s t r i b u t i o no fp h y t o p l a n k t o na n d z o o p l a n k t o n a l s oi n f l u e n t st h a to f n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s s e n s i t i v i t yt e s t si n d i c a t et h a tn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s a r en o ts e n s i t i v et op a r a m e t e r s ， o nt h ec o n t r a r yp h y t o p l a n k t o ni ss e n s i t i v et ot h em o s t r e l a t i v e l yc o n s t a n to ft e m p e r a t u r e f u n c t i o n ，m a x i m u m n u t r i e n t u p t a k er a t e ，m a x i m u mg r a z i n g r a t e z o o p l a n k t o n o n p h y t o p l a n k t o na n dl v l e vc o n s t a n tf o rg r a z i n g a r ci m p o r t a n tf a c t o r s t h ed e v e l o p m e n to fn o n c o n s e r v a t i v em a t t e rp r e d i c t i o nt e c h n o l o g yp r e s e n t sm e t h o d f o rt h es t u d yo fe n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s a tt h es a m et i m ei t p r e s e n t st h el a w f o rp o l l u t i o ng r o s sc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：n o n c o n s e r v a t i v em a t t e r ；n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s ；w a t e rq u a l i t y p r e d i c t i o n ；j i a o z h o ub a y 胶州湾非保守物质水质模型研究 u 刖吾 海洋是2 l 世纪人类社会可持续发展的宝贵财富，是人类可持续发展所需 要的能源、矿物、食物、淡水和重要金属的战略资源基地。我国主权管辖的海 域面积达3 0 0 万平方千米，接近陆地领土面积的三分之一，其中与陆地领土具 有同等法律地位的领海面积为3 8 万平方千米。我国的海岸线南北长达 l8 0 0 0 k m ，总长度位居世界第四。濒海地区是我国工业化和城市化发展最快的 经济带，占全国国土面积1 3 4 的海岸带，承载着全国4 0 3 的人口和6 0 的 g d p ，海洋经济已成为我国经济新的增长点。实施海洋开发对我国经济与社会 发展具有重大的战略意义。 近年来，随着沿海地区人口的日益增长和工业以及海水养殖业的迅速发 展，中国沿海的生态环境已受到不同程度的破坏。渔业产量减少，生物多样性 降低。国家环境保护总局公柿的2 0 0 3 年中国近岸海域环境质量公报中指出， 我国近岸海域污染依然严重，海水中的主要污染物依然是无机氮、磷酸盐和铅。 评估和预测某一海域的水质首先要在定量意义上了解该海域水体的各项 水质指标如无机氮、活性磷酸盐等的时空分布、在海水中的输送通量以及各生 物、化学元素内部转化的规律。建立长期综合要素监测站或监测网是了解这些 过程最为直接和有效的手段，但是由于这些过程涉及复杂的物理、生物、化学 非线性相互作用，仅靠有限的几个测站资料并不能满足从客观定量的角度上了 解和掌握三维海水运动、湍流混合等物理过程与水质有关的生物和化学过程之 间的非线性耦合规律，所以，发展水质模型对研究和评估某个海域内的水质状 态显得尤其重要。 胶州湾1 r 保守物赝水庙模型究 l 概述 1 1 研究目的和意义 氮、磷是海洋生态系统中基础营养元素，其浓度直接影响海洋植物的丰度 和种类组成，从而影响到海域浮游植物群落结构和功能。而大量的氮、磷排入 海中，又会引发海水富营养化，一个直接的结果是可能引发赤潮。 国家海洋局2 0 0 4 年1 月公布，2 0 0 3 年我国海域共发现赤潮1 1 9 次，累计 面积约1 4 ，5 5 0 平方千米直接经济损失4 ，2 8 l 万元。据环保部门有关专家介绍， 近年来，青岛近海发生的赤潮与过去相比有所增多，对海洋渔业生产造成的损 失也在增加，赤潮的发生反映了局部海域富营养化的加剧。 1 9 9 8 年1 2 月，国家环保局召开的“海洋环保工作会议”上，提出渤海主 要污染控制指标为：氮、磷、c o d 和石油类4 种。说明海洋中污染物危害程 度的排序和国际上类似，也有很大的变化，由重金属、油类为重点转为以营养 盐、有机物等为重点。非保守物质氮、磷列入海洋主要污染控制指标，反映了 海洋污染的现状。国家提出氮、磷作为主要污染控制指标后如何控制氮、磷 入海量，保护和改善水环境质量，抑制富营养化和有机污染加剧趋势，是国家 对海洋环保的重大需求。 发展非保守物质( 氮、磷) 的水质预测技术，为氮、磷的环境容量研究提供 手段和方法，为总量控制方案的编制提供依据，是一项基础性的工作。 1 2 水质模型、海洋生态系统动力学模型研究现状 水环境数学模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关 系的数学描述，既是水环境科学研究的内容之一，又是水环境研究的重要工具。 水环境数学模型的研究涉及到水环境科学的许多基本理论问题和水污染 控制的许多实际问题。它的产生和发展在很大的程度上取决于污染物在水环境 中迁移、转化和归宿研究的不断深入以及数学手段在水环境研究中应用程度的 不断提高( 叶常明，1 9 9 3 ) 。 1 2 1 水质模型研究进展 水质模型主要应用于对污染程度的评估和预测，是水环境污染治理规划、 一2 一 腔州湾非保守物质水质模型研究 决策分析中的重要工具。 水质模型研究j - r 始于2 0 世纪初，经历了三个发展阶段，即简单的氧平衡 模型阶段，形态模型阶段和多介质环境综合生态模型阶段( 叶常明，1 9 9 3 ；郭劲 松等，2 0 0 2 ) 。 在氧平衡模型中，假定河流的自净过程中存在两个相反的过程，即有机污 染物在水体中发生生物氧化反应，消耗水中溶解氧，其速率与水中有机污染物 的浓度成正比；同时大气中的氧不断地进入水体，其速率与水中的氧亏值成正 比。在这两个相反过程的作用下，水中溶解氧达到平衡。 随着污染物水环境行为和水质标准制定工作研究的不断深入以及形态分 析的发展，人们丌始了形态模型的探索研究，模型的任务就是要给出污染在各 种状态下的分布情况。对于形态模型的困难在于模型设计时所考虑化学反应限 额真实性和污染物形态识别的准确性以及输入参数的可靠性。 多介质环境是指大气、水体、土壤、生物等组成的总环境体系。多介质环 境数学模型可以将各种不同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 物质迁移的数学表达式。由于目前对各种介质之间迁移过程的认识还很缺乏 现有的多介质环境模型在处理实际问题时不得不对污染物在介质问的迁移作 种种近似的假设，许多参数的随机性给模型的预测结果带来不确定性，所以这 类模型还只能给出一种趋势预测，而不是状态的精确预报。 水质模型以其可预测性的优点，在水环境科学研究和水环境保护等多领域 得到了广泛的应用。目前，在水质模型开发应用方面，美国和德国等欧美国家 占据领先地位。某些研究机构将水质模型研究成果收集起来，进行开发再研究， 编制成标准的计算机程序应用软件，向国内外推广。针对不同水质现象和水质 过程，欧荚等国的研究中心着重不同的状态变量、不同的控制过程开发了不同 复杂程度的软件。目前较为流行通用的软件有： q u a l i i 是美国国家环保局开发的一个一维稳态模型用来模拟分支河网 的富营养化过程。m i k e 2 l 模型在全球得到广泛应用，用来模拟在水质预测中 垂向变化常被忽略的湖泊、河口和海岸地区( 徐祖信等，2 0 0 3 ；何孟常等，1 9 9 9 ) 。 目前在海洋和河口管理中最为广泛应用的水质模型是w a s p ( w a t e rq u a l i t y a n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a m ) 。该模型最初是山美国从事环境峪测和评估的科学 一 一 胶州湾m 保守物质水质模型研究 家发展起来的( d it o r o 等，1 9 8 3 ：c o n n o l l y 和w i n d f i e l d ，1 9 8 4 ) 。近年来，许 多学者对这一模型进行了改进。已发展到今天的w a s p 6 。模型已经被用来进 行了t a m p ab a y 富营养化的模拟，l a k eo k e e c h o b e e 三氯化磷负荷的计算以及 n e u s e 河口的富营养化模拟( 美国环保局网站) 。在国内w a s p 也得到广泛应用。 夏军、窦明等将此模型进行改进，模拟了汉江武汉段水华过程。 这些水质模型通用软件在空间上分为一维、二维和三维，根据所研究的不 同的水质现象包含不同状态变量，且具有较强的通用性和良好的用户界面。 1 2 2 海洋生态系统动力学模型研究进展 海洋生念系统动力学着重于研究环境对海洋生物量时空分布、再生产、循 环机理和生物多样性之间的耦合关系( 陈长胜，2 0 0 3 ) 。而海洋生态模型是一种 将各营养层生物的分布与变化、有机物的产生与食物条件、摄食和环境条件变 化相关联的方法，是将物理过程、生物过程定量的相关途径( 魏皓等，2 0 0 1 ) 。 海洋生态系统动力学数值模拟的研究始于2 0 世纪4 0 年代。r i l e y 于1 9 4 9 年耦合了浮游动物和浮游植物生物量和上混合层动力学方程描述了北海的浮 游生物季节变化，建立了第一代生态动力学模型。7 0 8 0 年代生态动力学模型 有了飞速的发展并得到广泛的应用，对生态系统能流、物流及其结构的描述r 趋深入。其显著特点是：( 1 ) 能综合考虑各种生态因子的影响：( 2 ) 能够定量化 描述生态过程，阐明生态机制和规律；( 3 ) 能够动态模拟和预测自然发展状况( 王 辉，1 9 9 8 ) 。进入9 0 年代后，海洋生态系统动力学已成为国际上海洋科学研究 的重点。此阶段模型较以往模型具有的特点是：( 1 ) 模式中状态变量从以前的 2 - 4 个增加到3 7 个，浮游动物已成为绝大多数模式的状态变量；( 2 ) 对垂直方 向上湍流的交换作用的描述，多数的模式采用了湍流闭合的方案；( 3 ) 模式仍以 一维为主，三维的物理一生物模式祸合也得到了发展和应用( 高会旺等，2 0 0 0 ) 。 拥有相当数量的资料和对系统比较深入的了解是进行模型研究的基础。 研究者根据研究问题的需要以及受现有资料客观条件所限，常选取不同的物理 及生物状态变量，针对不同物理生物过程进行模拟，确定模型在空间的分辨精 度，从而建立海洋生态系统模型。根据所研究变量在生态系统的空间分辨，海 洋生态系统动力学模型可分为： ( 1 ) 零维模型将很大一个水体视为均匀的箱，以个仅为时间的函数来代 4 一 胶州湾非保守物质水质模型研究 表箱体内状态变量的变化，形成的生态动力学模型即为箱式模型。这类模型大 都强调生物过程细节。欧洲5 国1 1 个研究所共同研制的欧洲局域海生态模型 将箱式模型推向一个高度。它将整个北海分为l5 个箱，深水域以跃层为界分 成上、下两个箱，包含5 项营养盐、2 项浮游植物，以及浮游动物、底栖生物、 鱼类等共5 1 个状态变量，以实测气象资料驱动三维斜压水动力模型得到界面 通量，可以对包括鱼类在内的北海生态系统变化进行模拟( b e u k e m a ，j e t a i ，1 9 9 5 ) 。 ( 2 ) 一维模型一般为垂直一维模型。垂直一维模型注重局地过程，不考虑 水平输运引起的生态系统变化，但可以分辨垂直结构与变化。 ( 3 ) 二维模型通常指在水平二维空间内所建立的模型也可包括像河1 5 1 宽 度平均的模型。海洋生态系统通常有显著的水平变化特征，如浮游植物的斑块 分布。 ( 4 ) 三维模型三维模型是生态系统建模的高级阶段，可以模拟生态系统在 三维空间的分布特征。作为美国全球生态动力学乔治浅滩模型和机制研究的 部分，f r a n k 和c h e r t 于1 9 9 2 年提出了将简单n p z 三维模型与较为完善的湍流 闭合物理模型耦合，探讨了实际物理环境场对生物场时空分布的控制过程。他 们以过程研究为主，对乔治浅滩生物与物理耦合过程的二维和三维结构进行了 探讨。 我国在海洋生态学研究上开展了很多工作，如1 9 5 8 年的全国海洋普查、 “渤海水域渔业资源、生态环境及其增值生态基础调查研究”( 1 9 8 1 1 9 8 5 ) 、“三 峡工程对长江口生态系统的影响”( 1 9 8 5 1 9 8 7 ) 、“黄海大海洋生念系统调查” ( 1 9 8 5 1 9 8 9 ) 、“闽南一台湾浅滩渔场上升流区生念系研究”( 1 9 8 7 1 9 9 0 ) 、“渤 海增养殖生态基础调查研究”( 1 9 9 1 1 9 9 5 ) 等，这些调查研究积累了大量宝贵的 物理、生物、化学和地质资料。但是就我们对整个物理、生物、化学相互作用 机理的了解而论，我国近海岸的海洋生态系统动力学的研究仍处于初始阶段。 随着g l o b e c 研究计划的提出、资源缺乏、人1 2 1 压力增大和对海洋生态系统 了解的迫切需要，都极大的推动了我国海洋生态学研究的进一步发展，1 9 9 9 年国家自然科学基金启动的重大项目“渤海生态系统动力学与生物资源持续利 用”、1 9 9 9 年启动的国家重点基础研究发展规划项目“东、黄海生念系统动力 学与牛物资源可持续利用”及国家重点基础研究发展规划项目“中国近海环流 一e 一 腔州湾1 h 鬟守物质水质模型研究 形成和变异机理、数值预测方法及对环境影响的研究”中有关课题等都涉及到 了这方面的工作。我国海洋生态系统动力学模型研究已有很多工作基础，很多 学者进行了有益的探索。商会旺略去物理因素作用，采用零维n p z d 生物模 型对渤海初级生产力年循环进行了分析与模拟，并对影响渤海初级生产力的几 个理化因子进行了探讨：乔方利、袁业立等建立了长江口海域赤潮生态动力学 模型并对赤潮控制因子进行研究；赵亮、魏皓r 2 0 0 2 ) 等为了解氮、磷营养盐的 循环规律，建立了一个生物、物理耦合的三维生态模型，模拟了渤海氮、磷营 养盐的循环，估算了它们的收支情况。 海洋生态系统动力学模型传统的研究方法强调生物自身的循环系统，在某 种程度上忽视了环境场四维时空结构的演变与生物场的联系。从“点”的概念 发展到“场”的概念是海洋生态动力学的一场革命。以较完整的物理过程为基 础，从简单的生物过程r 丌始，研究物理与生物场的耦合关系己成为当今海洋生 态系统动力学研究的潮流( 陈长胜，2 0 0 3 ) 。 1 3 胶州湾生态模型研究现状 目前已有许多学者对胶州湾海域的生态系统动力学进行了一些有益的研 究探索。俞光耀、吴增茂( 1 9 9 9 ) 等建立了个包括浮游植物、浮游动物、无机 氮和磷、溶解态与悬浮有机物及溶解氧七状态变量的浅海水体动力学箱式模 型，并且考虑了海面太阳辐照度变化、海水与底泥温度变化以及营养盐海底溶 出和陆源流入的影响。初步分析了在胶州湾北部浮游生态系统演变的几个特征 时期动力学方程中的物流动态特征。在此基础上，吴增茂、翟雪梅等( 2 0 0 1 ) 进 一步建立了胶州湾北部水层一底栖耦合的生态系统的动力学箱式模型，模拟了 胶州湾北部各生态变量的季节变化特征。其中底栖部分包括大型、小型底栖生 物、细菌、碎屑及无机氮和磷6 变量。万振文等将地球流体力学的湍流二阶闭 合理论引入海洋生态动力学模型中，将湍流扩散参数化，建立了胶州湾海域的 海洋浮游生态系统连续介质动力学模型。任玲( 1 9 9 9 ) 建立了一个以氮循环为基 础的胶州湾浮游生态系单箱模型，模型包括氨氮、硝酸氮、浮游植物氮、浮游 动物氮、d o n 和碎屑六个状态变量，在软件包m o d e l m a k e r 3 中运行。葛明、 王修林等( 2 0 0 3 ) 结合近年来胶州湾营养盐生物地球化学循环的部分研究成果， 根据海洋营养盐循环生态动力学的基本原理建立了胶州湾营养盐循环收支动 6 一 胶州湾非保守物质水质模型研究 力学零维模型。这些研究为胶州湾海域生态系统动力学进一步研究奠定了基 础。 1 4 本文工作 随着计算机的发展以及海洋物理、海洋生物和海洋化学各学科研究的深 入，水质模型、海洋生态系统动力学模型得到长足的发展，但也存在一些问题： 开发的水质模型软件多适用于河流、水库、湖泊，而较少适用于海湾和近岸海 域：空间上常采用一维、二维三维的较少：常将非保守物质作保守物质处理。 而海洋生态系统动力学模型作为全球前沿研究，往往更注重环境、水质对海洋 生物或生态系统的影响。 本文分析了近岸海域影响氮、磷含量、时空分布的主要物理、生物化学过 程，建立了胶州湾海域非保守物质( 氮、磷) 的水质预测模型。模型将氮、磷及 与其相关的浮游植物、浮游动物作为状态变量，以实测的海水温度和依据实测 资料拟合的光强函数作为外强迫模拟了胶州湾海域夏季各状态变量浓度的时 空分布，讨论了陆地径流输入、生物过程对氮、磷含量时空分布的影响，并且 对浮游植物、浮游动物的时空分布进行了初步探讨。 本研究具有以下特点： 1 分析了近岸海域中影响氮、磷含量的主要控制过程，建立非保守物质( 氮、 磷) 物理一生物过程耦合模型。 2 以三维水动力场驱动水质预测模型，研究了胶州湾夏季氮、磷营养盐、 浮游植物和浮游动物含量的时空分布。 3 ，在海洋生态系统中更注重生物化学过程对水质的影响。 作为一个初步的模型研究结果，本文的工作可为胶卅i 湾氮、磷非保守物质 水质预测提供一个参考，为该海域氮、磷营养赫环境容量研究打下基础。 脞州湾1 | 保守物质水质模型 l j f 究 2 海洋生态系统氮、磷的循环及其控制过程 2 1 海洋生态系统中氮、磷的循环 海水中由n 、p 、s i 等元素组成的某些盐类，是海洋植物生长必需的营养 赫，通常称为“植物营养赫”( f i o r a l n u t r i e n t s ) 、“微量营养盐”( m i c r o n u t r i e n t s ) 或“生源要素”。在此主要讨论氮、磷在海洋生态系统中的循环过程。 氮、磷等营养盐经过自养浮游植物的光合作用、浮游植物与动物间的食物 链以及细菌的分解作用，一再的循环利用。 海洋中，氮以溶解氮( n 2 ) 、无机氮化合物、有机氮化合物等多种形式存在。 在海洋生态系统中，氮元素的循环过程可简要概括如图2 1 1 。 图2 1 1 海洋生态系统的氮循环( 引自v a l i e | a1 9 8 4 ) 海洋生态系统氮循环中存在两个界面：海气交换界面、水体与沉积物界面。 大气对水体中营养盐的主要补充过程为大气沉降、某些浮游植物的固氮作 用。陆源径流输入将一定的营养盐带入海域，且为某些近岸水域补充氮的主要 来源。在水体沉积物界面，有机碎屑分解产生无机氮释放扩散到水体中，有许 一8 一 胶州湾非保守物质水质模型研究 多研究表明底栖营养盐的释放是水体中不可忽略的源。在某些沿岸海区，有机 物质的再矿化作用有2 5 5 0 是在沉积物中完成的。 在水体中，自养性生物吸收无机氦等营养元素进行生产。将无机氮转化成 有机氮，其又被高营养级的消费者所利用，从而通过食物链进行传递。在传递 过程中，海洋生物通过胞外溶出、生物新陈代谢排泄和死亡，一部分将直接以 无机氮的形式排入水体，一部分以溶解有机氮、颗粒氮的形式释放到水体中。 颗粒氮在沉降过程中一部分被分解直接进入氮循环，另一部分沉降到水底，成 为有机碎屑的一个源。 海水中的磷包括颗粒磷( p o p ) ( 活有机体内的磷和有机碎屑的磷) 、溶解有机 磷( d o p ) 和溶解无机磷( 正磷酸盐) 。 海水中的无机磷酸盐主要是被植物吸收。浮游植物细胞内的磷通过食物链 传递给高营养层次的生物。海洋生物通过自身的代谢活动，一部分直接以无机 磷形式排出另一部分以溶解有机磷和颗粒有机磷排出。颗粒有机磷一部分直 接沉降到水底，而有一部分在沉降的过程中就被分解进入新的循环中。图2 1 2 是海洋中磷循环的示意图。 图2 1 2 海洋生态系统的磷循环( 引自v a l i e l a1 9 8 4 ) 胶州湾竹保守物质水质模型1 j 究 2 2 海洋生态系统中影响氮、磷分布的主要过程 氮、磷在海洋生态系统中的循环由物理、生物和化学等多种过程参与。海 洋中氮、磷的含量和时空分枷亦由多种过程所控制，其主要控制过程示意图简 化如下。 图2 2 1 氮、磷主要控制过程示意图 近岸海域中氮、磷主要控制过程包括： 1 陆地径流和大气沉降 陆地径流把一定数量的植物性营养盐带入海洋，成为某些近岸海域补充营 养盐的主要来源。亚马逊河的水量占全球河流淡水输送的1 5 ，其携带的陆源 物质可追踪到距河口大约8 0 0 1 2 0 0 k m 的大西洋深处。就我国的长江而言，其 年淡水输送量可达9 5 8 2 1 0 9 m 3 a ，长江口的冲淡水在丰水期可影响到数百千 一l o 胶州湾非保守物质水质模型研究 米外的济州岛附近( 唐启升等，2 0 0 0 ) 。汇入黄海的河流近3 0 条，河流输送携带 大量的营养盐入海，其中河流输送硅酸盐占总溶解硅来源的9 7 ( c h u n g 等 1 9 9 8 ) 。就胶州湾而言，主要入海河流有7 条，且为季节性河流，湾内水质随 入海河流径流大小而不同。 海气物质交换是国际地圈、生物圈计划( i g b p ) 中l o i c z ( 海岸带陆海相互 作用研究) 和j g o f s ( 全球海洋通量联合研究计划) 核心计划的主要内容之一，大 气污染物入海是其重要方面。大气沉降作为近岸海域污染物的一个来源，是2 0 世纪9 0 年代以来才逐渐得到重视的。z h a n g ( 1 9 9 4 ) 给出了1 9 8 8 1 9 9 3 年中国海 域营养物质的月平均沉降与有害水华事件发生频率之间的关系，有害水华事件 发生频率随d i n 月平均沉降量的增加而增加。国际上几个重要的近岸海域环境 研究计划中，都包含了大气沉降这一研究内容。美国c h e s a p e a k eb a y 的研究报 告中给出，通过直接和间接方式入海的大气污染物的量占该海区氮总输入量的 2 0 3 0 。汉堡大学j s u n d e r m a n n 教授主编的北海的环流和物质通量一书 中指出：1 9 9 0 年通过大气沉降进入北海的氮的量约为5 2 0 0 0 0 t ，为河流输入量 的5 8 。欧洲波罗的海海洋环境保护委员会的一i 页研究计划e g a p ，分析了 1 9 8 6 1 9 9 0 年统计资料并得到了大气氮沉降占有该海区氮输入的重要份额 ( 2 0 4 0 ) 。而对该海区波的尼亚湾的研究显示大气沉降氮的输入量占海区氮总 输入量的5 4 ( 磷占2 8 ) 。 2 海水的对流输送和湍流混合 对流输运包括平流输运和垂直对流输运。平流输运是物质随水体水平运动 的主要物理过程。尽管垂直流速远小于水平流速，但垂直对流项与平流项是同 量阶的，对于三维问题，不可任意忽略。 海水的运动具有湍流的特性，在海洋中，湍流的形成和耗散过程一般有顺 序的四个阶段：切变不稳定；大尺度涡旋：小尺度涡旋；分子粘性耗散。切变 不稳定是湍流出现的物理机制。 在海洋中，温度、盐度和密度存在垂向分层结构，稳定垂直层结的存在起 着抑制湍流发生的作用，阻碍营养盐在垂直方向上的交换。湍流是造成海水混 合的主要动力，水平流场的垂直切变既垂向湍流，在营养盐的垂直输运中起着 重要作刖。方面湍流混合导致了沉积物的悬浮，降低海水透明度，抑制浮游 胶州湾i i - 保守物质水质摸型研究 植物光合作用，减少营养盐的摄取：另一方面，混合直接增强了由底栖输入水 体的营养盐通量。为上层浮游植物提供营养盐。 3 自养浮游植物的光合作用 自养浮游植物是海洋生态系统中的基础生产者，氮、磷是其进行光合生产 的基本营养物质。在光合作用中，一般认为c ：n ：p 等以r e d f i e l d 比例被摄取。 在低营养盐的海域中，浮游植物生产的初级生产力直接受到营养盐浓度的 限制。在光合作用辐射充足的情况下，浮游植物生长率与营养盐浓度的关系可 用m i c h a e l i s m e n t e n 酶动力学公式表示，即 2 m “而 其中为在营养盐浓度为时浮游植物的生长率( 通常也称为营养盐的摄 取率) ：。、为浮游植物最大生长率( 通常也称为营养盐的最大摄取率) ；k 。为 营养盐摄取的半饱和常数。 营养赫摄取的半饱和常数k 。表征种群对竞争限制性营养盐能力的指标， 是种群长期适应营养盐环境的结果。丘。越小说明种群适应低营养盐环境的能 力越强。营养盐的最大摄取率。是反映细胞营养水平和环境限制程度的指 标。细胞营养水平越低，环境限制程度越高，。越大。 4 海洋生物代谢排泄 营养盐被浮游植物吸收转化成有机氮、有机磷，并通过浮游动物的摄食， 各级浮游动物之间及鱼类等的捕食继续在食物链中传递。在这个过程中有相当 一部分氮、磷，由于溶出、死亡、代谢排出等离开食物链重新回到水体中。 海洋生物体氮的代谢产物有相当部分是以氨的形式直接释放到环境中去。 另外，海洋生物新陈代谢后的排泄物和死亡的浮游生物的个体、组织等也是海 洋有机碎屑库的主要来源。这些颗粒物在沉降和随水体运动的过程中，一部分 被浮游动物滤食，另一部分则被细菌降解成为氨和小分子溶解有机氮。由此产 生的溶解有机氮返回到海洋氮循环中，再次被浮游植物所利用。对于磷，海洋 动物特别是浮游动物代谢排泄磷的速率很快，加上其他很多矿化途径( 包括微 一j 2 一 胶州湾非保守物质水质模型研究 生物的作用) ，使得磷的再生主要在水层内完成。据研究，在加利福尼亚沿岸 水域，浮游植物所消耗的磷，有6 8 8 7 是由表层7 5 m 内再生的磷所提供。到 7 0 0 m 处已有9 1 9 5 的磷完成矿化再生( 沈国英，2 0 0 1 ) 。 5 营养赫底栖释放过程 水体与沉积交换是水体中有机物和无机营养盐来源和去向的主要过程之 一。 海洋生态系中的碎屑一般由死亡的浮游植物和浮游动物、浮游动物的排泄 物，以及浮游动物摄食浮游植物时没有同化而落入水体中的浮游植物部分所组 成。发生在水体和沉积界面之问的物理过程主要包括：有机碎屑及浮游植物的 沉降由于流、生物扰动等引起的再悬浮以及有机碎屑向水体的扩散和释放。 碎屑的分解将直接产生营养盐，这些再生的营养盐将再次被浮游植物吸收 利用，进入海洋生态系统物质循环中。 腔州湾非保守物矮水质模型科究 3 模型建立 3 1 三维潮流数值模型 潮流是河口、海湾地区物质输运的主要水动力条件，要正确模拟污染物在 河口海湾中的迁移输运过程，则首先要对潮流场进行数值模拟。 采用的潮流模式为河口、陆架和海洋模式( e c o m ) ，模式以直角坐标下的 三维潮波运动方程组为基本方程，在垂向采用盯坐标变换，水平向进行正交曲 线坐标变换，较好的拟合岸形和底形：采用了二阶湍封闭模型，克服了湍粘性 系数人为选取对流场模拟造成的影响；引入干湿网格法变边界处理技术，充分 考虑了胶州湾北部较广阔的潮滩；采用了分裂算子法，编程简单，节省机时， 便于对不同的物理过程采用不同的差分格式，计算稳定性和计算精度好。 三维盯水平曲线正交坐标潮波运动方程组 h i h 2 塑+ 了o ( h 2 u i d ) + 下c 3 ( h l u 2 d ) + h l h 2 娶：0 ( 3 1 1 ) o t a 。a 、 8 口 、 4 一o ( u i d ) c 3 t + 去【警+ 掣】+ 型0 0 - ( 3 1 | 2 ) 2 。 a 孝1a 善2 1 【j - 2 ) 一半鲁一害等一舭= 一而d 面0 p + d f 一 螋+ 上r o ( h 2 2 d u i u 2 ) + o ( h l h 2 d u l z ) 1 + 型 o t h l h 2 ” 粥 。 a 盯 ( 3 1 3 1 一害象一害h i h 薏+ 朋一旦h 2 p o 老彻l ；a 色2 。 a 亭2 湍封闭方程组 地+ 上o ( h 2 u i d q 2 ) + o ( h i u 2 d q2 ) + o ( m 2 ) o t 2a 善ld 古2 0 a = 等c c + c 等) 2 】+ 筹“等一半 枷 + 丽1 。万0 百h 2 如。善) + 砑c o 。瓦h i 山。酉o q 2 ) 】+ 西1 万0 ( _ 瓦2 ) 一1 4 胶州湾非保守物质水质模型研究 o ( q 2 l d ) 上皇亟坠些竺 o t i h 2 a 亭 + o ( h l u z d q2 1 ) + a ( a ，q 2 1 ) a 孝2 o c t = 警r c 警警门+ 警如等一窨旷 口， + ) + 万c 3 百h i 卯警) 】 式中：u l ，u 2 一分别对应沿水平曲线正交坐标点f ：的流速分量 h i ，h 2 一一为拉梅系数， 蹰= 蹶 c o 一一盯坐标下的垂直速度： 玎一一自静止水面算起的水位高度 h 一一自静止水面算起的水深； d 一一总水深，d = h + 玎： 一一柯氏参数，f = 2 n s i n 妒： q 一地转角速度； 口一一地理纬度； 霎一一湍动能： ，一一湍特征长度： 矿一一面壁函数： r 1 ，r 2 一一水平方向粘滞扩散项； 爿吖，爿，一一水平方向紊动粘滞系数、水平方向扩散系数： k 。，k h ，k q - - - - 垂向紊动粘滞系数、垂向扩散系数和垂向湍动能扩散系数 k m = l q s u jk h = q s h ：kq = t q s q s ，、s ”s 。为稳定函数，由湍能方程组求解 三维潮流的数值模型的差分格式及求解方法已有详述( 张越美，1 9 9 9 ) ，此 不赘述。 d 一 鲨 a 一 伊等 噜鸭 a一a一鼢1 ：，一d + 拨州湾扑保j 专物质水质模型埘究 流场只考虑潮流，忽略其他环流及沿岸流所引起的输移及离散的影响。采 用潮平均稳态的输入响应关系，建立的模型为具有代表性的平均潮模型。潮流 模拟为氮磷非保守物质水质模型提供三维水动力场。 3 2 氮、磷非保守物质水质模型 第2 章讨论了近岸海洋生态系统中氮磷循坏，并且分析了影响近岸海域氮 磷时空分布的主要控制过程，初步探讨物理、生物化学因素如何来影响氮磷的 时空分布的，在此基础上建立氮、磷非保守物质水质模型。 3 2 1 概念模型建立及其假设 状态变量选择应基于对系统的了解程度以及观测中所取得的各过程资料 的理解，尽可能减少状态变量数，同时又必须包括各关键过程足够的变量( 陈 长胜，2 0 0 3 ) 。本模型着重模拟海洋生态系统中氮磷的物理、生物化学耦合过 程对氮磷时空分布的影响，因此模型选取氮、磷、浮游植物、浮游动物四个状 态变量，环境因子主要考虑了海水温度和光强。基于n p z 模型，对各状态变 量进行讨论。 在这个模型中营养靛的外源主要来自陆地径流，营养盐的再生产来源于 浮游动物和浮游植物的死亡，以及浮游动物在摄食过程中浮游植物的部分损失 量。营养盐的消耗主要是浮游植物光和作用摄取，以及由物理过程输送到研究 水体之外。浮游植物的生长受到营养盐和光的限制，并且考虑了温度的影响。 浮游动物通过摄食浮游植物限制其增长。 这种由浮游植物和浮游动物直接转化为营养盐的循环过程，实际上相当于 假设由死亡了浮游植物和浮游动物所组成的碎屑向营养盐分解的过程十分迅 速，以至于作为中间过程的碎屑可忽略不计。 1 6 一 胶州湾非保守物质水质模型研究 河流输入i 二二麓 太阳辐射 ； 图3 2 1水质模型各主要状态变量循环的示意图 说叫：n 一一无机氮：p 一一活性磷酸盐；p p t 一一浮游植物：z p t 浮游动物 3 2 2 模型的数学控制方程组 模型刻画了系统中各状态变量在物理、生物化学因子影响下的时空变化 模式表示成为生各状态变量的一组微分方程 拿+ 。幽( c ) ：d i f f ( c ，) + s 。+ s ，( 3 圳 o t c ，代表模型中的状态变量，如营养盐、浮游植物、浮游动物，i = 1 , 2 ，3 ” 对于不同的研究月的值不同； d d v ( c ，) _ “孥+ ，誓+ 。孥 ( 3 2 2 ) 。x廿v0 2 表示由于流动造成的状态变量的水平和垂直输运。“、v 、w 分别对应 x 、y 、z 方向上的流速； 够( c ) ：呈( 爿。拿) + 昙( 爿。i o c , ) + o ( k 。i o c , ) ( 3 删 o xo x卯鲫v 7 j k4 t l 湾1 i 保守物质水质模型_ c l j f 究 表示由湍流运动引起的物质分布的变化。其中爿。表示水平湍扩散系数；k 。 表示垂直湍扩散系数；( 通过水动力学中湍封闭模式求得) 。 表示由外界源、汇对状态变量时问变化的贡献，对于营养盐包括河流径 流输入等。 s ，表示生物化学过