基于数值模拟与卫星遥感的填海施工悬浮物监测——以大连海上人工岛机场建设为背景

本文以大连海上人工岛机场建设为背景,采用计算机数值模拟与遥感技术监测填海施工引起的悬浮物扩散状况。根据工程海域的潮流特点,构建了水动力及悬浮物扩散模型,模拟了涨落潮状态下填海施工产生的悬浮物扩散情况;通过采集现场悬浮物浓度,利用我国环境灾害监测预报小卫星(HJ-1A/1B)的遥感数据进行回归分析,建立了悬浮物反演模型,得到施工海域悬浮物分布的反演结果。对比遥感反演与数值模拟结果,显示两者基本吻合,表明本文方法能够揭示填海施工造成的大范围悬浮物的扩散规律,对于制定填海施工的环境保护措施、评价海洋环境影响具有借鉴意义。     

悬移质潮扩散的数值预测

结合有关经验公式,本文提出了考虑源、悬浮沙的沉降和再悬浮作用的二维悬浮沙潮流扩散数值模式,并利用ADI方法,在数值模拟潮流、水位场的同时,通过求解悬浮沙的二维扩散方程,预测埕岛油田开发工程排放悬浮物对周围海洋环境的影响程度。经分析表明计算效果良好。     

舟山凉潭岛填海工程对水动力及海床演变影响的模拟预测分析

用一个三维(ECOMSED)模式对舟山凉潭岛填海工程前后的潮流场变化进行模拟,做出预测。潮流场模拟结果与实测基本吻合。经分析可知,工程对潮流的影响主要在围堤的东南角小范围内:工程后流速明显减小,造成淤积现象,但淤积程度不大,1年后的淤积为13cm左右,5年后的淤积为0.8—1.2m左右。工程对较深水层的潮流运动影响很小。通过对施工期间产生的悬浮物在涨落潮时的分布模拟可知,涨潮时,悬浮物从工程区域的一个悬浮物源不断排出,主要对工程附近及其上游地区造成一定的影响;落潮时,悬浮物主要影响工程外围及其下游地区,整个落潮期间悬浮物能影响的范围比涨潮期间要大。总体上工程对该附近海域的潮流场及冲淤影响很小。     

岸线变化对悬沙分布影响预测研究

悬浮泥沙是重要的水质参数之一,其大小直接影响水体透明度、浑浊度、水色等光学性质及水生生态条件,其含量及其动态变化对该区的水下地貌的发展及冲淤变化、港口建设等具有非常重要的影响.本文利用ECOMSED模型,对辽宁葫芦岛煤码头工程所在海域进行潮流模拟,并在潮流模拟验证正确的基础上,通过对工程建设区域条件的分析,建立悬浮物输运模型,预测工程建设可能引起的悬沙含量和分布特征的变化,从而分析该工程的建设对海洋水质产生的影响,并以期对预测海床淤积和工程规划设计等方面具有一定实用价值.     

青岛马斯特造船厂项目疏浚方案优选

港池疏浚产生的高浓度悬浮泥沙,对海域环境的影响不能忽视。在建立近海悬浮物二维输移扩散数值模型的基础上.采用有限元分步杂交方法求解,对两种不同施工方案下悬浮物的输移扩散进行预测模拟。根据预测结果,对比分析两种施工方法可能对附近海域水质环境适成影响的程度,为施工方案的选择提供科学依据。     

琼州海峡的一个三维泥沙扩散模式

通过建立一个三维陆架海数值模式来预报近海潮流和泥沙浓度的对流扩散,并应用于琼州海峡跨海工程的前期数值预测。预测结果表明,海区潮流的涨落、岸线形状、海底地形及源强位置与泥沙在近海的输运扩散关系密切,模拟情形基本合理,表明该模式适合应用于河口、近岸等涉海海洋工程海域的流场及泥沙扩散的三维数值预测,为相关的水动力环境要素和水质影响评价提供一定的参考价值。     

海洋工程引发的悬浮物扩散预测模型优化

在详细了解工程附近海域自然状况的基础上,基于雷诺平均的Navier-Stokes方程组模拟该海域的水动力状况,采用有限体积数值格式离散水动力学方程。在此基础上,引入该海域附近两个建设工程的影响,基于对流扩散的水质模型模拟悬浮物浓度场的分布状况,并分别计算了两个工程对海域的影响程度,即影响贡献度。通过实测数据验证了模型的准确性和实用性。经过结果分析可知,工程2对控制点的影响较工程1的影响贡献度系数小65%左右,这主要是由于工程1相对于工程2距离湾顶更近,水深较浅,海流速度较小,海水交换能力较差,扩散能力也较弱造成的。     

填海工程水生生物量损失计算方法的探讨

将生物量损失的计算结合到水质模拟中,分类(鱼类、浮游生物、底栖生物)量化悬浮物与水生生物死亡率的关系,构建出一套计算填海工程造成水生生物量损失的方法.应用在广州港南沙港区二期工程后方仓储用地陆域形成工程的计算.结果表明,该方法综合考虑了生物类别、生物量空间分布、悬浮物源强和悬浮物运动等因素,与传统计算方法相比,其结果在总量上是相近的,但能更有效并直观地反映出工程对水生生态影响的种类分成和空间分布情况.     

围海造陆工程泄水口悬浮物扩散规律分析

掌握围海造陆工程泄水口悬浮物扩散规律,对保护海洋水环境质量具有重要意义。选取围海造陆工程泄水口为研究对象,基于泥沙对流扩散方程,推求出泄水口悬浮物扩散平面二维分析解表达式。开展现场观测,确定泄水口源强取值,并对泄水口悬浮物扩散进行理论计算和分析。研究结果显示,围海造陆工程施工后期,泄水口悬浮物流失非常严重。泄水口附近水域出现的最大悬浮物浓度主要由源强的大小来决定,悬浮物扩散范围主要由流速的大小来控制。     

渤海风海流污染输运的数值模拟

本文试验用渤海风海流模型和水质模型,考查了季风对潮扩散浓度场的影响以及平均风海流的污染输运能力。结果表明,潮流在污染扩散中起支配作用,而平均风海流对浓度分布的影响居次要地位。通过纯风海流的污染输运模拟发现,辽东湾的风海流终年有利于该区的污染扩散;而在渤海湾,冬季平均风海流具有比夏季更强的物理自净能力,这种季节性差异,可能是导致渤海冬季水质优于夏季水质的一个重要原因。     

北仑港三期工程废水排放对比仑海域水质影响的数值分析

采用二维非恒定流的显式迎流有限元法模拟北仑海域的潮流，在潮位潮流验证的基础上计算了北仑三期工程与马后北仑港生活污水，船舶含油废水的排放引起该海域水质的变化，预测分析了北仑三期工程废水排放对北仑海域水质影响的程度和范围。     

黄河三角洲北部近岸悬浮物季节性分布及驱动因素

近岸海域悬浮颗粒物的分布与扩散对水体生态环境、海岸地貌演变、水产养殖以及海岸工程等有重要影响。由于刁口河流路的改道,黄河三角洲北部成为强烈侵蚀岸段,揭示该区域的悬浮物浓度变化特征和规律是防护工程安全维护的基础。利用经良好检验的模型反演近岸海域悬浮物浓度,Landsat-8和Sentinel-2卫星影像反演结果的交叉验证表明,基于两种传感器反演的悬浮物浓度具有较强的一致性,两种卫星数据可以结合使用。研究区近岸海域悬浮物浓度季节变化明显,冬季和春季悬浮物浓度较高,夏季较低,秋季是悬浮物浓度从低向高转换的季节。冬、春季该区域风浪较大,在波浪掀沙和潮流输沙的联合作用下,底床泥沙强烈再悬浮,是形成悬浮物的主要来源,丁坝群的修建也在一定程度上改变了悬浮物的时空分布。     

渤、黄、东海海流和潮汐共同作用下的悬浮物输运、沉积及其季节变化

渤、黄、东海是一个水动力状况相当复杂的半封闭宽陆架海，本海区悬浮颗粒物含量高，季节变化明显，影响范围广，是世界上悬浮物含量最高的海域之一。对于该海域悬浮物的输运沉积过程、分布规律以及底质分布等中外学者均进行过比较深入的研究(秦蕴珊，1963； Honjo et al.，1974；Milliman et al.，1985，1986；秦蕴珊等，1987，1989；杨作升等，1992；Li et al.，1997；孙效功等，2000；雷坤等，2001)。然而，以往的研究大都基于实际海洋调查资料，由于受实测资料在时间和空间覆盖范围上的限制，很难从整体上把握渤、黄、东海陆架区悬浮物输运的时间和空间变化规律。数值模拟的方法能很好地克服上述局限，已有学者从不同角度对渤、黄、东海的某些海域的悬浮物进行了模拟研究。 董礼先等(1989)首先模拟了在二维潮流场作用下，黄、渤海推移质和悬移质的输运状况，得出潮流作用下海底的冲淤状况。Graber等(1989)利用有限水深的风浪模型、模拟了风浪对悬浮物输运、沉积的作用。Yanagi等(1995)用拉格朗日粒子追踪方法对整个东中国海冬季悬浮物的输运、沉积过程进行了计算。江文胜等(2000，2001)考虑了风等气象要素、外海传入的潮波的作用、悬浮物的沉降及再悬浮机制，对渤海中悬浮物的浓度进行了数值模拟。 海洋环流、潮汐、潮流和波浪均对悬浮物的输运与沉积产生影响，尤其在中陆架和外陆架地区，环流对悬浮物的长期输运起决定性作用，因此以往仅针对潮流、风浪作用的模拟很不完整，其结果与实际情况的差别也会较大。其次，海水的流动处在不断变化之中，小到日变化、月变化，大到季节变化、年际变化，因此定常风场、定常温盐场的环流模拟，即诊断流场并不符合实际情形。本文将首先对渤、黄、东海月平均风场、温盐场作用下的环流场进行模拟，进而探讨环流以及潮汐、潮流共同作用下的悬浮物输运过程及其季节变化规律。     

胶州湾主要污染源削减排污量研究

采用数值方法模拟了胶州湾潮流场并预测了胶州湾8个主要污染源的COD扩散过程。通过对比个别污染源削减排量前后胶州湾的水质状况,分析了胶州湾主要污染源削减排量的必要性,从而为胶州湾未来的环境保护和水质恢复提供一定的导向作用。     

湄洲湾峰尾围垦工程施工期间海水悬浮泥沙输移扩散的数值模拟

围填海工程施工过程导致海域悬浮物迅速增加,影响周围海洋生态系统,研究围填海工程悬浮泥沙的输移扩散规律对于区域生态环境质量及工程建设的综合生态影响评价具有重要的参考意义．针对湄洲湾峰尾围垦工程施工期悬浮泥沙可能造成的生态影响,对爆破挤淤（5．17t／s）和抛石挤淤（1．39kg／s）的悬沙源强进行了分析计算．在工程海区平面二维潮流场数学模型的基础上,采用二维对流扩散数学模型对施工范围内的模型网格点（40m×40m）进行了逐点计算,数值模拟结果表明,悬浮泥沙扩散范围和形态主要受潮流控制,工程施工联合影响下悬沙质量浓度大于10mg／dm3的全潮最大影响包络面积为5．848km2,施工9h后悬沙影响基本消失,为工程施工期环境管理提供了参考依据．施工悬浮泥沙的扩散整体表现为总悬沙质量浓度在离工程区较近的范围内较大,而距离越远质量浓度越接近自然状态的本底含沙量．施工悬浮泥沙对浮游生物、游泳生物和底栖生物等均会产生一定的影响,但随着施工结束而消失,不会对海洋生态产生长期的不利影响．     

港湾三维水动力和污染物扩散数值模型

本文提出一种浅海三维污染物扩散数值模拟的方法。首先建立σ坐标系下的Navier-Stoker方程及物质扩散方程。基于过程分裂法将前者分解为外模式（二维方程组）及内模式（三维方程组）；并且引入窄缝法对变边界进行模拟，由此建立三维σ坐标潮流模型；并找到σ坐标系下三维污染物扩散方程的差分方法，最后建立三维σ坐标污染物扩散模型。本模型已被应用于厦门海域，并对其2002年海水水质（CODCr值增量)进行了预测。应用结果表明，这种三维可变边界污染物扩散数值模型能够较好地对具有较大面积浅海滩涂的海区进行水质模拟和预测。     

海口港新海港区配套用地施工溢油漂移扩散研究

填海造陆施工溢油问题是海洋工程环境影响评价内容之一,海口港新海港区配套用地位于琼州海峡澄迈湾东海岸。研究首先采用DELFT3D软件技术建立了工程海区水动力数学模型,在模拟验证成果与天然实测资料达到精度要求后,对琼州海峡及工程近区潮流特征进行了模拟分析。然后基于"拉格朗日"水流运动理论,建立了"油粒子"溢油漂移扩散模型。依据海洋工程环境影响评价技术导则要求,对海区夏季主导风、冬季主导风作用下和溢油点位置潮流东流、西流初始时刻组成的四工况进行溢油漂移扩散模拟,给出溢油扩散轨迹和扫海面积,为项目建设海洋环境影响评价及溢油事故应急治理提供了技术支撑。     

小清河入海污染物扩散特征及其对近岸工程建设的响应

河流入海污染物是近海污染物的主要来源之一。小清河是莱州湾西南部主要入海河流和污染物来源,近年来小清河口两侧近岸工程建设规模不断扩大,其对小清河入海污染物扩散的影响如何有待深入研究。采用MIKE21数值模型模拟了近岸工程建设对潮流场的影响及小清河入海污染物（无机氮、活性磷酸盐）的扩散特征,探讨了入海污染物扩散对近岸工程建设的响应。研究结果表明：小清河口两侧近岸工程的建设,导致小清河河口附近海域流速有所减小,减小值介于2～21 cm/s。河口两侧的堤坝、防波堤等工程阻挡了污染物向东南、西北方向扩散,使小清河入海污染物扩散范围有所减小,不利于污染物扩散,导致河口附近海域污染物浓度有所增加,从而加剧了小清河河口附近海域的水质污染。因此,近岸工程建设会造成工程附近海域的潮流减弱,削弱近海海域的污染物扩散能力。     

渤、黄、东海悬浮物质量浓度冬、夏季变化的数值模拟

采用HAMSOM三维正压水动力模型结合粒子追踪的悬浮颗粒物输运模型模拟了渤、黄、东海悬浮物质量浓度冬、夏季变化。模拟结果显示,潮流和底质对悬浮物质量浓度的分布有决定性的作用,沉积物再悬浮对悬浮物质量浓度分布影响大,冬季尤为显著。莱州湾中西部和渤海湾南部悬浮物终年维持高质量浓度,古黄河口冬季再悬浮物的质量浓度高于其它季节的。长江口附近悬浮物终年维持高质量浓度,夏季长江口东北悬浮物的质量浓度高于冬季的,浙江沿岸冬季悬浮物的质量浓度高于夏季的。     

象山港电厂温排水的实测和数值模拟研究

为了研究象山港电厂温排水的热污染问题,对其附近海域的潮流和水温扩散进行了实测研究,给出了该海域潮流及水温扩散的特征。同时利用近海潮流模式(ECOMSED)建立了象山港潮流三维数值模型,对研究海域的潮流和水温扩散进行了模拟,得到了大小潮涨、落憩时刻的温升场的扩散范围,对比分析发现数模结果与实测结果符合较好。