生態(tài)動力學(xué)模型及其在長江口及毗鄰海域水污染防治規(guī)劃中的應(yīng)用邵一平－環(huán)境科學(xué)年會PPT課件

1、研究范圍 陸域包括江蘇、浙江兩省所屬沿海沿江14個地市及上海市全市，面積共計(jì)10.36萬km2。 海域包括三省市近岸海域，即長江口、杭州灣及毗鄰海域，范圍為32002930N，123E以西海域，面積約3.8萬km2。 第1頁/共57頁水動力模型1. 長江口及其鄰近海域三維流場計(jì)算；2. 長江口及其鄰近海域三維鹽度場計(jì)算；3. 長江口及其鄰近海域三維溫度場計(jì)算；4. 長江口及其鄰近海域三維懸沙場計(jì)算；第2頁/共57頁水動力基本方程QGVdGGGUdGGt11MudFPGfvGGGvGGGuvuduGvuGutuV20211MvdFPGfuGGGuGGGuvvdvGvvGutvV20211outi

2、nqqHGvdGGGudGGt11第3頁/共57頁三維溫度場和鹽度場基本方程三維溫度場和鹽度場基本方程sqsqdsDdsGGDsGGDGGdsvsdGusdGGGtsdoutininVcHcH1100totoutininVcHcHQTqTqdTDdTGGDTGGDGGdTvTdGuTdGGGtTd1100鹽度為保守量，在動力場的作用下求解對流擴(kuò)散方程 溫度考慮表層太陽輻射的作用 第4頁/共57頁三維懸沙場控制方程0)()(,)()(,)()(,)()()()()(zczycyxcxzcwwyvcxuctcllzsllysllxsllslll泥沙考慮底層的沉降和再懸浮以及鹽度對沉降速度的影響 第

3、5頁/共57頁-模型范圍Longitude (E)Latitude (N) o o o o o o oTaojialuGanpuShanghaiYangtze EstuaryHangzhou BayEast China SeaJiangyin12012112212330 31 32 05101520253035404550網(wǎng)格數(shù)147132，平均格距2km，最小格距在長江口內(nèi)約300m，最大格距在外海約6km 進(jìn)行三維計(jì)算時(shí)，模型垂向采用 坐標(biāo)，共分14層。 第6頁/共57頁初邊條件選擇 水位和流速對外界動力響應(yīng)較快，初值均取為零；鹽度取洪季或枯季的典型分布值；溫度初值取當(dāng)月平均實(shí)測值；泥沙的

4、初值取0。 外海潮位采用M2、S2、K1、O1 、K2、N2和P1 等7個分潮調(diào)和常數(shù)。 風(fēng)場和溫度場采用NOAA提供的NCEP/NCAR再分析風(fēng)場和氣象資料，每6小時(shí)一次，本區(qū)域精度約2度。 對上邊界長江徑流取大通站的當(dāng)月平均值，鹽度、溫度和泥沙的邊界采用流入定常，流出無梯度的輻射邊界條件。上游邊界鹽度取0，懸沙濃度取0.5 kg/m3；外海邊界鹽度取觀測的典型值，懸沙濃度較小，取0.02 kg/m3；溫度的開邊界輸入取實(shí)測月平均值。第7頁/共57頁水動力模型率定和驗(yàn)證31 30o31 00o121 450南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊

5、灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘南匯邊灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東

6、灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘崇明東灘圖3 長江口形勢及站位分布圖橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘橫沙淺灘九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段

7、沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙九段沙122 300#3#3#3#3#3#3#3#3#3南 港#1#1#1#1#1#1#1#1#1北 港北 槽#4#4#4#4#4#4#4#4#4南 槽#2#2#2#2#2#2#2#2#2#7#7#7#7#7#7#7#7#7#5#5#5#5#5#5#5#5#5#8#8#8#8#8#8#8#8#8#6#6#6#6#6#6#6#6#62555520102255225

8、5521996年9月長江口區(qū)域測站分布 碧海專項(xiàng)監(jiān)測第8頁/共57頁12h18h7d 0h6h12h05101520Wind speed (m/s)12h18h7d 0h6h12h090180270360Wind direction (deg)12h18h7d 0h6h12h00.511.52Hs (m)SH2 (Spring tide,Jul.2005)12h18h7d 0h6h12h090180270360Wave direction (deg)12h18h7d 0h6h12h-2-1012Water level (m)12h18h7d 0h6h12h00.511.522.5suface

9、V (m/s)12h18h7d 0h6h12h00.511.522.5middle V (m/s)12h18h7d 0h6h12h00.511.522.5bottom V (m/s)12h18h7d 0h6h12h090180270360surface d (deg)12h18h7d 0h6h12h090180270360middle d (deg)12h18h7d 0h6h12h090180270360bottom d (deg)12h18h7d 0h6h12h0102030Surface T (deg)12h18h7d 0h6h12h0102030Middle T (deg)12h18h7

10、d 0h6h12h0102030Bottom T (deg)12h18h7d 0h6h12h0102030suface salinity (ppt)12h18h7d 0h6h12h0102030middle salinity (ppt)12h18h7d 0h6h12h0102030bottom salinity (ppt)12h18h7d 0h6h12h00.20.40.60.81suface sediment (kg/m3)12h18h7d 0h6h12h00.20.40.60.81middle sediment (kg/m3)12h18h7d 0h6h12h00.20.40.60.81bo

11、ttom sediment (kg/m3)第9頁/共57頁12h18h13d 0h6h12h05101520Wind speed (m/s)12h18h13d 0h6h12h090180270360Wind direction (deg)12h18h13d 0h6h12h00.511.52Hs (m)SH2 (Neap tide,Jul.2005)12h18h13d 0h6h12h090180270360Wave direction (deg)12h18h13d 0h6h12h-2-1012Water level (m)12h18h13d 0h6h12h00.511.522.5suface V

12、 (m/s)12h18h13d 0h6h12h00.511.522.5middle V (m/s)12h18h13d 0h6h12h00.511.522.5bottom V (m/s)12h18h13d 0h6h12h090180270360surface d (deg)12h18h13d 0h6h12h090180270360middle d (deg)12h18h13d 0h6h12h090180270360bottom d (deg)12h18h13d 0h6h12h0102030Surface T (deg)12h18h13d 0h6h12h0102030Middle T (deg)1

13、2h18h13d 0h6h12h0102030Bottom T (deg)12h18h13d 0h6h12h0102030suface salinity (ppt)12h18h13d 0h6h12h0102030middle salinity (ppt)12h18h13d 0h6h12h0102030bottom salinity (ppt)12h18h13d 0h6h12h00.20.40.60.81suface sediment (kg/m3)12h18h13d 0h6h12h00.20.40.60.81middle sediment (kg/m3)12h18h13d 0h6h12h00.

14、20.40.60.81bottom sediment (kg/m3)第10頁/共57頁長江口二維線性水質(zhì)模型長江口二維線性水質(zhì)模型第11頁/共57頁基本方程對流擴(kuò)散方程第12頁/共57頁長江上游邊界取在徐六涇；長江上游邊界取在徐六涇；海域東邊界為東經(jīng)海域東邊界為東經(jīng)123123；南邊界在北緯南邊界在北緯29293030；北邊界在江蘇呂四港以北北北邊界在江蘇呂四港以北北緯緯32321515模型研究范圍第13頁/共57頁網(wǎng)格剖分、模型邊界水質(zhì)邊界：水質(zhì)邊界：上游流入邊界：（長江和錢塘江）取同步實(shí)測濃度過程線。外海邊界：1）不同水期的實(shí)測濃度邊界（率定驗(yàn)證階段） 2）零濃度梯度邊界（方案研究階段）網(wǎng)

15、格剖分：網(wǎng)格剖分： 198170。網(wǎng)格大小：網(wǎng)格大?。?1500m1500m* *1500m1500m。模型基面：模型基面： 統(tǒng)一采用城建吳淞基面。第14頁/共57頁 33 33個概化點(diǎn)污染源個概化點(diǎn)污染源 干濕沉降干濕沉降 海水養(yǎng)殖排污海水養(yǎng)殖排污 富營養(yǎng)化控制指標(biāo)富營養(yǎng)化控制指標(biāo)（DINDIN，DIPDIP） 有機(jī)污染物指標(biāo)有機(jī)污染物指標(biāo)（CODCODMnMn，NHNH3 3-N-N）第15頁/共57頁其他輸入條件其他輸入條件 長江口長江口風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、太陽輻射等外部輸入資料同水動力模型保持一風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、太陽輻射等外部輸入資料同水動力模型保持一致，采用致，采用NOAANOAA提供

16、的資料。提供的資料。第16頁/共57頁長江口毗鄰海域同步水文水質(zhì)監(jiān)測站位圖長江口毗鄰海域同步水文水質(zhì)監(jiān)測站位圖 第17頁/共57頁COD模擬值與實(shí)測值的比較模擬值與實(shí)測值的比較第18頁/共57頁第19頁/共57頁第20頁/共57頁第21頁/共57頁誤差統(tǒng)計(jì)分析誤差統(tǒng)計(jì)分析第22頁/共57頁第23頁/共57頁第24頁/共57頁第25頁/共57頁-模型系數(shù)取值 污染物擴(kuò)散系數(shù)污染物擴(kuò)散系數(shù) K2：0.030.17。本研究取0.1。 長江口污染物擴(kuò)散系數(shù)取值范圍：0450m2/s。 uxKD2第26頁/共57頁污染物降解系數(shù)污染物降解系數(shù)第27頁/共57頁各排污源水質(zhì)濃度響應(yīng)場的模擬各排污源水質(zhì)濃度

17、響應(yīng)場的模擬結(jié)果結(jié)果CODCOD第28頁/共57頁各排污源水質(zhì)濃度響應(yīng)場的模擬結(jié)果COD第29頁/共57頁干濕沉降引起的背景濃度場COD 氨氮 第30頁/共57頁海水養(yǎng)殖產(chǎn)生的背景濃度場DIN DIP第31頁/共57頁長江口及毗鄰海域三維生態(tài)動力學(xué)長江口及毗鄰海域三維生態(tài)動力學(xué)模型模型對流擴(kuò)散對流擴(kuò)散水體交換水體交換水體交換水體交換對流擴(kuò)散對流擴(kuò)散大氣復(fù)氧大氣復(fù)氧reaeration浮游植物浮游植物植物吸收植物吸收營養(yǎng)鹽營養(yǎng)鹽營養(yǎng)鹽礦化作用礦化作用:oxygen demand碎屑碎屑沉降沉降底泥底泥光合作用產(chǎn)氧oxygen release礦化作用礦化作用oxygen demand:碎屑營養(yǎng)鹽交

18、換營養(yǎng)鹽交換沉積沉積沉降沉降對流擴(kuò)散對流擴(kuò)散水體交換水體交換水體交換水體交換對流擴(kuò)散對流擴(kuò)散大氣復(fù)氧大氣復(fù)氧reaeration浮游植物浮游植物植物吸收植物吸收營養(yǎng)鹽營養(yǎng)鹽營養(yǎng)鹽礦化作用礦化作用:oxygen demand碎屑碎屑沉降沉降底泥底泥光合作用產(chǎn)氧oxygen release礦化作用礦化作用oxygen demand:碎屑營養(yǎng)鹽交換營養(yǎng)鹽交換沉積沉積沉降沉降第32頁/共57頁氮、磷營養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化過氮、磷營養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化過程程第33頁/共57頁模型變量模型變量 浮游植物（以C計(jì)）Phytoplankton carbon (PC) 浮游植物（以N計(jì)） Phytoplankton nit

19、rogen (PN) 浮游植物（以P計(jì)） Phytoplankton phosphorus (PP) 葉綠素-aChlorophyll-a (CH) 浮游動物Zooplankton (ZC) 碎屑碳Detritus carbon (DC) 碎屑氮Detritus nitrogen (DN) 碎屑磷Detritus phosphorus (DP) 無機(jī)氮Inorganic nitrogen (INNO3NH3) 無機(jī)磷Inorganic phosphorus (IP) 溶解氧Dissolved oxygen (DO) 底棲植物（以C計(jì)）Benthic vegetation carbon (BC)

20、第34頁/共57頁 北至北緯3242，南至北緯28，東至東經(jīng)124，西起江陰。 共1641個計(jì)算單元 垂向分六層，從上到下各層相對厚度分別為0.1H，0.15H，0.15H，0.15H，0.2H，0.25H。第35頁/共57頁DODO模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果比較模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果比較第36頁/共57頁DINDIN模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果比較模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果比較第37頁/共57頁DIPDIP模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果比較模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果比較第38頁/共57頁Chl-a05-11第39頁/共57頁Chl-a05-7第40頁/共57頁關(guān)鍵模型參數(shù)率定結(jié)果關(guān)鍵模型參數(shù)率定結(jié)果第41頁/共57頁計(jì)算誤差分析計(jì)算誤差分析

21、第42頁/共57頁第43頁/共57頁第44頁/共57頁第45頁/共57頁生態(tài)模擬方案生態(tài)模擬方案方案編號名稱污染負(fù)荷水平設(shè)計(jì)水文條件1現(xiàn)狀方案設(shè)計(jì)水文條件下的污染物現(xiàn)狀入海總量徑流量、水溫，泥沙、潮流、光照：設(shè)計(jì)頻率采用多年平均。模擬時(shí)段：112月份；2全海域達(dá)標(biāo)控制方案按全海區(qū)功能區(qū)達(dá)標(biāo)控制計(jì)算得到的最大允許納污量3赤潮易發(fā)區(qū)達(dá)標(biāo)控制方案按赤潮易發(fā)區(qū)功能達(dá)標(biāo)控制計(jì)算得到的最大允許納污量第46頁/共57頁NHNH3 3-N-N三維模型驗(yàn)證結(jié)果三維模型驗(yàn)證結(jié)果赤潮易發(fā)區(qū)功能達(dá)標(biāo)方案赤潮易發(fā)區(qū)功能達(dá)標(biāo)方案全海域功能達(dá)標(biāo)方案全海域功能達(dá)標(biāo)方案第47頁/共57頁-DIN-DIN驗(yàn)證結(jié)果驗(yàn)證結(jié)果赤潮易發(fā)

22、區(qū)功能達(dá)標(biāo)方案赤潮易發(fā)區(qū)功能達(dá)標(biāo)方案全海域功能達(dá)標(biāo)方案全海域功能達(dá)標(biāo)方案第48頁/共57頁-DIP驗(yàn)證結(jié)果赤潮易發(fā)區(qū)功能達(dá)標(biāo)方案赤潮易發(fā)區(qū)功能達(dá)標(biāo)方案全海域功能達(dá)標(biāo)方案全海域功能達(dá)標(biāo)方案第49頁/共57頁葉綠素葉綠素a-垂向剖面分布垂向剖面分布 斷面11斷面22第50頁/共57頁第51頁/共57頁東海海洋分局，20032006年赤潮發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計(jì)?，F(xiàn)狀方案現(xiàn)狀設(shè)計(jì)水文條件下，長江口表層水體在東經(jīng)123附近存在1條南北長約150km，寬約40km的葉綠素高濃度區(qū)。該結(jié)果與國家海洋局東海分局20032006年赤潮發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致。第52頁/共57頁總量控制方案的chl-a模擬結(jié)果比較分析 赤潮易發(fā)區(qū)功能達(dá)標(biāo)方案全海域功能達(dá)標(biāo)方案實(shí)施赤潮易發(fā)區(qū)達(dá)標(biāo)控制方案后，該區(qū)域葉綠素濃度值顯著降低，5g/L的面積基本消失，35g/L的面積也由現(xiàn)狀方案約1萬km2減少50%，約5000 km2。實(shí)施全海區(qū)功能區(qū)達(dá)標(biāo)