近海系統(tǒng)化生態(tài)－沉積－環(huán)境動力學數值模式——理論基礎＊

蘆 靜，劉學海，滕 涌，蒲新明，崔迎春，辛 明

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋環(huán)境科學與數值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061；3.中國海洋大學 海洋環(huán)境學院，山東 青島266003；4.海洋生態(tài)環(huán)境科學與工程國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061；5.海洋沉積與環(huán)境地質國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061）

近幾十年來，各類海洋開發(fā)、海水增養(yǎng)殖、污染排放等使我國近海生態(tài)功能退化。大量陸源入海沉積物、通過再懸浮進入水體的海底沉積物及泥沙顆粒吸附物，也直接或者間接影響了生態(tài)環(huán)境；養(yǎng)殖規(guī)模和養(yǎng)殖密度的增加及其不合理布局影響了養(yǎng)殖自身的健康，造成養(yǎng)殖環(huán)境壓力增大［1］；作為當前研究熱點的氣候變化和碳循環(huán)同樣與生態(tài)環(huán)境密切相關。以上科學問題都需要加強對生態(tài)及與之相關的沉積過程的研究，以評價人類活動對生境要素的影響及資源利用的合理配置。如何在耦合物理、生物、地質、化學各過程的基礎上，建立用以有效評價和預測生態(tài)系統(tǒng)平衡、演變的數學模型成為沿海各國可持續(xù)發(fā)展的科研戰(zhàn)略。

目前常用的水動力學模式如ROMS、ECOMSED、FVCOM等都添加了一些功能模塊。如ECOMSED模式以泥沙模塊為優(yōu)勢，同時包含水質模塊；FVCOM的三角形網格在模擬近岸的過程中可以更貼近岸線，其借鑒了ROMS泥沙模塊，并增加UNSW－sed泥沙模塊可供選擇。另外，工程上應用非常普遍的商業(yè)模式如Delft3d、MIKE21、EFDC等軟件型模式包括的功能模塊更為全面，但由于代碼不開放，不便于其他用戶和研究人員根據自己的需求進行二次開發(fā)和模型設計。以往生態(tài)模式多限于傳統(tǒng)的NPZD（浮游植物－浮游動物－營養(yǎng)鹽－碎屑）模型和簡單的水質模型，且獨立性的生態(tài)、沉積物輸運和環(huán)境動力學模型在模塊間相互方面存在不足。實際上，泥沙及其他懸浮物的沉積懸浮過程直接影響著各生態(tài)要素的變化變遷，如不進行耦合顯然是不足的。此外，我國使用的多是國外開發(fā)的各種模式，但針對中國海域發(fā)展自己的模型卻相當不足。另外，海水養(yǎng)殖是我國近岸海域一個重要的海洋開發(fā)利用產業(yè)，建立能夠刻畫養(yǎng)殖在生態(tài)過程中的作用并能對合理的養(yǎng)殖進行評價評估的模式也是滿足于研究中國獨特的海洋生態(tài)環(huán)境所急需的。

基于以上考慮，本研究擬發(fā)展一套海洋生態(tài)－沉積－環(huán)境動力學模式，特別是將生態(tài)過程與懸沙及底質的懸浮及沉積過程、養(yǎng)殖與生態(tài)過程及水動力過程耦合起來，且較完備地考慮了海浪作用。模式將代碼開放，便于用戶使用和二次開發(fā)。本文作為系統(tǒng)模式研究的先行工作，先給出建立模式的理論基礎，包括構建模型系統(tǒng)的概念框架，模式中典型的物理、生物、化學、沉積過程的理論介紹及其主要參數化表達方式，并給出初步模擬結果。

1 模型系統(tǒng)框架

系統(tǒng)化海洋生態(tài)－沉積－環(huán)境動力學耦合數值模式建立在水動力模式基礎上，包含6個功能模塊（圖1），各模塊通過相互作用（圖2），協同構成一個功能全面的系統(tǒng)模式。水動力模式：模擬三維潮流、環(huán)流、溫度、鹽度、水位。模式有自帶的波浪模塊，也可將外部海浪模式的輸出結果作為本模式的輸入文件以備調用。波浪模塊輸入要素包括波致混合系數、有效波高、波周期。水動力模塊輸出的流速和混合系數作為計算生態(tài)、沉積物擴散的基礎。

沉積模塊：可模擬懸浮物濃度、底床升降、底切應力。波浪模式輸入的有效波高和波周期用于波致底切應力的計算，波流耦合底切應力用于計算物質的再懸浮或沉積通量。泥沙濃度模擬結果參與水動力模型中水體密度的計算，并用于生態(tài)模塊中光衰減系數的計算。

生態(tài)模塊：基本變量為NPZD（浮游植物－浮游動物－營養(yǎng)鹽－碎屑），以氮循環(huán)或碳循環(huán)為物質和能量流，考慮了外源輸入及界面交換過程。變量中，浮游植物能包括多個藻種，營養(yǎng)鹽包括磷酸鹽、硅酸鹽及不同形態(tài)的無機氮和溶解有機物。浮游生物考慮了其生長、死亡、代謝、捕食等過程。另外，還設置了赤潮發(fā)生的閾值，具有赤潮模擬功能；碳循環(huán)模擬中，可給出pCO2、CO2通量和堿度。

精細化水質模塊：在生態(tài)模型的基礎上對一些變量和生物化學過程細化，增設了溶解有機物、DO（溶解氧）、化學耗氧量（COD）、微生物（主要是細菌）等要素及硝化、氨化等過程。考慮了底棲環(huán)境（生物及化學物質）、微量元素如鐵對浮游植物生長的限制、各化學要素不同形態(tài)的轉化及與生物之間的物質轉化，生物化學要素的海底交換過程利用泥沙沉積模塊通過應力關系間接計算沉降和懸浮率。

養(yǎng)殖模塊：模型中考慮養(yǎng)殖對水動力的影響及養(yǎng)殖生物體參與的生物化學過程，即養(yǎng)殖的下行控制作用。本模塊可與其他所有模塊耦合。

擴散輸運及粒子追蹤模塊：主要針對不詳細考慮生物化學過程的各種污染物、溫排水和濃鹽水等的擴散，可通過較為簡單的參數化（而不是多變量之間轉化的模擬）考慮降解、風化等必要的非保守過程，并可給出擴散穩(wěn)定后的濃度包絡。

評估評價模塊：給出養(yǎng)殖容量和環(huán)境容量的估算及海水質量的判別，具備水體富營養(yǎng)狀況評價功能。

圖1 系統(tǒng)化生態(tài)－沉積－環(huán)境動力學耦合模式總體構架Fig.1 Framework of the systematic ecology－sediment－environment dynamical numerical coupled model

圖2 模塊間的耦合過程圖Fig.2 Sketch of coupling relationship of modules

2 各模塊的理論基礎

2.1 水動力模式

2.1.1 環(huán)流模式

作為各模塊載體的水動力模式采用國家海洋局第一海洋研究所基于POM（Princeton Ocean Model）發(fā)展的浪－潮－流耦合模式，以三維流速、溫度、鹽度、湍動能和混合長為預報變量，通過嵌入湍封閉模型對垂向混合過程進行參數化。該模式為用FORTRAN語言編寫的開源模式，采用了曲線正交網格，接口能力強，便于今后進一步的開發(fā)完善和模塊嵌入。各模塊的時間和空間積分及網格均與水動力模式一致。

2.1.2 海浪的耦合

海浪的作用（圖3）包括以下方面：

1）將波致混合Bv［2］引入到泥沙擴散方程的湍混合系數KH之中，合理地增強了層泥沙混合；

2）在波流耦合的底邊界層模型［3－4］的基礎上，加入海底沙波的計算；

底邊界模型中，波浪邊界層和物理底粗糙度聯合引起的表觀粗糙度z0c為

式中，u＊cw為波流耦合的摩擦速度；Ab為波浪近底振幅；β為波所占的比例系數其中u＊c為流摩擦速度；ub為波浪軌道速度；w為波頻率。z0c經過波浪修正，用z0c得到新的拖曳系數cd為

式中，zr為參考高度；卡曼常數κ取0.4。cd用以計算流致底切應力，進而得到波流耦合的底切應力。

在此底邊界模型基礎上考慮海底沙波的存在，波浪剪切摩擦速度穩(wěn)定流的摩擦速度之比，u＊ws／u＊cs，可用來定義聯合流作用下不同種類的沙波。當u＊ws／u＊cs＞1.25時，波浪起主導作用。而當u＊ws／u＊cs＜1.25時，應用波流聯合流用來預測沙波的幾何形態(tài)。

（1）波浪起主導作用下海底沙波模型［5］

沙波波高η用近底偏移振幅Ab和遷移數φ來計算：

φ與Shields夾帶參數有關，且φ由波浪近底軌道速度決定，當φ＜10時沙波的波高為不規(guī)則波。沙波的波長λr由波陡計算。

（2）波流聯合作用下的海底沙波模型

分為3種狀態(tài)：

①弱傳輸狀態(tài)，u＊cws＜u＊cr

②平衡狀態(tài)，u＊cws≥u＊cr且u＊cwb＜u＊bf

③破碎狀態(tài)，u＊cwb≥u＊bf

其中，u＊cws為僅考慮泥沙粒徑時波流聯合作用的摩擦速度；u＊cr為推移質運動臨界摩擦速度；u＊bf為破碎狀態(tài)臨界摩擦速度。分別計算出沙波波高η，沙波波陡η／λ。沙波增強的Nikuradse粗糙度ks由式（4）計算。其中，θs為Sheilds參數，由波流共同作用的底切應力決定。ks用于更新波致底切應力的波浪摩擦因子fw。

3）引入由波致孔隙壓力建立的再懸浮通量E1，考慮由此導致的底沙液化［6］。

其中，HS為有效波高；A1為只取決于海底細沙特征的經驗常數；F是波頻率ω、水深H的函數。

圖3 海浪的作用框架圖Fig.3 Sketch of wave＇s effect

2.2 沉積模塊

沉積模塊融合了POMSED和ECOMSED的優(yōu)勢。參考目前國際上較先進的沉積物輸運模式POMSED［7－8］，通過 Richardson數引入底邊界層化效應；通過嵌入 ECOMSED波流耦合底邊界層模型［3－4］，考慮了波致底沙液化［6］對底沙的侵蝕作用；改進了泥沙濃度輻射邊界條件；考慮了泥沙密度對水動力的作用，可模擬異重流等情況。

2.2.1 泥沙對水動力的反作用

主要是考慮泥沙對水體密度的影響。根據霧狀層動力學，考慮懸浮泥沙的貢獻，可模擬異重流等情況。海水的密度用體積關系進行計算［10］：

式中，ρw是純水的密度；ρs是泥沙的密度；C是懸浮泥沙濃度。

2.2.2 底邊界有機顆粒物的沉積和再懸浮

海底沉積物里面包含碎屑顆粒物，其濃度擴散方程中考慮了和波浪混合和底部的再懸浮及沉積過程，沉積通量SD為

式中，WS為沉降速度；P為沉降概率；D為碎屑顆粒物濃度。

總再懸浮通量E為

式中，fD為有機碎屑所占分數；E1為由波致孔隙壓力建立的再懸浮通量；E2為底部剪切引起的再懸浮通量，，其中τb為波流聯合底切應力，τce為啟動臨界應力。

2.2.3 泥沙對生態(tài)的光效應

將懸浮物濃度模擬結果耦合到生態(tài)模塊浮游植物光效應的計算中。考慮懸浮物濃度對可見光的阻隔作用，浮游植物生長的光限制因子：

式中，I為有效光照強度，采用國際上最新且通過觀測進行了驗證的R－修正雙指數參數化公式［11］：

其中，I0為有效光合作用的海表太陽輻射；R′、R是表層和水體分配常數；k1、k2是表層和水體的垂向衰減系數，光衰減系數k（即k1和k2）隨SSC的變化為

其中，kew為水自身衰減系數；P，D和SSC分別為浮游植物、碎屑和懸浮物質量濃度。

2.3 生態(tài)模塊

生態(tài)模塊主要模擬浮游生態(tài)系統(tǒng)及與之相關的關鍵環(huán)境因子的時空分布，大體可將生物化學要素分為4類：浮游植物（P）、浮游動物（Z）、營養(yǎng)鹽（N）、有機碎屑（D）。浮游植物為浮游植物生物量，并可分為多個藻種。考慮中國近海藻類生物種類和數量情況，主要給出甲藻和硅藻兩類，對于較少的藻類如藍藻、金藻、綠藻等暫不添加；浮游動物個體差異很大，考慮目前生態(tài)模型主要用于研究浮游植物和營養(yǎng)鹽，暫將浮游動物作為一個功能群考慮，以總生物量表示，若要研究某一個或幾個種類，如單細胞的原生動物（鞭毛類、有孔蟲類、纖毛蟲類）、浮游甲殼動物、水母類、毛顎動物、幼形類及其他種類，可針對其獨特的攝食和代謝特點建立模型；營養(yǎng)鹽包括總無機氮（可分為氨氮、亞硝酸態(tài)氮、硝酸態(tài)氮）、磷酸鹽和硅酸鹽；有機碎屑主要包括浮游生物尸體和糞便等。用戶可根據需要，在生態(tài)模塊中添加游泳動物。

生態(tài)要素之間關鍵的生物化學轉化過程表示為

其中，浮游植物生長、代謝和死亡分別為

浮游動物的攝食、生長、代謝和死亡分別為

有機碎屑的分解為

各式中，N，DIP和Si分別為總無機氮、磷酸鹽濃度和硅酸鹽濃度；KN，KP和KSi分別為無機氮、磷酸鹽和硅酸鹽半飽和濃度常數；gPm和mPm分別為浮游植物0℃時的最大生長率和呼吸率；gZm和mZm分別為浮游動物0℃最大生長率和代謝率；μP和γP分別為浮游植物生長率和呼吸率隨溫度變化的系數；μZ和γZ分別為浮游動物生長率和代謝率隨溫度變化的系數；dP為浮游植物自然死亡率；PK為浮游植物的半飽和死亡率；β和dZ分別為浮游動物同化率和自然死亡率；λ為Ivlev常數；e′為有機碎屑分解率；Ws為浮游植物或碎屑的沉降系數；Source為包括陸源輸入、大氣干濕沉降和沉積物礦化溶入的營養(yǎng)鹽外源輸入。

模型還考慮了高等動物和大型藻對生態(tài)要素的貢獻和消耗，高等動物包括游泳動物和養(yǎng)殖動物。Egst＿Hz，Eat＿Hz，Exc＿Hz分別為高等級動物對浮游植物的攝食、對浮游動物的攝食、代謝過程中對營養(yǎng)鹽的釋放；Grow＿La為大型藻對營養(yǎng)鹽的吸收；Mort＿LaHz表示高等動物及大型藻生長死亡過程對碎屑的釋放。針對養(yǎng)殖動物（如貝類）和養(yǎng)殖大型藻（如海帶）涉及的生物化學過程設置在養(yǎng)殖模塊中。

2.4 精細化水質模塊

區(qū)別于生態(tài)模塊，本模塊主要是通過模擬化學要素參量來研究水質情況。除生態(tài)模塊中的生物化學過程外，還包括以下過程：

1）微生物（細菌）生態(tài)過程

其生長方程為

其中，B為微生物濃度；Grow＿B，Rsp＿B，Egst＿Z，Rs＿B分別為細菌的生長（伴隨著碎屑分解過程）、代謝、死亡、被動物的攝食及底部進入。

2）底棲生態(tài)過程

主要變量包括大型底棲動物、小型底棲動物、底棲細菌、有機碎屑、間隙水營養(yǎng)鹽等。有機碎屑主要來源于水體中顆粒有機物（碎屑、浮游植物）的沉降及底棲生物的死亡，間隙水營養(yǎng)鹽通過細菌分解和礦化得以再生并溶入水體。

3）耗氧或釋氧過程

溶解氧濃度源匯方程為

其中，O為溶解氧濃度；GrowP＿O為浮游植物光合作用釋放氧氣、Air＿O為海氣界面的曝氣還氧、NitN＿O為營養(yǎng)鹽的氨化作用產生的氧氣；RspZ＿O，RspP＿O，RspB＿O分別為浮游動物、浮游植物呼吸作用和細菌分解有機物所消耗的氧氣；COD＿O為污染排放引起的有機物氧化所耗的氧；OxN＿O為硝化耗氧；Botm＿O為底泥耗氧（涉及生物呼吸、硝化、沉積物氧化分解）。

4）溶解無機物、有機碎屑與溶解無機物之間的轉化過程

有機碎屑（POM）被細菌分解轉化為溶解有機物（DOM）和溶解無機物（DIM），DOM 礦化為DIM，POM、DOM又來源于浮游動植物和細菌的代謝（分泌、排泄、死亡）及外源輸入。各要素通過碳、氮、磷元素的含量可表達為對應的變量，如碳形式的顆粒有機碳（POC）、溶解無機碳（DOC）、溶解無機碳（DIC）。

5）營養(yǎng)鹽之間的硝化、氨化過程

2.5 養(yǎng)殖模塊

本模塊設定養(yǎng)殖區(qū)和水層、養(yǎng)殖種類后，將能模擬養(yǎng)殖對水動力的作用及養(yǎng)殖對生物化學過程的作用。

1）養(yǎng)殖對水動力的作用

通過在運動方程中加入養(yǎng)殖引起的動量損失實現。動量損失的參數化方案主要參考已有工作［12］并結合近年積累的大量觀測資料進行完善，分別對不同的養(yǎng)殖種類和密度給出合適的動量損失系數（或摩擦系數）。模型主要考慮采用懸繩與吊籠養(yǎng)殖的海帶和貝類，及采用網箱養(yǎng)殖的魚類。

2）養(yǎng)殖對生物化學過程的影響

主要考慮養(yǎng)殖生物對生態(tài)要素的吸收、釋放及對水質的影響等。

海帶的影響：包含養(yǎng)殖期間對營養(yǎng)鹽的凈吸收、成熟收割期海帶腐爛對營養(yǎng)鹽或有機物的釋放，及對氧氣的釋放或消耗。涉及的有關參數如干濕重比、生長率、C／N／P的摩爾比、養(yǎng)殖密度、光合作用放氧量等可根據有關文獻［11，12－15］或特定海域的測量來確定。

貝類的影響：主要包括中上層水體和底播養(yǎng)殖的濾食性雙殼貝類。典型的貝類有吊籠養(yǎng)殖的扇貝，懸繩養(yǎng)殖的牡蠣、貽貝，底播養(yǎng)殖的菲律賓蛤仔、縊蟶等。貝類對浮游植物和有機碎屑的攝食率及代謝過程中對營養(yǎng)鹽、溶解有機物、有機碎屑的釋放率和對氧氣的消耗等參考相關文獻［12，15－19］。另外，吊籠養(yǎng)殖還要考慮濾食性附著動物的攝食和排泄［14，20］。

魚類的影響：主要考慮養(yǎng)殖魚類對浮游動物的攝食、排泄出的碎屑及對氧氣的消耗等，有關攝食率和同化率參考有關文獻［12，19］。

設定養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖種類和規(guī)模后，本模塊將計算出對生態(tài)要素（含關鍵水質變量）的吸收率或釋放率。

2.6 物質擴散及粒子追蹤模塊

該模塊主要計算常用的、典型性的物質或環(huán)境參數的擴散及運移情況。包括對溫排水、濃鹽水、污染物排放的模擬，可給出濃度或溫度的最大包絡、特定位置的溫升（或濃度升高）及擴散范圍，以及粒子運移路徑。

物質擴散方程為

其中，C代表溫度、鹽度或污染物濃度；t為時間；u，v，w分別為x，y，z方向的流速分量；Ah和Av分別為水平和垂向湍混合系數；R為外源輸入；λ為衰減系數。對溫排水，考慮蒸發(fā)和風引起的散熱，水面綜合散熱系數采用Gunnerberg經驗公式。對污染物擴散，考慮其濃度衰減，將對不同的污染物給定不同的衰減系數，可以為一個常數也可為經驗公式。

粒子追蹤方程采用了拉格朗日粒子追蹤模型

其中，x為坐標，→v（x，t）為隨空間和時間變化的速度矢量。另外，將生態(tài)模塊中的大型藻生長模型和粒子追蹤結合起來可模擬大型藻的生長和漂流軌跡。

2.7 評估評價模塊

2.7.1 環(huán)境容量

通過物質擴散模塊、生態(tài)模塊或水質模塊計算某一污染物源強下形成的濃度場，確定水質控制點和污染源之間的濃度響應系數場和污染分擔率，按分擔率法和排海通量最優(yōu)法估算環(huán)境容量。

采用分擔率法計算的污染源的入海最大負荷為

其中，Fi為某一個污染源的排海通量；Ci（x，y，z）為該污染源單獨作用造成的目標海域的污染濃度為該污染源單獨作用而使目標海域濃度處于一定等級水質標準的濃度。各污染源入海最大負荷之和為研究海域的總環(huán)境容量。

為優(yōu)化環(huán)境容量，使各污染源的允許入海負荷分配之和達到最大且各水質控制點仍滿足一定等級水質標準要求，水質標準約束條件為

式中，為水質控制點處污染物背景濃度為控制點處的水質標準濃度；m為水質控制點數目；n為污染源數；αij為第i個污染源對第j個水質控制點的分擔率。求解方程所界定的線性規(guī)劃問題，得出污染物最大允許排放量。

2.7.2 養(yǎng)殖容量

由生態(tài)模塊得到浮游植物生物量和初級生產力，并基于營養(yǎng)收支平衡原理或生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)級關系研究養(yǎng)殖容量。

對貝類的養(yǎng)殖容量，基于餌料收支平衡關系，計算濾食性貝類的單位面積養(yǎng)殖容量：

其中，CC為養(yǎng)殖區(qū)內某一養(yǎng)殖貝類的平均養(yǎng)殖容量（ind／m2）；PP為養(yǎng)殖區(qū)內平均初級生產量；PPRZ，PPRaddit，PPRout分別為養(yǎng)殖區(qū)平均單位面積1d內的浮游動物攝食量、附著生物的濾食量、及餌料的流出（或流入）量，IR為養(yǎng)殖區(qū)內某一養(yǎng)殖貝類的濾食率；PPD、PPB分別為養(yǎng)殖區(qū)內平均碎屑中的有機碳的供應、底部微藻的初級生產供應。

對大型藻的養(yǎng)殖容量，其養(yǎng)殖容量的計算公式

其中，TNK為該海域單位面積可供大型養(yǎng)殖藻生長的某種營養(yǎng)鹽的總量；PCK為大型藻類的該種營養(yǎng)鹽的含量。TNK涉及通過海水交換、陸源輸入、大氣沉降釋放、海洋動物排泄物及海底沉積物釋放的營養(yǎng)鹽，及浮游植物、野生大型藻、潮灘微型藻類的生長和海洋動物通過食物鏈傳遞吸收的營養(yǎng)鹽［12］。

對魚類的養(yǎng)殖容量，基于營養(yǎng)動態(tài)模型［21］估算魚類營養(yǎng)階層的生產量

式中，P為一個區(qū)域內增養(yǎng)或放養(yǎng)的魚類容量，以鮮重計，單位為t／a；B為魚類所需要的初級生產量，以浮游植物的濕重計；E為生態(tài)效率；n為魚類的營養(yǎng)階層（營養(yǎng)級轉換級數）。3個重要參數的具體計算方法參考文獻［12］。對于網箱魚類養(yǎng)殖，可以通過計算養(yǎng)殖水域網箱內魚類生長的最大餌料供應力（包括人工添加餌料），確定研究海域的魚類增養(yǎng)能力。對于放養(yǎng)的魚類，可以通過計算餌料的總生產量并減去養(yǎng)殖貝類及其他動物對浮游植物的攝食，以得到放養(yǎng)魚類的最大供餌力。

3 模式的初步結果

目前的耦合模型已在水動力模型的基礎上完成了沉積物輸運模塊、生態(tài)模塊、養(yǎng)殖模塊、物質擴散模塊、評估評價模塊幾個獨立模塊的構建，并已實現了波浪－環(huán)流的耦合、生態(tài)和養(yǎng)殖模塊的耦合、養(yǎng)殖和評估評價模塊的耦合。以下示例給出幾個模擬結果。

3.1 浮游生態(tài)過程和赤潮生消的模擬

考慮浪－流－潮的物理作用，建立了南黃海浮游動力學模型，模擬了南黃海的浮游生態(tài)過程，刻畫出了浮游植物生物量的時、空變化規(guī)律，揭示了春華和次表層最大化等典型生態(tài)特征及其受控的環(huán)境動力機制。圖4為模擬的典型月份葉綠素質量濃度的表層和垂直分布。

圖4 南黃海典型月份的葉綠素a質量濃度的平面和35°N斷面垂直分布Fig.4 Chl－a concentration in the South Yellow Sea for typical months in horizontal distribution and vertical along 35°N section

在生態(tài)模型的基礎上，建立了赤潮模型，并按照假定的環(huán)境條件模擬的青島奧帆賽場及臨近海域的赤潮生消過程，如圖5所示，圖中a～i為生消過程中葉綠素a質量濃度的變化。

3.2 養(yǎng)殖海域生態(tài)模型及容量評估結果

對典型養(yǎng)殖海域桑溝灣，考慮養(yǎng)殖對水動力的影響、養(yǎng)殖生物參與的生物化學過程，建立了該灣的生態(tài)動力學模型，并估算了主要養(yǎng)殖生物的養(yǎng)殖容量，圖6給出了模型的理論框架、全灣平均的葉綠素a質量濃度變化及與實測的對比、全年不同時間、不同規(guī)格扇貝的養(yǎng)殖容量。

圖5 青島近岸海域赤潮生消過程控制實驗（改自文獻［22］）Fig.5 Numerical experiment of evolvement of HAB along the cosat of Qingdao（from modifying the Number 22literature）

圖6 養(yǎng)殖海域生態(tài)模型及桑溝灣葉綠素a質量濃度與扇貝養(yǎng)殖容量模型Fig.6 Ecosystem model for aquaculture areas and model results for Chl－a mass concentration and carrying capacity of shellfish of Sanggou Bay

3.3 渤黃海沉積動力學模擬結果

圖7給出2006－08—2009－04期間10個航次中渤海底層懸浮物調查結果的平均值及以氣候態(tài)模擬的渤海底層懸浮物濃度的年平均值。對比可見，模擬與觀測在分布上大體一致。懸浮物高質量濃度區(qū)域主要在渤海灣南部至黃河口區(qū)域，此外，遼東灣灣頂、遼東半島西側及山東半島東端也有高質量濃度懸浮泥沙分布。這些懸浮物高值區(qū)域與底切應力高值區(qū)域對應，因此這些區(qū)域水動力作用較強。

圖8給出了年沉積厚度沖淤的模擬結果分布。沉積厚度集中的區(qū)域主要集中在萊州灣，其次在北黃海西北部。發(fā)生沖刷的主要區(qū)域在渤海灣、遼東半島西側及朝鮮半島西部。此外，還模擬了現代黃河的沉積厚度分布，結果顯示，在山東半島東南端水下三角洲頂積層，現代黃河沉積速率模擬結果約為0.1cm／a，這與Alexander［23］基于210Pb的調查結果（0.1～0.2cm／a）在量級上一致。

圖7 觀測與模擬的底層懸浮物質量濃度對比Fig.7 Validation of suspended sediment concentration of bottom layer

圖8 模擬的年沉積速率Fig.8 Simulated deposition rates

4 結論

本文闡述了系統(tǒng)化的海洋生態(tài)－沉積－環(huán)境動力學耦合數值模式的理論基礎，給出了生態(tài)模塊、沉積物輸運模塊、精細化水質模塊、養(yǎng)殖模塊、物質擴散及粒子追蹤模塊、評估評價模塊之間的耦合方式，給出了作為各模塊載體的水動力模式的浪流耦合方案，以及功能模塊的表達方程和參數化方案或實現的計算方式。對各功能模塊之間的耦合重點考慮了：沉積動力過程對生物化學過程的作用，包括懸沙導致的光衰減、及考慮層化和波流耦合的底邊界層中有機顆粒的沉積和再懸浮；海浪的耦合作用，包括上層的波致垂向混合、波流耦合的底邊界層過程、三維輻射應力作用下的波致流沿岸物質輸運、及波致底沙液化等；泥沙活動和養(yǎng)殖設施對水動力的作用。

本研究已初步建立了主要的功能模塊，實現了一些模塊的耦合，并用于中國近海海域得到了較好的模擬結果。下一步我們將主要建立并完善精細化水質模塊和物質擴散及粒子追蹤模塊，完成各模塊之間的有效耦合。另外還著重于泥沙過程和生態(tài)過程的銜接，并在生態(tài)模塊實現碳循環(huán)的模擬功能。最后在完成模塊組合和模型驗證的基礎上，給出標準化的系統(tǒng)模式，寫出模式系統(tǒng)介紹和使用說明書。發(fā)展的模式以期能方便、可靠地用于海洋生態(tài)系統(tǒng)動力過程、赤潮生消過程、懸浮物濃度、海底沉積物沖淤、海洋碳循環(huán)、水質、物質擴散、環(huán)境容量、養(yǎng)殖容量等方面的研究和評估評價。

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