基於GIS的近海岸水環境動力模擬與污染風險機理研究

《基於GIS的近海岸水環境動力模擬與污染風險機理研究》是依託中國海洋大學，由劉強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於GIS的近海岸水環境動力模擬與污染風險機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉強
• 依託單位：中國海洋大學

中文摘要

近海岸環境模擬與污染風險及沿岸社會可持續發展是一個亟待解決的系統熱點問題。本項目以水環境動力模擬作為複雜系統中關鍵問題的切入點，採用多學科交叉和集成的研究方法，探討自然條件與人為因素雙重作用對海洋環境及社會可持續發展的影響。近海岸環境背景和污染控制因素機理複雜，受到波浪、潮汐、海流及河口等多種不同時間和空間尺度的水動力因素影響，導致污染物的輸移擴散複雜。通過數值模擬與觀測數據結合建立基於GIS信息集成的描述流速、密度、溫度等主要特徵的水環境動力模型。利用Monte Carlo數值工具軟體對污染風險值做定量分析，從而為研究系統中環境模擬背景變數、指示變數、指標篩選、綜合風險評價模型構建、評價標準及量級劃分等關鍵科學問題提供理論技術支撐。套用模型和實際觀測數據結合RS、GPS、GIS等新技術，選擇山東省青島市作為示範，為國家海洋資源綜合利用與海岸帶城市發展和風險管理提供可借鑑的科學依據。

結題摘要

本研究探討近海岸水環境動力模擬與污染風險機理等問題。海洋生態環境問題已成為我國沿海地區城市化發展和海洋經濟發展最大的挑戰之一。沿海污染物入海總量居高不下，近岸污染面積擴大，赤潮災害頻繁出現，重大溢油與化工污染事故時有發生。海岸帶陸源污染源中，入海排污口污染源、入海河流污染源和非點源污染源問題嚴重。近海岸水環境動力模擬作為複雜系統採用數值模型與同化分析研究方法，對環境變數的預警預報從模型及算法上也做了探討和初步分析研究。通過數值模擬與觀測數據結合建立描述流速、密度、溫度等主要特徵的水環境動力模型。套用風險分析與評估方法辨識海岸帶風險源並建立GIS數據模型，對潛在風險因素特別是工業污染風險源做出風險登記與管理清單，污染風險源作為控制與預防海岸帶污染的基礎數據。鑒於海岸帶污染與海洋災害的耦合性，建立了山東沿海的風暴潮區劃模型並探討了災害管理與沿海可持續發展。沿海城市的污染災害預報以污染源擴散：污染預報系統因其作用機理複雜性、隨機不確定性，加大了污染預報的難度。通過基於狀態空間模型的擴展Kalman濾波（EKF）方法對沿海城市污染災害進行實時預報模擬。基於沿海城市發生風暴潮、洪水與污染災害的關鍵影響因素，該方法建立水動力影響因素的定量描述，並用狀態空間模型來表示。Kalman濾波方法是遞推算法，保證了對水污染及洪水災害動態跟蹤的實時性。同時研究了海洋生態模型中參數時空分布的反演問題，將伴隨同化方法套用于海洋生態系統動力學模型，模型含有NPZD（營養鹽、浮游植物、浮遊動物、碎屑）四個狀態變數。將一年平均分為72個過程，將模型中的參數賦值，正向運行模式1年，對比實驗結果，可以看出考慮參數時空分布的實驗誤差最小，模擬精度最高。說明在海洋生態系統動力學數值模擬中，考慮參數時空分布更合理，更具有海洋物理意義且符合生態機制；伴隨同化技術在最佳化時空變化的參數方面是有效的方法。在傳統二維潮波方程的基礎上加入了內潮耗散項，考慮了內潮耗散對潮波系統的影響。改進了內潮耗散參數化方案，並給出內潮耗散項中地形效應參數的計算公式。氣候變遷與海洋災害對海岸帶水域環境的影響日益得到重視，人類活動對自然環境的承載力風險不斷增加。例如：以青島、煙臺為發展中心的經濟區域對黃海海域的污染情況，特別是沿岸核電工業與石油化工工業的潛在風險更應該引起重視。海洋環境力學問題作為多學科交叉的複雜系統值得長期深入開展研究。