近年来海洋环境问题受到人们越来越多的关注,研究海洋环境问题的关键是了解水体中物质输运特征和污染物演化规律。本文针对近海海域典型的海湾水环境,以半封闭海湾象山港为研究海域,引入多种描述物质输运特性的拉格朗日方法,采用数值模拟技术分别对不同描述方法进行对比研究,发展适用于研究复杂水流运动下物质输运特性的描述方法。在此基础上,进一步考虑非保守性物质在水体中的输移转化规律,建立包含浮游植物、氮磷营养盐、溶解氧和含碳生化需氧量的水质模型,并引入数据驱动方法对模型参数进行优化,建立了象山港海域的三维水质模型。采用基于三维不可压缩流体运动基本方程和非结构化网格有限体积法的FVCOM海洋模型,对研究海域的三维潮汐、潮流和温盐的时空变化进行了数值模拟。计算中考虑了潮流、风应力、海表热交换和径流因素的影响。通过与实测资料以及前人研究成果对比,证明模型很好的再现了海湾的水动力特性和温盐分布特征。基于数值模拟结果,对研究海域的潮汐、潮流动力特性和温盐分布特征进行了分析,为进一步研究物质输运等问题提供了准确的动力场。引入时变系统分析工具——拉格朗日相干结构,融合粒子追踪、拉格朗日余流和概要图等多种描述物质输运特性的方法,分别将其应用于研究海域物质输运特征的研究中。通过对不同描述方法结果的分析和对比,发展了结合拉格朗日余流、相干结构和概要图三种基于拉格朗日理论的综合物质输运描述方法。该方法分别从物质的输运和分布、水体的分区特性、水体与外海之间水交换能力等多角度揭示了海湾的物质输运规律,有助于全面深入理解海湾的物质输运和分布特征。余流作为海域物质输运的载体,其分布及驱动因素是描述水体物质输运能力及特征的手段；拉格朗日相干结构和概要图是揭示流场内部物质输运过程和水体归宿的有力工具。利用拉格朗日综合物质输运描述方法对象山港海域不同季节的余流、物质输运过程及时间尺度进行了研究,通过数值试验分析了潮、风应力、海表热交换等不同驱动力作用和台风过程对海湾物质输运特征的影响,研究结论有助于了解海湾物质输运的主驱动力及不同因素对物质输运特征的影响程度和方式。在水动力模型基础上,建立了包含浮游植物生长和死亡、营养盐循环、溶解氧和含碳生化需氧量的三维水质模型。模型不仅考虑了污染物在水流作用下的物理对流扩散过程,而且反映了污染物的化学和生物转化过程。针对模型中大量参数难以确定的问题,建立了基于数据驱动理论的水质动力学模型参数优化方法,在实测水质资料的基础上分别对模型参数进行了选择和优化。结果表明模型模拟结果与实测数据吻合良好,重现了研究海域水质变量的时间和空间变化,验证了该方法对水质模型参数优化的有效性。进一步利用建立的水质模型研究了污染物排放量对研究海域水质的影响。