大沽河河口區(qū)氮磷營養(yǎng)鹽輸移轉(zhuǎn)化行為研究?

馬曉波， 尹則高， 孫寓姣， 王震宇

(1. 中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100;3.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875)

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大沽河河口區(qū)氮磷營養(yǎng)鹽輸移轉(zhuǎn)化行為研究?

馬曉波1， 尹則高2??， 孫寓姣3， 王震宇1

(1. 中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100;3.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875)

基于MIKE21軟件，建立潮流、徑流耦合作用下大沽河河口區(qū)氮磷營養(yǎng)鹽輸移轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型。利用數(shù)學(xué)模型，對實測工況進(jìn)行了模擬，并與相應(yīng)的實測資料進(jìn)行驗證；在此基礎(chǔ)上，對不同徑流和排污條件下的氮磷營養(yǎng)鹽分布進(jìn)行預(yù)測分析。結(jié)果表明：大沽河口附近DO濃度較低，氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽濃度較高。平水期流量條件下，上述物質(zhì)進(jìn)入膠州灣后有偏向河口右側(cè)海岸的趨勢。豐水期流量條件下，各水質(zhì)參數(shù)的分布趨向均勻；上述物質(zhì)進(jìn)入膠州灣后基本上呈現(xiàn)以河口縱向主槽為對稱軸，兩側(cè)對稱分布的特征。不同排污條件下，河口附近DO從北向南基本呈現(xiàn)遞增趨勢，而氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽則相反。一、二級污水排放條件下，河口附近DO符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；而無機(jī)氮和磷酸鹽為超四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

大沽河河口； 無機(jī)氮； 磷； 數(shù)值模擬

大沽河發(fā)源于山東省招遠(yuǎn)市，在膠州市注入膠州灣。全長179.9 km，年均徑流量6.3億m3，流域面積6 100 km2，是膠州灣的最大入海河流。2010年監(jiān)測資料表明，大沽河及膠州灣水體污染較嚴(yán)重，主要污染物是無機(jī)氮、磷酸鹽、石油類和鉛；其中大沽河干流Ⅰ 至Ⅲ 類水質(zhì)的河段占監(jiān)測河段長度的66.2%，Ⅳ 類水質(zhì)河段占監(jiān)測河段長度的16.0%，Ⅴ 和劣Ⅴ 類水質(zhì)的河段占監(jiān)測河段長度的17.8%。污染物的排放和累積，超過了水體的自凈能力，導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量惡化，生態(tài)平衡遭到破壞，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐恼Ｉa(chǎn)和生活。

近年來，諸多學(xué)者對世界主要河口海岸地區(qū)的水體富營養(yǎng)化污染進(jìn)行了大量研究。Testa等[1]利用泥沙通量數(shù)學(xué)模型，對Chesapeake灣的氮，磷和硅循環(huán)進(jìn)行了模擬，進(jìn)而對各復(fù)雜物理化學(xué)環(huán)境下的氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽等參數(shù)分布進(jìn)行了成功的反演。Vanderborght等[2]建立了歐洲Scheldt河口海岸地區(qū)的營養(yǎng)物質(zhì)輸移反應(yīng)二維數(shù)學(xué)模型，對碳、氮、氧和硅的輸移和轉(zhuǎn)化行為進(jìn)行了研究，分析了潮流等因素對當(dāng)?shù)厣锏厍蚧瘜W(xué)循環(huán)的影響。Chen等[3]分析了最近30年長江口的總氮、硝態(tài)氮、總磷和磷酸鹽數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)上述污染物濃度大幅持續(xù)增加，2003—2010年間，總氮最大值從3.07mg/L增加到4.48mg/L，總磷最大值從0.25mg/L增加到0.34mg/L。Xu等[4]對2005和2006年南中國海的氮磷營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)進(jìn)行了觀測和分析，發(fā)現(xiàn)浮游植物受氮磷的共同影響，而珠江泄流、降雨和風(fēng)場因素影響了氮磷等限制性營養(yǎng)元素的確定。膠州灣近岸污染研究方面，孫優(yōu)善等[5]分析了2005年5、8和10月膠州灣海域水質(zhì)調(diào)查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)磷酸鹽局部超標(biāo)，無機(jī)氮則嚴(yán)重超標(biāo)。韓彬等[6]分析了2006年和2007年的實測大沽河口水質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)無機(jī)氮和石油類為該海域的主要污染物，該海域總體營養(yǎng)水平較高。孫曉霞等[7]分析了近40余年來膠州灣營養(yǎng)鹽濃度與結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，指出近年來膠州灣各項營養(yǎng)鹽濃度都呈現(xiàn)增加趨勢，但不同種類營養(yǎng)鹽的變化時期并不相同。陳晨等[8]研究了膠州灣營養(yǎng)鹽的分布，發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)鹽分布都是從灣內(nèi)向灣口遞減，微表層海水對氮、硅均有不同程度的富集作用，對磷無富集現(xiàn)象。過鋒等[9]依據(jù)1997—2011年部分月份的水環(huán)境調(diào)查資料，對膠州灣貝類養(yǎng)殖區(qū)氮、磷污染現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，結(jié)果表明2011年膠州灣貝類養(yǎng)殖區(qū)氮、磷污染程度具有明顯的季節(jié)變化，以10月最重，8月次之，3月最輕。婁安剛等[10]則預(yù)測了膠州市城市污水處理場正常運行和事故情況下大沽河口鄰近海域的水質(zhì)情況。

雖然上述學(xué)者對膠州灣水環(huán)境進(jìn)行了大量的觀測計算和分析工作，但對于大沽河口復(fù)雜水動力行為對膠州灣水環(huán)境影響的考慮仍不足，徑流和潮流耦合作用下的氮磷營養(yǎng)鹽輸移轉(zhuǎn)化特性研究亟待深入。本文建立了大沽河口氮磷營養(yǎng)鹽輸移轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型，利用觀測資料對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗證；進(jìn)而研究了典型徑流和排污條件下氮磷營養(yǎng)鹽輸移轉(zhuǎn)化行為。

1 數(shù)學(xué)模型

MIKE21是一個專業(yè)的工程軟件包，用于模擬河流、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境。考慮到MIKE21軟件在模擬潮流、徑流和水環(huán)境等方面的強(qiáng)大功能，本文選用其作為計算軟件進(jìn)行計算。

1.1 控制方程

1.1.1 水動力學(xué)模型控制方程 垂向平均的二維水動力數(shù)學(xué)模型控制方程包括連續(xù)性方程和動量方程。

連續(xù)性方程：

(1)

x方向動量方程：

(2)

y方向動量方程：

(3)

式中：t為時間；ζ為水面高程；h為水深；p、q分別為x，y方向上的單寬流量；g為重力加速度；C為謝才系數(shù)；Ex，Ey為x，y方向的渦黏系數(shù)；Ω為科氏力參數(shù)。利用有限差分格式和非疊代交替方向隱式法求解方程(1)，(2)和(3)。

1.1.2 氮磷營養(yǎng)鹽輸移模型控制方程 營養(yǎng)鹽生物化學(xué)過程與表述物理過程的輸移模型緊密相關(guān)，其控制形式如下：

(4)

式中：c為營養(yǎng)鹽濃度；u、v分別為x，y方向上流速；Dx、Dy分別為x，y方向上的擴(kuò)散系數(shù)；Qs為源匯項；R為由于化學(xué)生物作用的營養(yǎng)鹽產(chǎn)生和消耗速率。

在利用水動力學(xué)模型求得u，v和h的基礎(chǔ)上，利用三階的QUICKEST格式求解方程(4)。

1.1.3 水質(zhì)模型控制方程 基于MIKE21軟件的ECOLAB模塊，選取水質(zhì)營養(yǎng)鹽項，模型包含7個主要變量，9個輔助變量和39個常數(shù)。由于篇幅所限，這里只給出本文關(guān)心的DO，氨氮，硝酸鹽和磷酸鹽質(zhì)量平衡方程。

DO質(zhì)量平衡方程：

(5)

式中:DO為溶解氧濃度，α1、α2、α3、α4和α5分別為大氣復(fù)氧率，生物化學(xué)過程耗氧率，植物光合作用復(fù)氧率，浮游動植物呼吸作用耗氧率和泥沙耗氧率。

氨氮質(zhì)量平衡方程：

(6)

硝酸鹽質(zhì)量平衡方程：

(7)

磷酸鹽質(zhì)量平衡方程：

(8)

水質(zhì)模型框架及參數(shù)間的相互關(guān)系見圖1[11]。公式(5)～(8)中相關(guān)速率參數(shù)的具體設(shè)置方法，請參見相關(guān)文獻(xiàn)[12]，這里不再贅述。

1.2 邊界條件和參數(shù)設(shè)置

1.2.1 開邊界條件 水動力學(xué)模型開邊界采用Dirichlet邊界條件，即潮(或水)位控制z|邊界=ζ(t)，其中ζ(t)為外海開邊界的潮位或河口匯入處的水位。水質(zhì)模型采用Neumann邊界條件，即各水質(zhì)參數(shù)的梯度為零。

1.2.2 壁面邊界條件 床面上，水動力學(xué)模型采用不可入和無滑移邊界，即法向速度為零，切向流速的法向梯度也為零；水質(zhì)模型采用Land方法進(jìn)行處理。采用干濕法處理動邊界。

1.2.3 參數(shù)設(shè)置 模型采用的時間步長為10s，最大克朗數(shù)取0.6。膠州灣區(qū)域較大，不同位置Manning數(shù)有所不同；在對實測資料進(jìn)行率定的基礎(chǔ)上，取0.033～0.036。紊動黏性系數(shù)的計算采用Smagorinsky公式計算得到，這里取0.28。采用平均海平面作為計算基準(zhǔn)面。

圖1 水質(zhì)模型框架

1.3 網(wǎng)格劃分、地形資料與源項設(shè)置

1.3.1 網(wǎng)格劃分 模型囊括整個膠州灣海域；計算水域面積約367km2；三角形網(wǎng)格個數(shù)：21486；網(wǎng)格節(jié)點數(shù)：12585；模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計算網(wǎng)格圖Fig.2 Computation grids

1.3.2 地形資料 水深采用國家海洋局第一海洋研究所于1992年測量的1∶2.5萬的數(shù)據(jù)。

1.3.3 源項設(shè)置 根據(jù)膠州灣入海河流和沿岸污水處理廠分布情況，將主要入海污染源分成8個排污單元，分別為團(tuán)島、海泊河、李村河、板橋坊河、樓山河、墨水河、大沽河和前灣，具體位置見圖3。將上述排污單元對應(yīng)工況作為源項代入數(shù)學(xué)模型參與計算。

圖3 排污入海源項分布Fig.3 Pollutant sources distribution in Jiaozhou bay

2 水動力模型驗證、預(yù)測與分析

2.1 模型驗證

利用MIKE21軟件對大沽河河口進(jìn)行潮位預(yù)測。根據(jù)2008年10月14日10時—15日11時大潮期間全潮水文觀測資料，對1#站采用潮汐調(diào)和常數(shù)M2進(jìn)行潮位驗證，對2#號和3#測站進(jìn)行了流速和流向驗證。對2011年5月、8月和10月4#～8#5個測站的DO，氨氮，硝酸鹽和磷酸鹽進(jìn)行了連續(xù)觀測。測站位置見圖4。

圖4 測站位置示意圖Fig.4 Measured data stations map

2.1.1 潮位驗證 從圖5和表1中可以看出，計算振幅與實測值最大偏差0.011 9 m，計算遲角與實測值最大偏差為0.24°，模型模擬效果較好。

圖5 1#站潮位驗證

表1 潮汐調(diào)和常數(shù)(M2)驗證

2.1.2 流速和流向驗證 從圖6和7可以看出，計算流速大小和方向與觀測數(shù)據(jù)基本一致，相對誤差一般在15%以內(nèi)，模擬結(jié)果比較可靠。需要注意的是15日5時左右，圖7(a)中的3#測站計算流速與實測值相差較大，可能的一個原因是1992年觀測的水深數(shù)據(jù)與2008年的實際地形不匹配引起的。

圖6 2#測站實測值與計算值對比

總之，對于潮汐來說，本文建立的潮流數(shù)學(xué)模型模擬得到的M2分潮振幅和遲角與實測值比較一致；對于潮流來說，潮流速和流向的模擬結(jié)果也相對可靠。所以，可以利用該模型進(jìn)行膠州灣潮流場的預(yù)測和分析。

2.1.3 水質(zhì)參數(shù)驗證 從圖8可以看出，2011年5—10月，膠州灣內(nèi)由西向東4#～8#5個測站的DO基本上呈現(xiàn)遞減趨勢，氨氮和磷酸鹽基本上呈現(xiàn)遞增趨勢；而硝酸鹽在5#和6#測站數(shù)值較小，7#和8#測站數(shù)值較大。分析原因是由于膠州灣東部的墨水河及李村河等匯入，帶來了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致氮磷營養(yǎng)鹽參數(shù)較高，污染比較嚴(yán)重。

圖7 3#測站實測值與計算值對比

從圖8(a)可以看出，各站的DO在8月份數(shù)值最小，4#、5#和6#測站的DO10月大于5月對應(yīng)值。從圖8(b)可以看出，4#、5#和6#測站的氨氮在8月份數(shù)值最??；7#測站的氨氮在5、8和10月份數(shù)值都較大；8#測站的氨氮則在8月份數(shù)值最大。從圖8(c)可以看出，4#～8#5個測站10月的硝酸鹽數(shù)值最大；8月的硝酸鹽數(shù)值次之，5月的硝酸鹽數(shù)值最小。從圖8(d)可以看出，4#測站磷酸鹽數(shù)值最小，5#、6#和7#測站不同程度的增加；8#測站的最大，大約為4#測站的3～4倍。從圖8還可以看出，不同月份上述測站的DO、氨氮，硝酸鹽和磷酸鹽計算值與實測值相對誤差較小，吻合較好，說明可以利用建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行大沽河口氮磷營養(yǎng)鹽的輸移轉(zhuǎn)化行為研究。

2.2 典型徑流條件下大沽河口水質(zhì)參數(shù)計算分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13]，大沽河全線水質(zhì)確保不低于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。這里選?、箢愃畢?shù)上限作為入?？刂茦?biāo)準(zhǔn)。根據(jù)大沽河河口的氣象水文資料，確定豐水期流量3000m3/s，平水期流量209.6m3/s。由于枯水期流量較小，計算工況跟模型驗證類似，這里不再討論。

2.2.1 平水期流量 從圖9中可以看出，平水期徑流3 h后，大沽河口DO濃度較低，氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽濃度較高。分析原因是徑流帶來了大量的污染物，導(dǎo)致大沽河口局部區(qū)域營養(yǎng)鹽濃度有明顯增加，河流營養(yǎng)鹽匯入是膠州灣水體富營養(yǎng)化的一個重要原因。隨著沿程紊動擴(kuò)散混摻作用的影響，DO濃度逐漸增加，而氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽濃度大致呈現(xiàn)降低的趨勢。氨氮在河口局部區(qū)域數(shù)值較大，原因可能是此處DO濃度急劇降低，梯度較大，影響了氨氮的硝化進(jìn)程。從平面分布來看，由于右側(cè)海岸線放寬率不同程度的大于左側(cè)岸線，大沽河攜帶的DO、氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽進(jìn)入膠州灣后有偏向河口右側(cè)海岸的趨勢。

圖8 4#～8#測站水質(zhì)實測參數(shù)與計算值Fig.8 Measured and computed data of water quality at 4#～8# stations

2.2.2 豐水期流量 從圖10中可以看出，豐水期徑流3h后，大沽河口DO、氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽濃度分布規(guī)律與平水期相似，但分布范圍有明顯增加。具體說來，河口附近5.2mg/L以下的DO分布范圍增加至平水期的6.3倍左右，1mg/L以下的氨氮分布范圍增加至平水期的7.2倍左右，1mg/L以下的硝酸鹽分布范圍增加至平水期的5.25倍左右，0.16mg/L以下的磷酸鹽分布范圍增加至平水期的5.8倍左右。另外由于豐水期流量的增加，徑流和潮流的紊動混摻范圍和強(qiáng)度有較明顯增加，導(dǎo)致各水質(zhì)參數(shù)的分布更為均勻。由于徑流作用增強(qiáng)，大沽河攜帶的DO、氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽進(jìn)入膠州灣后偏河口右側(cè)分布的趨勢減弱，基本上呈現(xiàn)以河口縱向主槽為對稱軸，兩側(cè)對稱分布的狀態(tài)。

圖9 平水期流量條件下3 h計算水質(zhì)參數(shù)(大潮期漲急時刻)

圖10 豐水期流量條件下3 h計算水質(zhì)參數(shù)(大潮期漲急時刻)Fig.10 Computed water quality parameters after 3 hours discharge at flood period of spring tide

2.3 典型排污條件下大沽河口水質(zhì)參數(shù)計算分析

根據(jù)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》[14]，圖3所示8個排污單元應(yīng)滿足2級污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。這里取2級污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)中各水質(zhì)參數(shù)上限作為排放條件，進(jìn)行計算，排放15日后的結(jié)果見圖11。為進(jìn)一步分析排污水質(zhì)的影響，進(jìn)而選取1級污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)中各水質(zhì)參數(shù)上限作為排放參數(shù)進(jìn)行模擬，排放15日后的結(jié)果見圖12。

圖11 二級污水上限排放入海計算水質(zhì)參數(shù)(大潮期漲憩時刻)

2.3.1 二級污水上限排放 從圖11中可以看出，DO從北向南基本呈現(xiàn)遞增的趨勢，且在大沽河口東側(cè)附近出現(xiàn)極小區(qū)；隨著遠(yuǎn)離排污位置，氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽從北向南基本呈現(xiàn)遞減趨勢。圖11所示區(qū)域內(nèi)，DO滿足一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[15]，無機(jī)氮、磷酸鹽超四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；可見大沽河口的主要污染物是N和P。

2.3.2 一級污水上限排放 從圖12中可以看出，DO、氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽平面分布與圖11相似。但上述參數(shù)均有不同程度的改善。圖12所示區(qū)域內(nèi)，DO滿足一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，無機(jī)氮、磷酸鹽仍為超四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。較短時間內(nèi)排污入海水質(zhì)的提高，對大沽河口水質(zhì)的提升影響不大。

圖12 一級污水上限排放入海計算水質(zhì)參數(shù)(大潮期漲憩時刻)

3 結(jié)論與展望

(1)基于MIKE21軟件，建立了潮流、徑流耦合作用下大沽河河口區(qū)氮磷輸移轉(zhuǎn)化水動力學(xué)和水質(zhì)模型。利用數(shù)學(xué)模型，對典型潮流場的潮位、流速流向和水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了模擬，并與實測資料進(jìn)行了驗證，兩者吻合較好。

(2)在此基礎(chǔ)上，對典型徑流作用下的大沽河口水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明:大沽河帶來了大量的污染物，河口附近DO濃度較低，氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽濃度較高。平水期流量條件下，大沽河攜帶的DO、氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽進(jìn)入膠州灣后有偏向河口右側(cè)海岸的趨勢。豐水期流量條件下，各水質(zhì)參數(shù)的分布更為均勻；進(jìn)入膠州灣后基本上呈現(xiàn)以河口縱向主槽為對稱軸，兩側(cè)對稱分布的狀態(tài)。

(3)不同排污條件下，大沽河口附近海域DO從北向南呈現(xiàn)遞增趨勢，而氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽則相反。一、二級污水排放條件下，河口附近DO符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；而無機(jī)氮和磷酸鹽為超四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。較短時間內(nèi)排污水質(zhì)的提高，對大沽河口海域水質(zhì)的提升影響不大。

(4)值得一提的是，由于枯水期的來水量較小，徑流動力條件較弱，對于污染物的輸移擴(kuò)散相對不利，枯水期間的水質(zhì)問題值得進(jìn)一步關(guān)注。

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[14] 國家技術(shù)監(jiān)督局. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 8978-1996) [S]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1996.

[15] 國家環(huán)境保護(hù)局和國家海洋局. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3097-1997) [S]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1997.

責(zé)任編輯 陳呈超

Nitrogen, Phosphate Transport and Transformation Research at Dagu Estuary

MA Xiao-Bo1, YIN Ze-Gao2, SUN Yu-Jiao3, WANG Zhen-Yu1

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. College of Water Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

Dagu Estuary; inorganic nitrogen; phosphate; numerical simulation

國家自然科學(xué)基金項目(51009123；51579229)資助

2013-12-27；

2014-05-10

馬曉波(1975-)，女，博士生，主要從事水體污染與修復(fù)研究。E-mail：xb_ma@hotmail.com

??E-mail：yinzegao@ouc.edu.cn

P731.2

A

1672-5174(2015)11-100-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20130471