污染物動(dòng)力擴(kuò)散數(shù)值模型模擬研究

朱志清 葉林安 章紫寧 劉蓮 魯水 徐清

摘要：文章建立污染物動(dòng)力擴(kuò)散數(shù)值模型，并將模型應(yīng)用于象山港污染物擴(kuò)散的模擬計(jì)算。研究結(jié)果表明：象山港海域化學(xué)需氧量、無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽源強(qiáng)的實(shí)測(cè)值與模型模擬結(jié)果之間的相對(duì)誤差基本小于1 5%；污染物動(dòng)力擴(kuò)散數(shù)值模型在總體上有效模擬了象山港化學(xué)需氧量、無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽等污染物的濃度分布，為該模型在其他海域的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：污染物；動(dòng)力擴(kuò)散；數(shù)值模擬；象山港；營(yíng)養(yǎng)鹽

中圖分類號(hào)： P 7 6； X 5 5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 2-0 0 6 4-0 5

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（ 2 0 1 6 Y F C 1 4 0 2 4 0 5） ；自然資源部東海局青年科技基金項(xiàng)目（ 2 0 1 8 0 3）.

N u m e r i c a lM o d e l i n go fD y n a m i cD i f f u s i o no fP o l l u t a n t s： AC a s eS t u d yo fX i a n g s h a nB a y

Z HUZ h i q i n g， Y EL i n ’ a n， Z HAN GZ i n i n g， L I UL i a n， L US h u i， XU Q i n g

（M a r i n eE n v i r o n m e n t a lM o n i t o r i n gC e n t e ro fN i n g b o， S OA， N i n g b o3 1 5 0 4 0， C h i n a）

A b s t r a c t： T h i sp a p e ru s e dt h ed y n a m i cd i f f u s i o n m o d e lo fp o l l u t a n t st oa p p l yt h em o d e lt ot h e s i m u l a t i o no fp o l l u t a n t d i f f u s i o n i nX i a n g s h a nB a y . T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e r e l a t i v e e r r o r sb e -t w e e nt h em e a s u r e dv a l u e so fc h e m i c a lr e q u i r e m e n t s， i n o r g a n i cn i t r o g e n， a n da c t i v ep h o s p h a t e s o u r c ep o l l u t a n t s i nt h ew a t e rq u a l i t yo fX i a n g s h a nP o r ta n dt h em o d e ls i m u l a t i o nr e s u l t sw e r e b a s i c a l l y l e s s t h a n1 5%. T h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fp o l l u t i o ns o u r c e ss u c ha sc h e m i c a l r e -q u i r e m e n t s， i n o r g a n i cn i t r o g e n， a n da c t i v ep h o s p h a t e i nX i a n g s h a nP o r tw a s s i m u l a t e d， w h i c hp r o -v i d e dar e f e r e n c eb a s i sf o rt h ef u t u r ea p p l i c a t i o no ft h i sp o l l u t a n td i f f u s i o nn u m e r i c a lm o d e l i n o t h e rs e aa r e a s .

K e y w o r d s： P o l l u t a n t， D y n a m i cd i f f u s i o n， N u m e r i c a l s i m u l a t i o n， X i a n g s h a nB a y， N u t r i e n t s

0 引言

水動(dòng)力條件和水體交換速率與營(yíng)養(yǎng)鹽等污染物存在一定的相關(guān)關(guān)系[ 1]。建立營(yíng)養(yǎng)鹽等海洋水質(zhì)污染物的動(dòng)力擴(kuò)散模型，可有效估算污染物大致的擴(kuò)散變化動(dòng)態(tài)。部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，潮汐、地形、風(fēng)和科氏力等因素均可影響開放海域的水動(dòng)力、水體交換、鹽度混合和污染物擴(kuò)散等[ 2]，尤其在赤潮頻發(fā)海域更應(yīng)引起重視。因此，建立污染物動(dòng)力擴(kuò)散模型，對(duì)于研究特定海域因污染源變化而引起的海洋災(zāi)害具有重要意義。

象山港是寧波市東南沿海的半封閉式深水港灣[ 3]，擁有獨(dú)特的自然資源優(yōu)勢(shì)，可用于生態(tài)養(yǎng)殖、海洋旅游和濕地保護(hù)，是寧波市的重要海域之一和重要生態(tài)涵養(yǎng)地，屬于具有保護(hù)性的稀有國(guó)土資源[ 4]。目前對(duì)于象山港海域已有較多的研究成果：朱根海等[ 5]利用1 9 8 2—2 0 1 1年?yáng)|海象山港海域主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的年際變化數(shù)據(jù)，提出象山港的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度呈逐年增加的趨勢(shì)；張麗旭等[ 6]分析象山港赤潮監(jiān)控區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽的變化及其結(jié)構(gòu)特征，其中無(wú)機(jī)氮的比值保持穩(wěn)定，整個(gè)監(jiān)控區(qū)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，而無(wú)機(jī)磷一直是該海域初級(jí)生產(chǎn)力的主要潛在限制性因子；葉林安等[ 4]采用2 0 1 6年象山港4個(gè)季節(jié)的調(diào)查資料，提出象山港的主要污染因子為無(wú)機(jī)氮和無(wú)機(jī)磷，重金屬符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。此外，象山港海域環(huán)境因子的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響也越來(lái)越受關(guān)注[ 7-1 0]。

本研究將象山港海域作為研究對(duì)象，建立污染物動(dòng)力擴(kuò)散數(shù)值模型，對(duì)該海域的源強(qiáng)污染物進(jìn)行數(shù)值模擬并與實(shí)際數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，從而驗(yàn)證該模型的有效性，為該模型在象山港等海域的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 污染物動(dòng)力擴(kuò)散數(shù)值模型

初始條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響通常在計(jì)算開始階段，當(dāng)計(jì)算穩(wěn)定后可忽略不計(jì)。本研究的水質(zhì)模型采用冷啟動(dòng)方式，即營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的初始濃度均取0m g/L。水質(zhì)模型的水邊界條件在水邊界附近海域水質(zhì)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上由模型率定。

2 研究區(qū)與模擬污染源

本研究在象山港周邊匯水區(qū)設(shè)置相應(yīng)的計(jì)算源點(diǎn)。由于匯水區(qū)4不臨海，將匯水區(qū)3和匯水區(qū)4東部概化為S 3污染源，并將匯水區(qū)4西部和匯水區(qū)5概化為S 4污染源（圖1）。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，象山港的污染源主要分為2個(gè)部分。①陸域污染源，主要包括工業(yè)企業(yè)、居民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖和水土流失；②海水養(yǎng)殖污染源，主要包括淺海養(yǎng)殖、圍塘養(yǎng)殖和灘涂養(yǎng)殖，主要養(yǎng)殖種類為魚類、蝦類、蟹類和貝類。

3 污染物動(dòng)力擴(kuò)散數(shù)值模擬

3 . 1 化學(xué)需氧量源強(qiáng)

化學(xué)需氧量（ C O D）是表征水體有機(jī)污染的綜合指標(biāo)和描述污染源的重要指標(biāo)之一，在水環(huán)境評(píng)價(jià)、管理和規(guī)劃中被普遍采用，本研究選取C O DC r作為象山港水環(huán)境容量的計(jì)算污染物。根據(jù)污染源調(diào)查結(jié)果，象山港沿岸C O DC r入海量最大的為匯水區(qū)3和匯水區(qū)9，其次為匯水區(qū)8； C O DC r入海量最小的為匯水區(qū)1，其次為匯水區(qū)2和匯水區(qū)2 1。各匯水區(qū)C O DC r源強(qiáng)的組成不同，但以海水養(yǎng)殖、生活污染和水土流失為主，工業(yè)污染和畜禽養(yǎng)殖的占比較低。C O DC r源強(qiáng)按各計(jì)算源點(diǎn)的分配結(jié)果如表1所示。

3 . 2 總氮源強(qiáng)

本研究選取總氮（ T N）作為削減量計(jì)算污染物，從削減T N排放量的角度出發(fā)，分析源強(qiáng)削減對(duì)象山港水環(huán)境的影響，并進(jìn)行削減控制。根據(jù)污染源調(diào)查結(jié)果，氮類營(yíng)養(yǎng)鹽是象山港污染排放的主要污染物。象山港沿岸T N入海量最大的為匯水區(qū)9，其次為匯水區(qū)3； T N入海量最小的為匯水區(qū)2 1，其次為匯水區(qū)1 1。各匯水區(qū)T N源強(qiáng)的組成不同，但以農(nóng)業(yè)面源污染為主。根據(jù)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，象山港水體中總氮含量較高。總氮污染源源強(qiáng)按各計(jì)算源點(diǎn)的分配結(jié)果如表2所示。

3 . 3 總磷源強(qiáng)

本研究選取總磷（ T P）作為削減量計(jì)算污染物，從削減T P排放量的角度出發(fā)，分析源強(qiáng)削減對(duì)象山港水環(huán)境的影響，并進(jìn)行削減控制。根據(jù)污染源調(diào)查結(jié)果，磷類營(yíng)養(yǎng)鹽是象山港污染排放中的主要污染物。象山港沿岸T P入海量最大的為匯水區(qū)9，其次為匯水區(qū)8； T P入海量最小的為匯水區(qū)2 1，其次為匯水區(qū)1 1。各匯水區(qū)T P源強(qiáng)的組成不同，但以農(nóng)業(yè)面源污染和海水養(yǎng)殖污染為主。根據(jù)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，象山港水體中總磷含量較高?？偭孜廴驹丛磸?qiáng)按各計(jì)算源點(diǎn)的分配結(jié)果如表3所示。

3 . 4 主要污染物的換算關(guān)系

本研究選取化學(xué)需氧量、無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽用于環(huán)境容量或削減量的計(jì)算。根據(jù)象山港水體中各污染物濃度分布的對(duì)比，確定象山港C O DC r和C O DM n、總氮和無(wú)機(jī)氮以及總磷和活性磷酸鹽之間的換算系數(shù)。

3 . 4 . 1 C O DC r和C O DM n

C O DC r和C O DM n是由不同測(cè)定方法求得的化學(xué)需氧量數(shù)值，在陸地上以重鉻酸鉀法測(cè)定的C O DC r表達(dá)，在海水中以堿性高錳酸鉀法測(cè)定的C O DM n表達(dá)。通常認(rèn)為水體中C O DC r的濃度是C O DM n的2 . 5倍，在涉及二者之間換算時(shí)采用此換算系數(shù)。

3 . 4 . 2 總氮和無(wú)機(jī)氮

根據(jù)2 0 1 8年象山港夏季和冬季的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到總氮和無(wú)機(jī)氮在水體中的濃度比值（表4）。本研究取無(wú)機(jī)氮與總氮的源強(qiáng)以及在水體中的平均濃度比值為0 . 6 9 00，即總氮的源強(qiáng)以及在水體中的平均濃度是無(wú)機(jī)氮的1 . 4 5倍，在涉及二者之間換算時(shí)采用此換算系數(shù)。

3 . 4 . 3 總磷和活性磷酸鹽

根據(jù)2 0 1 8年象山港夏季和冬季的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到總磷和活性磷酸鹽在水體中的濃度比值（表5）。本研究取活性磷酸鹽與總磷的源強(qiáng)以及在水體中的平均濃度比值為0 . 3 9 60，即總磷的源強(qiáng)以及在水體中的平均濃度是活性磷酸鹽的2 . 5 2倍，在涉及二者之間換算時(shí)采用此換算系數(shù)。

4 結(jié)果分析和對(duì)比

4 . 1 C O DM n

象山港C O DM n的濃度分布總體呈現(xiàn)自灣口到灣內(nèi)逐漸增大的趨勢(shì)。外灣濃度較低，大部分區(qū)域的濃度小于1m g/L。西滬港、黃墩港和鐵港內(nèi)的濃度較高，且越靠近灣頂?shù)臐舛仍酱螅渲形鳒蹆?nèi)的濃度為1 ～ 1 . 3m g/L，黃墩港內(nèi)大部分區(qū)域的濃度為1 . 2 ～ 1 . 5m g/L，鐵港內(nèi)的濃度基本大于1 . 3m g/L。象山港C O DM n濃度最高的區(qū)域位于鐵港海域，最大濃度超過(guò)1 . 5m g/L；象山港C O DM n的總體分布與實(shí)測(cè)濃度等值線的分布基本一致，僅局部區(qū)域略有偏差。水質(zhì)調(diào)查的實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算結(jié)果之間的相對(duì)誤差基本小于1 5%，水質(zhì)模型在總體上較成功地模擬了象山港C O DM n的濃度分布。

4 . 2 無(wú)機(jī)氮

象山港無(wú)機(jī)氮的濃度分布總體呈現(xiàn)自灣口到灣內(nèi)逐漸增大的趨勢(shì)。外灣濃度較低，大部分區(qū)域的濃度小于0 . 5 8m g/L。西滬港、黃墩港和鐵港內(nèi)的濃度較高，大部分區(qū)域的濃度大于0 . 7 1m g/L，最大濃度達(dá)0 . 8 2m g/L；其原因除陸源排放外，還可能是由漲、落潮時(shí)灘涂底泥翻攪釋放所致；象山港無(wú)機(jī)氮的總體分布與實(shí)測(cè)濃度等值線的分布基本一致，僅局部區(qū)域略有偏差。水質(zhì)調(diào)查的實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算結(jié)果之間的相對(duì)誤差基本小于1 5%，水質(zhì)模型在總體上較成功地模擬了象山港無(wú)機(jī)氮的濃度分布。

4 . 3 活性磷酸鹽

象山港活性磷酸鹽的濃度分布總體呈現(xiàn)自灣口到灣內(nèi)逐漸增大的趨勢(shì)。外灣濃度較低，大部分區(qū)域的濃度小于0 . 0 3 0m g/L。西滬港、鐵港和黃墩港內(nèi)的濃度較高，其中西滬港基本大于0 . 0 4 0m g/L，鐵港和黃墩港大于0 . 0 5 0m g/L。象山港活性磷酸鹽的總體分布與實(shí)測(cè)濃度等值線的分布基本一致，僅局部區(qū)域略有偏差。水質(zhì)調(diào)查的實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算結(jié)果之間的相對(duì)誤差小于1 5%的占比達(dá)8 5%，水質(zhì)模型在總體上較成功地模擬了象山港活性磷酸鹽的濃度分布。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究建立污染物動(dòng)力擴(kuò)散數(shù)值模型，并將其應(yīng)用于象山港污染物擴(kuò)散模擬計(jì)算。研究結(jié)果表明，象山港海域化學(xué)需氧量、無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽源強(qiáng)的實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算結(jié)果之間的相對(duì)誤差基本小于1 5%，污染物動(dòng)力擴(kuò)散數(shù)值模型在總體上有效地模擬了象山港化學(xué)需氧量、無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽的濃度分布，可為該模型在其他海域的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[ 1] 梁書秀，孫昭晨.渤海典型余環(huán)流及其影響因素研究[ J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2 0 0 6， 4 6（ 1） ： 1 0 3-1 1 0.

[ 2] 蔡惠文，孫英蘭，張?jiān)矫?，?寧波-舟山海域污染物擴(kuò)散的數(shù)值模擬[ J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） ， 2 0 0 6， 3 6（ 6） ： 9 7 5-9 8 0.

[ 3] 葉林安，江志法，廖友根，等.象山港海域水質(zhì)的模糊綜合評(píng)價(jià)[ J].浙江水利科技， 2 0 1 5， 4 3（ 2） ： 1 5-1 9.

[ 4] 葉林安，徐清，朱志清，等.2 0 1 6年象山港水質(zhì)分布變化與主要污染因子分析[ J].科技通報(bào)， 2 0 1 8， 3 4（ 1 2） ： 2 6 5-2 7 0.

[ 5] 朱根海，陳麗紅，劉晶晶，等.東海象山港海域主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)年際變化及環(huán)境影響評(píng)價(jià)[ J].環(huán)境經(jīng)濟(jì)與管理， 2 0 1 2， 2 2（ 2） ： 8 4 9-8 5 2.

[ 6] 張麗旭，蔣曉山，蔡燕紅.近4年來(lái)象山港赤潮監(jiān)控區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽變化及其結(jié)構(gòu)特征[ J].海洋通報(bào)， 2 0 0 6， 2 5（ 6） ： 1-8.

[ 7] 羅益華.象山港海域水質(zhì)狀況分析與污染防治對(duì)策[ J].污染防治技術(shù)， 2 0 0 8， 2 1（ 3） ： 8 8-9 0.

[ 8] 顧曉英，陶磊，尤仲杰，等.象山港大型底棲動(dòng)物群落特征[ J].海洋與湖沼， 2 0 1 0， 4 1（ 2） ： 2 0 8-2 1 3.

[ 9] 曾相明，管衛(wèi)兵，潘沖.象山港多年圍填海工程對(duì)水動(dòng)力影響的累積效應(yīng)[ J].海洋學(xué)研究， 2 0 1 1， 2 9（ 1） ： 7 3-8 3.

[ 1 0] 蔡曉晴.象山港海灣生態(tài)系統(tǒng)綜合承載力評(píng)估[ J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） ， 2 0 1 5， 1 2（ 4） ： 1 1 0-1 2 1.

[ 1 1] 王澤良，陶建華，季民.渤海灣中化學(xué)需氧量（ C O D）擴(kuò)散、降解過(guò)程研究[ J].海洋通報(bào)， 2 0 0 4， 2 3（ 1） ： 2 7-3 1.