青島堿廠溫排水對婁山河口附近水環境的影響預測

李曉靜，婁安剛，王 璟，鄭嫣茹，邱照宇

（中國海洋大學環境科學與工程學院，中國海洋大學海洋環境生態重點實驗室，青島 266100）

膠州灣位于山東半島南部（35°58′～36°18′N，120°04′～120°23′E），屬半封閉性海灣。灣內岸線長 163 km，總面積423 km2，其中灘涂面積125 km2，0 m線以下水域面積298 km2，平均水深6～7 m，灣內最大水深64 m［1］。

婁山河口位于膠州灣東北部，青島堿廠白泥脫硫廢水由婁山河口外海南側排入膠州灣。由于膠州灣海域海水溫度場的空間結構明顯地分為2種類型：冬季型和夏季型［2］，因此本文在流場模擬的基礎上，利用湍流熱擴散方程預測冬夏兩季溫排水在環境水體中的運移擴散范圍，分析其對水質及海洋生態環境的影響。

1 二維潮流模型

由于排污口附近海域水深較淺，故運用深度平均二維潮流模型［3］，采用不規則三角形網格劃分模擬區域，分步雜交方法求解。

1.1 基本控制方程組

連續方程

運動方程組

式中：ζ為平均海平面起算的海面高度；H=ζ+h為總水深，h為靜水深；g為重力加速度；f=2ωsinφ為柯氏力參量（ω為地球自轉角速度，φ為地球緯度）；u、v分別為x、y方向的深度平均流速；C為謝才系數，主要取決于海底粗糙度，同時依賴于水深，本文應用Manning公式

式中：n為表征海底粗糙度的Manning系數。

（1）初始條件。t=0 時，u=u0，v=v0，ζ=ζ0。

（2）陸邊界。ucosα+vcosβ=0。

（3）開邊界。ζ=ζ′（水界強迫函數）。

本文采用非結構三角網格的分步雜交方法，在前半步采用特征線方法，在后半步采用集中質量有限元方法求解方程。

1.2 計算域及網格設置

本文計算海域選取嶗山頭—朝連島—靈山島聯線以西海域，包括膠州灣及其鄰近海域（圖1）。采用三角形網格，計算域共5 808個節點、10 763個單元格，計算海域最小網格間距為50 m，最大網格間距為2 000 m（圖2）。

1.3 水深

由于海灣大橋墩柱距離小于計算網格，網格無法反映出海灣大橋的存在，根據文獻［4］的處理方法，采用式（5）對海灣大橋所在區進行水深修正

式中：ΔH為樁基所在區的折減水深；d為樁徑；B為樁距；H為天然水深；α為水深折減系數，是d/B的函數，其值在1.3～4.0，本文取中值2.5。

1.4 水界輸入

我國判斷潮汐類型的標準為HK1+HO1/HM2，膠州灣及其附近海域的值小于0.5，是正規半日潮海域，因此，可輸入下列方程作為水界強迫函數

式中：ζ為水位；t為時間；HM2為M2分潮調和常數振幅；σM2為M2分潮角速度；gM2為M2分潮調和常數遲角。

2 溫排水數值模型

基本方程

式中：T為沿深度平均溫升；Dx、Dy分別為x、y方向的溫度湍流擴散系數；R為海面綜合散熱系數，不考慮風速的影響；Cp為海水的定壓比熱；ρ為海水密度；f為熱源項。

（1）邊界條件。

（2）初始條件。

利用Gunneberg公式計算得出海面綜合散熱系數

式中：Ts為各個網格的計算溫升值加上環境本底水溫值。

經現場測試，青島堿廠溫排水入海口溫度為32℃，流量為4 400 m3/h。考慮冬夏兩季的不同情況，根據膠州灣的常年觀測資料［2］，夏季平均水溫取25℃，冬季平均水溫取5℃。

3 模擬結果與分析

3.1 潮流模型驗證及計算結果

3.1.1 驗證

潮位驗證點采用大港潮位站和沙子口潮位站2個驗潮站的觀測值，與計算值進行比較（圖3和圖4），比較結果表明潮位計算值與觀測值吻合較好。

選取C1、C2、C3三個點的歷史測流資料進行潮流驗證（圖1），驗證結果見圖5～圖7。由圖5～圖7可知，計算值和實測值的最大流方向、最大流速值、潮流旋轉向、轉流時刻等基本吻合。

3.1.2 計算結果

潮流計算結果如圖8和圖9。

3.2 溫升計算結果

在潮流顯著的海區，影響溫升線分布的主要是海域潮流場及排水后產生的局部流場和擴散混合作用，因此排污口附近是高溫中心，溫升線具有潮周期振動的性質。

冬季和夏季不同潮時溫升線分布分別見圖10～圖13。計算得冬季的最大溫升值為14.31℃，夏季最大溫升為3.58℃。不同季節各個溫升值最遠擴散距離和包絡面積見表1。由表1可以看出，夏季溫排水的影響范圍很小，而冬季則相對較大，但強溫升區范圍僅限于0.348 km2。

冬季和夏季溫升包絡線分布分別見圖14和圖15。

3.3 溫排水對海洋生態環境的影響

3.3.1 對水中溶解氧的影響

溶解氧是生物新陳代謝所必須的物質條件之一，宋國棟等［6］對溫度與溶解氧的關系研究結果表明，外海海域的溶解氧與溫度之間呈顯著的負相關，而近岸海域的溶解氧與溫度則呈顯著的正相關，充分說明溫度是影響溶解氧的一個重要因素。溫度過高會影響水體中溶解氧含量，進而影響水生生物的生命活動。

3.3.2 對浮游生物的影響

一般來說，大多數海洋生物適應的最高溫度為30℃左右，溫帶大多數水生生物最適溫度在18～28℃［7］，水溫超過35℃時浮游生物的種類和數量會明顯減少。本文夏季最大溫升為3.58℃，疊加后不超過30℃，因此熱沖擊對浮游生物影響不大，冬季最大溫升14.31℃，溫排水的增溫使海水溫度更適合浮游生物生長，加快海水中有機質的分解，為浮游生物的生長提供良好的溫度條件和營養條件，促進浮游生物的生長繁殖。

表1 冬季和夏季各溫升值最遠擴散距離和包絡面積Tab.1 The farthest diffusion distance and temperature rise envelope area in winter and summer

3.3.3 對魚類的影響

冬季自然海水溫度較低，魚類大都向外海游去，溫排水的排放在促進浮游生物生長的同時，也為魚類提供了豐富的餌料，為魚類的繁殖和發育提供了有利條件，從而吸引更多的魚類聚集于此。但夏季自然水溫高，再升溫則會使魚類數量相對減少，但隨著魚類的不斷適應，溫升對其影響也會逐漸降低。

3.3.4 對底棲動物的影響

底棲動物長期棲息在水底底層，相對固定，遷移能力弱，在受到熱沖擊的情況下很難回避，容易受到傷害。胡德良等［8］研究得出6℃以上的增溫將對底棲動物造成嚴重危害，減少棲息地，即使冬季也是如此；而增溫4℃則對底棲動物有利，其種類和數量比自然水體要豐富，多樣性指數也相應提高。因此，在冬季，溫排水的排放會對底棲動物產生一定的影響，影響面積為0.15 km2。

4 結論

本文對青島堿廠溫排水對膠州灣環境水體的影響進行了預測分析，結果表明，夏季溫升較小，且控制在很小的區域內，可以認為對水體環境幾乎不產生影響；冬季會產生較大溫升，且影響范圍較夏季大，但由于冬季自然水溫較低，適度溫升反而會提高浮游生物的生長繁殖，在一定程度上對生物多樣性指數有利。

如要進一步減小溫排水影響程度，可以考慮改進能源利用設備，降低溫排水溫度；改進排放方式，將排放口設置到潮下帶，以避免影響生物多樣性豐富的潮間帶。

本文的溫排水模型未考慮風場的影響，只粗略地認為夏季和冬季海水自然溫度有差異，結果存在一定的誤差，在以后的研究中，要進一步提高預測精度。

［1］國家海洋局.膠州灣環境調查監測監視和執法管理實施計劃專輯［J］.海洋通報，1992，11（3）：1-80.

SOA.Jiaozhou Bay Environmental Survey and the Implementation Plan of Law Enforcement Management Album［J］.Marine Bulletin，1992，11（3）：1-80.

［2］楊玉玲，吳永成.90 年代膠州灣海域的溫、鹽結構［J］.黃渤海海洋，1999，17（3）：31-36.

YANG Y L，WU Y C.Temperature and Salinity Structures of Jiaozhou Bay Waters During 1991～1995［J］.Journal of Oceanography of Huanghai&Bohai Seas，1999，17（3）：31-36.

［3］婁安剛，李鳳歧，吳德星，等.膠州灣紅島碼頭疏浚物質輸移擴散數值預測［J］.海洋科學，2003，27（12）：45-49.

LOU A G，LI F Q，WU D X，et al.Numerical Prediction for Transport and Diffusion of Dredged Matter near Hongdao Wharf in Jiaozhou Bay［J］.Marine Sciences，2003，27（12）：45-49.

［4］唐士芳，李蓓.樁群阻力影響下的潮流數值模擬研究［J］.中國港灣建設，2001（5）：25-29.

TANG S F，LI B.Study on Numerical Simulation of Tidal Flow Influenced by Pile Group Resistance［J］.China Harbour Construction，2001（5）：25-29.

［5］GB3097-1997，海水水質標準［S］.

［6］宋國棟，石曉勇，祝陳堅.春季黃海溶解氧的平面分布特征及主要影響因素初探［J］.海洋環境科學，2007，26（6）：534-536.

SONG G D，SHI X Y，ZHU C J.Horizontal distributions and main effect factors of dissolved oxygen in the Yellow Sea in Spring［J］.Marine Environmental Science，2007，26（6）：534-536.

［7］金嵐，李平衡，劉偉，等.水域熱影響概論［M］.北京：高等教育出版社，1993.

［8］胡德良，楊華南.熱排放對湘江大型底棲無脊椎動物的影響［J］.環境污染治理技術與設備，2001，2（1）：25-27.

HU D L，YANG H N.Effects of heat shock on macro-invertebrates in Xiangjiang River［J］.Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control，2001，2（1）：25-27.