秦皇島河流-海岸水動力和水質耦合模擬分析

顧 杰, 胡成飛, 李正堯, 匡翠萍, 張永豐

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秦皇島河流-海岸水動力和水質耦合模擬分析

顧 杰1, 胡成飛2, 李正堯3, 匡翠萍3, 張永豐4

(1. 上海海洋大學海洋科學學院, 上海 201306; 2. 浙江省水利河口研究所, 浙江杭州 310020; 3. 同濟大學土木工程學院水利工程系, 上海200092; 4. 河北省海洋環境監測中心, 河北秦皇島 066002)

基于MIKE FLOOD建立秦皇島入海河流及其近岸海域一維、二維耦合河流-海岸水動力和水質模型, 研究了秦皇島海域和入海河流的水動力和污染物分布規律。結果表明: (1)海域潮流為半日潮, 其中石河口南北支入海口流速變化過程差別較大, 但水位變化過程基本一致; (2)整體上河流入海口化學需氧量(COD)與流速呈正相關關系; (3)COD在近岸海域的擴散方向與漲落潮潮流方向一致, 各入海河口海域落潮流期間的COD高于漲潮流。如上結論為赤潮爆發機理和應急處置研究提供科學依據和技術支持。

秦皇島; 一二維耦合模型; 水動力; 化學需氧量(COD)

秦皇島市是我國著名的濱海旅游勝地, 以豐富的海產養殖資源和獨特的區位優勢逐漸成為京津冀地區經濟的重要部分[1]。然而近年來秦皇島近岸海域承受的環境壓力不斷加大, 入海污染物總量持續增加, 生態環境趨劣, 海洋赤潮等生態災害頻發[2-3]。2009年秦皇島沿岸海域爆發大面積赤潮, 2010年秦皇島昌黎沿海海域發生大面積赤潮[4-6]。持續不斷地赤潮災害對秦皇島海域生態平衡、水產資源等構成了長期潛在的危害, 同時給濱海旅游業的發展帶來了極大威脅[7]。因此, 有效地控制污染物排海總量, 是減少赤潮暴發、抑制海洋環境污染、推動經濟發展與環境保護協調統一、保證海洋生態環境可持續發展的關鍵技術環節。

國內外學者對各種水域的水環境已做過大量研究。在水動力方面, 陳景秋等[8]建立了重慶兩江匯流水動力模型, 模擬分析了匯流比及濱江路建設對流場的影響。陳祖軍等[9]建立了長江口水域三維非線性斜壓淺海與陸架模型能較好地反映了長江口水域的三維水動力狀況。李?等[10]開發了潮汐河網水動力模型, 模擬了珠江三角洲市橋河上雁洲水閘建閘前后不同調度方案對市橋河水動力過程的影響。張越美和孫英蘭等[11]建立了渤海灣三維變動邊界潮流模型, 分析了潮流場的時空分布特點。魏澤勛等[12]建立了海洋環流診斷模型來研究渤海夏季環流。Fossati等[13]建立了三維水動力模型計算近岸海域復雜的環流模式。De Marchis等[14]建立了三維水動力模型用以模擬Augusta灣的水動力現狀。在水質方面, 楊家寬等[15]利用WASP6水質模型對漢江襄樊段水質進行模擬研究。Li等[16]采用模糊算法建立了二維模糊水質模型, 并用其計算突發性污染事件。Tang等[17]基于MIKE 11建立了一維水動力和污染物擴散模型, 用以計算南水北調工程的水質風險。Bedri等[18]建立了三維水動力和水質模型, 用來研究電廠關閉后對都柏林灣浴場水質的影響。Zhao等[19]建立了三維水動力和水質模型, 來模擬異龍湖水動力、污染物擴散和富營養化狀態。國家海洋局北海預報中心[20]開發了三維溢油漂移預測模型以模擬水下溢油三維運動, 掌握溢油油污的軌跡及濃度分布等信息。

將一維模型與二維或三維模型耦合嵌套, 發揮各自優勢, 來解決河流-海岸和河流-湖泊等地區水動力或污染物擴散問題是必要和有意義的[21]。現如今, 多維模型的耦合計算應用越來越廣泛, 大量學者對其進行了研究。徐祖信和尹海龍[22]構建了平原感潮河網地區一維、二維水動力耦合模型。盧吉和余錫平[23]建立了河流海岸綜合水動力學模型, 將其應用于研究長江口及口內感潮河道內徑流與潮流的相互作用。王佳等[24]運用一、二維耦合模型, 對開鑿膠萊運河改善渤海水質的效果進行了初步研究。Zhou等[25]耦合了珠江三角洲河網的一維水動力、水質模型和珠江三角洲河口的三維水動力、水質模型。Lai等[26]在耦合了一維非恒定流模型和二維水動力模型的基礎上建立了耦合水動力分析模型(CHAM), 研究了長江流域的水動力狀況。Chen等[27]基于MIKE FLOOD耦合了一維(MIKE 11)和二維(MIKE 21)水動力及擴散模型來模擬河流和沼澤的水文水質狀況。本文基于秦皇島近岸海域的研究, 建立秦皇島河流-海岸一二維耦合水動力和污染物擴散數學模型, 將入海河流-河口-近岸海域三者作為一個系統整體研究河口海岸地區水動力和污染物擴散規律, 分析污染物從河流到海域的分布規律。

1 研究區域與方法

1.1 區域概述

秦皇島市位于河北省東北部, 東與遼寧省接壤, 西與唐山市相鄰, 北鄰承德, 南瀕渤海。地處中緯度地帶, 屬暖溫帶濕潤半濕潤大陸季風性氣候, 受我國東部沿海季風環流的影響, 氣候四季分明, 氣溫年差較大, 年降水量多寡變化顯著。秦皇島市夏暖冬寒的氣候特征十分明顯, 年平均日照時間2 700~ 2 850 h; 年平均氣溫10.5~11.3℃[28]。秦皇島年平均降水量650~750 mm, 降水集中在7~9三個月, 占全年的70%~80%, 年平均蒸發量1 468.7 mm。

1.2 數學模型建立

MIKE軟件包是由河口海岸與海洋模擬軟件、城市水模擬軟件和水資源綜合管理模擬軟件構成。軟件包數學模型的科學性與合理性已得到世界公認, 在丹麥、希臘、印度及中國香港等國家和地區都得到了成功的應用。本文利用MIKE FLOOD將秦皇島入海河流一維(MIKE 11)水動力和水質模型與秦皇島近岸海域二維(MIKE 21)水動力和水質模型進行耦合, 發揮各自的計算優勢, 研究分析秦皇島“入海河流-河口-近岸海域”的水動力和污染物擴散分布規律。

1.2.1 一維模型

MIKE 11模型主要應用于河口、河流、灌溉系統和其他內陸水域的水文學、水力學、水質和泥沙輸運模擬。

1.2.1.1 水動力模型

應用有限差分法求解一維Saint-Venant方程組來模擬河流水位和流量隨時間和一維空間的變化, 方程如下:

(2)

式中:表示河流斷面徑流量;表示沿水流方向的距離;表示時間;表示過水斷面面積;表示旁側入流量; g表示重力加速度;表示水深;表示曼寧系數;為過水斷面的水力半徑;為動量校正系數[29]。

1.2.1.2 水質模型

一維水質模型的輸運過程主要表現為縱向擴散作用。污染物質的轉化過程主要由污染物質自身特性決定, 包括化學和生化反應等過程[30]。對流擴散(AD)模塊使用隱式有限差分格式對一維對流擴散方程進行求解, 一維對流擴散方程如下:

(3)

式中:表示物質濃度;表示擴散系數;表示污染物線性衰減系數;2表示污染物源/匯濃度。

1.2.2 二維模型

MIKE 21模型主要應用于河流、湖泊、河口、海灣、海岸和海洋等水域的水流、波浪、泥沙及環境。

1.2.2.1 水動力模型

在笛卡爾坐標系下, 在Navier-Stokes方程的基礎上通過對三維動量方程和連續方程沿深度進行積分, 得到二維淺水方程, 如下:

連續方程:

動量方程:

(6)

式中:是源匯項流量;表示水位;=+,為總水深;為靜止水深;與表示和方向上的沿水深平均流速;為柯氏力系數(為地球自轉角速率,為地理緯度);為水體密度;sx和sy表示和方向上的風應力;bx和by表示和方向上的底部摩擦力; 側應力包括黏性摩擦和紊動摩擦等。通過對渦黏方程沿水深平均流速梯度方向計算如下(式中表示水平渦黏系數):

1.2.2.2 水質模型

MIKE 21水質模型是在對流擴散計算的基礎上, 加載ECOLab模塊中的狀態變量變化過程。水質模型基本控制方程如下:

式中p表示污染物的衰減率, 在本研究中, 化學需氧量(COD)的衰減變化方程與MIKE 11水質模型中一致;C為水平擴散項:

(9)

式中h為水平擴散系數。

1.2.3 一二維耦合模型

MIKE FLOOD是一個把一維模型和二維模型進行動態耦合的建模系統。利用這種耦合方式, 計算模型能夠拓展模擬的水環境規模, 發揮各模塊優勢的同時, 形成互補。在本研究中, 通過MIKE FLOOD的標準鏈接, 將MIKE 11一維河網模型與MIKE 21近岸海域二維模型進行耦合, 進而完整模擬秦皇島河流-海岸水動力和污染物擴散過程。

在MIKE FLOOD標準鏈接中, MIKE 11和MIKE 21采用顯式連接進行水動力耦合計算。MIKE 11需要MIKE 21第+1步的計算水深作為其從步到+1步的水位邊界條件, 因此MIKE 21水動力計算總是領先MIKE 11一步。水動力耦合計算過程中, MIKE 11和MIKE 21的鏈接斷面被映射到MIKE 21中一個或多個單元, 其即作為MIKE 21計算的邊界條件。當MIKE 21第+1步計算完成后, 返回其一個或多個單元的平均水位作為MIKE 11第+1步計算的水位邊界條件。如此反復, 完成一、二維水動力耦合計算。

在污染物擴散模型計算中, 連接處污染物的濃度計算取決于MIKE 11和MIKE 21(式中分別簡寫M11、M21)間的水流方向。當水流從MIKE 11流向MIKE 21時, 污染物作為MIKE 21的源輸入:

當水流從MIKE 21流向MIKE 11時, MIKE 21中擴散方程修正為:

(11)

1.2.4 模型范圍和計算網格

秦皇島近岸海域數學模型研究范圍北起石河口以北約20 km處, 南至灤河口以南約17 km處, 陸域岸線約197 km, 外海延伸至離岸約50 km的海域。模型包含秦皇島9大主要入海河口和10條入海河流(湯河和小湯河均由湯河口入海), 沿岸線從北向南河口依次為: 石河口、湯河口、新河口、戴河口、洋河口、人造河口、東沙河口、大蒲河口和灤河口。各條河流的研究范圍為其潮流界上游至入海河口。計算網格為無結構三角形網格(如圖1所示), 網格節點共計2 942個, 三角形單元共計5 418個。網格分辨率按研究需求進行控制, 河口海岸地區網格較密, 分辨率可達15 m, 外海網格較為稀疏, 邊界處分辨率約為6 600 m。

1.2.5 邊界條件、初始條件和參數設置

1.2.5.1 邊界條件、初始條件

秦皇島河流-海岸一二維耦合水動力和水質數學模型共有10個入海河流上游開邊界和3個外海開邊界。入海河流上游開邊界由河流實測流量和COD過程控制。水質模型COD初始0取各河流6月實測平均值, 為56~84 mg/L。3個外海開邊界水動力設定采用流速和水位條件控制其潮位和流速過程由渤海潮流模型(邊界為大連到煙臺)[3]提供。污染物設定由本底污染物濃度控制, 模型初始COD設為本底值1.3 mg/L, 外海SW和SE邊界COD取1.2 mg/L, NE邊界COD取1.3 mg/L。

1.2.5.2 相關參數設置

計算時間步長變化范圍為0.001~2 s。河道內, 曼寧系數由河流底床泥沙粒徑和水深綜合確定, 取0.02~0.05 s/m1/3; 擴散系數、COD在20℃時的降解系數20和COD的Arrhenius溫度系數COD通過水質模型率定, 分別取10~100 m2/s, 0.05~0.4 d–1和1.02。近岸海域內, 曼寧系數由該海域海床泥沙中值粒徑和水深綜合確定, 取平均值74 m1/3/s。h通過污染物擴散模型率定, 取常值120 m2/s。20為0.001~0.038 4 d–1,COD通過模型率定取1.02。

1.3 模型驗證

選擇有實測資料的時段(即赤潮高發期夏季)分別進行水動力及水質驗證。實測水文資料包括2013年5月大小潮潮位、流速和流向, COD采用由河北省海洋環境監測中心提供的8月秦皇島近岸海域水質站點實測數據。水動力及水質測站站點位置如圖2、圖3所示。數學模型的計算時間為2013年5月1日至8月31日, 選擇與實測資料相同時間段的計算值與對應的實測值比較來驗證數學模型。

1.3.1 水動力模型驗證

1.3.1.1 潮位驗證

水動力數學模型大小潮潮位驗證如圖4所示, 驗證點位置如圖2所示。潮位計算值在相位和趨勢上與實測值基本吻合, 潮位大小略有偏差, 主要是由于秦皇島潮位站位置靠近海岸線, 近岸海域地形復雜, 且站點處于無潮點影響范圍內, 潮波變形較大等原因。

1.3.1.2 潮流驗證

水動力數學模型大小潮流速流向驗證如圖5、圖6所示, 典型站點SDL08驗證點位置如圖2所示。模型在大小潮期間的漲落潮流速和流向過程的計算值在相位和數值上與實測值均較為吻合, 計算流速和流向在數值上與實測值存在一定誤差, 這主要是由于水動力模型中部分物理參數采用了平均值, 且秦皇島近岸海域位于渤海無潮點附近, 潮波變化復雜。總體上, 水動力數學模型較好地模擬了秦皇島近岸海域水動力變化特征。

1.3.2 污染物輸移模型驗證

入海河流污染輸入是近岸海域的主要污染源, 因此需對秦皇島河流-海岸一二維耦合數學模型中的近岸海域污染物擴散模型進行驗證。COD驗證如圖7所示, COD計算結果相對誤差小于20%的站點占總數的100%, 相對誤差小于10%的站點達到站點總數的67.9%, 模型總體驗證良好, 能較好地模擬了秦皇島近岸海域污染物擴散分布特征。

本文采用百分比偏差(PBIAS, 式中用指代)對秦皇島河流-海岸一二維耦合數學模型進行評價。

式中是實測值;是計算值;是實測值個數。當<10時, 模型效率評價為極好; 當10≤<20時, 模型效率評價為很好; 當 20≤<40時, 模型效率評價為好; 當≥40時, 模型效率評價為差[31]。計算可得=2.30~38.57, 評價為極好~好。整體上, 秦皇島河流-海岸一二維耦合數學模型驗證良好, 可反映秦皇島河流-海岸水動力和污染物擴散分布特征。

圖7 近岸海域COD驗證

Fig. 7 Verification of chemical oxygen demand (COD) in coastal waters

2 模擬結果分析

河流-海岸地區的水動力和污染物輸運規律在河流上游以河流特性為主, 口外海濱以海洋特性為主, 河口段則受河流和海洋特性強弱交替的相互作用, 有其獨特的性質。選取2013年8月18~19日大潮期間分析秦皇島河流-海岸地區污染物擴散分布特征。

2.1 入海河流污染物分布規律

石河口三角洲將石河入海口分為南北兩支入海, 具有獨特的動力和污染物擴散分布特性, 選取石河為代表河流, 研究秦皇島入海河流的污染物分布規律。石河入海口N1(北支, 距分流點600 m)和S1(南支, 距分流點500 m)點處的水位、流速和COD分別如圖8和圖9所示, 其中流向從上游指向下游為正。從水位、流速過程曲線可以看出, 石河北支入海口在2013年8月18日02: 00~12: 00為漲潮落潮流, 12: 00~17: 00為漲潮漲潮流, 17: 00~18: 00為落潮漲潮流, 00: 00~ 02: 00和18: 00~23: 00為落潮落潮流; 南支入海口在2013年8月18日02: 00~07: 00和11: 00~ 17: 00為漲潮落潮流, 07: 00~11: 00為漲潮漲潮流, 00: 00~02: 00和17: 00~23: 00為落潮落潮流, 無落潮漲潮流階段。南北支入海口水位變化過程基本一致, 而流速變化過程差別較大, 這主要受石河徑流量在南北支入海口的分流比、南北支入海口納潮量及其斷面地形等因素影響。南、北支入海口流速在8月18日均經歷了2次增減變化, 并且海域的潮流判別系數小于0.5, 為半日潮。無論在南支還是北支, 在8月18日大潮期間漲潮漲潮流和落潮漲潮流的歷時之和均小于漲潮落潮流和落潮落潮流的歷時之和, 南支入海口甚至無落潮漲潮流階段, 說明石河口為弱潮性河口, 徑流占主導作用。

從COD過程曲線可以看出, 整體上南北支入海口COD變化過程隨流速變化而變化, 流向指向入海口時, 南北支入海口COD與流速大小呈正相關關系, 流速增大, COD增大, 流速減小, 單位時間里河流COD入海通量相對減小, 導致COD減小; 流向從入海口指向上游時, 南北支入海口COD受海水的影響較大, 均呈下降趨勢。

2013年8月18日高低潮位時刻, 石河COD分布如圖10所示, 其中軸坐標零點為河口口門, 指向河流上游為正。在潮流界下游, COD受海水影響顯著下降, 且潮流界在高潮位時距入海口較低潮位時刻更遠。高潮位時刻, 從石河入海口分流點到近岸海域, 南支COD呈下降趨勢, 北支COD則呈先下降后上升趨勢。低潮位時刻, 從分流點到近岸海域, 南北支入海口COD均呈下降趨勢, 且北支COD高于南支COD。

秦皇島近岸海域COD分布如圖11所示, 漲落潮典型時刻的選取與上節一致。秦皇島近岸海域潮流總體特征為順岸往復流。總體上, 各入海河口海域落潮流期間COD高于漲潮流, COD在近岸海域的擴散方向與漲落潮潮流方向一致。河口海域COD受徑流和潮流的共同作用, 在漲急至落急期間, 近岸海域COD逐漸增大, 這是由于秦皇島近岸海域潮流較弱, 多數入海河流在漲急至漲憩期間, 河流指向近岸海域, 且隨著漲潮流流速的減小, 河流入海流速逐漸增大, 從而導致近岸海域COD亦逐漸增大。同理在落急至漲急期間, 隨著落潮流流速的減小和漲潮流增強, 河流入海流速亦逐漸減小, 從而導致近岸海域COD略有降低。

石河口與洋河口海域轉流時間不同步, 石河口附近海域在相位上領先洋河口附近海域。在洋河口海域落憩時刻, 石河口海域已為漲潮階段, 海域COD相對較小。對于石河口海域, 除漲急時刻外, 其余典型時刻, 北支入海口海域COD均高于南支入海口海域濃度。

3 結論

1) 海域潮流為半日潮, 整個海域轉流時間略微有差異。其中石河有南、北二個分支入海, 受南、北支分流比、南北支入海口納潮量及其斷面地形等因素的影響, 南、北支的入海口流速變化過程差別較大, 但水位變化過程基本一致, 由海域潮汐決定。

2) 整體上河流入海口化學需氧量(COD)與流速呈正相關關系。高潮位時刻, 從石河入海口分流點到近岸海域, 南支COD呈下降趨勢, 而北支COD則呈先下降后上升趨勢。低潮位時刻, 從分流點到近岸海域, 南、北支入海口COD均呈下降趨勢, 且北支COD高于南支。

3) COD在近岸海域的擴散方向與漲落潮流流向一致。各入海河口海域落潮流期間COD高于漲潮流期間。漲急至落急期間, 近岸海域COD逐漸增大, 而落急至漲急期間則略有降低。

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Coupling simulation and analysis of hydrodynamics and water quality in Qinhuangdao rivers and coastal waters

GU Jie1, HU Cheng-fei2, LI Zheng-yao3, KUANG Cui-ping3, ZHANG Yong-feng4

(1. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary, Hangzhou 310020, China; 3. Department of Hydraulic Engineering, College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 4. Marine Environment Monitoring Center of Hebei, Qinhuangdao 066002, China)

By coupling a one-dimensional model of river with a two-dimensional model for coastal waters in Qinhuangdao, a model of hydrodynamics and water quality was established based on the MIKE FLOOD. The characteristics of flow currents and distribution of pollutants in Qinhuangdao estuaries and coastal waters were subsequently analyzed. Numerical results show that 1) the tidal current in coastal water is semidiurnal, and although there is considerable change in the current speeds of the north and south branches of the Shihe River estuary, the water level is basically the same. 2) There is a positive correlation between chemical oxygen demand (COD) concentrations and current speeds in Qinhuangdao estuaries. 3)The direction of COD transport in coastal waters corresponds to the direction of the tidal current, and the COD concentration is higher in the ebb period than that in the flood period. The above results provide a scientific basis and technical support for research into the red-tide outbreak mechanism and emergency treatment thereof.

Qinhuangdao; one- and two-dimensional coupled model; hydrodynamics; chemical oxygen demand

X55

A

1000-3096(2017)02-0001-11

10.11759/hykx20160815001

2016-08-15;

2016-12-12

海洋公益性行業科研專項(201305003-5)

顧杰(1961-), 男, 江蘇興化人, 教授, 博士, 主要研究環境水力學和海岸工程等, 電話: 15692166507, E-mail: jgu@shou.edu.cn;李正堯, 通信作者, 碩士研究生, 主要研究河口、海岸及近海工程, lemon_yao@yahoo.com

Aug. 15, 2016

[Special Scientific Research of Marine Public Welfare Industry, No. 201305003-5]

(本文編輯: 劉珊珊)