秦皇島海域洪季水動力及污染物擴散數值模擬

【摘要】近年來，我國對于河流水域的利用日益增多，使得當前的河流海域污染也逐漸增多。基于此，本文將秦皇島海域洪季水動力及污染物擴散數值模擬作為研究對象，了解秦皇島海域在洪季水文背景下的水動力及污染物的擴散情況，尤其是海域風向對污染物擴散產生的影響，通過對秦皇島洪季水動力技巧污染物擴散模型的建立及驗證的分析，進而對其模型結果進行系統的研究。旨在緩解秦皇島海域污染物擴散的情況。

【關鍵詞】秦皇島海域；洪水動力；污染物擴散；數值模擬

前言：

秦皇島位于我國河北省東北部地區，地理坐標為39。24’N～40。37’N，118。33’E～119。51’E，其海岸線總長度為163千米，主要用于海產養殖，漁業總產值達到35萬噸，海水養殖產量達到漁業總產量的86%，過度開發導致秦皇島含義近年來連續發生赤潮現象，對當地養殖業產生了巨大的影響，直接造成的經濟損失達到2億元。

一、秦皇島海域概況

本研究選取的秦皇島海域為山海關到灤河口一段，匯入河流有石河、湯河、人造河、東沙河以及灤河等11條河流。秦皇島氣候為溫帶大陸性季風氣候，春秋季節干燥少雨，夏季濕潤多雨，秦皇島的平均氣溫為10℃，最高月的平均氣溫為24℃，最低月平均氣溫為-6℃，其海岸風速平均為3.9m/s，MAX風速可達到24m/s。秦皇島海域風向夏季為西南風，冬季為東北風，春季為西南風。秦皇島海域屬于全日潮區，其平均潮位處于73-91cm，冬天潮位較低，夏天的潮位較高。

二、秦皇島洪季水動力及污染物擴散模型建立及驗證

（一）建立水動力及污染物擴散數學模型

本研究建立的秦皇島洪季水動力及污染物擴散模型采用的是Navier—Stokes方程以及對流擴散方程，對COD衰減過程研究采用的是線性衰減系數來進行。該數學模型的建立首先要對秦皇島海域進行地形網格的劃分計算工作。數學模型中涉及到的計算范圍從山海關以北大約20千米到灤河口以南大約14千米以及外海延伸大約55千米的范圍內，計算區域采取的是三角劃分網格方法，該網格的節點數為9066，單元數為16866，本研究采用的地形圖為1國家測繪局繪制的1998版的1：50000比例尺的地圖，水文數據和河道地形數據分別為2011年和2013年的實測數據。

其次要對確定海域研究初始條件及其邊界條件。海域潮位過程控制者水動力模型的外海開邊界，渤海潮流模型為潮位過程提供數據，多年對河流月平均流量的實測控制著河流開邊界，本研究中數學模型的初始水位選取的是海潮開始時刻的開邊界計算的平均值，其流速為0，該模型的外海開邊界條件選取了常值為0.9mg/L的本底化學需氧量濃度（COD），該濃度是由2011年每月COD濃度實測得到的數值而設定的[1]。

最后要對模型參數進行設置。又秦皇島海域的河床泥沙中值粒徑以及水深共同確定的曼寧系數選取的平均值為0.014，時長為1S，而邊界灘地采用的是動邊界處理灘地干濕交換過程，其通過污染物擴散模型率來確定水平擴散系數，選取的常值為60m2/s，通過對海域的平均實測水溫的一階衰退過程來計算水平擴散系數，計算得到該系數為0.033d。

（二）對該數學模型的驗證過程

2011年7月針對秦皇島赤潮發生時，有關單位對該海域C01-C23站點范圍內的水質狀況進行了取樣分析工作，童年5月秦皇島海洋環境監測中心又UI該海域V01-V10這十個站點的水流流向和流速進行了監測，了解其水動力與污染物擴散之間的關系

首先，對上述的水動力模型進行了驗證工作。一方面進行潮位驗證，驗證工作中的潮位選擇的是2011年5月秦皇島海域潮位于21日18：00-22日18：00的實測數據，其潮位驗證如圖2-1所示，由圖可知，水動力模型中的潮位相位與趨勢基本符合，但存在較小的偏差，這是由于模型參數選取了平均值且海岸線地形較為復雜導致潮位計算出現偏差[2]。另一方面對潮流進行驗證，如圖2-2與2-3所示的潮流驗證，其根據監測中心對于潮流的實測數據顯示，以V01站點為例，其流速與流向同實測數值在相位上基本符合，但也存在誤差，主要是由于監測站點與實際風向有差別。

其次，對上述的污染物擴散模型進行了驗證。根據有關單位對海域監測數據進行了污染物擴散模型的驗證工作，其驗證結果在不加入風的背景下對模型中的COD計算的結果誤差小于25%的站點占總數的78%，在加入風的背景下其計算誤差要小于總數的96%。

三、水動力及污染物擴散模型結果分析

根據秦皇島海域水動力及污染物模型的分析可得，該海域在漲憩時水位流場變化情況如圖4所示，其潮流為西南方向，落潮時為東北方向，漲憩時的水位變化受風力影響為-0.0050m到0.0008m，位于石河口東北部以及外海邊界處的水位有上升現象，流速有所增加，其他區域水位均較低，流速較低，尤其是灤河口海域[3]。而該海域的COD濃度在漲憩時的分布如圖5所示，其擴散方向與漲落潮使得潮流方向相吻合，在風和潮汐的共同作用下，COD濃度等值線分布從近海域無風的情況下向東南方向移動，落憩時，COD濃度等等值線往東南移動。

結論：

本文通過對秦皇島海域概況的分析，進而建立了海域水動力及污染物擴散的數學模型，并利用實際資料對所建立的數學模型進行了相關的驗證和分析工作。研究結果表明當秦皇島海域潮落為東北方向時，潮流為西南向，潮流呈順岸往復流，在漲落休憩時，由于風力作用秦皇島海岸水位下降，落憩時刻以及漲憩時刻在不同流段的水流速度有增有減，而COD的擴散方向由漲落潮的潮流方向決定，其濃度在近海域較大，其隨著落憩和漲憩的不同在不同流段濃度有增有減。

參考文獻：

[1]顧杰，胡成飛，李正堯，等.秦皇島河流-海岸水動力和水質耦合模擬分析[J].海洋科學，2017，41（02）：1-11.

[2]匡翠萍，謝華浪，蘇平，等.基于FBM法追蹤秦皇島海域赤潮遷移擴散[J].中國環境科學，2016，36（08）：2505-2515.