污染物動力擴散數值模型模擬研究

朱志清 葉林安 章紫寧 劉蓮 魯水 徐清

摘要：文章建立污染物動力擴散數值模型，并將模型應用于象山港污染物擴散的模擬計算。研究結果表明：象山港海域化學需氧量、無機氮和活性磷酸鹽源強的實測值與模型模擬結果之間的相對誤差基本小于1 5%；污染物動力擴散數值模型在總體上有效模擬了象山港化學需氧量、無機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用提供參考依據。

關鍵詞：污染物；動力擴散；數值模擬；象山港；營養鹽

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

基金項目：國家重點研發計劃項目（ 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

水動力條件和水體交換速率與營養鹽等污染物存在一定的相關關系[ 1]。建立營養鹽等海洋水質污染物的動力擴散模型，可有效估算污染物大致的擴散變化動態。部分學者研究發現，潮汐、地形、風和科氏力等因素均可影響開放海域的水動力、水體交換、鹽度混合和污染物擴散等[ 2]，尤其在赤潮頻發海域更應引起重視。因此，建立污染物動力擴散模型，對于研究特定海域因污染源變化而引起的海洋災害具有重要意義。

象山港是寧波市東南沿海的半封閉式深水港灣[ 3]，擁有獨特的自然資源優勢，可用于生態養殖、海洋旅游和濕地保護，是寧波市的重要海域之一和重要生態涵養地，屬于具有保護性的稀有國土資源[ 4]。目前對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年東海象山港海域主要營養物質的年際變化數據，提出象山港的營養鹽濃度呈逐年增加的趨勢；張麗旭等[ 6]分析象山港赤潮監控區營養鹽的變化及其結構特征，其中無機氮的比值保持穩定，整個監控區處于熱力學平衡狀態，而無機磷一直是該海域初級生產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個季節的調查資料，提出象山港的主要污染因子為無機氮和無機磷，重金屬符合二類海水水質標準。此外，象山港海域環境因子的長期變化趨勢及其對生態系統的影響也越來越受關注[ 7-1 0]。

本研究將象山港海域作為研究對象，建立污染物動力擴散數值模型，對該海域的源強污染物進行數值模擬并與實際數值進行比對，從而驗證該模型的有效性，為該模型在象山港等海域的應用提供參考依據。

1 污染物動力擴散數值模型

初始條件對計算結果的影響通常在計算開始階段，當計算穩定后可忽略不計。本研究的水質模型采用冷啟動方式，即營養物質的初始濃度均取0m g/L。水質模型的水邊界條件在水邊界附近海域水質現狀的基礎上由模型率定。

2 研究區與模擬污染源

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

根據調查結果，象山港的污染源主要分為2個部分。①陸域污染源，主要包括工業企業、居民生活、農業生產、畜禽養殖和水土流失；②海水養殖污染源，主要包括淺海養殖、圍塘養殖和灘涂養殖，主要養殖種類為魚類、蝦類、蟹類和貝類。

3 污染物動力擴散數值模擬

3 . 1 化學需氧量源強

化學需氧量（ C O D）是表征水體有機污染的綜合指標和描述污染源的重要指標之一，在水環境評價、管理和規劃中被普遍采用，本研究選取C O DC r作為象山港水環境容量的計算污染物。根據污染源調查結果，象山港沿岸C O DC r入海量最大的為匯水區3和匯水區9，其次為匯水區8； C O DC r入海量最小的為匯水區1，其次為匯水區2和匯水區2 1。各匯水區C O DC r源強的組成不同，但以海水養殖、生活污染和水土流失為主，工業污染和畜禽養殖的占比較低。C O DC r源強按各計算源點的分配結果如表1所示。

3 . 2 總氮源強

本研究選取總氮（ T N）作為削減量計算污染物，從削減T N排放量的角度出發，分析源強削減對象山港水環境的影響，并進行削減控制。根據污染源調查結果，氮類營養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9，其次為匯水區3； T N入海量最小的為匯水區2 1，其次為匯水區1 1。各匯水區T N源強的組成不同，但以農業面源污染為主。根據環境質量現狀，象山港水體中總氮含量較高。總氮污染源源強按各計算源點的分配結果如表2所示。

3 . 3 總磷源強

本研究選取總磷（ T P）作為削減量計算污染物，從削減T P排放量的角度出發，分析源強削減對象山港水環境的影響，并進行削減控制。根據污染源調查結果，磷類營養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9，其次為匯水區8； T P入海量最小的為匯水區2 1，其次為匯水區1 1。各匯水區T P源強的組成不同，但以農業面源污染和海水養殖污染為主。根據環境質量現狀，象山港水體中總磷含量較高。總磷污染源源強按各計算源點的分配結果如表3所示。

3 . 4 主要污染物的換算關系

本研究選取化學需氧量、無機氮和活性磷酸鹽用于環境容量或削減量的計算。根據象山港水體中各污染物濃度分布的對比，確定象山港C O DC r和C O DM n、總氮和無機氮以及總磷和活性磷酸鹽之間的換算系數。

3 . 4 . 1 C O DC r和C O DM n

C O DC r和C O DM n是由不同測定方法求得的化學需氧量數值，在陸地上以重鉻酸鉀法測定的C O DC r表達，在海水中以堿性高錳酸鉀法測定的C O DM n表達。通常認為水體中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采用此換算系數。

3 . 4 . 2 總氮和無機氮

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

3 . 4 . 3 總磷和活性磷酸鹽

根據2 0 1 8年象山港夏季和冬季的實測數據，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以及在水體中的平均濃度比值為0 . 3 9 60，即總磷的源強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采用此換算系數。

4 結果分析和對比

4 . 1 C O DM n

象山港C O DM n的濃度分布總體呈現自灣口到灣內逐漸增大的趨勢。外灣濃度較低，大部分區域的濃度小于1m g/L。西滬港、黃墩港和鐵港內的濃度較高，且越靠近灣頂的濃度越大，其中西滬港內的濃度為1 ～ 1 . 3m g/L，黃墩港內大部分區域的濃度為1 . 2 ～ 1 . 5m g/L，鐵港內的濃度基本大于1 . 3m g/L。象山港C O DM n濃度最高的區域位于鐵港海域，最大濃度超過1 . 5m g/L；象山港C O DM n的總體分布與實測濃度等值線的分布基本一致，僅局部區域略有偏差。水質調查的實測值與模型計算結果之間的相對誤差基本小于1 5%，水質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 無機氮

象山港無機氮的濃度分布總體呈現自灣口到灣內逐漸增大的趨勢。外灣濃度較低，大部分區域的濃度小于0 . 5 8m g/L。西滬港、黃墩港和鐵港內的濃度較高，大部分區域的濃度大于0 . 7 1m g/L，最大濃度達0 . 8 2m g/L；其原因除陸源排放外，還可能是由漲、落潮時灘涂底泥翻攪釋放所致；象山港無機氮的總體分布與實測濃度等值線的分布基本一致，僅局部區域略有偏差。水質調查的實測值與模型計算結果之間的相對誤差基本小于1 5%，水質模型在總體上較成功地模擬了象山港無機氮的濃度分布。

4 . 3 活性磷酸鹽

象山港活性磷酸鹽的濃度分布總體呈現自灣口到灣內逐漸增大的趨勢。外灣濃度較低，大部分區域的濃度小于0 . 0 3 0m g/L。西滬港、鐵港和黃墩港內的濃度較高，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測濃度等值線的分布基本一致，僅局部區域略有偏差。水質調查的實測值與模型計算結果之間的相對誤差小于1 5%的占比達8 5%，水質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 結語

本研究建立污染物動力擴散數值模型，并將其應用于象山港污染物擴散模擬計算。研究結果表明，象山港海域化學需氧量、無機氮和活性磷酸鹽源強的實測值與模型計算結果之間的相對誤差基本小于1 5%，污染物動力擴散數值模型在總體上有效地模擬了象山港化學需氧量、無機氮和活性磷酸鹽的濃度分布，可為該模型在其他海域的應用提供參考依據。

參考文獻

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