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辽河口区径流对污染物漂移扩散的影响

李卫卫 孙昭晨 梁书秀

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辽河口区径流对污染物漂移扩散的影响

    作者简介: 李卫卫(1996-), 女, 安徽阜阳人, 硕士, 主要研究方向为港口、海岸及近海工程, E-mail:2058936860@qq.com;
  • 中图分类号: P731.2

Effects of the Liao river discharge on the dispersion of pollutants

  • CLC number: P731.2

  • 摘要: 基于MIKE3三维数值模型,本文将水动力模块与水质模块耦合,模拟了辽东湾海域无机氮DIN的浓度分布,并探讨了辽河径流变化对无机氮浓度分布的影响。模拟结果表明:辽东湾无机氮DIN经历了秋、冬季积累,春、夏季消耗的过程,浓度从东北至西南方向呈递减趋势,东北区域辽河口和大辽河口处为无机氮高浓度区;在河流输入无机氮浓度不变的情况下,辽河强水动力条件会使整个湾内污染物浓度增加,加剧水体污染,弱水动力条件在一定程度上可以改善海域水质状况。
  • 图 1  大模型计算网格、地形及站位分布

    Figure 1.  Grid and topography of the large scale model and distribution of stations

    图 2  辽东湾海域计算网格及地形

    Figure 2.  Grid and topography of Liaodong bay

    图 3  部分测站潮位验证

    Figure 3.  Validation of tidal level of some stations

    图 4  部分测站流速、流向验证

    Figure 4.  Validation of tidal current of some stations

    图 5  部分温度测站表层温度验证

    Figure 5.  Validation of surface temperature of some temperature stations

    图 6  部分盐度测站表层盐度验证

    Figure 6.  Validation of surface salinity of some salinity stations

    图 7  冬、夏季渤海表层温盐平面分布

    Figure 7.  Distribution of surface temperature and salinity of Bohai Sea in winter and summer

    图 8  辽东湾表层DIN月平均浓度分布(单位:mg/L)

    Figure 8.  Monthly averaged surface DIN concentration distribution of Liaodong bay (unit:mg/L)

    图 9  洪水年辽东湾表层DIN月平均浓度分布(单位:mg/L)

    Figure 9.  Monthly averaged surface DIN concentration distribution of Liaodong bay during the flood year (unit:mg/L)

    图 10  枯水年辽东湾表层DIN月平均浓度分布(单位:mg/L)

    Figure 10.  Monthly averaged surface DIN concentration distribution of Liaodong bay during the drought year (unit:mg/L)

    图 11  表层粒子输运轨迹

    Figure 11.  Trajectory of the surface particles

    图 12  不同流量下持续释放20 d后粒子输运轨迹

    Figure 12.  Trajectory of the surface particles after 20 days under different discharges

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-21
  • 录用日期:  2017-12-04
  • 刊出日期:  2019-04-20

辽河口区径流对污染物漂移扩散的影响

    作者简介:李卫卫(1996-), 女, 安徽阜阳人, 硕士, 主要研究方向为港口、海岸及近海工程, E-mail:2058936860@qq.com
  • 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室, 辽宁 大连 116024

摘要: 基于MIKE3三维数值模型,本文将水动力模块与水质模块耦合,模拟了辽东湾海域无机氮DIN的浓度分布,并探讨了辽河径流变化对无机氮浓度分布的影响。模拟结果表明:辽东湾无机氮DIN经历了秋、冬季积累,春、夏季消耗的过程,浓度从东北至西南方向呈递减趋势,东北区域辽河口和大辽河口处为无机氮高浓度区;在河流输入无机氮浓度不变的情况下,辽河强水动力条件会使整个湾内污染物浓度增加,加剧水体污染,弱水动力条件在一定程度上可以改善海域水质状况。

English Abstract

  • 渤海,地处太平洋西部,通过渤海海峡与黄海相连,是中国最大的内海。辽东湾位于渤海东北部,西起六股河口,东至辽东半岛西侧长兴岛,海域面积约1.4万km2,平均水深只有20 m,其三面环陆,一面临海,属于半封闭式海湾[1-2]。作为渤海重要的三大海湾之一,由于其独特的地理位置和持续增长的环境问题,辽东湾已引起了很多海洋学者的研究兴趣。近年来,随着沿海城市的快速发展,排入海中的陆源污染物不断增加,其中大量的污染物质来自入海河流的输入,使得辽东湾地区的海洋环境污染加剧[3]

    目前,辽东湾的污染程度已严重影响了周围地区的经济发展,对该海域污染物输移规律进行研究,可为海洋环境治理提供一定的参考依据。在污染物输运数值模拟方面,许多学者进行了大量研究。张学庆[4]等建立三维污染物平流—扩散模型,模拟了胶州湾污染物浓度分布。Rui Liu[5]等基于水龄概念,应用FVCOM数值模型研究了水动力因素对输运过程的影响。顾杰[6]等通过建立潮流、污染物输运数学模型,模拟了洪枯季曹妃甸海域化学需氧量变化规律。王昆[7]等应用POM数值模型对辽东湾海域污染物时空分布进行了模拟。李明昌[8]将海域生态模型(ODEM模型)与数据驱动模型理论相结合建立了海域内部污染物浓度和模型参数之间的关系。李曰嵩[9]等利用FVCOM水质模型模拟了上海市四大排污口的污染物质在长江口的扩散分布。

    本文基于MIKE3数值模型对辽东湾海域水动力环境进行数值模拟,在此基础上耦合ECO Lab水质模块模拟辽东湾无机氮浓度分布特征,并重点分析辽河口径流对辽东湾水质的影响。

    • 本文采用由丹麦水资源及水环境研究所(DHI)开发的三维数值模型MIKE3中的水动力模块和ECO Lab水质模块建立潮流、污染物输运数学模型。水动力模块是整个MIKE3 Flow Model的计算基础,该模块从三维不可压缩的雷诺平均的Navier-Stokes方程出发,采用流体静力学和Boussinesq近似假定,包含连续性方程、动量方程、温度方程、盐度方程和密度方程[10]。该模块采用单元中心有限体积法和非重叠的三角形网格,能较好地进行对海域复杂地形的模拟计算。ECO Lab水质模块与对流、扩散模块相结合描述污染物的输运过程。该模块在非保守条件下的污染物输运方程如下:

      式中:c表示状态变量浓度;uvw分别为xyz方向的流速分量;Dx, Dy, Dz分别为xyz方向的扩散系数;Sc表示源汇项;Pc表示ECO Lab过程。

    • 为了准确得到辽东湾开边界处的潮位、温度和盐度,采用大、小模型嵌套的模拟方法。大尺度模型包含整个渤海及部分黄海区域,范围大致为117.5°E~122.5°E、37°N~41°N。计算区域三角形网格总数为5806,节点数为3137,垂向均分为10个sigma层,模型计算网格、研究区域及测站分布如图 1所示。小尺度模型计算范围大致为120.3°E ~ 122.5°E、39.9°N~41°N,计算区域三角形网格总数为2856,节点数为1536,在固边界处进行局部加密以更好地拟合复杂的地形岸线条件,模型计算网格和地形如图 2所示。

      图  1  大模型计算网格、地形及站位分布

      Figure 1.  Grid and topography of the large scale model and distribution of stations

      图  2  辽东湾海域计算网格及地形

      Figure 2.  Grid and topography of Liaodong bay

      大尺度模型开边界处潮位数据由MIKE软件潮位预测模块提供,温度、盐度数据采用HYCOM每隔24 h、精度为0.08°的全球再分析数据。降雨量、蒸发量、相对湿度、晴朗度、大气温度等气象因素采用ECMWF(欧洲中期天气预报中心)每隔12 h、精度为0.25°的气候再分析数据。径流边界主要考虑黄河、滦河、海河和辽河4条河流的淡水输入,径流量采用月平均数据[11]

      小尺度模型开边界处潮位、温度和盐度数据由大尺度模型提供,水质状态变量开边界数据从渤海、黄海、东海海洋图集化学分册[12]上提取月平均值后插值得到。由于实测资料的缺乏,状态变量初始浓度采用渤海多年平均值,并设置为常数[13]。入海污染源主要考虑了大辽河、辽河、大凌河和小凌河4条河流的输入,在模型中简化为点源,数据来源于中国海洋环境质量公报[14]和文献[15]

    • 选取2009年8月的模拟结果,与9个代表性潮位测站的潮汐表值和4个代表性潮流测站的实测资料进行对比,以验证模型的有效性。潮位测站和潮流测站分布如图 1所示,图 3图 4给出了2个潮位测站和1个潮流测站的验证结果。从图 3图 4中可以看出:潮位模拟结果与潮汐表资料吻合较好,流速和流向的模拟结果与实测值基本一致,能较好地体现转流时刻流向的变化。总体来看,模型能准确地反映大模型的水动力特性,可用于为小模型的数值计算提供水动力边界条件。

      图  3  部分测站潮位验证

      Figure 3.  Validation of tidal level of some stations

      图  4  部分测站流速、流向验证

      Figure 4.  Validation of tidal current of some stations

    • 图 5图 6为部分测站表层温度、盐度的时间序列验证图。总体来看:模拟结果与实测数据[16]吻合较好,且随时间变化趋势基本一致;表层温度随季节变化显著,且验证效果较表层盐度好;盐度随季节变化较小,7月、8月受到径流和降水影响盐度降低,之后盐度又逐渐升高。

      图  5  部分温度测站表层温度验证

      Figure 5.  Validation of surface temperature of some temperature stations

      图  6  部分盐度测站表层盐度验证

      Figure 6.  Validation of surface salinity of some salinity stations

      图 7为渤海冬、夏季表层温度和盐度平面分布图。从表层温度分布图可以看出:渤海海域冬季呈三湾(渤海湾、辽东湾和莱州湾)温度低于中部海域的分布特点,最低温度出现在辽东湾地区;夏季分布特点为三湾温度高于中部海域。从表层盐度分布图可以看出:冬季盐度与夏季盐度差别不大,夏季盐度稍低于冬季盐度,导致以上现象的原因主要是夏季降水增多、入海河流径流增大;受黄河径流影响,莱州湾盐度处于最低水平。总体来看,模型模拟结果与实际观测结果基本一致[17]

      图  7  冬、夏季渤海表层温盐平面分布

      Figure 7.  Distribution of surface temperature and salinity of Bohai Sea in winter and summer

    • 为研究径流量变化对辽东湾水质的影响,在计算参数不变的条件下改变辽河径流数据,分析不同径流下表层无机氮浓度的分布特征。流量数据采用2009年流量、洪水年流量和枯水年流量[18],模拟结果如图 8图 9图 10所示。

      图  8  辽东湾表层DIN月平均浓度分布(单位:mg/L)

      Figure 8.  Monthly averaged surface DIN concentration distribution of Liaodong bay (unit:mg/L)

      图  9  洪水年辽东湾表层DIN月平均浓度分布(单位:mg/L)

      Figure 9.  Monthly averaged surface DIN concentration distribution of Liaodong bay during the flood year (unit:mg/L)

      图  10  枯水年辽东湾表层DIN月平均浓度分布(单位:mg/L)

      Figure 10.  Monthly averaged surface DIN concentration distribution of Liaodong bay during the drought year (unit:mg/L)

      图 8模拟结果可以看出:辽东湾DIN浓度在空间上呈现从东北处至西南处递减、辽河口和大辽河口周围有浓度高值区的分布特征,海域水质状况较好,无机氮浓度低于河口周围无机氮浓度;在时间上秋季和冬季DIN浓度较高,冬季达到最大值,春季和夏季DIN浓度较低,且夏季达到最低值,即经历了春夏季消耗、秋冬季积累的过程。导致以上空间分布特征的原因是模型中主要考虑4条河流的DIN输入,且绝大部分通过辽河和大辽河排放,海域处潮汐运动剧烈、水体交换能力较强,有较强的净化能力。导致以上时间分布特征原因是秋季以后,海水温度和光强逐渐降低,限制浮游植物和细菌生长,有利于DIN积累,冬季过后,太阳辐射增强、气温回升,有利于浮游植物和细菌生长,使得冬季积累的DIN被大量消耗。

      图 9显示了辽河洪水年水动力强的情况下辽东湾DIN浓度分布特征。对比图 8可以看出:保持无机氮浓度不变,径流增大使得辽河输入辽东湾的无机氮总量增大,因此整体上2月、5月、8月和10月4个月份的无机氮浓度较图 8均有所增大。此外,相比于2月、5月和10月,8月份辽河口周围无机氮浓度较海域处无机氮浓度增加明显,水质受到的影响较海域处大,产生此现象的原因是8月份径流增大促进淡水锋面向外海扩展,锋面形成后,在没有外力的情况下,跨锋面方向的海水运动遵循双圈环流轨迹而无穿越锋面的净通量存在,阻碍无机氮向外海扩散。当辽河水动力较强时,辽东湾超出二类水质标准(0.3 mg/L)的区域增大。因此,保持无机氮浓度不变的情况下,增大辽河径流量会使辽东湾海域的水质下降,加剧环境污染。

      图 10显示了辽河枯水年水动力弱的情况下辽东湾DIN浓度分布特征。对比图 8可以看出:由于辽河径流明显减少,辽河输入辽东湾无机氮总量减少,整体上2月、5月、8月和10月4个月份无机氮浓度有所降低。由于河流径流减少引起淡水锋面的削弱有利于无机氮向海中扩散,辽河口附近DNI浓度降低较海域明显。当辽河水动力较弱时,辽东湾超出二类水质标准(0.3 mg/L)的区域减小。因此,保持无机氮浓度不变的情况下,辽河径流量减少,一定程度上会改善辽东湾海域的水质状况,减小环境污染。

      由于单个粒子运动具有较强的随机性,为探明污染物质的输运和迁移特征,采用拉格朗日方法对持续释放粒子条件下粒子的输运轨迹进行模拟。

      由于洪水年、枯水年与2009年这3年8月份流量差异较大,本文选用8月份进行模拟。保持污染物粒子浓度不变,从8月1日0时起于表层P点持续20 d释放粒子,模拟粒子的时间迁移过程和不同流量下粒子的输运轨迹,模拟结果如图 11图 12所示。

      图  11  表层粒子输运轨迹

      Figure 11.  Trajectory of the surface particles

      图  12  不同流量下持续释放20 d后粒子输运轨迹

      Figure 12.  Trajectory of the surface particles after 20 days under different discharges

      图 11可以看出:模拟5 d后,粒子偏向西侧运动,这是由于在科氏力的作用下,携带粒子的冲淡水流入海域后将向右偏转;模拟10 d后,大多数粒子聚集在河口附近,污染物粒子呈现向外海扩散的趋势;模拟15 d和20 d后,仍有较多粒子聚集在河口附近,粒子进一步向外海扩散,呈河口向外海递减的趋势,东北方向粒子数目多于西南方向。将图 12图 11中第20 d模拟结果对比可以看出:污染物粒子的浓度不变,增大流量后,整体上粒子数目增加,减小流量后,整体上粒子数目减少;河口周围粒子数变化受径流影响较为明显。

      总体来看,以上模拟结果也解释了辽河口附近无机氮浓度较外海无机氮浓度高、呈由东北向西南方向递减趋势,辽河口径流量改变后河口周围浓度变化较海域处明显这一模拟结果。

    • (1) 辽东湾无机氮浓度在空间上呈河口处高、外海低,由东北向西南方向递减的分布特征;在时间上呈秋、冬季高于春、夏季的分布趋势。

      (2) 在相同无机氮浓度下,辽河口径流量增大,河流入海污染物增多,整体上辽东湾无机氮浓度增加,与海域相比,辽河口附近浓度增加明显,水体污染加剧,水质状况下降,辽河口径流量减少在一定程度上可改善水质状况。

      (3) 从粒子输运过程来看,较多粒子聚集在河口周围,粒子数目由东北向西南方向递减,污染物粒子浓度不变,增加或减小辽河口径流量,整体粒子数会增加或减少,且河口周围粒子数变化较海域处明显。

参考文献 (18)

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