威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究

威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 中国海洋大学 硕士学位论文 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 姓名:龚艳君 申请学位级别:硕士 专业:海洋地质 指导教师:吴建政;朱龙海 20080601威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 摘 要 随着威海市提出“海洋兴市,发展海上威海”等经济战略,充分利用海洋资 源的同时伴随而来的污染也越来越明显。威海市区特殊的地理位置决定了废水排 放的去向只能是入海,而威海湾是市区的主要纳污海域,由于其所具有的半封闭 性,其水环境容量,特别是输移容量较小;污染物的排放,尤其是不加选择地漫 滩排放,容易使污染物累积发生污染生态效应。因此,如何科学、合理地利用和 配置半封闭海湾水环境容量资源,对保护半封闭海湾海洋生态环境、维护半封闭 海湾周边区域经济的可持续发展具有重大的现实意义。 本文基于“威海市陆源入海排污及其对邻近海洋生态环境影响研究”这一项 目,对威海湾主要排污口入海污染物扩散进行数值模拟,研究的主要目的是结合 数值模型估算威海湾纳污海域环境容量,解决半封闭海湾水环境容量利用 与排污口选择、排放方式问。 本文遵循下列方法进行“威海湾环境容量研究”:?从研究海域主要环境问 题出发,确定海域环境容量的估算因子;?依据研究海域海洋功能区划、《海水 水质》和海水水质现状调查结果,确定环境容量估算因子的环境质量目标? 在稳定浓度场的基础上,运用污染源一水质响应法计算纳污海域的环境容量。 本文首先系统地回顾了国内外环境容量研究和应用情况,在参考国内外环境 容量应用实践经验的基础上,总结出了环境容量及其应用的研究方法和步骤,接 着以潮流场为基础预测了污染物扩散对威海湾水质变化的影响,运用污染源一水 质响应法,计算得到威海湾纳污海域化学需氧量、无机氮、活性磷酸盐的环境容 量,最后提出了各排污单元污染物排放削减。 研究结果表明:威海湾望岛河和长峰河附近海域稀释扩散能力较差,污染物 易于在此滞留,现有排污量超过海域的环境容量,需要削减排污量;其余排污 口 附近尚有剩余环境容量,南竹岛河排污口附近的剩余容量最大。 关键词:威海湾;数值模拟;污染物扩散;环境容量 ,” ., “,,.? , , . ,.,? ..‘ ..蛎 ,. :;? ” ” ;,. ?? 一 , . , .. . .. 舯 , . : ; ; ?: 独创 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含未获得 洼 翅邀查墓丝霞塞簦型童塑数上奎拦亘窒.或其他教育机构的学位或证书使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 签字日期:瑚年占月日 学位论文作者签名:积车芝毛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术 信息 研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》,并通过网络向社会公 众提供信息服务。保密的学位论文在解密后适用本授权书 导师签字: 学位论文作者签名:爱靼磊 琵延攻彬 日 签字日期:黼年‘月 签字日期:埘年‖月/日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 电话: 通讯地址: 邮编:威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 前言 .研究背景 二十一世纪是“海洋的世纪,今后年甚至年内,国际海洋形势将发 生较大的变化,海洋将成为国际竞争的主要领域。然而,海洋资源开发的同时, 海洋环境己经成为国内外关注的热点之一,人们逐渐认识到海洋纳污能力的有限 性。海洋资源与环境的无序开发利用造成了大量污染物的排放入海,进而导 致了 海洋环境的严重破坏。 海洋环境污染物的来源主要包括陆地污染源、空中污染源、海上污染源等, 其中,陆地污染源是海洋环境污染的主要来源。据初步统计,目前进入海洋的全 部污染物中有%以上来自陆地污染源。全球%的人口居住在距海岸以内 的地区,预计在今后的年内,海岸带人口还会翻一番【。由于人类活动 产生的大部分污染物最终都进入了海洋,这些污染物大大地超过了海洋的自净能 力,致使海洋污染情况越来越趋于严重。从全球角度看,近多年来,人类活 动对近海生态与环境系统的破坏不断加强,海洋环境退化和生态破坏的速度在加 快,海洋生物多样性正以空前的速度迅速消失。海洋对人类生存的作用正受到沿 海地区开发和陆源污染的严重危害。 我国海岸线漫长,沿海地区经济发达,近年来沿海地区人口的日益增长和工 业以及群众性海水养殖业的迅速发展,使中国沿海的生态环境受到了较为严重的 破坏,并使外海受到威胁。海洋环境问题的日益突出引起了我国政府的高度重视, 在年代初,我国就从控制污染源排放着手,开始对污染物排放实行浓度控制, 并颁布了一系列海洋污染物浓度排放标准、海洋环境质量标准和相关法规, 如《海 水水质标准》、《船舶污染物排放标准》、《中华人民共和国海洋环境保护法》等。 但是,长期以来的实践表明,以达标排放为控制原则的环境保护政策并不能有效 地控制近岸海域环境质量的下降趋势。从年国家海洋局组织的重点排污口监测 结果看出,虽然许多陆源污染物排放浓度较以前有所降低,并有相当数量的污水 实现了达标排放,但沿岸海域污染物排放总量却不断增加。因此,在污染物入海 总量增加的情况下,即使实现达标排放,也不能实现海域环境保护管理的目标和威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 海域使用功能,只有同时对污染物排放的绝对量总量进行控制,才能有效地控制 和消除污染,而污染物总量控制的第一步是要确定环境容量。也就是海洋具有的 容纳污染物的容量值口’,一些不同国家的学者?叫,相继开展了海洋环境容量的 相关研究。年联合国海洋污染专家小组正式给出了国际上普遍接受的环境 容量概念:环境容量为环境的特征,是在不造成环境不可承受的影响前提下,环 境所能容纳某污染物的能力。水环境容量因环境目标的不同可分为自然环境容量 和管理环境容量,后者是本文的主要研究内容,其定义为:水体环境在规定的环 境目标下所能容纳的污染物量九。 .】.】研究意义 海湾是深入陆地形成明显水曲的海域,湾口两个对应岬角的连线是海 湾与海的分界线。联合国海洋法公约》第条第二款规定:“海湾为凹入陆 地形成的明显水曲,其水曲的面积要大于以湾口宽度为直径划的半圆面积,湾口 为水曲口门最窄处”。通常海湾三面为陆,一面为海。 据统计,在我国长达的海岸线地带,分布着多个面积在 以上的海湾,面积在以上的有多个唧。由于海湾地处陆地和海洋之交的 纽带地位和优越的开发环境,海湾自古以来就是人类通往海洋的桥头堡,是海洋 开发如海港开发、旅游开发、养殖开发、滩涂开发的基地,为人类提供优良的 生存空间,为国民经济的发展提供有利的自然条件,在人类社会的发展中占有非 常突出的地位。 海湾资源虽然丰富,但随着我国沿海地区社会、经济的迅速发展和城市化过 程城镇人口的集中,加至人类对海湾资源开发长远规划和资源保护的意识的 缺 乏,越来越多的生活污水、工业废水,以及固体废物直接或间接地排放入海,尤 其是排放到海湾区,使海湾区域环境受到不利的污染影响,甚至海洋生态受到严 重的破坏,直接引发了海湾生态系统功能衰退和生物多样性减少。据调查统计, 我国沿海地区每年约有工业废水和生活污水亿吨排放入海?。大量污水的排 海使沿岸海域水环境质量不断恶化,特别是半封闭海湾水域富营养化程度不断上 升,生物多样性减少,传统渔业资源遭到毁灭性打击,赤潮频繁发生?,由 此造成的经济损失极为可观。据年中国海洋环境质量公报报道,锦州湾、 杭州湾、莱州湾等海湾生态系统均处于不健康状态,渤海湾、乐清湾、大亚湾等 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 海湾生态系统均处于亚健康状态。氮、磷等营养盐是我国近海近年来污染逐年加 重的一类污染物,富营养化及营养盐失衡已成为近岸海洋环境最突出的问题之 一。】年只有东海近海无机氮平均含量超过一类海水水质标准,年南海 近海出现超标。到年,渤海、黄海、东海、南海海区无机氮的超标率已高 达%以上。其中东海污染最明显,到年,超标率上升到%,最高超标达 倍。整个中国近海氮磷等营养盐的污染呈逐年上升的趋势。受人口趋海移 动压力的影响以及大量陆源污染物入海的冲击,海湾环境保护面临很严峻的形 势。 威海市区三面为黄海环绕,海岸线绵延曲折,总长达公里,较大的海湾 有威海湾、合庆湾、黄埠港、双岛湾等。其中威海湾为省控监测海湾,位于市区 。 ?。 东部东经 ,北纬。’一。’之间,岸线长余 公里,海湾沿岸建有商港、军港、渔港及电厂等企业。威海市区特殊的地理位置 决定了废水排放的去向只能是入海,而威海湾是市区的主要纳污海域。根据威海 市环境监测站的调查 ,威海湾海域的污染主要分布在港区、南工业区及入海河 口区。污染物主要来自陆上污染源及进出口海湾的机动船舶构成的海上流动污染 源。近几年此海域污水及接纳量平均每年递增%左右,如不采取治理措施, 将导致海水水质继续恶化,直接影响威海市海上经济的发展。 海湾水环境容量的大小主要取决于水体本身的自然条件及所规定的水质目 标条件。但在实际应用中,还要受污染源排放的制约如排放口位置、排放方式 等以及是否产生污染生态效应等埔】。半封闭海湾是海湾的一种类型,通常其靠 海一侧的口门较小,湾内水交换能力往往较差,海洋生态系统比较脆弱,更容易 受人类活动的冲击而发生这样那样的海洋灾害。此外,由于其所具有的半封闭性, 其水环境容量,特别是输移容量较小;污染物的排放,尤其是不加选择地漫滩排 放,容易使污染物在底泥累积,易发生污染生态效应如赤潮、底栖生物异常等。 因此,如何科学、合理地利用和配置半封闭海湾水环境容量资源,解决半封闭海 湾水环境容量利用与排污口选择、排放方式问题,对保护半封闭海湾海洋生态环 境和海洋资源防止污染生态效应的发生,维护半封闭海湾周边区域社会、经济的 可持续发展具有重大的现实意义。 ..研究目的威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 本文基于“威海市陆源入海排污及其对邻近海洋生态环境影响研究一这~项 目,研究的主要目的是结合模型计算威海湾海域环境容量,在威海湾三 维潮流场的基础上,研究威海湾主要排污口入海污染物与海面环境状况的输入响 应关系,并根据水质目标与现状浓度计算了入海排污口污染物的最大允许排放 量,从而对各个排污口排放的不同污染物制定相应的排放与削减标准。其基本思 想是:在查清海洋水体环境容量的基础上,确定本海域的允许排海的各类污染物 总量的阈值,即求出纳污海域的环境容量。在过量排放的情况下,须求出排海污 染物削减量并制定削减方案。这样不但可以充分地利用海洋的自净能力,使一部 分污染物通过自然净化过程而被消除,从而减少环保投资,而且还可以通过定量 地限制污染物进入海洋环境,来达到保护海洋水体质量的目的。 本文运用河口一陆架一海洋模式,基于质量守恒原理和线性叠加原 理,结合混合区的概念,计算了纳污海域的环境容量,可以为威海湾污染源治理 提供依据,同时也可以为威海湾污水排海,海域水质管理及总量控制规划提供科 学依据,对半封闭型海湾及开阔海湾的污染物总量控制研究具有借鉴意义。水环 境容量是有限的,半封闭海湾的环境容量更是如此,因此,科学、合理地利用环 境容量资源,使海湾环境容量资源的利用和配置尽可能合理、有效,对维护沿 海 区域社会经济与环境保护的协调发展具有重要意义。 .研究现状 ..环境容量的概念 最初,环境容量概念也称为‘‘同化容量”,自世纪年代末开始,在 经历了年左右的讨论后,年联合国海洋污染专家小组正式给出了国际上 普遍接受的环境容量概念:环境容量为环境的特征,是在不造成环境不可承 受的 影响前提下,环境所能容纳某污染物的能力。 环境容量具有以下主要特征: 客观性或固有性 在一定的历史时期,水资源系统对某污染物总有一个客观存在的承载阈值, 环境容量是一个地区水资源系统的固有特征。 主观性和动态性 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 水环境承载力涉及到人们有怎样的生活期望和判断标准,因而具有主观性, 同时它也与特定历史时期的水资源开发利用水平有关,所以环境容量大小是 动态 变化的。 模糊性 由于水资源系统的复杂性、影响因素的不确定性和人类认识自然能力的局限 性,环境容量数量大小会有一定的模糊性。 我国对环境容量的研究经历了以下几个阶段:“六五”攻关期间,一部分高 校和科研机构联合攻关,把水体环境容量同水污染控制结合,对污染物在水体中 的物理、化学行为的探讨比较深入。“七五”和“八五期间,有关部门开始正 式对海洋的水环境容量进行系统的分析,国家环保科技的一系列攻关研究把水环 境容量理论推向系统化,实用化的新阶段。自世纪年代国家环保局相继实 施了“我国渤海和个海湾水质预测及物理自净能力研究”、“全国】个省市海 域功能规划”等研究项目。“九五”期间,国内在推进经济发展的过程中,从排 污的浓度控制向浓度控制和总量控制相结合的方向转化。控制污染物排放和合理 规划海域功能的使用成为解决排污控制的核心。国家海洋局在大连湾、胶州湾和 长江口等海域组织实施了有关近海海域污染物环境容量研究项目。在这个 过程中,从河流、湖泊环境容量到海洋环境容量的概念得到很大的深入,关于海 洋环境容量的研究也逐渐成为新的研究方向。直到】世纪初,国家自然科学基 金委员会又资助了“渤海典型环境污染物的迁移一转化过程及环境容量的研究 重点项目。通过这些研究,不仅在海洋环境容量概念、理论和计算方法等方面取 得了重要成果,而且在中国典型近海海域重要污染物海洋环境容量计算方面也有 重要进展,从而为中国近海海域污染排海总量控制反感的科学实施提供了必要的 理论基础和技术支撑。用环境容量的概念来防止海洋污染是一个很好的方法,便 于控制和规划,在应用中具有良好的发展前景。 ..海湾环境容量计算方法研究 影响环境容量的因素是多种多样的,主要包含以下方面】: 受纳水域的水体特征。包括水体几何参数、水文参数,水体受污染的程 度、水生态系统健康程度、水生生物多样性的保护程度等。 水环境质量要求。水环境质量要求的标准不同决定了水环境承载力的差 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 异,同一地区的同一时期,对水环境质量的要求不同,水环境承载力的大小也不 相同。 水体对不同污染物的自净能力。不同污染物对水生生物的毒性作用及对 人体健康的影响程度不同,允许存在于水体中的污染物量也不同。因此,对于不 ’ 同的污染物有不同的环境容量。 在海湾环境容量计算中普遍接受的观点有以下两种: 第一种是:在水质不超过所要求的国家海水质量标准条件下,一定时间范围 内水体所容纳的最大污染物数量,即污染物自净容量与相应海水浓度本底值所确 定的污染物蓄存量之和。王修林基于此概念计算了胶州湾环境容量、基准海洋 环境容量、极小海洋环境容量、极大海洋环境容量。 第二种是:从总量控制和环境管理的角度出发,认为环境容量是在水质不超 过环境功能区所要求的环境标准的前提下,污染物的最大允许排放量。 第一种观点可以给出海域纳污能力的宏观背景信息,但无法反映现状排污布 局对环境容量的影响,而且没有较好的反映不同水域的水质要求,所以,以下讨 论的是第二种观点的研究方法。 模型试算法 栗苏文掣在大鹏湾海域污染源和水质现状调查的基础上,分析影响大鹏湾 水质的主要因素有:生活污水、工业废水、水产养殖业造成的有机污染以及伴随 雨洪径流产生的面源污染,进一步对三个时期、、年各种污染负 荷进行估算。应用模型对年水质现状进行模拟,对三个时期水质 进行预测,采用模型试算方法对大鹏湾水环境容量进行了估算。水环境容量的估 算方法分步: .保持香港集水区的污染量不变,改变深圳集水区的污染量,以估算深圳方 的最大污染负荷。 .保持深圳集水区的污染量不变,改变香港集水区的污染量,以估算香港方 的最大污染负荷。 .利用前步的计算结果,计算双方在同时排放最大污染量时大鹏湾的水质 情况,并根据各次区的超标情况削减其污染量,直至整个大鹏湾集水区水质达到 水质标准。每个步骤均采用模型试算法,共进行了次模拟运算。按照上述方 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 法估算了大鹏湾水环境容量。试算法比较直观,但是需要多个方案,且如果 污染源数量较多、水质模型时空分辨率较高时,工作量可想而知。另外,试算法 得出的不一定是最优方案。 污染源一水质响应法 张存智,韩康等基于以下理论假设讨论了海湾纳污能力计算模型: .海区的水质状况主要取决于污染源特性位置、排放量等和水体环境特性 海区几何尺度、动力状况等,这些影响因素构成一个复杂的相互作用系统,即 污染源一水质响应系统。并且定义单位点源所形成的浓度场为响应系数,它表征 了海区内水质点对某个点源的响应关系。 .污染物在水体中的运移遵循平流一扩散输运模型,在己知流速、湍扩散系 数的条件下,浓度模型是线性的,满足叠加原理。环境容量计算方法和步骤如下 所示: 第一步:计算各个点源的响应系数场; 第二步:计算各点源的分担率场; 笫三步:计算各点源最大允许排放量; 张学庆,孙英兰等【】将、看作保守物质,采用此方法计算了胶州湾、 、的环境容量;余静,孙英兰等】采用此方法计算了宁波一舟山海域、、 环境容量。 此方法相对于试算法工作量小,但只适用于海域面积不太大,浓度场模拟不 太长的时间就能达到平衡,能够得到比较稳定的响应系数场的海湾:此外还要求 对所有排放源资料掌握比较全面,水质现状控制较好,基本满足水质目标。这种 方法思想容易理解,方便管理和实际操作,但有个问题值得探讨: 响应系数场是不是唯一、稳定的,即它是不是时间、源强的函数,是不是随 时间推移不断演变,是否随源强的改变而变化。这里主要有两个因素影响响应系 数场:潮流的周期波动和单位源强的大小。首先,在一个潮周期内,浓度场会有 周期性的波动,这可以用一个周期的平均来消除。当排污口以单位源强排放某污 染物,各种自净过程把该污染物从计算海域去除,只有当排入速率与去除速率相 等的时候,模拟足够长的时间后,才有可能形成稳定的浓度场;否则,浓度场就 有逐渐增大或减小的趋势,而不会趋近于某一稳定的响应系数场。 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 分区达标控制法 李适字,李耀初等明提出分区达标控制法用于求解海域环境容量。引进贡献 度系数将容量问题定义为线性规划问题,使各类水功能区在达到所对应的环境标 准的前提下各排污口污染物允许排放量之和最大。计算方法与步骤如下: 第一步:选取水质控制点 根据流域区域可持续发展的要求,往往对流域区域内的水体划分不同的 功能区,针对不同的功能区,制定不同的水环境保护目标。在功能区边界,选取 一定间隔的水质控制点,以保证各类水域分别达标。 第二步:计算贡献度系数 排污口为单位负荷,即矿,其它排污口无负荷,即肛,?,:桴 力。然后用水质模型计算出在这种情况下的浓度分布,确定出个水质控制点的 浓度值,即为,?,。改变排污口,重复以上步骤,就可以求出每个排 污口在各控制点的贡献度系数。 第三步:线性规划方法求解区域最大环境容量 区域环境容量资源利用问题可以归结为如下问题:即如何在现有污染源格局 数量和相对位置不变、各污染源的排放量在一定范围之内,在满足环境质量目 标要求的约束条件下,尽可能有效地使用水环境资源,使区域的污染物排放量最 大。王悦剐采用此方法计算了渤海湾的环境容量;余静川采用此方法计算 了胶州湾、、的环境容量。 鉴于威海湾的实际情况,本文采用污染源一水质响应法,为了解决如何得到 唯一、稳定响应系数场的问题,在计算过程中模拟了足够长的时间得出了稳定的 浓度场。 ..数值模拟方法研究进展 进入海域的污染物质通常经历物理、化学和生物三种净化过程。其中物理过 程最基本的,是指污染物在水域中的混合与输运过程,包括时均流动引起的污染 物输移以及紊动引起的污染物扩散:生物和化学过程则决定了污染物的最终归 宿。这些净化过程受到海域时均流动、紊流效应、水文气象条件、化学及生物作 用等诸多因素的影响,使得污染物在海域中的迁移转化规律变得十分复杂。采用 缩小比例尺的物理模型实验来研究各种影响因素作用下污染物的迁移转化规律, 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 即使在科技十分发达的今天,也仍然相当困难。而数学模型能避开物理模型难于 处理的相似准则问题,具有投资小、周期短等优点,故采用数学模型研究水质污 染问题具有重要的理论意义和工程实用价值。 化学物质在多介质海洋中的物理、化学和生物迁移一转化过程,是一个既相 对独立又相互作用的复杂系统过程。为了描述,特别是定量描述化学物质在海洋 环境中的复杂系统过程,自世纪年代开始应用模型方法研究化学物质在多 介质海洋环境中的迁移一转化系统过程。具体地讲,所谓模型一般是指在假设条 件下,通过动力学数学方程组定量“数值模拟再现”真实系统的迁移一转化 过程。海水中溶解态和颗粒态物质的迁移过程与海水质点运动性质一样【, 可以在对流迁移、湍流扩散等水动力输运作用下从目标海域向外海输运,由此使 水质净化。研究表明,溶解态和颗粒态物质水动力输运过程是大洋,特别是河口、 海湾等海域水质净化的最重要过程之一。 关于河、海湾等海域物质水动力输运过程,先后提出了箱式潮交换模型 ?、标识质点跟踪模型‘一州、对流一扩散输运模型一弱】等。其中,对流一扩 散输运模型能够比较精确、完备地刻画由于对流、扩散等作用所产生的物质水动 力输运过程。由于潮流对海湾和沿岸海域物质的迁移和分散起着要作用,因此, 运用潮流场作为背景场驱动控制物质浓度的对流扩散方程进行物质迁移的研究 得到广泛运用。根据潮流场维数,先后提出了一维【、二维【】和三维?潮流 场数值模式。其中,三维数值模式不仅可以细致地刻画水平和垂向分布,而且可 以较好地拟合近岸复杂的岸形和底形,从而能够实现物质在实际空间和时间上的 动态模拟。然而,由于与实际三维空间的差异,一维和二维数值模式难于实现物 质在实际空间的动态模拟。这样,由于河、海湾等海域空间往往具有很 强的三维结构,一般需三维数值模式才能比较接近实际地模拟物质在实际空间的 水平和垂向分布。 对于特定海域的环境容量计算,其采用的计算模型一般是基于近海环境流体 动力学数值模型发展而成的,目前,普林斯顿大学海洋模式和河口一陆架 一海洋模式】是应用比较广泛的三维潮流场数值模式。这两种模式以 原始三维方程为基础,以自由水位、三方向速度分量、温度、盐度、密度、端动 能、湍宏观尺度等作为变量。研究表明,将模式应用到河口、海湾等海域, 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 可建立化学污染物三维对流扩散输运模型钙,。因此,应用污染物三维对流一扩 散数值模型可以模拟排海污染物在目标海域海水中的时间,特别是空闯分布特 征,并且进而可以计算化学污染物水物理迁移自净容量。 在实际应用中,国内学者也开展了相应的工作,比如,张存智等利用 法模拟了大连湾潮流场及污染物浓度分布,建立了污染源输入与纳污水域响应的 数值模型和总量控制模型。国家海洋局北海监测中心和青岛市海洋水产局】采用 “零点基线方法即以年污染物排放量为基准,利用二维环境动力学模 型,以海泊河、李村河两个汇水区为研究对象,对胶卿湾入海污染物总量控制进 行了规划。在大连湾,开展了基于的海湾陆源污染排海总量控制的空间优化分配 方案研究裴相斌等,,李克强等人,年利用建立的海洋动力学模型 来进行胶州湾石油烃污染物环境容量的计算,厦门大学海洋环境科学教育部重点 实验室也开展了宁波市象山港海洋环境容量及污染物排放总量的控制研究,提出 了环境容量的二步分配法环境容量研究。 总之,国内学者系统地开展了近海水动力及水质数学模型研究,提出了一系 列实用、有效的理论模型和计算方法。但由于精确模拟近海水流运动和定 量描述水质参数仍具有一定的困难,现有的近岸海域三维水动力水质模型中,有 的不考虑由于水文、气象及内陆径流产生的温度、盐度与密度的变化;有的不考 虑沉降与再悬浮、吸附与解吸等物理过程的作用;有的不考虑复杂化学和生物转 化过程的作用。由此可知,海洋数学模型从简单到趋于完善,有一个发展的过 程,建立何种模式,取决于要研究的具体问题。根据威海湾的实际情况,本文运 用河口一陆架~海洋模式,利用张存智等人研究的海湾纳污能力计算模 型,在威海湾潮流场数值模拟的基础上,预测了各排污口在实际排放量条件下污 染物浓度扩散范围,并获得稳定的响应系数场,求得各个点源的响应系数,从而 根据水质目标与现状浓度计算了纳污海域的环境容量。 .本文工作 前文所述,一些学者对水环境容量进行的大量的研究及相关实践,但对半封 闭海湾的环境容量如何更为合理的利用,特别是对海湾的纳污能力进行系统深入 的研究还比较少。本文在计算环境容量时,综合考虑了港湾的环境特征与自然属 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 性、环境与资源的开发利用现状与发展趋势、纳污海域的功能区划水质要求、海 湾水质调查现状结果、混合半径的合理确定等,提出了环境容量应用中根据海域 纳污能力选定排放口的方法及各个排放口的入海污染物削减方案,为合理利用半 封闭海湾环境容量,保护半封闭海湾海洋生态环境和海洋资源,防止污染生态效 应的发生,维护半封闭海湾周边区域社会、经济的可持续发展提供了一个新的思 路。本文主要研究内容如下: .以实测数据和历史资料为基础,运用三维模型进行潮流场数值 模拟,并对模型进行了潮位、潮流验证; .在三维潮流场数值模拟的基础上,利用物质输运方程进行污染物浓度扩散 的预测,获得稳定的响应系数场,求出各污染点源的响应系数。 、阐述响应系数、混合半径、允许浓度增量和环境容量的概念,并提出了 威海湾各排污口不同污染物的最大允许排放量计算方法。 、确定水质目标、混合半径等参数,利用响应系数计算各排污口所处海域 的环境容量; .验证计算结果并提出各排放口不同污染物的排放与削减方案。 .主要创新点 本文的主要创新点在于运用三维模型获得稳定浓度场条件下的响应系 数。 本文对威海湾海域的潮流场进行数值模拟,模拟再现威海湾海域潮汐潮流的 运动和时空分布与变化过程,为研究威海湾的环境容量提供动力学条件。 响应系数场是计算环境容量的基础,响应系数场的模拟结果直接关系到计算 结果。为了验证能否得到稳定浓度场条件下的响应系数,将个污染源各自单独 模拟天,大约经过 个潮周后,潮周期平均的浓度基本处于稳定状态。这就 说明单个点源单独排放,模拟足够长的时问后,确实可以得到一个稳定的浓度场, 从而可以利用此浓度场计算海洋环境容量。至于可以得到稳定浓度场的原因,可 以认为模拟刚开始时,物质输入速率大于物质输出速率,物质从排污口向整个海 域扩展,浓度不断增大;随着时间的推移,输出速率增大到与输入速率相等,这 时整个海域浓度分布趋于稳定,浓度等值线不再变化。威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 研究区概况 威海市海岸类型属于港湾海岸,港口航运资源丰富,拥有皂北湾、皂埠湾、 龙眼湾、俚岛湾、石岛湾、埠口湾、前岛湾、乳山口湾等众多天然港湾。威海空 港位于环翠、文登、荣成三个市区交接的大三角地区腹地,北部有威海新港,东 部有龙眼港、南部有石岛港两个国家一类开放口岸。 威海湾海域旅游资源丰富,主要有刘公岛、威海公园和海上公园。刘公岛: 刘公岛位于威海湾内,东西长.,南北最宽处,面积,素有“海 上仙山”和“世外桃源”的美誉。威海公园:位于市中心区南部,北起四方路, 南到平度路,面向威海湾,总长.,平均宽.,总面积.。海 上公园:位于威海经济技术开发区皇冠小区东侧,北与威海公园相接,总规划面 积,包括游乐园、人工湖、奇石园、森林生态园、海水浴场、九龙湾旅游 度假区六个部分。 威海湾南部威海新港东西两侧密布大量养殖筏,多为海带和扇贝养殖。根据 ‘威海市海洋功能区划》,上述海域为锚地区、航道区和港口预留区,威海湾内 只在威海新港西北部预留部分海上渔业观光休闲区,除此以外,海面水产养殖均 属于临时占海产业。威海新港东部有华信海珍品有限公司利用电厂余热进行 室内 工厂化养鱼,主要养殖品种有大菱鲆、牙鲆、河纯和美国红鱼等,其属于陆上 滩 涂养殖规划区。 威海湾及附近海域附近分布有威海船厂、崮山船厂和威海大宇船业有限公 司。威海船厂可建造.万载重吨级以下、坞修载重吨以下各类船舶,年 造船完工量万载重吨,修船艘。自年改建船厂以来,威海船厂共建 造以下集装箱船、以下散货轮等各类船舶余艘。 .地质概况 地理位置及水深地形 威海湾湾口北起南山咀,南止鬼子头。口门处的黄岛、刘公岛、大泓、小泓 与日岛等诸岛礁连成一线,形成威海湾的天然屏障。海湾岸线长度,面积 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 .,平均水深,最大水深。以旗杆咀为界,威海湾又可分为南湾和 北湾。北湾即狭义的威海湾,南湾又称杨家湾,威海新港就位于杨家湾东侧近 口 门处。威海湾湾口被刘公岛分为南、北两口,北口宽,水深~,无 暗礁,为主航道;南口则由日岛分为南、北水道,其中,北水道宽,水深 ~,无暗礁,软泥底质。刘公岛东西长.,宽.~.,面积., 岸线长。该岛距离威海商港码头约.,地理位置险要,岛上峰峦起伏, 青松绿槐,风景秀丽。研究区海域水深地形见图?。 图?研究区水深地形图 地质地貌 威海湾位于华北地台鲁东隆起胶北凸起乳山一威海复背斜的北翼,基底是由元 古界胶东群组成。自基底形成以后,本区长期处于隆起剥蚀状态,没有接受沉积; 中生代时形成了一些断裂构造,并有岩浆岩侵入;新生代只在第四纪时,局部地区威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 形成了残坡积、冲积、海积等沉积物。 自上元古代以来,威海湾附近一直处于缓慢抬升状态,遭受剥蚀和侵蚀,周 围被低山丘陵环绕,岬湾相间,湾顶发育小型海积平原。由于低山丘陵临海,沿 岸地势起伏,水系发育,但无大河,多独流入海,主要河流有:城南河古称石 落河、望岛河、长峰河、风林河又名徐家河或天东河等。这些河流的特征 是源高、坡陡、流域面积小表一,属季节性雨源河流,中上游河床狭窄, 雨季河水易暴涨。 表一】威海湾河流情况表 平均径流量 入海处 流域面积 河流名称 发源地 长度加 × . . . 城南河 大岚寺 威海卫城南 . . . 望岛河 邓家寨 卢加疃东 长峰河 邓家寨 长峰村东 . . . . . . 风林河 北玉皇山 杨家滩东北 水下侵蚀洼地分布于威海湾的北口和刘公岛的东北。威海湾北口水下洼地向 方向延伸,穿过青岛与牙石岛之间的海域转向西北,使其呈反“”形;中 部略浅,两头深,最大水深,一般,较周围海底深 一。底 质较粗,主要为中、细砂,局部为砂砾。水下洼地均处于强流区,延伸方向与 主 流向一致,是由较强的海流长期冲刷海底而成。威海湾的水下岸坡一般位于 以浅的近海海底,但东南部及刘公岛东北侧深度较大,可达或更深,是波浪 经常作用到的地带,动力较强,底质较粗,主要为中、细砂。 就现代海岸动态而言,威海湾的海岸现正处于海侵的丘陵港湾海岸向侵蚀堆 积的复式夷平海岸演化的初期。岬角、凸岸遭受侵蚀后退,但十分缓慢,湾项、 凹岸发育堆积,但很微弱。故本区海岸目前基本稳定。 底质类型 威海湾的沉积物有砂、中粗砂、中细砂等九种类型图。沉积物粒度 参数分布见图一。可以看出,本海区沉积物的中值粒径较细,绝大部分海域 在巾以上,而巾巾的沉积物则分布在沿岸海区,且等值线密度较大,这说 明沉积物的强动力作用带在近岸范围之内。 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 ? ? 田固回回回 中? ?? ??一? ? 回圃回 苎一圭土鞋土一?, ?一矗? ?,’ 图?威海湾沉积物类型图 图?威海湾沉积物中值粒径巾值等值线图 .水文气象 ..风 威海市地处中纬度季风气候区。据威海市气象站代表年风速资料 统计,累年年平均风速为./,月份平均风速最大,为./;、、月 份平均风速最小,在./左右表?。 表一 累年各月平均风速/ 月份 . . . . . . . . . . . . 风速 威海湾强风向为和,最大风速/,常风向为和,频率都 是%图一和表。冬季各月向风的频率大于%,月达%。 月~月多偏南风,频率~%。 表? 威海多年平均风速、最大风速及频率表 \风向\ 项目\\ . . . . .】 . . . . . . . . . . . 平均风速/最大风速/ 】 频率%威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 一 图 例 ‘ ?』平均风速/ ?? 捌题、叫, 黛毅.~ 竺三。曩大风速《/ 上一曩疆、?, 霸 率 甲、 ::频 鬻 缎 、??./ 图一威海湾风玫瑰图 ..波浪 威海湾内有三处地点进行过短期波浪观测,现分析威海湾西北部北山嘴海域 水深波浪状况,据北山嘴一年波浪资料统计分析表明:本区常浪向为 向,频率为%:次常浪向为向,频率为 %;强浪向为向,最大波高.; 次强浪向为向,波高为.:全年平均波高为。。波浪有明显的季节变 化。 威海湾内西北角波浪有明显的季节变化,春季:常浪向为向,频率为%, 强浪向为向,最大波高.:夏季:常浪询一为向,频率为%,强浪阿亦 为向,最大波高.;秋季:常浪向为向,频率为%;强浪向也为向, 最大波高.,至向波浪较大,最大波高均超过,平均波高均在. 以上,其它向波浪较小;冬季:常浪向为向,频率为%,强浪向亦为向, 晟大波高.。 可见,威海湾西北角偏南处由于受地形影响,向浪占绝对优势,强浪向冬 季均为偏向:一年中,以秋季波浪最强,静浪时间最少,静浪频率为%;夏 季波浪最小,静浪频率%,全年静浪频率为%。 ..潮流 威海湾内潮流概况 威海湾涨、落潮期间实测最大流速为北口的玎号站,涨潮流速为/, 流向。,落潮流速为/,流向。;南口的号站,涨潮流速为/, 流向。,落潮流速为/,流向。。即南口的潮流要比北口强,差值 //。威海湾潮流分布见图一、图?。威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量 研究 威海湾的南口和北口是两个强流区。北口的涨潮流主流向为偏向,落潮 流主流向为偏,这一区域,一般在主港高潮时前一开始涨潮,最大涨潮 流速发生在高潮前或发生在高潮时,其流速为/流向。。在高潮时 后一转为落潮流,最大落潮流速一般发生在高潮后或前时,流速为 /,流向。。南口的涨潮流主流向基本为偏向,落潮流主流向为偏 向,涨、落潮流开始时间从主港高潮后、至高潮前、,但由于该区域 为理想的旋转流型,因此,涨、落潮流的起始时间各站不尽一致。晟大涨潮流 速 为/,流向。,最大落潮流速为/,流向。。金线项以东附近 海域,涨,落潮流流向为?向。两湾口的涨潮流速大于落潮流速,南口的流 速大于北口的流速,差值约/。潮流流速由南、北口向湾内逐渐减小,至 湾顶长峰咀附近海域潮流十分微弱。 威海湾内潮流性质很复杂,既有规则的半日潮流性质,又有不规则半日潮流 的性质,其原因是该海区同时受到成山头东北分潮无潮点和烟台西北渤海海 峡中部分潮无潮点作用的结果,并且分潮无潮点的作用较】分潮无潮点 强。 威海湾潮流的运动形式主要是旋转流,只在北口和金线项附近小范围海域内 属于往复流,以号和号站较典型。号和站属比较标准的旋转流型。 潮流的旋转方向都是反时针的,从图?、图?上的几个较理想旋转流 的测站可以看得十分清楚。 威海湾的余流分布图?与潮流一样,南口比北口的流速大,向湾内 逐渐减小,至湾项长峰咀附近海域流速只有//。余流流向为北 口偏向,由湾内流向湾外,南口的流向不甚一致,总趋势是偏西北向进入海 湾, 绕过日岛,从其北侧流出海湾,形成一个半封闭的环流,金线顶以东。南海域 余 流较弱,流向为。余流垂直变化,流速表层大于底层。北口余流流向,表、 底层一致,偏向流出,南口部分测站,表、底层的流向较一致,偏或偏 流出。威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 图?威海湾潮流分布图表层 图?威海湾潮流分布图底层 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 图?威海湾余流分布图 年月调查结果 年月,在威海湾北部海域进行了个站位的海流观测,站位布设见一 图一、 表?。由于调查区位于威海湾内近岸海域,流速较小,一般在~ /之间,最大流速发生在站位,为/。观测结果见图?。 图?调查测站位置图威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 表? 调查盍占位坐标一览表 坐标 站位 调查项目 纬度 经度 、、 。’.” 。’.” 水质、海流、底质、底栖生物 、、 ’’.” 。’.” 水质、海流、底质、底栖生物 图?实测潮流玫瑰图 。主要环境问题及污染源入海通量 ..主要环境问题 根据威海市环境监测站的调查切,威海湾海域的污染主要分布在港区、南工 业区及入海河口区。污染物主要来自陆上污染源及进出口海湾的机动船舶构成的 海上流动污染源。近几年此海域污水及接纳量平均年递增%左右。 生活污水:目前,市区常住人口万人,如按每天人均排污水量升、 、、计算,则城市生活污水排放量将达万吨/年,排 放量.万吨/年、,.万吨/年、,.万吨/年。市区生活污水均进 入日处理能力.万吨的第一污水处理厂进行二级生化处理,除部分回收用于工 业生产外,大部分直排入海。城市人口的增加,致使生活污水排放量增长,而第 一污水处理厂处理能力有限,经常超负荷运转,如不迅速采取有力措施,将导致 海水水质继续恶化,直接影响旅游和海水养殖业的发展。 工业废水:市区内共有重点工业废水排放企业余家,年排放工业废水 万吨,万元产值工业废水排放量为 .吨/万元,污染物排放量分别为,威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 吨、,吨、,吨。家企业的余万吨废水进入污水处理厂进行 二级生化处理,其余的工业废水只经厂内一级处理间接或直接排海。排海工业废 水万吨,占.%。 交通船舶:威海湾内拥有万吨级商港、军港、渔港,进出港湾的机动船舶泄 漏排放的含油废水及生活污水,是造成海水石油类污染的主要原因。 养殖:养殖是影响近岸海域环境质量不可忽视的因素之一。随着威海市提出 “海洋兴市,发展海上威海”等经济战略,充分利用海洋资源,大力发展养殖伴 随而来的污染亦越来越明显。根据对近岸养殖海域水质的监测调查情况分析,过 剩饵料的排放,以及养殖收获阶段大量养殖废水、固体废弃物的排放,给近岸滩 涂、海水均造成了不同程度的污染,尤其是加重了、无机氮、磷等污染物超 标现象。 ..污染源入海通量 根据威海湾入海污染源的特点,威海湾环境容量的研究主要针对现有的排污 河口进行。因此,首先需要确定实施控制的主要排污河口,主要排污口的确定主 要依据现有的污染源调查资料进行。年,威海市海洋环境监测中心进行了 威海湾污染源调查,为本课题的研究工作提供了基础资料。威海湾排污口位置图 见图一,污水排放量及污染物浓度见表?。威海湾污染物扩散数值模拟与环境 容量研究 年污水入海量 无机氮 磷酸盐 序号 名称 / / / / 东山宾馆排污口 . . . 葡萄河 . 。 . 南竹岛河 .. . 望岛河岛 . . . 长峰河 . . . 华夏路排污口 . . . 双龙河 . . . . . 第二污水处理厂 . . . 由以上图表可知:威海湾沿岸主要有个排污口,依次为东山宾馆排污口、 葡萄河、南竹岛河、望河岛、长峰河、华夏路排污口、双龙河和第二污水处 理厂 排污口,因为有些排污口分布比较密集,故在计算中进行了合并,共合为个 “点 源”作为计算输入条件,合并后的结果见表一。撑、拌排污口位于威海湾的 西北部海域,撑排污口位于威海湾中部海域,排污口位于威海湾西南部海 域。 根据表?中的污水排放量和污染物排放浓度可求出各排污口不同污染物 的实际排放量,结果见表?。 表?威海湾捧污口污染物实际捧放量 流 排 排 排 入 名称 序号 / 无机氮/ 磷酸盐 序 序 序 海 域 东山宾馆排污口 . .. 葡萄河 . . . 威 南竹岛河 , . . 海 望河岛. . . 湾 长峰河 海 华夏路排污口 . .域 . 双龙河 第二污水处理厂 . . . 排放量:望岛河排放口 放量为./,占胶州湾总量的,%, 所占比重最大。其次是葡萄河和长峰河河口排放量。 无机氮排放量:望岛河口无机氮排放量最大,为. /,占威海湾无机氮排放 总量的.%。其次是长峰河排放口和双龙河排放口。 磷酸盐排放量:同无机氮排放类似,望岛河排放口捧放量最大,排放量为威海 湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 ./,占胶州湾磷酸盐排放总量的.%,其次是第二污水处理厂、长峰河和 葡萄河。 .水质环境质量现状调查与评价 】调查范围与站位布设 根据年】月和年】月的水质现状调查资料,在研究区海域内选择 。 了个水质监测站位,调查站位见图? 图 ?水质调查站位 调查分析方法 采样、分析方法和技术按《海洋监测》 ?和《海洋调查 规范》的规定进行。各项目分析方法见表一。 依据《海洋调查规范》规定的水样采集层次,按照水深采表层,水深 ?采表底距底两层的原则进行样品采集。 表? 水质监测分析方法 项目 分析方法 碱性高锰酸钾法 活性磷酸盐 抗坏血酸还原的磷钼蓝法 硝酸盐 铜镉柱还原法 亚硝酸盐 重氮一偶氮法 靛酚蓝法 铵盐 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 调查结果 调查结果见表。 表? 水质调查站位及监测结果 调查站 / 无机氮/ 磷酸盐/ 位 . . . . . . . .】 . . . . . . . 由表卜可知:、、、、五个站位中,除点的磷酸盐浓度严重超出 水质控制目标外,其余的站位的、无机氮、磷酸盐的浓度值均符合标准。但 可以看到、、三个站位的无机氮含量较高;、三个站位的磷酸盐含量较 高,再加上排污口的污水的大量排放,很容易超出水质控制目标,所以污染物 总 量必须加以控制。 威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 威海湾环境容量研究方法及步骤 .污染源输入一纳污水域的响应特性 特定海区的水质状况是由于多种环境影响因素相互作用的结果。这些因素主 要包括:排污口的位置和排放强度、海域的自净能力主要为物理自净能力等。 这些影响因素构成一个复杂的相互作用系统,即海域水质污染源的响应系统。一 般来说,在海区环境动力条件不变的条件下,海域水质对污染源强的响应是相对 固定的,处于一种动态平衡状态。根据质量守恒原理,可以确定控制这一系统的 数学方程表示: .矿.:..册 口 其中:代表污染物的浓度;矿代表深度平均流速;‖代表水深:刃代表扩散 系数;代表源函数。 在假定扩散系数刃为常数的条件下,方程?为一变系数、线性、椭圆型 偏微分方程,该方程在第一类边界条件下满足迭加原理,即具有如下两个重要的 特征: 在浓度场的计算中,各个单个点源条件下算得的浓度场相迭加的结果 与将所有的点源合在一起考虑算的浓度场相同。 某一单个源强,可以分解为若干个单位源强的线性组合。即某一源强 条件下的解等于该源点位置上若干个单位源强条件下的解的迭加。 ..响应系数 由上述输运方程的性质可知,在环境动力条件不变的条件下,海域的水质仅 仅取决于排放源的性质源点的位置、强度及化学组成等。也就是说,平衡浓度 场是海洋水体对于源的响应。前述分析表明,这种响应关系是线性的,因而可以 用简单的函数关系来描述源强与平衡浓度场之间的联系,即有: 尸 ? 其中:代表第.个点源的排放强度, 代表在第,个点源单独作用下所形成的平衡浓度值,威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 只代表与第,个点源有关的系数。方程式可以改写为: 不难看出,系数只