薛志泳，鄭小慎

1.國家海洋技術(shù)中心 天津 300112

2.天津科技大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院 天津 300457

由于天津沿岸海域是半封閉式的地形,使得水體的交換能力差,自我調(diào)節(jié)功能較低,加之隨著天津近岸經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和填海造陸帶來的影響,陸源污染物大量輸入,使得天津近岸海域污染現(xiàn)狀日趨嚴(yán)重[1]。在眾多導(dǎo)致海洋環(huán)境污染狀況惡化的因素中,陸源入海排污是重要因素之一。由于工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展所帶來的工業(yè)廢水向海排放,導(dǎo)致了天津沿岸水體的污染超標(biāo)和富營養(yǎng)化加重,對(duì)海域的生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了一定的威脅[2]。近幾年,入海排污排放的主要污染物濃度呈現(xiàn)增長趨勢,對(duì)于海洋環(huán)境的污染也隨之加重[3-4]。對(duì)于排放污染物擴(kuò)散研究也是海域環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容。

隨著海洋模型的不斷發(fā)展,模型在海水水質(zhì)上的模擬計(jì)算的研究優(yōu)勢更加明顯,可以更全面地了解水質(zhì)情況,不受實(shí)地勘測的制約。國內(nèi)外學(xué)者也做了很多研究,Sladkvich等[5]采用有限差分法 (FDM)在直角坐標(biāo)系下建立了二維污染物擴(kuò)散模型,進(jìn)行了海法港的溫度、污染運(yùn)移擴(kuò)散模擬的計(jì)算。Ge等[6]采用物理水動(dòng)力模型和生物模型耦合的方式,運(yùn)用有限體積法 (FVM)計(jì)算模型,進(jìn)行了懸浮泥沙和淡水排放擴(kuò)散對(duì)近海浮游植物的影響研究。Yuan[7]利用FVCOM模型模擬計(jì)算了膠州灣在填海造島和橋梁建設(shè)后的潮流和水交換情況,并模擬計(jì)算了污染物的交換。蔡惠文[8]等建立了寧波—舟山海域的三維污染物擴(kuò)散模型,對(duì)不同類型的污染物進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了其排放趨勢及污染影響范圍。申霞等[9-10]基于現(xiàn)在成熟的POM模型模擬了近海海水水質(zhì)和污染擴(kuò)散的問題。林益平[11]模擬了海上?；沸孤┑臄U(kuò)散。本研究在前人的研究基礎(chǔ)上,基于FVCOM模型的染色示蹤模塊對(duì)天津3個(gè)入海排污口排放污染物進(jìn)行擴(kuò)散模擬計(jì)算,得到冬、夏季72 h內(nèi)的擴(kuò)散情況,以期望能對(duì)3個(gè)排污口排放污染物冬、夏季擴(kuò)散情況得到計(jì)算顯示,并結(jié)合潮流特征對(duì)擴(kuò)散規(guī)律得到認(rèn)識(shí),為環(huán)境監(jiān)測部門在污染重大事故中迅速找出解決方法提供有力的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域及模型設(shè)置

1.1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域?yàn)樘旖蜓匕逗Ｓ蚣捌渲車Ｓ?即渤海灣海域。該區(qū)域北接河北,南接山東,為華北離岸貿(mào)易中心之一。海岸線北起澗河口,南至岐口,是一個(gè)三面環(huán)路的半封閉性海域[12]。地理位置范圍為 38°12’N-39°14’N,117°34’E-118°30’E。 地形資料采用ETOPO的一分度地形數(shù)據(jù),將地形數(shù)據(jù)數(shù)字化之后插值得到渤海灣海域水深地形圖,如圖1所示。

圖1 渤海灣海域水深地形圖

渤海灣三面被陸地包圍,是京津冀經(jīng)濟(jì)發(fā)展的門戶,華北的海上樞紐,海域面積約為1.59×104km2[13],約占渤海總面積的1/5[14]。由地形圖可知海底的地勢由岸向海灣中央逐漸加深,平均水深為12.5 m,最深水深在25 m左右,由北向南水深逐漸變淺。

1.2 模型模擬設(shè)置

FVCOM(Finite Volume Community Ocean Model)海洋模型最初是由美籍華人陳長勝[15-16]博士及其所領(lǐng)導(dǎo)的Massachusetts Dartmouth州立大學(xué)海洋學(xué)院海洋生態(tài)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室和Robert C. Beardsley[15]博士共同開發(fā)的。模型包含基礎(chǔ)的水動(dòng)力和溫度、鹽度模塊,還有生態(tài)耦合模塊、潮汐-波浪耦合模塊、水質(zhì)模塊、海冰模塊和泥沙模塊等。模型在數(shù)值計(jì)算上采用FVM(有限體積法)對(duì)控制方程進(jìn)行離散計(jì)算,在水平方向上采用不規(guī)則無重疊的三角網(wǎng)格為計(jì)算單元,可以很好的擬合復(fù)雜的海岸線邊界和海底地形[17]。

本次模擬研究針對(duì)排污口瞬時(shí)排放的可溶保守性污染物進(jìn)行排放后的擴(kuò)散輸運(yùn)情況進(jìn)行了模擬計(jì)算。在計(jì)算模擬上采用FVCOM的染色示蹤模塊[18-19]進(jìn)行計(jì)算,該功能模塊可用于計(jì)算溶解于水體且不隨時(shí)間消耗的污染擴(kuò)散模擬,其控制方程如下。

式 (1)中,C為示蹤物濃度；C0為源點(diǎn)處起始濃度。

為了進(jìn)行模型的輸入計(jì)算,本文根據(jù)衛(wèi)星圖勾畫的天津岸線和地形數(shù)據(jù),利用SMS地表水模擬軟件生成不規(guī)則三角形網(wǎng)格,并且對(duì)局部的岸線進(jìn)行了處理,加密了天津沿岸的網(wǎng)格,總計(jì)生成9 663個(gè)網(wǎng)格,5 168個(gè)節(jié)點(diǎn),開邊界1條,得到的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 模型計(jì)算網(wǎng)格

開邊界有10個(gè)網(wǎng)格點(diǎn),水動(dòng)力開邊界條件由潮位驅(qū)動(dòng),潮位模擬設(shè)定了M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1,共8個(gè)分潮,利用OTPS潮位數(shù)據(jù)插值得到開邊界節(jié)點(diǎn)的潮位信息。模型采用干濕分離進(jìn)行計(jì)算,更好的擬合海岸的水位變化。在控制文件中設(shè)置σ垂向分為3層,計(jì)算溫度和鹽度為常數(shù)參數(shù),溫度為16 、鹽度為32.5。本研究計(jì)算采用冷啟動(dòng)的方式,初始水位和潮流設(shè)定為0。此外本研究不考慮河流輸入、風(fēng)、降雨等對(duì)計(jì)算的影響。根據(jù)天津沿岸附近的自然環(huán)境和水文特點(diǎn),分別選取了天津沿海的入海排污口中具有代表性的3個(gè)排污口做為模擬地點(diǎn),分別為北部的大神堂入海排污口、中間的海河入海排污口和南部的北排河入海排污口,排污口位置如圖1所示。由于是點(diǎn)源瞬時(shí)排放,不考慮持續(xù)排放的情況,時(shí)間選取不需要進(jìn)行長尺度上的計(jì)算,而且實(shí)際排污監(jiān)測是一天一次,因此,模擬計(jì)算選取排放后1 h、24 h、48 h、72 h的擴(kuò)散情況?？紤]到渤海灣一年中冬季和夏季的潮流流向存在一個(gè)轉(zhuǎn)向的問題[20-21],分別進(jìn)行了1月、7月各10 d的模擬計(jì)算,由模擬結(jié)果可以看到冬季、夏季3個(gè)不同排污口污染物的擴(kuò)散情況。由于不同污染物的濃度單位不一樣,在染色體示蹤計(jì)算的過程中進(jìn)行了歸一化的表示,將排放時(shí)刻的污染物確定為1,擴(kuò)散過程為稀釋過程,按百分比含量計(jì)算。

1.3 模型水動(dòng)力驗(yàn)證

通過1月模型運(yùn)行的設(shè)置和輸入文件的準(zhǔn)備,進(jìn)行了模型水動(dòng)力的計(jì)算,得到計(jì)算區(qū)域的潮位結(jié)果,選取計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行潮位驗(yàn)證,使用再分析數(shù)據(jù)OTPS的插值潮位信息和模型計(jì)算的潮位進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示,其中實(shí)線為模型計(jì)算得到的潮位值,虛線為OTPS數(shù)據(jù)插值得到的值。從圖中可以看出,在冷啟動(dòng)開始后一段時(shí)間潮位模擬的結(jié)果和再分析數(shù)據(jù)能夠很好的吻合,潮位的波動(dòng)趨勢是一致的,可以認(rèn)為模型對(duì)于水動(dòng)力的計(jì)算是正確的。

圖3 計(jì)算區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)潮位數(shù)據(jù)驗(yàn)證圖

2 污染物擴(kuò)散隨時(shí)間變化的模擬結(jié)果

2.1 冬季排污口污染物擴(kuò)散結(jié)果

當(dāng)可溶保守性污染物超量排放在大神堂入海排污口附近時(shí),污染物的擴(kuò)散輸運(yùn)變化如圖4所示。剛排放1 h,在排污口附近,污染物排放形成高污染的排放流；排放24 h后,殘留的污染物向兩側(cè)擴(kuò)散,污染量逐步被稀釋,污染中心依然保持高的污染程度；排放48 h后,污染范圍進(jìn)一步向兩側(cè)擴(kuò)大,但污染物很大程度上被海水潮流稀釋,污染中心僅為13%左右；排放72 h后,污染物幾乎被海水消散,高于10%的擴(kuò)散范圍只有靠岸的一小部分。整體上看,大神堂入海排污口的污染殘留基本上是向兩側(cè)方向,在靠岸的海域,靠近岸邊的中心污染位置污染物濃度始終保持在10%左右,外海海域污染物持續(xù)消散。

圖4 1月大神堂入海排污口污染物擴(kuò)散圖

當(dāng)可溶保守性污染物超量排放在海河入海排污口附近時(shí),污染物的擴(kuò)散輸運(yùn)變化如圖5所示。剛排放1 h,污染物排放在排污口附近,形成高污染的排放區(qū)域；排放24 h后,污染物沿河道向外消散,北側(cè)較南側(cè)擴(kuò)散快,污染物快速被稀釋,南側(cè)靠岸水域還保持較高的污染水平；排放48 h后,污染物進(jìn)一步被潮流稀釋,沿河道向外擴(kuò)散范圍變大；排放72 h后,污染物的濃度水平和48 h時(shí)基本一致,在排放點(diǎn)有一個(gè)小范圍保留點(diǎn)。整體上看,海河入海排污口的污染殘留基本上是在河流入?？诟浇?北側(cè)的污染物消散程度較南側(cè)高,污染物濃度水平比南側(cè)低,污染物擴(kuò)散在48 h后基本保持一致的水平。

圖5 1月海河入海排污口污染物擴(kuò)散圖

當(dāng)可溶保守性污染物超量排放在北排河入海排污口附近時(shí),污染物的擴(kuò)散輸運(yùn)變化如圖6所示。剛排放1 h,污染物排放在排污口附近,形成高污染的排放區(qū)域；排放24 h后,污染物在排污口向外海擴(kuò)散,并且快速消散,中心污染程度僅為排放時(shí)的30%左右；排放48 h后,污染物進(jìn)一步向外擴(kuò)散,但北側(cè)污染物沿岸邊有一個(gè)向北的污染殘留,南側(cè)沿岸邊有一個(gè)向南的污染殘留如圖中紅色框所示,形成了一個(gè)人字形的污染物擴(kuò)散殘留情況,保持較高污染程度；排放72 h后,北側(cè)污染物基本被潮流消散掉,向外海的污染物也被消散掉,南側(cè)的污染物保留了下來,并且不斷的向南擴(kuò)散。整體上看,北排河入海排污口的污染擴(kuò)散基本上是由污染中心向外消散,但北側(cè)向外擴(kuò)散的較快,南側(cè)向岸有一個(gè)保留,具有較好的污染保持性,隨著海水和潮汐涌動(dòng)的消散能力較弱。

圖6 1月北排河入海排污口污染物擴(kuò)散圖

2.2 夏季排污口污染物擴(kuò)散結(jié)果

當(dāng)可溶保守性污染物排放在大神堂入海排污口附近時(shí),污染物的擴(kuò)散輸運(yùn)變化如圖7所示。剛排放1 h,污染物排放在排污口附近,形成高污染的排放流；污染24 h后,污染物除了紅色框中還有殘留外基本被擴(kuò)散開來,可以看見污染物向外擴(kuò)散,污染中心是最初污染程度的20%左右；污染48 h后,污染范圍隨著潮流的往復(fù)進(jìn)一步向四周擴(kuò)大,但污染物很大程度上被海水潮流稀釋,污染中心僅為7%左右；污染72 h后,污染物幾乎被海水消散,只有靠岸部分的海水中有污染物的殘留且范圍很小。整體上看,大神堂入海排污口的污染殘留基本上是在靠岸部分海域,外海海域污染物不會(huì)保留,污染向四周擴(kuò)散,相比冬季來說有較高的擴(kuò)散能力。

圖7 7月大神堂入海排污口污染物擴(kuò)散圖

當(dāng)可溶保守性污染物排放在海河入海排污口附近時(shí),污染物的擴(kuò)散輸運(yùn)變化如圖8所示。剛排放1 h,污染物排放在排污口附近,形成高污染的排放區(qū)域；排放24 h后,污染物的殘留在河道中出現(xiàn)了兩部分的高值區(qū),如圖中a、b兩部分所示,但污染物也被潮流進(jìn)行擴(kuò)散稀釋,兩部分污染程度高值區(qū)僅為最初的30%左右；排放48 h后,污染物進(jìn)一步被潮流稀釋,沿河道向外擴(kuò)散范圍變大,還是可以看見兩部分的分區(qū)；排放72 h后,a部分的污染物基本被擴(kuò)散開,只有b部分還有污染物的殘留。整體上看,海河入海排污口的污染殘留基本上和冬季相似也是在河流入?？诟浇?污染物隨著時(shí)間的延長逐步被擴(kuò)散開。

圖8 7月海河入海排污口污染物擴(kuò)散圖

當(dāng)可溶保守性污染物排放在北排河入海排污口附近時(shí),污染物的擴(kuò)散輸運(yùn)變化如圖9所示。剛排放1小時(shí),污染物排放在排污口附近,形成高污染的排放區(qū)域；排放24 h后,污染物在排污口沿岸向南擴(kuò)散,并且污染程度快速下降為最初污染程度的20%左右；排放48 h后,污染物隨著潮水進(jìn)一步向外擴(kuò)散,但殘留的污染物僅殘留在排污口沿岸附近,有一個(gè)向北岸堆積,在北岸邊有一個(gè)污染物殘留高值區(qū)；排放72 h后,污染物殘留更加保留在排污口附近,外部海域很少有污染物,但排污口附近殘留的污染物也僅為最初的10%左右。整體上看,北排河入海排污口的污染擴(kuò)散基本上是由污染中心貼岸擴(kuò)散,但在排污口附近有污染物的持續(xù),且北岸岸邊有污染物的高值區(qū),較冬季相比,擴(kuò)散能力更強(qiáng),但污染物殘留區(qū)更集中。

圖9 7月北排河入海排污口污染物擴(kuò)散圖

3 污染物擴(kuò)散結(jié)果的潮流場分析

3.1 冬季排污口污染物擴(kuò)散結(jié)果的潮流場分析

為了說明冬季污染物在潮流影響下的擴(kuò)散情況,3個(gè)排污口的潮流漲急、落急時(shí)刻的模擬結(jié)果如圖10-圖12所示。從圖中可以看出,大神堂入海排污口附近海域的漲急潮流是由海向岸方向傾斜流動(dòng),落急潮流是由岸向海方向流動(dòng)；海河入海排污口附近海域的漲急時(shí)刻潮流是由外海向河口方向流動(dòng),落急時(shí)刻潮流是由河口向外海方向流動(dòng),在靠近河口位置落急潮流明顯小于漲急潮流；北排河入海排污口附近海域的漲急時(shí)刻潮流是由外海向沿岸流動(dòng),落急時(shí)刻潮流是由岸向外海流動(dòng),這與污染物向離岸-向岸方向消散情況一致,且在靠近排污口北側(cè)岸邊時(shí)是貼岸方向進(jìn)行往復(fù)流,這可以很好的解釋圖6中紅色框中污染物有一個(gè)向北的溢出。

圖10 1月大神堂海域漲急時(shí)刻、落急時(shí)刻流場圖

圖11 月海河口海域漲急時(shí)刻、落急時(shí)刻流場圖

圖12 1月北排河海域漲急時(shí)刻、落急時(shí)刻流場圖

為了比較漲潮和落潮對(duì)于污染物擴(kuò)散影響的主導(dǎo),將一個(gè)潮周期中漲潮流和落潮流做了差值 (正表示漲潮流大于落潮流,負(fù)表示漲潮流小于落潮流),結(jié)果如圖13所示。在大神堂排污口附近海海域是漲潮流大于落潮流,污染物隨著潮流向岸邊進(jìn)行擴(kuò)散,但由于岸邊的阻擋作用,所以污染物向兩側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散,這就形成了排污口附近污染物在沿岸區(qū)域有殘留的現(xiàn)象。海河排污口河道中漲潮流大于落潮流,污染物隨著潮流整體向河口擴(kuò)散,這就形成了海道內(nèi)河口附近較高的污染物殘留,且河道口比較封閉,所以污染物只受潮流作用,很少往外海擴(kuò)散。北排河排污口海域南岸區(qū)域漲潮流大于落潮流,污染物隨著潮流向岸堆積,北岸區(qū)域落潮流大于漲潮流,污染物隨著潮流向離岸方向輸運(yùn),出了排污口附近后又是漲潮流在主導(dǎo)擴(kuò)散方向,如圖13(c)中綠色框所示。由于漲潮流在貼岸附近北側(cè)有向北的偏轉(zhuǎn),南側(cè)有向南的偏轉(zhuǎn),這就造成了排污口北側(cè)污染物貼岸向北擴(kuò)散,南側(cè)污染物在岸邊堆積保留并貼岸向南擴(kuò)散,形成人字形污染物殘留。

圖13 1月3個(gè)排污口附近海水漲、落潮流差值圖

3.2 夏季排污口污染物擴(kuò)散結(jié)果的潮流場分析

為了說明夏季污染物在潮流影響下的擴(kuò)散情況,3個(gè)排污口的潮流漲急、落急時(shí)刻的模擬結(jié)果如圖14-圖16所示。從圖中可以看出,大神堂入海排污口附近海域的漲急潮流是由岸向海方向傾斜流動(dòng),落急潮流是由海向岸方向流動(dòng)；海河入海排污口附近海域的漲急時(shí)刻潮流是由河口向外海方向流動(dòng),落急時(shí)刻潮流是由外海向河口方向流動(dòng),在靠近河口位置漲急潮流明顯小于落急潮流；北排河入海排污口附近海域的漲急時(shí)刻潮流是貼岸向北方向,到排污口北側(cè)時(shí)向外海方向,落急時(shí)刻潮流是貼岸向南流動(dòng),海水在整個(gè)漲落潮只有在潮流轉(zhuǎn)向的時(shí)候有向外海的流動(dòng),這可以很好地解釋夏季北排河口污染物沿岸南北擴(kuò)散的情況,且污染殘留為什么聚集在河口附近。

圖14 7月海河口海域漲急時(shí)刻、落急時(shí)刻流場圖

圖16 7月北排河海域漲急時(shí)刻、落急時(shí)刻流場圖

圖15 7月海河口海域漲急時(shí)刻、落急時(shí)刻流場圖

將夏季一個(gè)潮周期中漲潮流和落潮流做了差值,得到結(jié)果如圖17所示。在大神堂排污口附近海海域是落潮流大于漲潮流,污染物隨著潮流向岸邊進(jìn)行擴(kuò)散,外海海域漲潮流大于落潮流,污染物向外海擴(kuò)散,如圖17(a)中綠色框所示,這就形成了圖7紅色框中污染物殘留的現(xiàn)象。海河排污口河道中河口是落潮流大于漲潮流,污染物隨著潮流整體向河口擴(kuò)散,河口靠外海域是漲潮流大于落潮流,污染物沿河道向外擴(kuò)散,如圖17(b)中綠色框所示,這就形成了圖8河口附近a、b兩部分的擴(kuò)散區(qū)域,有向河口和向外海的擴(kuò)散。北排河排污口海域漲潮流大于落潮流,污染物隨著潮流沿岸向北擴(kuò)散,但由于北部有一個(gè)向外的凸出海岸,所以排污口北側(cè)污染物被保留下來,形成了一個(gè)岸邊的高污染區(qū)域,并且污染物集中殘留在排污口附近。

圖17 7月3個(gè)排污口附近海水漲、落潮流差值圖

4 結(jié) 語

本研究基于FVCOM模型的染色示蹤模塊對(duì)天津3個(gè)入海排污口排放可溶保守型污染物隨潮汐擴(kuò)散的情況進(jìn)行了模擬,得到了冬季和夏季1 h、24 h、48 h和72 h后的污染物擴(kuò)散情況。

模擬結(jié)果顯示:冬季,大神堂排污口向岸海域污染物不容易擴(kuò)散出去,在岸邊有所殘留,海河排污口在河道口附近有污染物保留,北排河排污口排放48 h后有一個(gè)南北的人字形污染物殘留,最終在南岸堆積。夏季,大神堂排污口兩側(cè)污染物殘留較少,主要是向外延伸,海河排污口在河道上有向內(nèi)和向外的兩部分污染擴(kuò)散,并且向外擴(kuò)散的更快,更容易消散,北排河排污口向外擴(kuò)散的比冬季更廣,但污染物集中殘留在排污口附近。整體上夏季的污染物擴(kuò)散的比冬季快,3個(gè)排污口的污染物殘留都比冬季低。

模擬潮流的結(jié)果顯示:冬季和夏季漲潮和落潮方向相反,基本都是向海和離岸的方向,但在夏季北排河排污口岸邊為貼岸向南北方向流。值得一提的是,在夏季大神堂排污口靠岸海域是落潮流主導(dǎo),海河排污口河道中出現(xiàn)兩部分由不同潮流主導(dǎo)的區(qū)域,在河口附近是落潮流主導(dǎo),靠外海是漲潮流主導(dǎo),這導(dǎo)致了污染物分別向河口和外海擴(kuò)散。

本研究得到的污染物擴(kuò)散保留區(qū)可以在發(fā)生重大事故時(shí)為環(huán)境監(jiān)測部門提供科學(xué)依據(jù),可在重點(diǎn)區(qū)域迅速做出響應(yīng),進(jìn)行治理工作。但本次模擬也存在不足,缺少對(duì)河流輸入的影響研究,今后將進(jìn)行包括河流徑流在內(nèi)的模擬研究。