基于FVCOM模型的天津入海排污口污染物扩散模拟

薛志泳，郑小慎

1.国家海洋技术中心 天津 300112

2.天津科技大学 海洋与环境学院 天津 300457

由于天津沿岸海域是半封闭式的地形,使得水体的交换能力差,自我调节功能较低,加之随着天津近岸经济的飞速发展和填海造陆带来的影响,陆源污染物大量输入,使得天津近岸海域污染现状日趋严重[1]。在众多导致海洋环境污染状况恶化的因素中,陆源入海排污是重要因素之一。由于工业生产的发展所带来的工业废水向海排放,导致了天津沿岸水体的污染超标和富营养化加重,对海域的生态环境构成了一定的威胁[2]。近几年,入海排污排放的主要污染物浓度呈现增长趋势,对于海洋环境的污染也随之加重[3-4]。对于排放污染物扩散研究也是海域环境监测的重要内容。

随着海洋模型的不断发展,模型在海水水质上的模拟计算的研究优势更加明显,可以更全面地了解水质情况,不受实地勘测的制约。国内外学者也做了很多研究,Sladkvich等[5]采用有限差分法 (FDM)在直角坐标系下建立了二维污染物扩散模型,进行了海法港的温度、污染运移扩散模拟的计算。Ge等[6]采用物理水动力模型和生物模型耦合的方式,运用有限体积法 (FVM)计算模型,进行了悬浮泥沙和淡水排放扩散对近海浮游植物的影响研究。Yuan[7]利用FVCOM模型模拟计算了胶州湾在填海造岛和桥梁建设后的潮流和水交换情况,并模拟计算了污染物的交换。蔡惠文[8]等建立了宁波—舟山海域的三维污染物扩散模型,对不同类型的污染物进行了数值模拟,研究了其排放趋势及污染影响范围。申霞等[9-10]基于现在成熟的POM模型模拟了近海海水水质和污染扩散的问题。林益平[11]模拟了海上危化品泄漏的扩散。本研究在前人的研究基础上,基于FVCOM模型的染色示踪模块对天津3个入海排污口排放污染物进行扩散模拟计算,得到冬、夏季72 h内的扩散情况,以期望能对3个排污口排放污染物冬、夏季扩散情况得到计算显示,并结合潮流特征对扩散规律得到认识,为环境监测部门在污染重大事故中迅速找出解决方法提供有力的科学依据。

1 研究区域及模型设置

1.1 研究区域

本文研究区域为天津沿岸海域及其周围海域,即渤海湾海域。该区域北接河北,南接山东,为华北离岸贸易中心之一。海岸线北起涧河口,南至岐口,是一个三面环路的半封闭性海域[12]。地理位置范围为 38°12’N-39°14’N,117°34’E-118°30’E。 地形资料采用ETOPO的一分度地形数据,将地形数据数字化之后插值得到渤海湾海域水深地形图,如图1所示。

图1 渤海湾海域水深地形图

渤海湾三面被陆地包围,是京津冀经济发展的门户,华北的海上枢纽,海域面积约为1.59×104km2[13],约占渤海总面积的1/5[14]。由地形图可知海底的地势由岸向海湾中央逐渐加深,平均水深为12.5 m,最深水深在25 m左右,由北向南水深逐渐变浅。

1.2 模型模拟设置

FVCOM(Finite Volume Community Ocean Model)海洋模型最初是由美籍华人陈长胜[15-16]博士及其所领导的Massachusetts Dartmouth州立大学海洋学院海洋生态动力实验室和Robert C. Beardsley[15]博士共同开发的。模型包含基础的水动力和温度、盐度模块,还有生态耦合模块、潮汐-波浪耦合模块、水质模块、海冰模块和泥沙模块等。模型在数值计算上采用FVM(有限体积法)对控制方程进行离散计算,在水平方向上采用不规则无重叠的三角网格为计算单元,可以很好的拟合复杂的海岸线边界和海底地形[17]。

本次模拟研究针对排污口瞬时排放的可溶保守性污染物进行排放后的扩散输运情况进行了模拟计算。在计算模拟上采用FVCOM的染色示踪模块[18-19]进行计算,该功能模块可用于计算溶解于水体且不随时间消耗的污染扩散模拟,其控制方程如下。

式 (1)中,C为示踪物浓度；C0为源点处起始浓度。

为了进行模型的输入计算,本文根据卫星图勾画的天津岸线和地形数据,利用SMS地表水模拟软件生成不规则三角形网格,并且对局部的岸线进行了处理,加密了天津沿岸的网格,总计生成9 663个网格,5 168个节点,开边界1条,得到的网格如图2所示。

图2 模型计算网格

开边界有10个网格点,水动力开边界条件由潮位驱动,潮位模拟设定了M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1,共8个分潮,利用OTPS潮位数据插值得到开边界节点的潮位信息。模型采用干湿分离进行计算,更好的拟合海岸的水位变化。在控制文件中设置σ垂向分为3层,计算温度和盐度为常数参数,温度为16 、盐度为32.5。本研究计算采用冷启动的方式,初始水位和潮流设定为0。此外本研究不考虑河流输入、风、降雨等对计算的影响。根据天津沿岸附近的自然环境和水文特点,分别选取了天津沿海的入海排污口中具有代表性的3个排污口做为模拟地点,分别为北部的大神堂入海排污口、中间的海河入海排污口和南部的北排河入海排污口,排污口位置如图1所示。由于是点源瞬时排放,不考虑持续排放的情况,时间选取不需要进行长尺度上的计算,而且实际排污监测是一天一次,因此,模拟计算选取排放后1 h、24 h、48 h、72 h的扩散情况。考虑到渤海湾一年中冬季和夏季的潮流流向存在一个转向的问题[20-21],分别进行了1月、7月各10 d的模拟计算,由模拟结果可以看到冬季、夏季3个不同排污口污染物的扩散情况。由于不同污染物的浓度单位不一样,在染色体示踪计算的过程中进行了归一化的表示,将排放时刻的污染物确定为1,扩散过程为稀释过程,按百分比含量计算。

1.3 模型水动力验证

通过1月模型运行的设置和输入文件的准备,进行了模型水动力的计算,得到计算区域的潮位结果,选取计算区域网格中间节点进行潮位验证,使用再分析数据OTPS的插值潮位信息和模型计算的潮位进行验证。验证结果如图3所示,其中实线为模型计算得到的潮位值,虚线为OTPS数据插值得到的值。从图中可以看出,在冷启动开始后一段时间潮位模拟的结果和再分析数据能够很好的吻合,潮位的波动趋势是一致的,可以认为模型对于水动力的计算是正确的。

图3 计算区域中心节点潮位数据验证图

2 污染物扩散随时间变化的模拟结果

2.1 冬季排污口污染物扩散结果

当可溶保守性污染物超量排放在大神堂入海排污口附近时,污染物的扩散输运变化如图4所示。刚排放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,残留的污染物向两侧扩散,污染量逐步被稀释,污染中心依然保持高的污染程度；排放48 h后,污染范围进一步向两侧扩大,但污染物很大程度上被海水潮流稀释,污染中心仅为13%左右；排放72 h后,污染物几乎被海水消散,高于10%的扩散范围只有靠岸的一小部分。整体上看,大神堂入海排污口的污染残留基本上是向两侧方向,在靠岸的海域,靠近岸边的中心污染位置污染物浓度始终保持在10%左右,外海海域污染物持续消散。

图4 1月大神堂入海排污口污染物扩散图

当可溶保守性污染物超量排放在海河入海排污口附近时,污染物的扩散输运变化如图5所示。刚排放1 h,污染物排放在排污口附近,形成高污染的排放区域；排放24 h后,污染物沿河道向外消散,北侧较南侧扩散快,污染物快速被稀释,南侧靠岸水域还保持较高的污染水平；排放48 h后,污染物进一步被潮流稀释,沿河道向外扩散范围变大；排放72 h后,污染物的浓度水平和48 h时基本一致,在排放点有一个小范围保留点。整体上看,海河入海排污口的污染残留基本上是在河流入海口附近,北侧的污染物消散程度较南侧高,污染物浓度水平比南侧低,污染物扩散在48 h后基本保持一致的水平。

图5 1月海河入海排污口污染物扩散图

当可溶保守性污染物超量排放在北排河入海排污口附近时,污染物的扩散输运变化如图6所示。刚排放1 h,污染物排放在排污口附近,形成高污染的排放区域；排放24 h后,污染物在排污口向外海扩散,并且快速消散,中心污染程度仅为排放时的30%左右；排放48 h后,污染物进一步向外扩散,但北侧污染物沿岸边有一个向北的污染残留,南侧沿岸边有一个向南的污染残留如图中红色框所示,形成了一个人字形的污染物扩散残留情况,保持较高污染程度；排放72 h后,北侧污染物基本被潮流消散掉,向外海的污染物也被消散掉,南侧的污染物保留了下来,并且不断的向南扩散。整体上看,北排河入海排污口的污染扩散基本上是由污染中心向外消散,但北侧向外扩散的较快,南侧向岸有一个保留,具有较好的污染保持性,随着海水和潮汐涌动的消散能力较弱。

图6 1月北排河入海排污口污染物扩散图

2.2 夏季排污口污染物扩散结果

当可溶保守性污染物排放在大神堂入海排污口附近时,污染物的扩散输运变化如图7所示。刚排放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,污染物除了红色框中还有残留外基本被扩散开来,可以看见污染物向外扩散,污染中心是最初污染程度的20%左右；污染48 h后,污染范围随着潮流的往复进一步向四周扩大,但污染物很大程度上被海水潮流稀释,污染中心仅为7%左右；污染72 h后,污染物几乎被海水消散,只有靠岸部分的海水中有污染物的残留且范围很小。整体上看,大神堂入海排污口的污染残留基本上是在靠岸部分海域,外海海域污染物不会保留,污染向四周扩散,相比冬季来说有较高的扩散能力。

图7 7月大神堂入海排污口污染物扩散图

当可溶保守性污染物排放在海河入海排污口附近时,污染物的扩散输运变化如图8所示。刚排放1 h,污染物排放在排污口附近,形成高污染的排放区域；排放24 h后,污染物的残留在河道中出现了两部分的高值区,如图中a、b两部分所示,但污染物也被潮流进行扩散稀释,两部分污染程度高值区仅为最初的30%左右；排放48 h后,污染物进一步被潮流稀释,沿河道向外扩散范围变大,还是可以看见两部分的分区；排放72 h后,a部分的污染物基本被扩散开,只有b部分还有污染物的残留。整体上看,海河入海排污口的污染残留基本上和冬季相似也是在河流入海口附近,污染物随着时间的延长逐步被扩散开。

图8 7月海河入海排污口污染物扩散图

当可溶保守性污染物排放在北排河入海排污口附近时,污染物的扩散输运变化如图9所示。刚排放1小时,污染物排放在排污口附近,形成高污染的排放区域；排放24 h后,污染物在排污口沿岸向南扩散,并且污染程度快速下降为最初污染程度的20%左右；排放48 h后,污染物随着潮水进一步向外扩散,但残留的污染物仅残留在排污口沿岸附近,有一个向北岸堆积,在北岸边有一个污染物残留高值区；排放72 h后,污染物残留更加保留在排污口附近,外部海域很少有污染物,但排污口附近残留的污染物也仅为最初的10%左右。整体上看,北排河入海排污口的污染扩散基本上是由污染中心贴岸扩散,但在排污口附近有污染物的持续,且北岸岸边有污染物的高值区,较冬季相比,扩散能力更强,但污染物残留区更集中。

图9 7月北排河入海排污口污染物扩散图

3 污染物扩散结果的潮流场分析

3.1 冬季排污口污染物扩散结果的潮流场分析

为了说明冬季污染物在潮流影响下的扩散情况,3个排污口的潮流涨急、落急时刻的模拟结果如图10-图12所示。从图中可以看出,大神堂入海排污口附近海域的涨急潮流是由海向岸方向倾斜流动,落急潮流是由岸向海方向流动；海河入海排污口附近海域的涨急时刻潮流是由外海向河口方向流动,落急时刻潮流是由河口向外海方向流动,在靠近河口位置落急潮流明显小于涨急潮流；北排河入海排污口附近海域的涨急时刻潮流是由外海向沿岸流动,落急时刻潮流是由岸向外海流动,这与污染物向离岸-向岸方向消散情况一致,且在靠近排污口北侧岸边时是贴岸方向进行往复流,这可以很好的解释图6中红色框中污染物有一个向北的溢出。

图10 1月大神堂海域涨急时刻、落急时刻流场图

图11 月海河口海域涨急时刻、落急时刻流场图

图12 1月北排河海域涨急时刻、落急时刻流场图

为了比较涨潮和落潮对于污染物扩散影响的主导,将一个潮周期中涨潮流和落潮流做了差值 (正表示涨潮流大于落潮流,负表示涨潮流小于落潮流),结果如图13所示。在大神堂排污口附近海海域是涨潮流大于落潮流,污染物随着潮流向岸边进行扩散,但由于岸边的阻挡作用,所以污染物向两侧进行扩散,这就形成了排污口附近污染物在沿岸区域有残留的现象。海河排污口河道中涨潮流大于落潮流,污染物随着潮流整体向河口扩散,这就形成了海道内河口附近较高的污染物残留,且河道口比较封闭,所以污染物只受潮流作用,很少往外海扩散。北排河排污口海域南岸区域涨潮流大于落潮流,污染物随着潮流向岸堆积,北岸区域落潮流大于涨潮流,污染物随着潮流向离岸方向输运,出了排污口附近后又是涨潮流在主导扩散方向,如图13(c)中绿色框所示。由于涨潮流在贴岸附近北侧有向北的偏转,南侧有向南的偏转,这就造成了排污口北侧污染物贴岸向北扩散,南侧污染物在岸边堆积保留并贴岸向南扩散,形成人字形污染物残留。

图13 1月3个排污口附近海水涨、落潮流差值图

3.2 夏季排污口污染物扩散结果的潮流场分析

为了说明夏季污染物在潮流影响下的扩散情况,3个排污口的潮流涨急、落急时刻的模拟结果如图14-图16所示。从图中可以看出,大神堂入海排污口附近海域的涨急潮流是由岸向海方向倾斜流动,落急潮流是由海向岸方向流动；海河入海排污口附近海域的涨急时刻潮流是由河口向外海方向流动,落急时刻潮流是由外海向河口方向流动,在靠近河口位置涨急潮流明显小于落急潮流；北排河入海排污口附近海域的涨急时刻潮流是贴岸向北方向,到排污口北侧时向外海方向,落急时刻潮流是贴岸向南流动,海水在整个涨落潮只有在潮流转向的时候有向外海的流动,这可以很好地解释夏季北排河口污染物沿岸南北扩散的情况,且污染残留为什么聚集在河口附近。

图14 7月海河口海域涨急时刻、落急时刻流场图

图16 7月北排河海域涨急时刻、落急时刻流场图

图15 7月海河口海域涨急时刻、落急时刻流场图

将夏季一个潮周期中涨潮流和落潮流做了差值,得到结果如图17所示。在大神堂排污口附近海海域是落潮流大于涨潮流,污染物随着潮流向岸边进行扩散,外海海域涨潮流大于落潮流,污染物向外海扩散,如图17(a)中绿色框所示,这就形成了图7红色框中污染物残留的现象。海河排污口河道中河口是落潮流大于涨潮流,污染物随着潮流整体向河口扩散,河口靠外海域是涨潮流大于落潮流,污染物沿河道向外扩散,如图17(b)中绿色框所示,这就形成了图8河口附近a、b两部分的扩散区域,有向河口和向外海的扩散。北排河排污口海域涨潮流大于落潮流,污染物随着潮流沿岸向北扩散,但由于北部有一个向外的凸出海岸,所以排污口北侧污染物被保留下来,形成了一个岸边的高污染区域,并且污染物集中残留在排污口附近。

图17 7月3个排污口附近海水涨、落潮流差值图

4 结 语

本研究基于FVCOM模型的染色示踪模块对天津3个入海排污口排放可溶保守型污染物随潮汐扩散的情况进行了模拟,得到了冬季和夏季1 h、24 h、48 h和72 h后的污染物扩散情况。

模拟结果显示:冬季,大神堂排污口向岸海域污染物不容易扩散出去,在岸边有所残留,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后有一个南北的人字形污染物残留,最终在南岸堆积。夏季,大神堂排污口两侧污染物残留较少,主要是向外延伸,海河排污口在河道上有向内和向外的两部分污染扩散,并且向外扩散的更快,更容易消散,北排河排污口向外扩散的比冬季更广,但污染物集中残留在排污口附近。整体上夏季的污染物扩散的比冬季快,3个排污口的污染物残留都比冬季低。

模拟潮流的结果显示:冬季和夏季涨潮和落潮方向相反,基本都是向海和离岸的方向,但在夏季北排河排污口岸边为贴岸向南北方向流。值得一提的是,在夏季大神堂排污口靠岸海域是落潮流主导,海河排污口河道中出现两部分由不同潮流主导的区域,在河口附近是落潮流主导,靠外海是涨潮流主导,这导致了污染物分别向河口和外海扩散。

本研究得到的污染物扩散保留区可以在发生重大事故时为环境监测部门提供科学依据,可在重点区域迅速做出响应,进行治理工作。但本次模拟也存在不足,缺少对河流输入的影响研究,今后将进行包括河流径流在内的模拟研究。