污染物动力扩散数值模型模拟研究

朱志清 叶林安 章紫宁 刘莲 鲁水 徐清

摘要：文章建立污染物动力扩散数值模型，并将模型应用于象山港污染物扩散的模拟计算。研究结果表明：象山港海域化学需氧量、无机氮和活性磷酸盐源强的实测值与模型模拟结果之间的相对误差基本小于1 5%；污染物动力扩散数值模型在总体上有效模拟了象山港化学需氧量、无机氮和活性磷酸盐等污染物的浓度分布，为该模型在其他海域的应用提供参考依据。

关键词：污染物；动力扩散；数值模拟；象山港；营养盐

中图分类号： P 7 6； X 5 5 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 2-0 0 6 4-0 5

基金项目：国家重点研发计划项目（ 2 0 1 6 Y F C 1 4 0 2 4 0 5） ；自然资源部东海局青年科技基金项目（ 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

水動力条件和水体交换速率与营养盐等污染物存在一定的相关关系[ 1]。建立营养盐等海洋水质污染物的动力扩散模型，可有效估算污染物大致的扩散变化动态。部分学者研究发现，潮汐、地形、风和科氏力等因素均可影响开放海域的水动力、水体交换、盐度混合和污染物扩散等[ 2]，尤其在赤潮频发海域更应引起重视。因此，建立污染物动力扩散模型，对于研究特定海域因污染源变化而引起的海洋灾害具有重要意义。

象山港是宁波市东南沿海的半封闭式深水港湾[ 3]，拥有独特的自然资源优势，可用于生态养殖、海洋旅游和湿地保护，是宁波市的重要海域之一和重要生态涵养地，属于具有保护性的稀有国土资源[ 4]。目前对于象山港海域已有较多的研究成果：朱根海等[ 5]利用1 9 8 2—2 0 1 1年东海象山港海域主要营养物质的年际变化数据，提出象山港的营养盐浓度呈逐年增加的趋势；张丽旭等[ 6]分析象山港赤潮监控区营养盐的变化及其结构特征，其中无机氮的比值保持稳定，整个监控区处于热力学平衡状态，而无机磷一直是该海域初级生产力的主要潜在限制性因子；叶林安等[ 4]采用2 0 1 6年象山港4个季节的调查资料，提出象山港的主要污染因子为无机氮和无机磷，重金属符合二类海水水质标准。此外，象山港海域环境因子的长期变化趋势及其对生态系统的影响也越来越受关注[ 7-1 0]。

本研究将象山港海域作为研究对象，建立污染物动力扩散数值模型，对该海域的源强污染物进行数值模拟并与实际数值进行比对，从而验证该模型的有效性，为该模型在象山港等海域的应用提供参考依据。

1 污染物动力扩散数值模型

初始条件对计算结果的影响通常在计算开始阶段，当计算稳定后可忽略不计。本研究的水质模型采用冷启动方式，即营养物质的初始浓度均取0m g/L。水质模型的水边界条件在水边界附近海域水质现状的基础上由模型率定。

2 研究区与模拟污染源

本研究在象山港周边汇水区设置相应的计算源点。由于汇水区4不临海，将汇水区3和汇水区4东部概化为S 3污染源，并将汇水区4西部和汇水区5概化为S 4污染源（图1）。

根据调查结果，象山港的污染源主要分为2个部分。①陆域污染源，主要包括工业企业、居民生活、农业生产、畜禽养殖和水土流失；②海水养殖污染源，主要包括浅海养殖、围塘养殖和滩涂养殖，主要养殖种类为鱼类、虾类、蟹类和贝类。

3 污染物动力扩散数值模拟

3 . 1 化学需氧量源强

化学需氧量（ C O D）是表征水体有机污染的综合指标和描述污染源的重要指标之一，在水环境评价、管理和规划中被普遍采用，本研究选取C O DC r作为象山港水环境容量的计算污染物。根据污染源调查结果，象山港沿岸C O DC r入海量最大的为汇水区3和汇水区9，其次为汇水区8； C O DC r入海量最小的为汇水区1，其次为汇水区2和汇水区2 1。各汇水区C O DC r源强的组成不同，但以海水养殖、生活污染和水土流失为主，工业污染和畜禽养殖的占比较低。C O DC r源强按各计算源点的分配结果如表1所示。

3 . 2 总氮源强

本研究选取总氮（ T N）作为削减量计算污染物，从削减T N排放量的角度出发，分析源强削减对象山港水环境的影响，并进行削减控制。根据污染源调查结果，氮类营养盐是象山港污染排放的主要污染物。象山港沿岸T N入海量最大的为汇水区9，其次为汇水区3； T N入海量最小的为汇水区2 1，其次为汇水区1 1。各汇水区T N源强的组成不同，但以农业面源污染为主。根据环境质量现状，象山港水体中總氮含量较高。总氮污染源源强按各计算源点的分配结果如表2所示。

3 . 3 总磷源强

本研究选取总磷（ T P）作为削减量计算污染物，从削减T P排放量的角度出发，分析源强削减对象山港水环境的影响，并进行削减控制。根据污染源调查结果，磷类营养盐是象山港污染排放中的主要污染物。象山港沿岸T P入海量最大的为汇水区9，其次为汇水区8； T P入海量最小的为汇水区2 1，其次为汇水区1 1。各汇水区T P源强的组成不同，但以农业面源污染和海水养殖污染为主。根据环境质量现状，象山港水体中总磷含量较高。总磷污染源源强按各计算源点的分配结果如表3所示。

3 . 4 主要污染物的换算关系

本研究选取化学需氧量、无机氮和活性磷酸盐用于环境容量或削减量的计算。根据象山港水体中各污染物浓度分布的对比，确定象山港C O DC r和C O DM n、总氮和无机氮以及总磷和活性磷酸盐之间的换算系数。

3 . 4 . 1 C O DC r和C O DM n

C O DC r和C O DM n是由不同测定方法求得的化学需氧量数值，在陆地上以重铬酸钾法测定的C O DC r表达，在海水中以碱性高锰酸钾法测定的C O DM n表达。通常认为水体中C O DC r的浓度是C O DM n的2 . 5倍，在涉及二者之间换算时采用此换算系数。

3 . 4 . 2 总氮和无机氮

根据2 0 1 8年象山港夏季和冬季的实测数据，得到总氮和无机氮在水体中的浓度比值（表4）。本研究取无机氮与总氮的源强以及在水体中的平均浓度比值为0 . 6 9 00，即总氮的源强以及在水体中的平均浓度是无机氮的1 . 4 5倍，在涉及二者之间换算时采用此换算系数。

3 . 4 . 3 总磷和活性磷酸盐

根据2 0 1 8年象山港夏季和冬季的实测数据，得到总磷和活性磷酸盐在水体中的浓度比值（表5）。本研究取活性磷酸盐与总磷的源强以及在水体中的平均浓度比值为0 . 3 9 60，即总磷的源强以及在水体中的平均浓度是活性磷酸盐的2 . 5 2倍，在涉及二者之间换算时采用此换算系数。

4 结果分析和对比

4 . 1 C O DM n

象山港C O DM n的浓度分布总体呈现自湾口到湾内逐渐增大的趋势。外湾浓度较低，大部分区域的浓度小于1m g/L。西沪港、黄墩港和铁港内的浓度较高，且越靠近湾顶的浓度越大，其中西沪港内的浓度为1 ～ 1 . 3m g/L，黄墩港内大部分区域的浓度为1 . 2 ～ 1 . 5m g/L，铁港内的浓度基本大于1 . 3m g/L。象山港C O DM n浓度最高的区域位于铁港海域，最大浓度超过1 . 5m g/L；象山港C O DM n的总体分布与实测浓度等值线的分布基本一致，仅局部区域略有偏差。水质调查的实测值与模型计算结果之间的相对误差基本小于1 5%，水质模型在总体上较成功地模拟了象山港C O DM n的浓度分布。

4 . 2 无机氮

象山港无机氮的浓度分布总体呈现自湾口到湾内逐渐增大的趋势。外湾浓度较低，大部分区域的浓度小于0 . 5 8m g/L。西沪港、黄墩港和铁港内的浓度较高，大部分区域的浓度大于0 . 7 1m g/L，最大浓度达0 . 8 2m g/L；其原因除陸源排放外，还可能是由涨、落潮时滩涂底泥翻搅释放所致；象山港无机氮的总体分布与实测浓度等值线的分布基本一致，仅局部区域略有偏差。水质调查的实测值与模型计算结果之间的相对误差基本小于1 5%，水质模型在总体上较成功地模拟了象山港无机氮的浓度分布。

4 . 3 活性磷酸盐

象山港活性磷酸盐的浓度分布总体呈现自湾口到湾内逐渐增大的趋势。外湾浓度较低，大部分区域的浓度小于0 . 0 3 0m g/L。西沪港、铁港和黄墩港内的浓度较高，其中西沪港基本大于0 . 0 4 0m g/L，铁港和黄墩港大于0 . 0 5 0m g/L。象山港活性磷酸盐的总体分布与实测浓度等值线的分布基本一致，仅局部区域略有偏差。水质调查的实测值与模型计算结果之间的相对误差小于1 5%的占比达8 5%，水质模型在总体上较成功地模拟了象山港活性磷酸盐的浓度分布。

5 结语

本研究建立污染物动力扩散数值模型，并将其应用于象山港污染物扩散模拟计算。研究结果表明，象山港海域化学需氧量、无机氮和活性磷酸盐源强的实测值与模型计算结果之间的相对误差基本小于1 5%，污染物动力扩散数值模型在总体上有效地模拟了象山港化学需氧量、无机氮和活性磷酸盐的浓度分布，可为该模型在其他海域的应用提供参考依据。

参考文献

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