李曉靜,婁安剛,王 璟,鄭嫣茹,邱照宇
(中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266100)
膠州灣位于山東半島南部(35°58′~36°18′N,120°04′~120°23′E),屬半封閉性海灣。灣內(nèi)岸線長 163 km,總面積423 km2,其中灘涂面積125 km2,0 m線以下水域面積298 km2,平均水深6~7 m,灣內(nèi)最大水深64 m[1]。
婁山河口位于膠州灣東北部,青島堿廠白泥脫硫廢水由婁山河口外海南側(cè)排入膠州灣。由于膠州灣海域海水溫度場的空間結(jié)構(gòu)明顯地分為2種類型:冬季型和夏季型[2],因此本文在流場模擬的基礎(chǔ)上,利用湍流熱擴(kuò)散方程預(yù)測冬夏兩季溫排水在環(huán)境水體中的運(yùn)移擴(kuò)散范圍,分析其對水質(zhì)及海洋生態(tài)環(huán)境的影響。
由于排污口附近海域水深較淺,故運(yùn)用深度平均二維潮流模型[3],采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格劃分模擬區(qū)域,分步雜交方法求解。
連續(xù)方程
運(yùn)動方程組
式中:ζ為平均海平面起算的海面高度;H=ζ+h為總水深,h為靜水深;g為重力加速度;f=2ωsinφ為柯氏力參量(ω為地球自轉(zhuǎn)角速度,φ為地球緯度);u、v分別為x、y方向的深度平均流速;C為謝才系數(shù),主要取決于海底粗糙度,同時依賴于水深,本文應(yīng)用Manning公式
式中:n為表征海底粗糙度的Manning系數(shù)。
(1)初始條件。t=0 時,u=u0,v=v0,ζ=ζ0。
(2)陸邊界。ucosα+vcosβ=0。
(3)開邊界。ζ=ζ′(水界強(qiáng)迫函數(shù))。
本文采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格的分步雜交方法,在前半步采用特征線方法,在后半步采用集中質(zhì)量有限元方法求解方程。
本文計算海域選取嶗山頭—朝連島—靈山島聯(lián)線以西海域,包括膠州灣及其鄰近海域(圖1)。采用三角形網(wǎng)格,計算域共5 808個節(jié)點(diǎn)、10 763個單元格,計算海域最小網(wǎng)格間距為50 m,最大網(wǎng)格間距為2 000 m(圖2)。
由于海灣大橋墩柱距離小于計算網(wǎng)格,網(wǎng)格無法反映出海灣大橋的存在,根據(jù)文獻(xiàn)[4]的處理方法,采用式(5)對海灣大橋所在區(qū)進(jìn)行水深修正
式中:ΔH為樁基所在區(qū)的折減水深;d為樁徑;B為樁距;H為天然水深;α為水深折減系數(shù),是d/B的函數(shù),其值在1.3~4.0,本文取中值2.5。
我國判斷潮汐類型的標(biāo)準(zhǔn)為HK1+HO1/HM2,膠州灣及其附近海域的值小于0.5,是正規(guī)半日潮海域,因此,可輸入下列方程作為水界強(qiáng)迫函數(shù)
式中:ζ為水位;t為時間;HM2為M2分潮調(diào)和常數(shù)振幅;σM2為M2分潮角速度;gM2為M2分潮調(diào)和常數(shù)遲角。
基本方程
式中:T為沿深度平均溫升;Dx、Dy分別為x、y方向的溫度湍流擴(kuò)散系數(shù);R為海面綜合散熱系數(shù),不考慮風(fēng)速的影響;Cp為海水的定壓比熱;ρ為海水密度;f為熱源項(xiàng)。
(1)邊界條件。
(2)初始條件。
利用Gunneberg公式計算得出海面綜合散熱系數(shù)
式中:Ts為各個網(wǎng)格的計算溫升值加上環(huán)境本底水溫值。
經(jīng)現(xiàn)場測試,青島堿廠溫排水入海口溫度為32℃,流量為4 400 m3/h??紤]冬夏兩季的不同情況,根據(jù)膠州灣的常年觀測資料[2],夏季平均水溫取25℃,冬季平均水溫取5℃。
3.1.1 驗(yàn)證
潮位驗(yàn)證點(diǎn)采用大港潮位站和沙子口潮位站2個驗(yàn)潮站的觀測值,與計算值進(jìn)行比較(圖3和圖4),比較結(jié)果表明潮位計算值與觀測值吻合較好。
選取C1、C2、C3三個點(diǎn)的歷史測流資料進(jìn)行潮流驗(yàn)證(圖1),驗(yàn)證結(jié)果見圖5~圖7。由圖5~圖7可知,計算值和實(shí)測值的最大流方向、最大流速值、潮流旋轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)流時刻等基本吻合。
3.1.2 計算結(jié)果
潮流計算結(jié)果如圖8和圖9。
在潮流顯著的海區(qū),影響溫升線分布的主要是海域潮流場及排水后產(chǎn)生的局部流場和擴(kuò)散混合作用,因此排污口附近是高溫中心,溫升線具有潮周期振動的性質(zhì)。
冬季和夏季不同潮時溫升線分布分別見圖10~圖13。計算得冬季的最大溫升值為14.31℃,夏季最大溫升為3.58℃。不同季節(jié)各個溫升值最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離和包絡(luò)面積見表1。由表1可以看出,夏季溫排水的影響范圍很小,而冬季則相對較大,但強(qiáng)溫升區(qū)范圍僅限于0.348 km2。
冬季和夏季溫升包絡(luò)線分布分別見圖14和圖15。
3.3.1 對水中溶解氧的影響
溶解氧是生物新陳代謝所必須的物質(zhì)條件之一,宋國棟等[6]對溫度與溶解氧的關(guān)系研究結(jié)果表明,外海海域的溶解氧與溫度之間呈顯著的負(fù)相關(guān),而近岸海域的溶解氧與溫度則呈顯著的正相關(guān),充分說明溫度是影響溶解氧的一個重要因素。溫度過高會影響水體中溶解氧含量,進(jìn)而影響水生生物的生命活動。
3.3.2 對浮游生物的影響
一般來說,大多數(shù)海洋生物適應(yīng)的最高溫度為30℃左右,溫帶大多數(shù)水生生物最適溫度在18~28℃[7],水溫超過35℃時浮游生物的種類和數(shù)量會明顯減少。本文夏季最大溫升為3.58℃,疊加后不超過30℃,因此熱沖擊對浮游生物影響不大,冬季最大溫升14.31℃,溫排水的增溫使海水溫度更適合浮游生物生長,加快海水中有機(jī)質(zhì)的分解,為浮游生物的生長提供良好的溫度條件和營養(yǎng)條件,促進(jìn)浮游生物的生長繁殖。
表1 冬季和夏季各溫升值最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離和包絡(luò)面積Tab.1 The farthest diffusion distance and temperature rise envelope area in winter and summer
3.3.3 對魚類的影響
冬季自然海水溫度較低,魚類大都向外海游去,溫排水的排放在促進(jìn)浮游生物生長的同時,也為魚類提供了豐富的餌料,為魚類的繁殖和發(fā)育提供了有利條件,從而吸引更多的魚類聚集于此。但夏季自然水溫高,再升溫則會使魚類數(shù)量相對減少,但隨著魚類的不斷適應(yīng),溫升對其影響也會逐漸降低。
3.3.4 對底棲動物的影響
底棲動物長期棲息在水底底層,相對固定,遷移能力弱,在受到熱沖擊的情況下很難回避,容易受到傷害。胡德良等[8]研究得出6℃以上的增溫將對底棲動物造成嚴(yán)重危害,減少棲息地,即使冬季也是如此;而增溫4℃則對底棲動物有利,其種類和數(shù)量比自然水體要豐富,多樣性指數(shù)也相應(yīng)提高。因此,在冬季,溫排水的排放會對底棲動物產(chǎn)生一定的影響,影響面積為0.15 km2。
本文對青島堿廠溫排水對膠州灣環(huán)境水體的影響進(jìn)行了預(yù)測分析,結(jié)果表明,夏季溫升較小,且控制在很小的區(qū)域內(nèi),可以認(rèn)為對水體環(huán)境幾乎不產(chǎn)生影響;冬季會產(chǎn)生較大溫升,且影響范圍較夏季大,但由于冬季自然水溫較低,適度溫升反而會提高浮游生物的生長繁殖,在一定程度上對生物多樣性指數(shù)有利。
如要進(jìn)一步減小溫排水影響程度,可以考慮改進(jìn)能源利用設(shè)備,降低溫排水溫度;改進(jìn)排放方式,將排放口設(shè)置到潮下帶,以避免影響生物多樣性豐富的潮間帶。
本文的溫排水模型未考慮風(fēng)場的影響,只粗略地認(rèn)為夏季和冬季海水自然溫度有差異,結(jié)果存在一定的誤差,在以后的研究中,要進(jìn)一步提高預(yù)測精度。
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