李曉靜，婁安剛，王 璟，鄭嫣茹，邱照宇

（中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，中國(guó)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(zhǎng) 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(chǎng)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(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上，利用湍流熱擴(kuò)散方程預(yù)測(cè)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(duì)水質(zhì)及海洋生態(tài)環(huán)境的影響。

1 二維潮流模型

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。

1.1 基本控制方程組

連續(xù)方程

運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)，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。

1.2 計(jì)算域及網(wǎng)格設(shè)置

本文計(jì)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(jì)算域共5 808個(gè)節(jié)點(diǎn)、10 763個(gè)單元格，計(jì)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）。

1.3 水深

由于海灣大橋墩柱距離小于計(jì)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(duì)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。

1.4 水界輸入

我國(guó)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(shí)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。

2 溫排水?dāng)?shù)值模型

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(jì)算得出海面綜合散熱系數(shù)

式中：Ts為各個(gè)網(wǎng)格的計(jì)算溫升值加上環(huán)境本底水溫值。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，青島堿廠溫排水入海口溫度為32℃，流量為4 400 m3/h。考慮冬夏兩季的不同情況，根據(jù)膠州灣的常年觀測(cè)資料［2］，夏季平均水溫取25℃，冬季平均水溫取5℃。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 潮流模型驗(yàn)證及計(jì)算結(jié)果

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(gè)驗(yàn)潮站的觀測(cè)值，與計(jì)算值進(jìn)行比較（圖3和圖4），比較結(jié)果表明潮位計(jì)算值與觀測(cè)值吻合較好。

選取C1、C2、C3三個(gè)點(diǎn)的歷史測(cè)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(jì)算值和實(shí)測(cè)值的最大流方向、最大流速值、潮流旋轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)流時(shí)刻等基本吻合。

3.1.2 計(jì)算結(jié)果

潮流計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9。

3.2 溫升計(jì)算結(jié)果

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(chǎng)及排水后產(chǎn)生的局部流場(chǎng)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(dòng)的性質(zhì)。

冬季和夏季不同潮時(shí)溫升線分布分別見圖10～圖13。計(jì)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(gè)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(duì)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 溫排水對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響

3.3.1 對(duì)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(guó)棟等［6］對(duì)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(gè)重要因素。溫度過高會(huì)影響水體中溶解氧含量，進(jìn)而影響水生生物的生命活動(dòng)。

3.3.2 對(duì)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(shí)浮游生物的種類和數(shù)量會(huì)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(duì)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(zhǎng)，加快海水中有機(jī)質(zhì)的分解，為浮游生物的生長(zhǎng)提供良好的溫度條件和營(yíng)養(yǎng)條件，促進(jìn)浮游生物的生長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)的同時(shí)，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(huì)使魚類數(shù)量相對(duì)減少，但隨著魚類的不斷適應(yīng)，溫升對(duì)其影響也會(huì)逐漸降低。

3.3.4 對(duì)底棲動(dòng)物的影響

底棲動(dòng)物長(zhǎng)期棲息在水底底層，相對(duì)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(duì)底棲動(dòng)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(duì)底棲動(dòng)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(huì)對(duì)底棲動(dòng)物產(chǎn)生一定的影響，影響面積為0.15 km2。

4 結(jié)論

本文對(duì)青島堿廠溫排水對(duì)膠州灣環(huán)境水體的影響進(jìn)行了預(yù)測(cè)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(duì)水體環(huán)境幾乎不產(chǎn)生影響；冬季會(huì)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(huì)提高浮游生物的生長(zhǎng)繁殖，在一定程度上對(duì)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(chǎng)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(cè)精度。

［1］國(guó)家海洋局.膠州灣環(huán)境調(diào)查監(jiān)測(cè)監(jiān)視和執(zhí)法管理實(shí)施計(jì)劃專輯［J］.海洋通報(bào)，1992，11（3）：1-80.

SOA.Jiaozhou Bay Environmental Survey and the Implementation Plan of Law Enforcement Management Album［J］.Marine Bulletin，1992，11（3）：1-80.

［2］楊玉玲，吳永成.90 年代膠州灣海域的溫、鹽結(jié)構(gòu)［J］.黃渤海海洋，1999，17（3）：31-36.

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［3］婁安剛，李鳳歧，吳德星，等.膠州灣紅島碼頭疏浚物質(zhì)輸移擴(kuò)散數(shù)值預(yù)測(cè)［J］.海洋科學(xué)，2003，27（12）：45-49.

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［4］唐士芳，李蓓.樁群阻力影響下的潮流數(shù)值模擬研究［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2001（5）：25-29.

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［5］GB3097-1997，海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］宋國(guó)棟，石曉勇，祝陳堅(jiān).春季黃海溶解氧的平面分布特征及主要影響因素初探［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，2007，26（6）：534-536.

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［7］金嵐，李平衡，劉偉，等.水域熱影響概論［M］.北京：高等教育出版社，1993.

［8］胡德良，楊華南.熱排放對(duì)湘江大型底棲無脊椎動(dòng)物的影響［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2001，2（1）：25-27.

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