陳瑤泓伶 ，戴明新 ，彭士濤 ，胡旭躍

（1．長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長沙 410000；2．交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

近十年天津近岸的填海造地面積不斷增加，岸線的變化改變了區(qū)域的潮流運(yùn)動(dòng)特性，引起污染物遷移規(guī)律的變化，減小了污染物擴(kuò)散能力。同時(shí)，隨著天津?yàn)I海新區(qū)工業(yè)化、城市化及經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，大量的生活污水和工業(yè)廢水通過入海河口排入近岸海域。岸線的變化及污水的大量排放使得污染物在近岸大量累積，造成天津近岸海域污染越來越嚴(yán)重。研究天津近岸海域污染物的遷移和分布規(guī)律，可為研究海岸工程建設(shè)對海洋生態(tài)影響預(yù)測模型提供基礎(chǔ)［1］。

1 研究方法

潮流對海灣和沿岸海域污染物質(zhì)的遷移和分散起著重要的作用。因此，目前廣泛地運(yùn)用潮流場作為背景場來驅(qū)動(dòng)控制污染物濃度的對流-擴(kuò)散方程，進(jìn)行污染物運(yùn)移、擴(kuò)散過程的研究［2］。徐洪達(dá)等［3］探討了渤海COD污染物質(zhì)在主要半日分潮作用下的擴(kuò)散分布規(guī)律。竇振興等［4］計(jì)算了污染指標(biāo)COD的分布和變化。王澤良等［5-6］對渤海灣流場以及污染物分布的濃度場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，建立了模擬淺水、緩坡海灣有機(jī)物（COD）遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的水質(zhì)模型。

本文采用MIKE21平面二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行污染物輸移擴(kuò)散數(shù)值模擬，其結(jié)構(gòu)包括二維水動(dòng)力學(xué)模塊（HD）和二維對流擴(kuò)散模塊（AD）。

二維水動(dòng)力學(xué)模塊（HD Module）控制方程包括1個(gè)連續(xù)方程和2個(gè)動(dòng)量方程。

連續(xù)方程

X方向動(dòng)量方程

Y方向動(dòng)量方程

式中：d 為時(shí)變水深；ζ為水面高程；h（h=ζ-d）為水深；p，q 分別為 x，y方向的單寬流量；C 為謝才系數(shù)；f為風(fēng)阻力系數(shù)；V 為風(fēng)速；Vx、Vy分別為風(fēng)速在 x，y方向的分量；Ω 為柯氏力參數(shù)；Pa為大氣壓強(qiáng)；τxx、τxy、τyy為各方向的有效切應(yīng)力。

AD（advection-dispersion）模塊（即對流擴(kuò)散模型）控制方程為

式中：c為污染物濃度；u，v分別為x，y方向的速度分量；h為水深；Dx、Dy分別為x，y方向的擴(kuò)散系數(shù)；F為衰減系數(shù)；S為源漏項(xiàng)。u，v和h由水動(dòng)力模型提供。

2 潮流數(shù)值模擬

2.1 模型計(jì)算范圍

天津近岸海域計(jì)算范圍北界選取曹妃甸灘，西南至歧河口以南，東邊界到118°19′E，南邊界到 39°1′N，南北距離約 54 km，東西距離約 63 km，總面積約6 450 km2。模型計(jì)算網(wǎng)格采用不規(guī)則三角網(wǎng)格，三角網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)3 411個(gè)，三角形個(gè)數(shù)為6 447個(gè)，模型范圍及驗(yàn)證點(diǎn)位置見圖1。

2.2 模型驗(yàn)證

采用2006年7月27日12時(shí)～7月28日12時(shí)天津近岸海域9個(gè)潮流觀測站（1#～9#）大潮實(shí)測資料及2006年8月2日14時(shí)～8月3日16時(shí)的小潮實(shí)測資料對模型進(jìn)行驗(yàn)證。部分測站大小潮流速、流向?qū)崪y值與計(jì)算值的驗(yàn)證

曲線見圖2～圖3。由圖2～圖3可見，各測站計(jì)算值與實(shí)測值二者總體趨勢差異不大，流速、流向的變化過程基本吻合。圖4～圖5分別給出了天津近岸海域漲急、落急時(shí)刻流場計(jì)算結(jié)果。由圖4～圖5可以看出，漲急時(shí)刻潮流主流向西，南部海域流向基本向西，西北部海域流向?yàn)槲鞅?，其他近岸區(qū)域流向大體與海岸線走向平行。落急時(shí)刻潮流主流向東，南部海域流向向東，西北部海域流向?yàn)闁|南?？梢娔M的潮流運(yùn)動(dòng)基本能夠反映出天津近岸海域水動(dòng)力的實(shí)際情況，為研究污染物輸移擴(kuò)散規(guī)律提供了基礎(chǔ)。

3 污染物輸移擴(kuò)散研究

3.1 污染物選擇

由于水中有機(jī)污染物的成分比較復(fù)雜，現(xiàn)有技術(shù)難以分別測定其含量，并且需氧有機(jī)污染物的危害主要是通過消耗水中的溶解氧表現(xiàn)出來，所以一般采用生物化學(xué)需氧量（BOD）和化學(xué)需氧量（COD）來表示水中需氧有機(jī)物的含量。在我國海洋水質(zhì)監(jiān)測中，通常以COD代表海水中有機(jī)物的量［6］，所以本文選用COD進(jìn)行污染物輸移擴(kuò)散模擬。

3.2 天津近岸海域主要入海河口

計(jì)算中考慮5個(gè)點(diǎn)源污染物輸入（圖1）。根據(jù)2005年天津市河道水質(zhì)通報(bào)統(tǒng)計(jì)調(diào)查資料，5個(gè)入海河口的COD入海量見表1。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

對天津近岸海域原岸線（2005年）與岸線變化后（2009年）潮流場進(jìn)行模擬分析的基礎(chǔ)上，僅考慮天津近岸海域5個(gè)典型河口污染物的輸入，并假設(shè)COD初始場濃度為零、入海河口在大小潮時(shí)具有相同的流量和濃度入海的情況下，模擬大小潮動(dòng)力作用下COD的輸移擴(kuò)散范圍。

表1 主要河口COD入海量Tab.1 COD discharge of main estuaries

比較圖6～圖9大、小潮高低潮時(shí)刻COD的擴(kuò)散情況，可以看出高潮與低潮時(shí)刻COD的擴(kuò)散范圍存在一定差別，岸線變化前后低潮時(shí)刻COD擴(kuò)散面積均明顯大于高潮時(shí)污染物擴(kuò)散面積。這是因?yàn)闈q潮時(shí)，海水由外海流向近岸，污染源附近的污染物受到“內(nèi)擠”作用，使得污染物擴(kuò)散面積逐漸減小，并在高潮時(shí)刻減到最小。落潮時(shí)，潮流速度方向是由近岸向外海，污染源附近的COD受到“外拉”作用，使得COD濃度等值線梯度減小，COD擴(kuò)散面積逐漸增大，并在低潮時(shí)刻增加到最大。

綜合圖6～圖9大、小潮動(dòng)力作用下COD的擴(kuò)散情況，比較大小潮污染物擴(kuò)散情況，COD輸移擴(kuò)散具有相似的特點(diǎn)。在岸線變化前后，大小潮均在高潮時(shí)刻，污染物擴(kuò)散面積達(dá)到最?。坏统睍r(shí)刻污染物擴(kuò)散面積達(dá)到最大。同時(shí)，大潮時(shí)，落潮流速大于漲潮流速；小潮時(shí)，落潮流速小于漲潮流速，小潮的最大污染物擴(kuò)散面積小于大潮，小潮在高潮與低潮時(shí)的COD擴(kuò)散范圍變化比大潮時(shí)小。因此，小潮時(shí)，COD向外海擴(kuò)散的能力較大潮時(shí)差。

由圖6～圖9中岸線變化前后COD的擴(kuò)散情況可以看出，污染物在潮流的作用下都有向外海擴(kuò)散的趨勢，即高濃度水舌向外海延伸。由于獨(dú)流減河及子牙新河附近岸線無明顯變化，所以岸線變化前后COD的輸移擴(kuò)散范圍變化不明顯。而天津港填海面積不斷增加，陸地向海內(nèi)延伸，岸線的變化改變了COD輸移擴(kuò)散范圍，使得北塘口及天津港附近COD的擴(kuò)散范圍變化明顯。岸線變化后，大小潮的高低潮時(shí)刻的0.001 mg/L濃度等值線范圍均比岸線變化前小。即使在大潮低潮時(shí)刻，0.001 mg/L濃度等值線也僅僅剛到港區(qū)外。這是由于岸線變化后，天津近岸海域水域面積減小，水動(dòng)力條件改變，進(jìn)而導(dǎo)致COD輸移擴(kuò)散范圍的改變，使得COD更容易聚集在岸邊，不利于向外海擴(kuò)散。

4 結(jié)論

利用MIKE21對天津近岸海域潮流場及岸線變化前后COD輸移擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

（1）岸線變化前后大小潮的高低潮時(shí)刻COD擴(kuò)散情況表明，在高潮時(shí)刻，0.001 mg/L濃度等值線范圍最大；低潮時(shí)刻，0.001 mg/L濃度等值線范圍最小。

（2）岸線變化前后大小潮COD擴(kuò)散情況表明，大潮動(dòng)力強(qiáng)于小潮，因此在大潮時(shí)COD向外海擴(kuò)散能力比小潮大。

（3）岸線變化對獨(dú)流減河及子牙新河COD的輸移擴(kuò)散影響不大，但對北塘口和天津港附近的COD輸移擴(kuò)散有較大影響。岸線變化后，大小潮的高低潮時(shí)刻的0.001 mg/L濃度等值線范圍均比岸線變化前小，不利于高濃度污染物向外海擴(kuò)散，在近岸大量累積，使得天津近岸海域污染加重。

［1］彭士濤，王心海，詹水芬，等.海洋生態(tài)系統(tǒng)及海岸工程生態(tài)影響預(yù)測模型研究進(jìn)展［J］.水道港口，2009，30（6）：430-436.

PENG S T，WANG X H，ZHAN S F，et al.Advances on ecosystem models of marine ecosystem and coastal engineering［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009，30（6）：430-436.

［2］閆菊，鮑獻(xiàn)文，王海，等.膠州灣污染物 COD 的三維擴(kuò)散與輸運(yùn)研究［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2001，14（2）：14-17.

YAN J，BAO X W，WANG H，et al.Three Dimensional Simulation on Transportation and Diffusion of Pollutant COD in Jiaozhou Bay［J］.Research of Environmental Sciences，2001，14（2）：14-17.

［3］徐洪達(dá)，王鐘裙，劉贊沛.渤海潮混合數(shù)值模擬III.渤海污染物潮擴(kuò)散的數(shù)值計(jì)算［J］.海洋與湖沼，1984，15（2）：138-145.

XU H D，WANG Z J，LIU Z P.On Numerical Simulation of the Tidal Mixing in the Bohai Sea III.Numerical Calculation of the Pollutant Diffusion under the Action of the Semi-diurnal Constituent in Bohai Sea［J］.Oceanologia et Limnologia Sinica，1984，15（2）：138-145.

［4］竇振興，黃克辛，張存智，等.渤海水質(zhì)控制模型研究 I.潮流污染擴(kuò)散模型［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，1982，1（1）：27-54.

DOU Z X，HUANG K X，ZHANG C Z，et al.Study on the Mathematical Model for Water Quality Control in the Bohai Sea Part I.Tidal Current-Pollutant Dispersion Model［J］.Marine Environmetal Science，1982，1（1）：27-54.

［5］王澤良，王日新，陶建華.渤海灣流場以及污染物分布的數(shù)值模擬研究［J］.海洋與湖沼，1999，30（2）：224-229.

WANG Z L，WANG R X，TAO J H.Numerical Simulation of Tidal Current and Pollutant Distribution of Bohai Bay［J］.Oceanologia et Limnologia Sinica，1999，30（2）：224-229.

［6］王澤良，陶建華，季民，等.渤海灣中化學(xué)需氧量（COD）擴(kuò)散、降解過程研究［J］.海洋通報(bào)，2004，23（1）：27-31.

WANG Z L，TAO J H，JI M，et al.Study on Dispersion and Degradation of COD in the Bohai Bay［J］.Marine Science Bulletin，2004，23（1）：27-31.