匡翠萍，胡成飛，冒小丹，顧 杰

（1.同濟大學 土木工程學院，上海200092；2.上海海洋大學 海洋科學學院，上海201306）

秦皇島位于河北省東北部，地理坐標為北緯39°24′～40°37′，東經(jīng)118°33′～119°51′.秦皇島海岸線北起山海關金絲河口，南止昌黎縣灤河口，總長162.7km.秦皇島市現(xiàn)有捕撈作業(yè)漁場1萬km2，有適宜發(fā)展養(yǎng)殖的淺海533km2，灘涂13km2.海產(chǎn)養(yǎng)殖尤其是海灣扇貝養(yǎng)殖在全國占有重要地位，2008年，秦皇島市漁業(yè)總產(chǎn)量34.96萬t，其中海水養(yǎng)殖產(chǎn)量29.98萬t，占總產(chǎn)量的85.76%［1］.然而近年來秦皇島海域幾乎連年發(fā)生赤潮，對當?shù)厣蓉惖群．a(chǎn)養(yǎng)殖造成了巨大損失.2009年秦皇島沿岸海域爆發(fā)大面積赤潮，赤潮區(qū)內養(yǎng)殖的扇貝、牡蠣等水產(chǎn)出現(xiàn)了滯長和死亡現(xiàn)象，約三分之二的養(yǎng)殖區(qū)受到影響.2010年秦皇島昌黎沿海海域發(fā)生大面積赤潮，造成直接經(jīng)濟損失約2億元.2011年秦皇島海域赤潮發(fā)生次數(shù)最多，全年共爆發(fā)7次赤潮，對當?shù)厣蓉愷B(yǎng)殖造成了數(shù)億元的損失.

近年來，國內外大量學者對赤潮爆發(fā)的機理及赤潮爆發(fā)時水體中各測站點的水文化學要素的濃度變化進行了研究［2-4］，研究表明赤潮爆發(fā)與海域水動力條件、水體交換速率及營養(yǎng)鹽等污染物存在著一定的相關關系.海域的水動力條件和污染物擴散受潮汐、地形、風及科氏力等因素影響［5-7］，其中在湖泊、河口和海灣等封閉或半封閉水域，風是驅動水體環(huán)流及污染物擴散的主要因子之一［8-11］，而在寬廣海域風驅動力的作用并不是影響水動力條件和污染物擴散的主要因素，然而部分學者通過研究發(fā)現(xiàn)，風對開放海域的水動力、水體交換、鹽度混合及污染物擴散等仍有一定程度的影響［12-14］，尤其在赤潮頻發(fā)海域更應引起重視.由于洪季為秦皇島海域赤潮頻發(fā)期，本文建立了秦皇島近岸海域二維水動力和污染物擴散模型，并通過洪季水文和水質實測資料對模型進行了率定驗證，得到了秦皇島近岸海域在潮汐以及潮汐和風共同作用下的水動力和化學需氧量（COD）擴散分布特征，并在此基礎上，分析了風對秦皇島近岸海域洪季水動力和COD擴散分布的影響，以期較為全面地認識秦皇島近岸海域洪季水動力及COD擴散特征.

1 研究區(qū)域

研究區(qū)域選擇秦皇島近岸海域，北起山海關，南至灤河口，岸線綿延173km，從北向南沿岸線共有11條入海河流：石河、新開河、湯河、新河、戴河、洋河、人造河、東沙河、大蒲河、七里海和灤河.

秦皇島屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，春季少雨干燥，夏季濕潤多雨，秋季晴朗干爽，冬季寒冷少雪［15］，其海岸帶年平均風速為3.9m·s-1，最大風速24m·s-1，冬季多為東北（NE）風，春季多為西南偏西（WSW）風，夏季為西南（SW）風［16］.秦皇島附近海域是規(guī)則全日潮區(qū)，向南至灤河口區(qū)屬于不規(guī)則全日潮區(qū)［17］.秦皇島近岸海域歷年平均潮位73～91cm，呈現(xiàn)冬低夏高的趨勢［18］.秦皇島年平均溫度9℃～11℃，最高月平均溫度23℃～25℃，最低月平均溫度-7℃～-5℃，最適宜氣候環(huán)境為6～9月，是海濱泳浴的最佳時節(jié)［19］.

2 數(shù)學模型

基于Navier-Stokes方程和對流擴散方程建立水動力和污染物擴散模型，并在污染物擴散模型中采用線性衰減系數(shù)來反映COD的衰減過程.

（1）計算網(wǎng)格與地形

數(shù)學模型的計算范圍，北至山海關以北約20 km處，南至灤河口以南近14km處，向外海延伸大約55km，包含入海河流河口.計算區(qū)域采用三角形劃分網(wǎng)格，節(jié)點數(shù)為9 066，網(wǎng)格單元數(shù)為16 866.通過對國家測繪局1998年版1：50 000地形圖，以及2000年、2005年航片資料進行數(shù)字化處理，并配合2007年、2009年、2011年實測近岸詳細地形水深數(shù)據(jù)和2013年河道地形實測數(shù)據(jù)得到一整套完整的計算區(qū)域地形數(shù)據(jù).

（2）初始條件與邊界條件

水動力模型外海開邊界由潮位過程控制，其潮位過程由渤海潮流模型（邊界為大連到煙臺）［20］提供；河流開邊界由實測多年月平均流量控制.模型初始水位選取計算開始時刻開邊界潮位的平均值，流速為零.污染物擴散模型外海開邊界條件為本底COD濃度，近似取常值0.9mg·L-1，河流開邊界COD濃度由2011年各月COD濃度實測值控制.模型初始COD濃度設定為本底COD濃度0.9mg·L-1.

（3）參數(shù)設置

曼寧系數(shù)由該海域海床泥沙中值粒徑和水深綜合確定，取平均值0.014，時間步長取1s.邊界灘地采用動邊界處理灘地的干濕交換過程.水平擴散系數(shù)通過污染物擴散模型率定，取常值60m2·s-1.COD衰減系數(shù)根據(jù)實測平均水溫按一階衰減過程計算，為0.033d-1.風場數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋和大氣管理局 NOAA中渤海站點（120°E、39.047°N）2011年5月1日～9月1日的風速風向.2011年5～9月渤海最大風速為12.6m·s-1，平均風速4.0 m·s-1；南（S）、東南偏南（SSE）和西南偏南（SSW）風向占總數(shù)的49.1%，常風向為S，S風向平均風速為5.2m·s-1.8月10～16日期間（圖1），渤海最大風速4.9m·s-1，平均風速2.87m·s-1；SSE、S、SSW風向占總數(shù)的56%，常風向為SSE.

圖1 2011年8月10～16日風速風向Fig.1 Time-series of wind speed and wind direction from 10th to 16th August 2011

3 模型驗證

2011年7月21日～26日暨南大學對赤潮發(fā)生時秦皇島近岸海域C01～C23站點的水質情況進行了取樣分析.秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心于2011年5月26日8：00至27日8：00對秦皇島近岸海域V01～V10十個站點進行了流向流速監(jiān)測，水動力及污染物測站如圖2所示.

3.1 水動力模型驗證

（1）潮位驗證

水動力模型中的潮位驗證如圖3a所示，實測潮位資料為2011年5月21日18：00至22日18：00秦皇島站的潮位過程，驗證站位置如圖2所示.潮位的相位和趨勢基本吻合，潮位大小有小幅度偏差，這是由于水動力模型中部分物理參數(shù)采用了平均值，即常數(shù)；風場為6h的演變場.此外秦皇島站位置靠近海岸線，近岸海域地形復雜，且秦皇島站處于無潮點影響范圍內，潮波變形較大，從而導致計算潮位大小有一定偏差.

（2）潮流驗證

水動力模型中潮流驗證如圖3b和3c所示 （限于篇幅有限，現(xiàn)僅列出V01潮流驗證），實測潮流資料來源于秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心實測數(shù)據(jù)，測站位置如圖2所示.V01測站的模擬流速和流向與實測值在相位上基本吻合，部分時刻V01測站流速和流向驗證在數(shù)值上有一定誤差，這主要是由于風場數(shù)據(jù)參考的站點為渤海監(jiān)測站點，與秦皇島實際風速風向有一定偏差，而且近岸風場還受陸域影響，較為復雜，且秦皇島近岸海域位于渤海無潮點附近，潮波變化復雜.

3.2 污染物擴散模型驗證

采用暨南大學2011年7月21日～26日秦皇島近岸海域水質監(jiān)測數(shù)據(jù)（監(jiān)測站點如圖2所示）對污染物擴散模型進行驗證，驗證結果如圖4所示，未考慮風的情況下，污染物擴散模型中COD計算結果相對誤差小于25%以內的站點占總數(shù)的78.26%，加入風場后，COD計算結果相對誤差小于25%以內的站點占總數(shù)的95.65%，污染物擴散模型總體驗證良好.部分站點計算值與實測值誤差較大的原因可能是站點監(jiān)測時間不同步，計算值和實測值不能保證為同一時刻水質的反映以及數(shù)學模型中僅考慮了河流進入海域的污染，未考慮其他直排口以及浴場開放等當?shù)匾蛩氐挠绊?

圖3 秦皇島站潮位驗證和V01站流速流向驗證Fig.3 Verification of tidal level at Qinhuangdao gauge station and tidal current velocity magnitude and direction at stations V01

4 結果與分析

通過建立和驗證的數(shù)學模型計算得到秦皇島近岸海域2011年6月1日～9月1日水動力和污染物擴散變化過程，選取8月15日來分析秦皇島近岸海域在洪季大潮水文條件下的水動力和污染物擴散分布特征，比較風對秦皇島近岸海域水動力和污染物擴散的影響.

圖4 COD濃度驗證Fig.4 Verification of COD concentration

4.1 水動力特征

秦皇島近岸海域2011年8月15日漲憩時刻水位流場如圖5a所示，圖中，矢量箭頭代表流速，等值線表示水位.秦皇島近岸海域漲潮流為SW向，落潮流為NE向.在漲憩時刻，風作用下，整個海域水位變化為-0.004 8～0.000 8m，變化幅度僅為-0.7%～0.2%，僅石河口東北部靠岸和外海邊界處狹小海域水位略有升高，大部分海域水位均降低，灤河口附近海域水位降低較明顯，可能是因為灤河口三角洲特殊的地形受風作用力影響較為復雜.風作用下，整個海域的流速變化為-0.112～0.021m·s-1，風作用（風速＜5m·s-1）對外海流速基本無影響，對近岸海域流速影響復雜，可能是由于近岸海域地形復雜，潮流較紊亂，受風作用力的影響較大.近岸海域，石河口以北海域流速略有增加，戴河口至灤河口間海域流速降低，灤河口以南海域流速減小相對較大，這是由于海域潮流過程不同步造成的，2011年8月13日～15日，渤海主要風向為SSW、S和SSE，戴河口附近海域漲憩時，石河口以北海域已經(jīng)轉流，流向為NE，風應力起動力作用，使流速增加，而戴河口至灤河口海域潮流仍處于漲急向漲憩過渡階段，流向為SW，風應力起阻力作用，使流速減小.

落憩時刻，風作用下，整個海域水位變化規(guī)律與漲憩時刻相似，變化幅度較漲憩時刻大，為-2.5%～4.6%.風對外海流速基本無影響.在近岸海域，由于海域潮流過程不同步，石河口以北海域流速降低，石河口以南海域流速增加，灤河口以南海域流速增加相對較大.

圖5 漲憩時刻秦皇島近岸海域水位流場Fig.5 Isolines of water levels and current fields at the slack of the flood in Qinhuangdao costal water

4.2 污染物擴散分布特征

秦皇島近岸海域2011年8月15日漲憩時刻COD濃度分布如圖6所示.COD擴散方向與漲落潮潮流方向一致.漲憩時刻，潮汐作用及潮汐和風共同作用下的COD濃度分布趨勢基本一致，洋河口以北海域，風和潮汐共同作用下的COD濃度等值線分布在近岸海域較無風條件下向NE偏移，這是由于2011年8月13日～15日，渤海主要風向為SSW、S和SSE，減慢了洋河口以北海域COD向SW方向的擴散.風作用下，該海域內COD濃度變化為-0.17～0.24mg·L-1，濃度變化梯度近岸海域高于外海，與近岸海域濃度梯度大于外海濃度梯度一致.COD在七里海以南海域濃度降低，洋河口以北海域濃度增加，這是由于該時段，漲潮流在風作用下流速降低，減慢了洋河口以北海域COD向SW方向擴散，同時也降低了戴河、洋河、人造河、東沙河和大蒲河排出的COD向七里海以南海域擴散速度，從而造成COD在七里海以南海域濃度降低，洋河口以北海域濃度增加.

落憩時刻，風作用下，COD濃度等值線分布向NE偏移，這是由于該時段渤海主要風向為SSW、S和SSE，加快了COD向NE方向的擴散.海域內COD濃度變化為-0.27～0.35mg·L-1.COD在大蒲河口、人造河口以及灤河口以南海域濃度降低，洋河口以北海域濃度增加，這是由于該時間段，潮流在風作用下流速增大，加大了從河口排出的COD向NE方向擴散的速度，從而造成洋河口以北海域COD濃度增加；而SW向外海開邊界濃度小于海域濃度，NE方向流速增大，加大了SW向外海開邊界對灤河口以南海域的影響，從而造成灤河口以南海域COD濃度降低.

圖6 漲憩時刻秦皇島近岸海域COD濃度分布（單位：mg·L-1）Fig.6 Isolines of COD concentration at the slack of the flood in Qinhuangdao costal water （unit：mg·L-1）

5 結論

本文建立了秦皇島近岸海域二維水動力和污染物擴散數(shù)學模型，并用實測資料對數(shù)學模型進行率定驗證，研究了秦皇島近岸海域在洪季大潮水文條件下的水動力和污染物擴散分布特征，并在此基礎上分析了風對秦皇島近岸海域水動力和污染物擴散的影響，得到如下結論：

（1）秦皇島近岸海域落潮流為NE向，漲潮流為SW向；秦皇島與灤河口海域轉流時間不同步；秦皇島近岸海域潮流總體特征為順岸往復流.

（2）漲落憩時刻，風作用下，秦皇島近岸海域整體水位均略有降低.風作用對近岸海域流速影響復雜，落憩時刻，石河口以北海域流速降低，石河口以南海域流速增加；漲憩時刻，石河口以北海域流速略有增加，戴河口至灤河口間海域流速降低.

（3）COD擴散方向與漲落潮潮流方向一致.COD濃度分布由近岸向外海遞減，近岸海域濃度梯度較外海大.

（4）風作用下，落憩時刻，COD濃度在大蒲河口、人造河口以及灤河口以南海域降低，洋河口以北海域增加；漲憩時刻，COD濃度在七里海以南海域降低，洋河口以北海域增加.

致謝：本文水動力和污染物擴散數(shù)學模型驗證采用的潮流及水質實測數(shù)據(jù)分別由秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心和暨南大學呂頌輝教授提供，在此表示真誠的感謝！

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