張曉霞,程嘉熠,陶 平,邵秘華,朱京海,2*

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近岸海域多環(huán)芳烴生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型及生境影響

張曉霞1,程嘉熠1,陶 平1,邵秘華1,朱京海1,2*

(1.大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連 116000；2.遼寧省環(huán)境保護(hù)廳,遼寧 沈陽 110000)

利用生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型Delf3D,對大連葫蘆山灣海域多環(huán)芳烴(PAHs)在海洋中的理化及生態(tài)動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行耦合,并以大連葫蘆山灣實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻(xiàn)資料為基礎(chǔ),確定了一套適用于該近岸海域PAHs生態(tài)動(dòng)力學(xué)過程的特征參數(shù),模擬研究了PAHs在近岸海域生態(tài)動(dòng)力學(xué)過程.以浮游植物生長率作為指示近岸海域生態(tài)系統(tǒng)健康程度的指標(biāo),將PAHs含量的數(shù)值模擬結(jié)果與浮游植物生長率的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)方程相擬合,定量的評估了PAHs對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響.結(jié)果顯示:排污口選址于水深大、流速快、水動(dòng)力強(qiáng)處,對PAHs污染物擴(kuò)散、水質(zhì)改善具有顯著作用,反之造成PAHs大規(guī)模富集.PAHs富集作用對該灣生境影響較顯著,灣頂水動(dòng)力作用微弱,浮游生物生長率削減度高達(dá)18%.ArcGIS分析顯示,浮游生物生長率削減程度與PAHs時(shí)空分布并不完全一致,體現(xiàn)海灣生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)力復(fù)雜性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性.

近岸海域；生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型；多環(huán)芳烴；數(shù)值模擬；Delft3D

化石能源的利用與燃燒、石化生產(chǎn)與運(yùn)輸泄漏給近岸海域生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),引入一種對生物體高致癌、致突變的持久性有機(jī)污染物——多環(huán)芳烴(PAHs),受到國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛重視,在其溯源,生化特征,毒理特征等方面已有較為成熟的研究[1-3].然而,海洋生態(tài)系統(tǒng)是潮汐水文多動(dòng)力耦合的特殊生態(tài)系統(tǒng),傳統(tǒng)定性或定量的實(shí)驗(yàn)分析難以全面揭示PAHs在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化機(jī)制.國內(nèi)尚無利用水文—水質(zhì)—生態(tài)三相耦合模型對近岸海域PAHs動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行模擬的研究;國外亦無近岸海域生態(tài)系統(tǒng)健康程度與PAHs動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程的相關(guān)研究.

Delft3D模型包含水動(dòng)力、波浪、水質(zhì)、顆粒跟蹤、生態(tài)、泥沙運(yùn)輸和地質(zhì)動(dòng)力7個(gè)模塊,可實(shí)現(xiàn)二維或三維河流、湖泊、海洋的水動(dòng)力、水質(zhì)和生態(tài)模擬,是目前國際上技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用廣泛的數(shù)值計(jì)算模型之一,荷蘭、俄羅斯、德國及美國均有較長的應(yīng)用歷史[4-6].例如Rafael Ca?izares等利用Delft3D對舊金山海灣鹽度的季節(jié)性三維水動(dòng)力遷移變化進(jìn)行了研究[7-8].我國香港自20世紀(jì)70年代中期就開始使用該計(jì)算模型,現(xiàn)已成為香港環(huán)境署的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型.國內(nèi)其他地區(qū)海南、鄱陽湖、長江入?？诘鹊乜茖W(xué)研究中均有應(yīng)用[9-12].

本文以世界級沿海石化產(chǎn)業(yè)園區(qū)——大連葫蘆山灣海域?yàn)檠芯繉ο?運(yùn)用Delft3D數(shù)值計(jì)算模型在傳統(tǒng)污染物質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散模塊基礎(chǔ)上[13],添加污染物生態(tài)化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程,包括:海表—大氣交換過程、海水—底質(zhì)吸附與解吸過程、水文邊界水動(dòng)力遷移過程、生態(tài)同化、分解與自然沉降過程等,系統(tǒng)進(jìn)行了近岸海域PAHs生態(tài)動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究.浮游植物生長率作為海洋初級生產(chǎn)力的重要指標(biāo)亦受到PAHs污染影響[14].為進(jìn)一步了解海洋生態(tài)系統(tǒng)與PAHs的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)機(jī)制,本研究確定了一套適用于該近岸海域PAHs生態(tài)動(dòng)力學(xué)過程的特征參數(shù),將PAHs的數(shù)值模擬結(jié)果賦予毒物與種群的史密斯生態(tài)模型中[15],并利用Matlab矩陣疊加功能,以浮游植物生長率作為指示,模擬并定量的評估了PAHs對近岸海域生態(tài)系統(tǒng)的影響過程,旨在揭示PAHs在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化機(jī)制,為近岸海洋環(huán)境的區(qū)域化管理及合理開發(fā)提供了技術(shù)支撐.

1 材料與方法

本文構(gòu)建了與研究海域相符合的生態(tài)環(huán)境,運(yùn)用Delft3D數(shù)值計(jì)算模型,采用顯、隱式交替數(shù)值積分法求解方程,模擬PAHs在實(shí)際條件中循環(huán)、遷移、轉(zhuǎn)化過程,見圖1.

PAHs生態(tài)動(dòng)力學(xué)過程的控制方程如下:

動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散方程:

(1)

海表-大氣交換動(dòng)力學(xué)方程:

海水-底質(zhì)交換動(dòng)力學(xué)方程:

全面分解過程方程:

式中:為時(shí)間;為方向速度分量;e為粘性系數(shù);顆粒沉降速度;i、equ、sed、w、par、d依次為PAHs總濃度、平衡態(tài)濃度、沉積物濃度、上覆水濃度、顆粒吸附態(tài)濃度、自由溶解態(tài)濃度;vol為海氣交換速率;vol為海氣交換系數(shù);p為滲流通量;D擴(kuò)散通量;為底質(zhì)孔隙度;sw為擴(kuò)散系數(shù);sw為上覆水層厚度;為PAHs分解速率;0零級反應(yīng)常數(shù);1一階反應(yīng)系數(shù);t熱力學(xué)常數(shù).

1.1 數(shù)值模型計(jì)算

1.1.1 地形及邊界設(shè)定 由衛(wèi)星遙感影響圖提取大連葫蘆山灣水體邊界,運(yùn)用ArcGIS對其進(jìn)行地形、水深及邊界矢量化,并確定開、閉邊界和計(jì)算域.

1.1.2 網(wǎng)格化處理 采用正交曲線網(wǎng)格對計(jì)算海區(qū)進(jìn)行處理,網(wǎng)格數(shù)為5084(82×62)個(gè).全部曲線網(wǎng)格非正交值均小于0.1,檢驗(yàn)網(wǎng)格正交性有效率達(dá)99.7%以上.

實(shí)地踏勘調(diào)查結(jié)果顯示:該海域設(shè)有5處陸源污染物排放源(D1,D2,D3,D4,D5),海洋底質(zhì)以粉砂質(zhì)海床為主,水深較淺,坡度平緩,適宜采用二維流數(shù)值模型.2015年5月,依葫蘆山灣地貌走向,于海灣口門處(S1)灣內(nèi)狹長水道末端(S2)布設(shè)2處水文、PAHs連續(xù)25h觀測站,詳見圖2.

1.1.3 模擬時(shí)段與時(shí)間步長設(shè)定 依據(jù)葫蘆山灣研究海域面積(網(wǎng)格數(shù))及空間步長,設(shè)定時(shí)間步長為5min,模擬時(shí)段為2015年5~6月,總計(jì)90個(gè)潮周期.

1.1.4 模型參數(shù)設(shè)定 依據(jù)該灣自然概況特點(diǎn),設(shè)定模型相關(guān)參數(shù)如下:研究海域海流主驅(qū)動(dòng)力為重力、地轉(zhuǎn)偏向力、潮汐潮流等因素,重力加速度取9.81m2/s,海水密度1024.2kg/m3,水平、垂直粘滯系數(shù)分別取10.1m2/s和1.0× 10-6m2/s,潮汐調(diào)和常數(shù)由2014年潮汐數(shù)據(jù)調(diào)和分析所得(絕密),PAHs動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)見表1.水文水動(dòng)力模擬結(jié)果見圖3.

表1 PAHs生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型主要參數(shù)Table 1 Parameters in ecological dynamics model of PAHs

注:*參數(shù)取自《Delft3D水質(zhì)污染物模擬技術(shù)參閱手冊》及海域PAHs化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,**參數(shù)由葫蘆山灣海洋生物量估算得出.

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模型準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

大連葫蘆山灣海域S1、S2站位PAHs污染物模擬結(jié)果見圖4. 2個(gè)站位PAHs濃度隨模擬時(shí)間逐步增加,在模擬時(shí)段達(dá)到15d(30個(gè)潮周期)之后,PAHs濃度隨時(shí)段增長緩慢,在模擬時(shí)段達(dá)到30d(60個(gè)潮周期)之后,PAHs濃度曲線趨于平緩.

當(dāng)模擬時(shí)段在日之后,PAHs濃度增加率ΔPAHs不超過1‰時(shí),表明該海域PAHs動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果在第日趨于多過程耦合動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),此時(shí),該平衡狀態(tài)曲線即表示PAHs在研究海域的動(dòng)力學(xué)過程.

式中:C表示時(shí)PAHs濃度;ΔPAHs表示PAHs濃度增長率.

選取數(shù)值模擬時(shí)段=40d,時(shí)間間隔25h(PAHs含量增長率ΔPAHs=0.3‰<1‰)的S1、S2的PAHs含量作為模擬值,以S1、S2站位PAHs含量25h連續(xù)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn),對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確度檢驗(yàn),驗(yàn)證結(jié)果見圖5.

由圖5可見,S1站位PAHs含量模擬值與實(shí)測值相符,PAHs濃度在(0.70±0.20)μg/L之間波動(dòng),模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度()平均值為70%.S2站位PAHs含量模擬值與實(shí)測值亦基本相符,PAHs濃度在(1.50±0.50)μg/L,模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度()平均值為72%.

由于S1站位相對于S2站位而言,具有較強(qiáng)的水文動(dòng)力混合作用,污染物擴(kuò)散能力較強(qiáng),加之葫蘆山灣內(nèi)部石化產(chǎn)業(yè)、船舶重工業(yè)密集,故灣內(nèi)S2站位PAHs含量明顯高于S1站位,符合客觀實(shí)際情況,因此本文PAHs數(shù)值計(jì)算模型,可信度較高,具有足夠的數(shù)值模擬精度.

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 PAHs動(dòng)力學(xué)過程模擬 采用二維流delft數(shù)值模型,計(jì)算PAHs污染物濃度分布結(jié)果見圖6.低潮時(shí),由于水深淺,流速小,微弱的水交換動(dòng)力致使PAHs在部分陸源排污口附近產(chǎn)生富集,葫蘆山灣海域PAHs整體含量較高,在局部水深較淺的灣頂?shù)瘸睘└浇?PAHs富集濃度出現(xiàn)高于污染源的情況,產(chǎn)生較高的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);高潮時(shí),潮汐水動(dòng)力作用明顯加強(qiáng),在良好水交換條件下,葫蘆山灣PAHs含量明顯降低.

可見,大連葫蘆山灣海域在海洋潮汐水動(dòng)力作用下可以完成灣內(nèi)大部分區(qū)域PAHs的遷移與擴(kuò)散,然而在灣頂?shù)人钶^淺的潮灘附近,水動(dòng)力交換作用微弱,依舊存在較高濃度的PAHs富集.

2.2.2 PAHs-生態(tài)響應(yīng)過程模擬分析 利用Hallam[20-21]的種群與毒物的史密斯生態(tài)系統(tǒng)改良模型,結(jié)合浮游植物對PAHs響應(yīng)的特征方程,模擬PAHs進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后,浮游植物生物量的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程.式(10)~(13)為改良后的種群與毒物響應(yīng)過程的一般方程.基于金香琴[15]2014年的實(shí)驗(yàn)成果,進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)多項(xiàng)式擬合出浮游植物對PAHs響應(yīng)的特征方程式(13).

式中:為浮游植物生物量;p為浮游植物體內(nèi)PAHs含量;(,C)為浮游植物對PAHs的響應(yīng)系數(shù)函數(shù);為種群活度;為浮游生物的PAHs吸附指數(shù);()為PAHs動(dòng)力學(xué)吸附函數(shù);與分別為浮游植物PAHs排泄率與凈化率;E為環(huán)境中PAHs含量;()為PAHs含量方程;1生物種群對環(huán)境的影響系數(shù);2為生物種群對污染物的自凈系數(shù);50為PAHs自然半衰期;C為PAHs濃度.

根據(jù)PAHs動(dòng)力學(xué)過程計(jì)算結(jié)果顯示(圖7):PAHs含量以及對生境質(zhì)量的影響作用并非一成不變,而是始終隨著潮汐、潮流、氣象等因素發(fā)生周期性動(dòng)態(tài)變化,為此本文利用ArcGIS的空間矢量疊加功能將一個(gè)潮周期內(nèi)(24張計(jì)算矢量圖)PAHs對海洋浮游植物生長率影響的全部數(shù)值模擬結(jié)果等權(quán)重疊加后展示.

葫蘆山灣浮游植物由于受到PAHs污染物排放的影響,其生長率比灣外海域降低6.0%~ 16.0%以上,由于灣頂水交換作用微弱,PAHs難以進(jìn)行有效的遷移與擴(kuò)散,致使浮游植物的生長受到PAHs富集作用的威脅,生長率削減高達(dá)18%.盡管位于葫蘆山灣口門處附近的陸源污染源也持續(xù)向環(huán)境排放PAHs,但由于適宜的水動(dòng)力條件及較高的水交換速率有效的將PAHs向外海遷移,如圖可見,口門附近浮游植物生長率削減不足8%,生態(tài)系統(tǒng)功能良好.

通過PAHs-浮游植物響應(yīng)過程模擬結(jié)果分析亦可知,近岸海洋生態(tài)環(huán)境的保護(hù)須加強(qiáng)對PAHs等污染物排放總量控制,在源頭上減少污染物排放,同時(shí)也須合理規(guī)劃近岸海域排污口的建設(shè)位置,確保PAHs等污染物進(jìn)入近海環(huán)境后,能夠在較強(qiáng)的水交換能力下迅速向外海方向遷移,降低污染物濃度及其富集作用,減小污染物對近海生態(tài)系統(tǒng)的毒害作用.

3 討論

PAHs數(shù)值模擬結(jié)果顯示,該灣PAHs整體含量較高.高潮時(shí),水交換能力較強(qiáng),灣內(nèi)大部分區(qū)域可完成PAHs向?yàn)惩獾倪w移與擴(kuò)散過程;然而,灣頂及局部淺灘水域水動(dòng)力作用較弱,存在PAHs富集現(xiàn)象.

對比PAHs富集濃度與浮游植物生長率削減的空間分布結(jié)果(圖6,圖7),該灣浮游植物生長率對PAHs排放較為敏感,但兩者的空間分布并非完全一致,局部海域PAHs含量較高,其浮游植物生長率抑制作用并不明顯.究其原因如下:①PAHs污染物對生物體的毒害作用具有一定的滯后性,PAHs對浮游植物的毒害作用穩(wěn)定時(shí)間為50h[5].近岸海域多動(dòng)力耦合作用促使水體中PAHs處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),而非理想靜水條件,故PAHs的生物毒害作用時(shí)滯性更為顯著;②史密斯生態(tài)模型中著重考慮了浮游植物對PAHs的同化吸收過程,故浮游植物種群的自凈能力及其對水體中PAHs濃度的影響不能忽略,在一定程度上也導(dǎo)致浮游植物生長率削減與PAHs濃度空間分布不一致.

PAHs生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果顯示,大連葫蘆山灣海域海洋潮汐水交換速率對生態(tài)系統(tǒng)健康功能具有顯著影響,本文設(shè)定的五個(gè)污染源排放口PAHs排放通量D2>D3>D1>D4>D5,然而靠近灣頂?shù)腄4與D5排污口附近水交換速率較小,生態(tài)功能受PAHs影響更為明顯.因此本文建議環(huán)保部門對葫蘆山灣近岸陸源排污口進(jìn)行整改,向水深大,流速快,水交換能力強(qiáng)的位置遷移,對污染物擴(kuò)散,生態(tài)環(huán)境保護(hù)與改善具有重要意義.

4 結(jié)論

4.1 利用Delft3D模型建立了PAHs與近岸海域生態(tài)系統(tǒng)相耦合的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型.模擬了PAHs在近岸海域的遷移轉(zhuǎn)化過程,并計(jì)算了葫蘆山灣生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力對PAHs的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程.

4.2 該灣PAHs可基本完成向?yàn)惩獾倪w移與擴(kuò)散過程,然而灣頂及局部淺灘水域水交換作用較弱,PAHs富集作用較強(qiáng),浮游植物生長受到一定威脅,對生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生較大影響.

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致謝：本研究的現(xiàn)場采樣工作由遼寧省大連市黃渤海測繪大隊(duì)張總工程師等協(xié)助完成,在此表示感謝.此外,特別感謝大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院宋成文教授在研究工作中給予的無私幫助和指導(dǎo).

* 責(zé)任作者, 教授, zhujingh@163.com

Studying of ecological dynamics models of PAHs and their influence on eco-environment in coastal waters

ZHANG Xiao-xia1, CHENG Jia-yi1, TAO Ping1, SHAO Mi-hua1, ZHU Jing-hai1,2*

(1.Environmental Science and Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China；2.Department of Environmental Protection of Liaoning Province, Shenyang 110000, China)., 2016,36(5)：1540~1546

The physical and chemical processes of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are coupled with their ecological dynamic processes by using Delft3D model in the Hulushan Bay, Dalian. Based on in-situ monitoring data and previous references, the characteristic parameters for the ecological dynamics processes of PAHs are set and the corresponding simulated work is carried out. Here, the growth rate of phytoplankton is selected as an indicator of ecosystem health in coastal waters, and the numerical simulation results of PAHs concentrations are fitted with the dynamics response equation of the growth rate of phytoplankton to quantitatively evaluate the effect of PAHs on marine ecosystems. The result shows that when the sewage outfall is located at such a place with deep water, fast flow rate and strong hydrodynamic condition, it will benefit the diffusion of PAHs, and thus improve the water quality. On the contrary, it will result in the serious enrichment of PAHs in the Hulushan bay. In addition, the enrichment of PAHs has a significant influence on the ecological environment in the Hulushan Bay. The poor hydrodynamic conditions lead to that the reduction of 18% in the growth rate of phytoplankton. Finally, spatial GIS analysis demonstrates that the reduction in the growth rate of phytoplankton does not agree with the spatial distribution of PAHs concentrations well, reflecting the dynamic complexity and ecological stability of the ecosystem in the Hulushan bay.

coastal waters；ecological dynamics model；PAHs；numerical simulation；Delft3D

X171

A

1000-6923(2016)05-1540-07

張曉霞(1987-),女,河北石家莊人,大連海事大學(xué)博士研究生,主要從事海洋環(huán)境監(jiān)測與分析研究.

2015-10-12

中華環(huán)保基金會(huì)“123”工程資助項(xiàng)目(CEPF2013-123- 1-9);遼寧省海洋與漁業(yè)廳課題:長興島海域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及變化動(dòng)態(tài)研究(2014-lnhyhbc-0003)