摘要：近岸海域是海洋環(huán)境受人類活動(dòng)最敏感區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境保護(hù)尤為重要。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：秦皇島市近岸海域水質(zhì)主要受入海河流飲馬河的影響。在秦皇島市飲馬河口及近岸海域監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及水文環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，模擬近岸海域的自然和動(dòng)力演變過(guò)程，建立潮流動(dòng)力數(shù)值模型;對(duì)飲馬河口近岸海域污染物CODMn擴(kuò)散輸移特征進(jìn)行研究，建立污染物擴(kuò)散數(shù)值模型并通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證其模型的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：入海河流;污染物擴(kuò)散;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）10-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.10.082

Abstract：The ecological environmental protection of coastal sea area is a critical issue as it is the most sensitive marine environment to human activities. As show in monitoring data，the water quality of Qinhuangdao coastal area is mainly affected by the Yinma river.In this paper， a numerical model of tidal current dynamics is established by simulating the natural and dynamic evolution of coastal sea area， which is based on the monitoring data of water quality in the monitoring sections of Yinma estuary and coastal area in Qinhuangdao and the field investigation of hydrological environment. A numerical model of pollutant diffusion was also established by studying the characteristics of pollutant CODMn diffusion in the coastal area of Yinma estuary， and its accuracy was verified by the actual monitoring data.

Key words：Seagoing rivers;Pollutant diffusion;Numerical simulation

秦皇島市作為享譽(yù)中外的避暑勝地，良好的生態(tài)環(huán)境，是秦皇島市旅游業(yè)不斷發(fā)展繁榮的根本。近岸海域作為能量、物質(zhì)交換劇烈地帶，是海洋環(huán)境受人類活動(dòng)最敏感區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境保護(hù)尤為重要[1]。入海河流是陸源污染物入海的主要途徑之一[2]。近年來(lái)，秦皇島市政府實(shí)施了《飲馬河流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)攻堅(jiān)實(shí)施方案》，飲馬河及河口近岸海域生態(tài)環(huán)境惡化趨勢(shì)有所緩解。為進(jìn)一步了解飲馬河口近岸海域污染特征，在飲馬河河口及近岸海域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其水文特征、流場(chǎng)水動(dòng)力特征調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立潮流動(dòng)力數(shù)值模型;對(duì)污染物CODMn擴(kuò)散、輸移過(guò)程進(jìn)行研究，建立CODMn擴(kuò)散遷移數(shù)值模型。數(shù)學(xué)模型的可重復(fù)性和條件因素的可選性為分析不同動(dòng)力因素特征和彼此耦合效應(yīng)提供了便利[3]。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域范圍和污染因子監(jiān)測(cè)

以飲馬河及鄰近海域?yàn)槌x究范圍，以飲馬河污染最重的監(jiān)測(cè)因子CODMn進(jìn)行監(jiān)測(cè)和建模。飲馬河全長(zhǎng)145km，流域面積601km2，徑流量 3 637萬(wàn)m3/a，CODMn入海通量236.4t/a。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：大蒲河口CODMn年均濃度6.8mg/L，超標(biāo)0.13倍。

1.2 入海河流水文特征調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查入海河流飲馬河的水文數(shù)據(jù)：水深、流速、流體截面積、流量等。水文調(diào)查監(jiān)測(cè)斷面要和污染因子監(jiān)測(cè)斷面一致，同時(shí)要考慮漲潮、落潮和平潮期的影響，及不同潮期的流量特征。

采用ADCP即走航式聲學(xué)多普勒流速儀，一種需要渡河載體（小船）的游動(dòng)式測(cè)流設(shè)備，能同時(shí)測(cè)出河床斷面形狀、水流、流速流向的三維測(cè)量及流量，適應(yīng)各種復(fù)雜流場(chǎng)的流速、流量測(cè)量。

式中：FD是聲學(xué)多普勒頻移;Fs是發(fā)射聲波頻率;V是水體中顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速度;C是超聲波在水體中的傳播速度。

水體流量由公式計(jì)算：

式中：Qt為測(cè)量起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的流量;T為測(cè)船從測(cè)驗(yàn)起點(diǎn)至終點(diǎn)的航行時(shí)間;d為水深;Vf為測(cè)船航跡斷面某微元處流速矢量;Vb為測(cè)船速度矢量;K為垂向坐標(biāo)單位矢量;dz為垂向微元長(zhǎng)度;dt為時(shí)間微元[4]。

1.3 近岸海域水文特征調(diào)查及水質(zhì)監(jiān)測(cè)

秦皇島地處中緯度，海域水溫季節(jié)性變化顯著，水溫秋、冬季向岸遞減，春、夏季則向岸遞增;鹽度主要受入海徑流、降水、蒸發(fā)及外海因素影響，鹽度年變化范圍30.88‰～33.1‰，鹽度空間分布特征是外海高于近岸;潮流類型為正規(guī)日潮;海浪分為風(fēng)浪和涌浪，均以南向?yàn)橹?。近岸海域水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果：CODMn年均濃度1.45mg/L。

1.4 建立飲馬河口近岸海域流場(chǎng)水動(dòng)力數(shù)值模型

飲馬河入海河口河道邊界較為復(fù)雜，近岸海域幾何邊界又極不規(guī)則，矩形網(wǎng)格難以完全貼合地形邊界，因而將正交曲線坐標(biāo)系引入近岸潮流及污染物擴(kuò)散輸移數(shù)學(xué)模型研究中。曲線坐標(biāo)系的優(yōu)點(diǎn)在于：曲線網(wǎng)格完全貼合物理邊界，使邊界條件處理變得簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，提高計(jì)算精度;區(qū)域內(nèi)曲線網(wǎng)格布置靈活，較好地適合近岸計(jì)算區(qū)域沿程變化較大的不規(guī)則岸線[5]。正交曲線坐標(biāo)系下，水流運(yùn)動(dòng)方程包括水流連續(xù)方程和動(dòng)量方程。

其中u、v分別表示沿ξ、η方向的流速分量;D=h+ζ為總水深。

1.5 建立秦皇島市飲馬河口近岸海域污染物COD擴(kuò)散遷移數(shù)值模型

通過(guò)對(duì)秦皇島市相鄰近岸海域復(fù)雜動(dòng)力因素及入海河流污染物擴(kuò)散輸移特征進(jìn)行分析研究，建立切合實(shí)際的數(shù)值模型，模型應(yīng)滿足海水不同潮期和不同水期的邊界條件。

污染物綜合降解系數(shù)是污染物在水體中發(fā)生的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)變化的參數(shù)，參數(shù)值的確定有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式等，實(shí)際工作中，多將幾種方法結(jié)合起來(lái)確定參數(shù)值[7]。

污染物輸移過(guò)程包括對(duì)流和擴(kuò)散過(guò)程。設(shè)水流運(yùn)動(dòng)方向?yàn)長(zhǎng)，與物理坐標(biāo)軸x的夾角為θ，則垂直方向N與X軸的夾角為Φ=θ+π/2。在該流動(dòng)方向上，污染物輸移方程：

其中D為總水深;C為污染物濃度;S為源匯項(xiàng);EL為縱向擴(kuò)散系數(shù);EN為橫向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù);為總流速。u、v分別為x軸和y軸方向上。

1.6 模型的驗(yàn)證及修正

通過(guò)實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)潮位、流速、COD監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)建立的潮流動(dòng)力數(shù)值模型及COD擴(kuò)散遷移數(shù)值模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證并進(jìn)行模型修正。

2 結(jié)論

近岸海域污染物擴(kuò)散受海流、潮汐等因素影響，在近海區(qū)，潮流是主要水動(dòng)力條件之一，是這些區(qū)域最基本的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。各種污染物質(zhì)輸移均伴隨著潮流而運(yùn)動(dòng)，數(shù)值模擬為了解近岸海域潮流流場(chǎng)提供了一種有效手段。根據(jù)入海河流及污染物進(jìn)入海域后的遷移及擴(kuò)散軌跡，包括海水的主要潮期以及河流水文的不同水期的遷移、擴(kuò)散特征，建立近岸海域潮流動(dòng)力數(shù)值模型及污染物擴(kuò)散遷移數(shù)值模型。數(shù)值模型的可重復(fù)性和條件因素的可選性，為研究不同水體不同污染物因子的擴(kuò)散輸移提供了方便。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2020-08-11

作者簡(jiǎn)介：張麗艷（1963-），女，雙本科，雙學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)。