大连湾水体中特征污染物的环境行为与模拟

大连湾水体中特征污染物的环境行为研究与模拟摘要：随着大量的废水排入近海海域，海域环境的规划和管理显得非常重要，用模型对水环境中污染物的行为进行模拟和预测，是一经济有效的方法。水质模型能够模拟污染物在水体中的变化规律，从而可进行水质评价、水质管理和规划。本文用模型分析了海岸带水环境中状态变量的变化过程，流体的流动及由此发生的污染物行为的时空演变与分布规律，以便给未来的水质规划和管理提供科学依据。关键词：水质模型近海海域模拟预测生态1．引言海岸带是海洋与陆地的交接地带，具有多种环境功能和生态价值。它又是一个环境脆弱和敏感地带，即易受人为活动影响和破坏。随着社会的发展，大量的工业废水和生活废水直接或间接的排放，大连湾由于接受大量的工业和生活废水，湾顶部及排污口附近氨氮、油类、有机物的污染较重，大量的生物死亡，多次引起赤潮[4]。治理海域环境污染，恢复大连湾的生态污染，对于区域经济发展，生态环境的规划和管理，具有重要的现实意义。为了评价废水排放对水的污染程度，以进一步进行水质规划，实施污染控制，需要了解污染物在水体中的行为，建立数学模型是一经济、有效的研究方法。应用水质模型，可定量的进行水环境质量的变化规律和发展趋势进行模拟和预测，由此制定水污染控制规划，实施水环境目标管理，以便保护环境、保持区域的生态平衡。本文用模型研究污染物的水环境行为，旨在了解污染物在多重环境因子影响下时空分布的变化规律，从而为海岸的水体规划，生态保护提供科学的依据。本文中以氨氮在H010#监测点上的变化为例，进行说明。图1.大连湾的地形2．研究对象图1.大连湾的地形大连湾位于大连北部，是大连地区黄海沿岸的第一大湾，如图4-1所示。大连湾是一个典型的半封闭型海湾。东西宽约20km，南北长约11km，水域面积224km2，岸线长80km。大连湾三面环陆，湾口朝向东南，海底向湾口倾斜，海底平坦，5-10米等深线占据整个海湾，湾口水深超过30米，平均水深18米。湾内潮流流速不大，近岸最大流速为0.3-0.5节，中部最大流速为0.5-1.0节，三山岛水稻出最大流速为2.0-2.5节。平均潮差2.13米，潮汐属规则半日潮。1月份平均气温-3℃，8月份为24℃，年均气温8-10℃，图1。3．模型说明季节性三维综合水质模型WAHMO是1992年6月由英国HydraulicsResearchWallingford和香港WaterResearchCenter为香港“战略污水处理计划”共同开发的，用于考察沿岸工厂排污对维多利亚港水流运动和水质的影响。它能够模拟近海水域三维水动力学和水质的详细状况。该模型可同时模拟二十一个水质变量及其相互作用，统一考虑了多种物理、化学核生物过程的综合作用，已被成功的应用于香港的维多利亚港、英国的卡的夫湾和日本的博多湾等国家的海域的水质模拟[1，2，3]。WAHMO水质模型由两个相互独立又彼此联系的子模型TIEDEAN-3DSL（季节性水运动模型）和FOLLFLOW-3DSL(季节性水质模型)构成。水运动模型用来预测由于重力循环和海水分层导致的潮流季节性变化，包括计算潮流运动、盐分输送、温度分布及重力循环，其计算结果输送给水质模型，由水质模型完成具体污染物的物理、生物、化学反应的计算。水运动模型的输入文件包括控制数据、地理数据、初始条件、淡水流入（源与汇）、降水、云遮、气温、风数据、相对湿度、海水温度、蒸发数据共计12个文件，充分考虑了各种影响。CAMCDO硝化污染负荷CFNCAMCDO硝化污染负荷CFNCSNCONCFBCSBCFBMUDCSBMUDCMUDP-NHP-NO2P-OH藻类腐殖质海底需求CPHCSI光水解氧化DO>5%生化降解氧化挥发光解吸附沉淀沉淀负荷负荷呼吸光合作用氧化死亡大气复氧，河流、海水朝带入负荷，腐殖质分解氧化DO<5%NO>O时CON图2.模型中变量的交互作用图3.状态变量的变化4．氨氮浓度的时空变化结果与讨论图3.状态变量的变化污染物在水体中的行为受到海水温度、溶解氧含量和水位等状态变量的交替影响外，扩散迁移的物理过程，化学降解过程和生物的活动情况有关。4.1模拟结果4.1.1状态变量的变化图4.单元流体迁移量变化由状态变量的变化图3可知，盐度在一年内的变化相对很小，由于降雨量，水位在8月份出现高峰值。在2月份，温度出现低峰值，溶解氧浓度出现相对高峰值；在8月份，温度出现高峰值，溶解氧浓度出现低峰值。图4.单元流体迁移量变化4.1.2水体迁移量变化由5#监测点所属单元的对流流出和扩散流出量的变化图4可知，单元的扩散流出量大大高于对流流出量，由于重力循环，从11月下旬开始到第二年的3月末，由于密度接近，垂直方向的扩散流出量大大增加。4.1.3污染物的时空分布1) 氨氮水平分布由大连湾的空间分布图5、6和监测点上氨氮浓度分布图5可知，污染物的负荷和大连湾的地形水文的影响较大，在15#，H09#，1#排污口附近区域污染较重。图6.氨氮浓度水平空间的分布2)氨氮浓度的垂直分布图6.氨氮浓度水平空间的分布由氨氮浓度的垂直分布图8可知，离海岸较远的区域，在大连湾的东南部港口附近氨氮的浓度偏高，且表层高，随着深度下降。3)氨氮时间分布由氨氮的一年中的变化行为图7可知，污染物浓度的时间变化，受季节变化的影响比较明显。由图可知氨氮在夏季浓度较高，8月末是浓度减少到低谷之后开始回升，在秋季保持较高的浓度，冬季和早春保持较低的浓度，4月份开始回升。4.2讨论4.2.1地形地貌、污染物负荷及流体流动的影响由污染物的空间分布图5、6、8可知，污染物在排污口附近具有高浓度，作为水体自然属性的自净能力，一般是指水体物理、化学和生物的诸种要素稀释和降解污染物质的一种综合能力。其中决定海水宏观快速净化的支配因素是水动力要素的输移与稀释过程，简称贮存容量和输移容量。陆源排放于海洋环境中的污染物，与海水混合之后，其输移扩散的路径和范围均取决于排放海区的海洋环境动力状况，海流则是海水自净过程中最主要的环境动力因素。根据实测资料分析，大连湾海域潮流在海流成分中占绝对优势。本海区的潮汐属正规半日潮，潮流为非正规半日潮流，其中以M2分潮流为主。图8.氨氮浓度纵向空间的分布图5.氨氮浓度在空间监测点上的分布大连湾内潮流较弱。M2分潮流流速分布自湾口向湾内递减，湾口线附近，流速在25~30cm/s的范围内，在湾的中腹，流速在10~15cm/s的范围内，湾顶近岸区，流速在5cm/s以下。从流速分布看，大连湾海域整体上说为一弱流区，湾口流动稍强，湾中部流动较弱，湾顶部流动极弱。图8.氨氮浓度纵向空间的分布图5.氨氮浓度在空间监测点上的分布大连湾潮流的分布特征表明，湾口区水体比较活跃，水交换能力较强。湾顶区，尤其是几个子湾内，水体呆滞，稀释扩散能力极弱。据此可以定性的判断大连湾顶部区域的贮存容量和输移容量都是比较低的。污染物排放之后，不能及时输移扩散出去形成积累，使得排污口区附近，污染物浓度较高；离岸边较远的区域，由于扩散条件好，海水交换能力强，污染物迅速得到稀释，排污口对海水的影响很小，污染较轻。图7.氨氮浓度的时间变化4.2.2季节变化图7.氨氮浓度的时间变化在海洋的真光层内，浮游植物的生长和繁殖需要不断的吸收营养盐；另外，它们在代谢过程中的排泄物和生物残骸，经过细菌的分解，又把营养盐再生而溶入海水中。那些沉降到海底的尸骸和排泄物，在海底被分解后再生的营养盐，也可被上升流或对流带回到上层，如此循环不已。在这些转化和循环过程中，受到了化学的、生物的和物理的各种因子的影响。如在，氨氮氧化硝酸盐氮的反应中，有着光化学氧化作用、化学氧化作用和微生物氧化作用。浮游生物对氮化合物吸收利用与排泄、分解，即微生物的影响，在整个氮循环过程中起着很大的作用[9]。4.2.2.1循环和垂直混合的影响污染物的时间变化图7显示，其浓度的季节变化是明显的，主要受到垂直混合与温度成层的影响。在冬季和早春，由于表层的温度下降，密度增大，垂直方向的混合扩散量增加，污染物被稀释，氨氮的浓度降低；随着夏季的到来，温度上升，表层密度越来越小，垂直密度的差别越来越大，增强重力循环，形成温度和密度成层，垂直混合减少[5]，污染物停留在表层，导致浓度偏高。4.2.2.2生物、化学过程的影响NedwellD.B.等人研究证实：在夏季高温条件下，上覆水中的溶解氧因为温度升高而降低，而此时微生物活动强烈，使沉积物中的溶解氧迅速耗尽，溶解氧的渗透深度减小，使沉积物中处于还原环境，从而抑制了硝化作用的进行，沉积物中的反硝化作用，使上覆水中的NO3—N向沉积物扩散，因而在夏季，沉积物成为NO3—N的一个有效汇库[7]。张兴正等人的研究表明，无机氮在沉积物-水界面的迁移和转化，各环境因子最终要通过影响沉积物-水界面的氧化还原边界层来实现，氧化还原边界层的上移，就使沉积物处于一个还原环境中，此时反硝化作用进行，使沉积物成为NO3—N的汇，NH4+-N的源；而氧化还原边界层的下移，就使表层沉积物处于一个氧化的环境中，此时硝化作用的进行，就使沉积物成为NH4+-N的汇，NO3—N的源[8]。Kristensen等人的研究证明，在底栖生物的作用下，有生物作用的样品比没有生物作用的样品矿化率要高1.6~2.6倍[6]。从氨氮的浓度的季节变化图7可知，氨氮在冬季浓度最低，夏季高，秋季有一低峰之后升高达到最大值，冬季下降。4月份开始，垂直混合减少，氨氮在表层的浓度迅速增加；随着温度的继续升高，微生物的活动加强，光密度的增加，促进硝化过程的进行，加上藻类的繁殖和生长旺盛，营养物质消耗增加，氨氮的浓度慢慢减少，随着硝化反应过程的进行，会形成缺氧环境，有利于反硝化作用进行，所以氨氮浓度下降到一定程度后开始有所上升；随着温度的下降，微生物的活动开始变慢，对有机物的矿化作用减少，浮游植物的衰退，对营养盐的消耗减弱，加上垂直混合的增加，底层腐殖质经过溶解和分解产生的营养盐随上升流带回到表层，使氨氮的浓度增加；随着垂直混合的进一步加剧，氨氮的浓度被稀释而下降。5．结语海岸水体中污染物的行为受到众多环境因子的影响，随着时间和空间的变化有较大的差异。模型提供了一简单有效的工具，可以对污染物的行为进行模拟和预测。通过对大连湾的水质模拟研究，发现状态变量、流体流动和污染物的行为的直观形象的变化，加深理解状态变量、水体流动，污染负荷和环境因子对水体中污染物的行为的影响，为海岸水质规划和管理提供科学依据。6．参考文献[1]ShenY.M,MurphyD.G.Pollutionofthecoastalenvironment[R].Oxfordshire:HydraulicsResearchWallingford,UK,1994[2]KomatsutT,ShenY.M.Athree-dimensionalnumericalsimulationofhydrodynamicsandwaterqualityincoastalareas[R].Fukuoka:KyushuUniversity,Japan,1999[3]沈永明，郑咏虹，邱大洪.香港维多利亚港三维污染精细预报模型研究.水利学报.2000,{8}:60~69[4]王惠卿，杜广玉.大连市近岸海域赤潮状况、预防及防治对策.中国环境监测，2000，16（6）:42~45[5]KyeongPark,AlbertY.KuoandBruceJ.Neilson.ANumericalModelStudyofHypoxiaintheTidalRappahannockRiverofChesapeakeBay.Estuarine,CoastalandShelfScience1996,42,563~581[6]ErikKristensen.BenthicFaunaandBiogeochemicalProgressinMarineSedimentMicrobioActivitiesandFluxes[A]in:NitrogenCyclinginCoastalMarineEnvironments.1988,276~291[7]NedwellD.B.,TrimmerM.NitrogenfluxesthroughtheupperestuaryoftheGreatOuse,England:theroleofthebottomsediment.MarineEcolotyProgressseries.1996,142,273~286[8]张兴正，陈振楼，邓焕广，许世远长江口北支潮滩沉积物-水界面无机氮的交换通量及季节变化重庆环境科学2003,9:31~35[9]张正斌陈镇东刘莲生王肇鼎海洋化学原理与应用海洋出版社1999AStudyofwaterqualitymodelinDalianBayAbstract:DalianBayischallengedbyseriousproblemsofmarinepollution.Itisnecessarytoassessthewaterquality,helpthemanagementoftheenvironmentandtheregionalwastewatertrea