浮山灣帆船基地海域水質變化預測及分析

欒忠慶, 郝 楊, 孫優善, 王學昌

(1. 青島中油華東院安全環保有限公司, 山東 青島 266071; 2. 中國海洋大學 海洋環境與生態教育部重點實驗室, 山東 青島 266100)

浮山灣帆船基地海域水質變化預測及分析

欒忠慶1, 郝 楊1, 孫優善2, 王學昌2

(1. 青島中油華東院安全環保有限公司, 山東 青島 266071; 2. 中國海洋大學 海洋環境與生態教育部重點實驗室, 山東 青島 266100)

在對青島浮山灣帆船基地海域水質現狀分析評價的基礎上, 利用二維平流-擴散模型, 選取化學需氧量(Chemical oxygen demand, 簡稱COD)作為水質指標因子, 按麥島污水處理廠改造擴建前、改造擴建后正常運行及改造擴建后事故運行 3種情況, 對污水排海給帆船基地海域水質帶來的影響進行了預測和分析。由3種情況預測結果可以看出： 1)麥島污水處理廠改造擴建后, 大大改善浮山灣帆船基地周圍海域的水質情況; 2)麥島污水處理廠改造擴建后, 正常運行情況下入海COD對帆船基地海域水質的影響不大, 海水中COD濃度未出現超一類海域水質要求的情況; 在事故運行情況下入海COD在排污口附近有超一類海域水質的現象, 面積最大為2 674 m2, 未出現超二類以上海域。

浮山灣; 水質; 數值模擬

帆船運動是世界各沿海國家和地區最為普及和喜聞樂見的體育活動之一, 而帆船運動海域海水水質的好壞是關系到帆船活動能否順利進行的重要因素之一。本文以青島浮山灣帆船基地海域海水水質為研究對象, 選取化學需氧量(以下簡稱 COD)作為水質指標因子, 在分析參考現狀水質的基礎上, 建立二維平流-擴散模型, 利用建立的模型, 按麥島污水處理廠改造擴建前、改造擴建后正常運行及改造擴建后事故運行三種情況, 對污水排海給帆船基地海域水質帶來的影響進行預測與分析, 為該海域的水質變化趨勢提供理論支持。

1 擴散方程及計算海域

1.1 濃度輸運擴散方程

經垂向平均的物質輸運方程為[1]：

其中,P為污染物濃度;u、v分別為x、y向流速分量;Dx、Dy為x、y向分散系數;H為總水深;S為污染源單位時間的排放速率。

在開邊界：P＝P′,P′為水界濃度 入流段

計算采用不規則三角形分步雜交數值求解物質輸運方程。

1.2 比賽場地位置及計算網格設置

青島帆船基地主要活動水域為西起匯泉灣、東至麥島的前海近岸海域, 東西跨度10 km, 由海岸向海內延伸的最大距離為 3.5 km, 為了全面地反映該地區海水的運動情況, 本次計算海域包括了整個膠州灣及鄰近海域(圖 1), 采用的是三角形變邊界網格。為了精確反映帆船基地海域的潮流[2], 對帆船運動所在場地——浮山灣及鄰近海域(見圖1, A-B-C-D區域)的三角形網格進行了加密。本次計算共設網格點數3 610個, 最小網格邊距為80 m[3]。

2 評價海域水質監測結果及污水處理廠改造擴建前入海COD濃度計算

2.1 評價海域水質歷史監測結果及評價

表 1給出了帆船基地及附近海域 7個監測點2003年海水pH、COD、糞大腸菌群數、石油類等4項重要水質指標的監測結果, 監測點的具體位置見圖 2。

圖1 青島鄰近海域地形圖Fig. 1 Topographical map of Qingdao adjacent sea area

由表 1可以看出, 帆船基地海域水質整體狀況良好[4], 對照海水水質二類水質標準的要求, pH值、COD指標達標率均為100%。石油類和糞大腸菌群在部分點位的部分月份出現超標現象, 其中石油類最大質量濃度為100 μg/L(出現在浮山灣附近), 糞大腸菌群最大菌群密度為24 000個/L(出現在五四廣場附近)。石油類監測濃度超標的主要原因是北海船廠在修理和清洗船只時產生的廢油排海影響; 糞大腸菌群數超標的主要原因有兩個： 一個是經過污水處理廠一級處理后, 處理效果達不到要求, 糞大腸菌菌群密度仍然大于 24 000個/L; 二是在五四廣場東側有一條浮山河, 其中部分生活污水未經處理直接排海, 造成部分點位的糞大腸菌群數超標。隨著北海船廠的搬遷和帆船基地的建成,石油類濃度超標問題得到徹底的解決; 在 2004年底,浮山河實現了截污, 其中的污水全并網到污水廠的管道, 輸送到污水處理廠后集中處理后排放, 這有效地降低了污水中糞大腸菌群數。

表1 帆船基地及附近海域主要水質指標監測結果統計Tab. 1 The ranges of key water quality parameters in Qingdao Sailing Game area and adjacent waters

圖2 帆船基地及其附近海域監測點位圖Fig. 2 Map of the monitoring stations in Qingdao Sailing Game area and adjacent waters

2.2 污水處理廠改造擴建前入海污水COD濃度計算

隨著浮山河截污的成功以及雨水管網建設的完善, 目前對帆船基地海域海水水質影響的主要因素是麥島污水處理廠的排海污水。為了對比麥島污水處理廠改造擴建前后該海域水質變化情況, 首先給出了污水處理廠改造擴建前污水排海COD擴散情況。

根據2003年麥島污水處理廠廢水排放量(麥島污水處理廠廢水排放量為 7.3萬 t/d, COD入海量為15.95t/d)和排污口處的實際監測值(表 2), 建立了本海域COD濃度擴散數值模型。計算設1個排污口, 即麥島污水處理廠排放口(離岸1 016 m), 見圖2。

表2 麥島污水處理廠改造擴建前出口水質樣品監測結果Tab. 2 Water quality parameters at the outlet of Maidao wastewater treatment plant before reconstruction and expansion

圖3是麥島污水處理廠改造擴建前COD在一個潮周期的平均濃度場。由圖 3可以看出, 評價海域COD高濃度中心位于污水排放口處, 混合區以外的海水水質COD質量濃度小于3 mg/L, 滿足本海域二類功能區的要求。在浮山灣內, 由于距污水處理廠的排放口較遠, 入海 COD經過遠距離的稀釋擴散后,對該海域的影響很小, COD影響濃度小于0.5 mg/L。

圖3 污水處理廠改造擴建前入海污水COD濃度分布圖Fig. 3 COD concentration distribution of discharge from wastewater treatment plant before reconstruction and expansion

3 污水處理廠改造擴建后入海污水COD濃度計算

帆船運動是一項環保型運動, 由于運動員在從事這項運動期間, 身體會經常接觸海水, 因此該項運動對運動區海水水質有較高的要求[5]。目前, 國際奧委會還沒有出臺帆船運動海域海水水質各項主要指標具體要求, 本文參照《海水水質標準》(GB3097-1997)的規定, 對評價海域執行二類水質標準, 標準的具體要求見表1。

根據青島市政府規劃, 2008年前海一線已實現徹底截污, 市區產生的污水被全部輸送到改造擴建后的麥島污水廠進行集中處理排放, 麥島污水處理廠改造擴建至日排污能力14萬t, 出水水質執行《城鎮污水處理廠污水排放標準》一級標準 B標準, 即COD＜60 mg/L, 這樣改造擴建后的麥島污水處理廠COD入海量僅為2.8 t/d。利用已建立的COD擴散模型, 進行以下兩種情況水質預測： 1)污水處理廠正常運行情況下, 入海COD質量濃度為60 mg/L; 2)污水處理廠事故運行情況下, 入海 COD質量濃度為 600 mg/L。預測結果給出污水處理廠COD入海對該海域水質的影響, 疊加海域海水的本底最大值0.87 mg/L,便是該海域COD的最終影響值。

3.1 正常情況下

圖4給出了污水處理廠正常情況排污時, 入海COD濃度變化分布圖。由圖可以看出, 當污水處理廠正常運轉時, 由于排污口離岸較遠, 海域水深較深, 潮流流速較大等原因, 入海 COD對該海域水質的影響范圍很小, COD最高濃度值出現在排污口附近, 為1.02 mg/L, 疊加海域海水的本底最大值0.87 mg/L后, 為 1.89 mg/L, 排污口混合區以外海水中COD濃度增加量均小于1.0 mg/L。由預測結果可知,當污水處理廠正常運轉時, 海水中COD濃度未出現超一類水質海域(一類水質海域要求 COD不超過 2 mg/L)要求, 海水水質良好。

圖4 污水處理廠正常排污入海COD濃度分布圖Fig. 4 COD concentration distribution of discharge under normal conditions of wastewater treatment plant

為了清楚地比較麥島污水處理廠改造擴建前后入海 COD對該海域海水水質影響情況, 本文特別選取 5個代表性點(位置如圖 2), 給出了代表點在污水處理廠改造擴建前后, COD對該海域的影響濃度值(表3)。

表3 污水處理廠改造前后入海COD在5個代表點的濃度值Tab. 3 COD concentrations of at five representative points before and after the wastewater treatment plant mg/L

由表 3可以看出, 麥島污水處理廠改造擴建后,正常運行的情況下, 由于 COD入海量的減少, 對相應海域的海水水質的影響明顯減小。

3.2 事故運行情況下

圖5給出了污水處理廠事故情況排污時, 入海COD濃度變化分布圖。由圖可以看出, 在該情況下, 由于入海COD濃度的增大, 其對相應海域水質的影響范圍和程度都明顯加大。這時該海域COD最高質量濃度值為2.32 mg/L, 超一類水域面積為2 674 m2, 未出現超二類以上海域, 滿足該海域對海水水質的要求。

圖5 污水處理廠事故排海COD濃度分布圖Fig. 5 COD concentration distribution of discharge under accident conditions for wastewater treatment plant

4 結論

通過分析帆船基地海域水質歷史監測結果可以看出, 由于監測時青島前海一線沒有實現徹底截污,這對帆船基地海域的水質造成一定的影響, 該海域部分監測因子出現了超標的現象。

對比麥島污水處理廠改造擴建前后的預測結果可以得出： 1)麥島污水處理廠改造擴建后, 大大改善了浮山灣周圍海域的水質情況; 2)麥島污水處理廠改造擴建后, 正常運行情況下入海COD對該海域水質的影響較小, 海水中COD濃度未出現超一類海域水質要求的情況; 在事故運行情況下入海COD在排污口附近有超一類海域水質的現象, 面積最大為2 674 m2, 未出現超二類以上海域。說明青島前海一線徹底截污大大改善了前海海域水質情況, 這為帆船運動提供了良好保障。

[1]吳江航, 韓慶書. 計算流體力學的理論、方法及應用[M]. 北京： 科學出版社, 1988： 243-258.

[2]婁安剛, 王學昌, 吳德星, 等. 膠州灣大沽河口鄰近海域海水水質預測[J]. 海洋環境科學, 2002, 21(1)： 52-56.

[3]郝楊, 孫優善, 欒忠慶, 等. 浮山灣帆船賽場水動力條件數值模擬[J]. 海洋科學, 2009, 33(11)： 15-17.

[4]于子江, 崔文林, 楊建強. 青島奧運帆船賽區及鄰近海域海水環境質量分析與評價[J]. 城市環境與城市生態, 2004, 17(3)： 25-26.

[5]翁錫全. 體育·環境·健康[M]. 北京： 人民體育出版社,2004： 313-332.

Prediction and analysis of water quality changes in Fushan Bay

LUAN Zhong-qing1, HAO Yang1, SUN You-shan2, WANG Xue-chang2
(1．Qingdao China Petroleum EDI Safety Environment Protection Co., Ltd, 266071, Qingdao, China; 2. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Oct., 12, 2009

Fushan bay; water quality; numerical simulation

Based on the assessment of current water quality of Qingdao sailing base, using a two-dimensional diffusion model and Chemical oxygen demand (COD) as the index factor of sea water quality, we analyzed and predicted the impact of discharge on the water quality of Sailing Game area in three situations. After the reconstruction and expansion of Maidao sewage treatment plant, the water quality of Sailing Game area in Fushan Bay had been greatly improved, and the discharge COD had little effect on the water quality of Sailing Game area under normal operating conditions, where the COD concentration was within scope of National Grade I. Under the accident conditions, the COD concentration at the outlet exceeded the standard of National Grade I, the maximum area is 2674m2, but there was no area exceeding the standard of National Grade II.(本文編輯：張培新)

X55

A

1000-3096(2011)06-0052-05

2009-10-12;

2010-02-02

國家自然科學基金項目(40306019)

欒忠慶(1978-), 男, 山東招遠人, 中國海洋大學碩士研究生, 研究方向： 數值模擬, E-mail： luanzq2005@163.com; 王學昌, 通信作者, 電話： 0532-83893109