岸線變化對天津近岸海域污染物輸移擴散影響研究

陳瑤泓伶 ，戴明新 ，彭士濤 ，胡旭躍

（1．長沙理工大學水利工程學院，長沙 410000；2．交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，天津 300456）

近十年天津近岸的填海造地面積不斷增加，岸線的變化改變了區域的潮流運動特性，引起污染物遷移規律的變化，減小了污染物擴散能力。同時，隨著天津濱海新區工業化、城市化及經濟的迅猛發展，大量的生活污水和工業廢水通過入海河口排入近岸海域。岸線的變化及污水的大量排放使得污染物在近岸大量累積，造成天津近岸海域污染越來越嚴重。研究天津近岸海域污染物的遷移和分布規律，可為研究海岸工程建設對海洋生態影響預測模型提供基礎［1］。

1 研究方法

潮流對海灣和沿岸海域污染物質的遷移和分散起著重要的作用。因此，目前廣泛地運用潮流場作為背景場來驅動控制污染物濃度的對流-擴散方程，進行污染物運移、擴散過程的研究［2］。徐洪達等［3］探討了渤海COD污染物質在主要半日分潮作用下的擴散分布規律。竇振興等［4］計算了污染指標COD的分布和變化。王澤良等［5-6］對渤海灣流場以及污染物分布的濃度場進行了數值模擬研究，建立了模擬淺水、緩坡海灣有機物（COD）遷移轉化規律的水質模型。

本文采用MIKE21平面二維數學模型進行污染物輸移擴散數值模擬，其結構包括二維水動力學模塊（HD）和二維對流擴散模塊（AD）。

二維水動力學模塊（HD Module）控制方程包括1個連續方程和2個動量方程。

連續方程

X方向動量方程

Y方向動量方程

式中：d 為時變水深；ζ為水面高程；h（h=ζ-d）為水深；p，q 分別為 x，y方向的單寬流量；C 為謝才系數；f為風阻力系數；V 為風速；Vx、Vy分別為風速在 x，y方向的分量；Ω 為柯氏力參數；Pa為大氣壓強；τxx、τxy、τyy為各方向的有效切應力。

AD（advection-dispersion）模塊（即對流擴散模型）控制方程為

式中：c為污染物濃度；u，v分別為x，y方向的速度分量；h為水深；Dx、Dy分別為x，y方向的擴散系數；F為衰減系數；S為源漏項。u，v和h由水動力模型提供。

2 潮流數值模擬

2.1 模型計算范圍

天津近岸海域計算范圍北界選取曹妃甸灘，西南至歧河口以南，東邊界到118°19′E，南邊界到 39°1′N，南北距離約 54 km，東西距離約 63 km，總面積約6 450 km2。模型計算網格采用不規則三角網格，三角網格節點3 411個，三角形個數為6 447個，模型范圍及驗證點位置見圖1。

2.2 模型驗證

采用2006年7月27日12時～7月28日12時天津近岸海域9個潮流觀測站（1#～9#）大潮實測資料及2006年8月2日14時～8月3日16時的小潮實測資料對模型進行驗證。部分測站大小潮流速、流向實測值與計算值的驗證

曲線見圖2～圖3。由圖2～圖3可見，各測站計算值與實測值二者總體趨勢差異不大，流速、流向的變化過程基本吻合。圖4～圖5分別給出了天津近岸海域漲急、落急時刻流場計算結果。由圖4～圖5可以看出，漲急時刻潮流主流向西，南部海域流向基本向西，西北部海域流向為西北，其他近岸區域流向大體與海岸線走向平行。落急時刻潮流主流向東，南部海域流向向東，西北部海域流向為東南。可見模擬的潮流運動基本能夠反映出天津近岸海域水動力的實際情況，為研究污染物輸移擴散規律提供了基礎。

3 污染物輸移擴散研究

3.1 污染物選擇

由于水中有機污染物的成分比較復雜，現有技術難以分別測定其含量，并且需氧有機污染物的危害主要是通過消耗水中的溶解氧表現出來，所以一般采用生物化學需氧量（BOD）和化學需氧量（COD）來表示水中需氧有機物的含量。在我國海洋水質監測中，通常以COD代表海水中有機物的量［6］，所以本文選用COD進行污染物輸移擴散模擬。

3.2 天津近岸海域主要入海河口

計算中考慮5個點源污染物輸入（圖1）。根據2005年天津市河道水質通報統計調查資料，5個入海河口的COD入海量見表1。

3.3 數值模擬結果與分析

對天津近岸海域原岸線（2005年）與岸線變化后（2009年）潮流場進行模擬分析的基礎上，僅考慮天津近岸海域5個典型河口污染物的輸入，并假設COD初始場濃度為零、入海河口在大小潮時具有相同的流量和濃度入海的情況下，模擬大小潮動力作用下COD的輸移擴散范圍。

表1 主要河口COD入海量Tab.1 COD discharge of main estuaries

比較圖6～圖9大、小潮高低潮時刻COD的擴散情況，可以看出高潮與低潮時刻COD的擴散范圍存在一定差別，岸線變化前后低潮時刻COD擴散面積均明顯大于高潮時污染物擴散面積。這是因為漲潮時，海水由外海流向近岸，污染源附近的污染物受到“內擠”作用，使得污染物擴散面積逐漸減小，并在高潮時刻減到最小。落潮時，潮流速度方向是由近岸向外海，污染源附近的COD受到“外拉”作用，使得COD濃度等值線梯度減小，COD擴散面積逐漸增大，并在低潮時刻增加到最大。

綜合圖6～圖9大、小潮動力作用下COD的擴散情況，比較大小潮污染物擴散情況，COD輸移擴散具有相似的特點。在岸線變化前后，大小潮均在高潮時刻，污染物擴散面積達到最小；低潮時刻污染物擴散面積達到最大。同時，大潮時，落潮流速大于漲潮流速；小潮時，落潮流速小于漲潮流速，小潮的最大污染物擴散面積小于大潮，小潮在高潮與低潮時的COD擴散范圍變化比大潮時小。因此，小潮時，COD向外海擴散的能力較大潮時差。

由圖6～圖9中岸線變化前后COD的擴散情況可以看出，污染物在潮流的作用下都有向外海擴散的趨勢，即高濃度水舌向外海延伸。由于獨流減河及子牙新河附近岸線無明顯變化，所以岸線變化前后COD的輸移擴散范圍變化不明顯。而天津港填海面積不斷增加，陸地向海內延伸，岸線的變化改變了COD輸移擴散范圍，使得北塘口及天津港附近COD的擴散范圍變化明顯。岸線變化后，大小潮的高低潮時刻的0.001 mg/L濃度等值線范圍均比岸線變化前小。即使在大潮低潮時刻，0.001 mg/L濃度等值線也僅僅剛到港區外。這是由于岸線變化后，天津近岸海域水域面積減小，水動力條件改變，進而導致COD輸移擴散范圍的改變，使得COD更容易聚集在岸邊，不利于向外海擴散。

4 結論

利用MIKE21對天津近岸海域潮流場及岸線變化前后COD輸移擴散進行數值模擬，得到以下結論：

（1）岸線變化前后大小潮的高低潮時刻COD擴散情況表明，在高潮時刻，0.001 mg/L濃度等值線范圍最大；低潮時刻，0.001 mg/L濃度等值線范圍最小。

（2）岸線變化前后大小潮COD擴散情況表明，大潮動力強于小潮，因此在大潮時COD向外海擴散能力比小潮大。

（3）岸線變化對獨流減河及子牙新河COD的輸移擴散影響不大，但對北塘口和天津港附近的COD輸移擴散有較大影響。岸線變化后，大小潮的高低潮時刻的0.001 mg/L濃度等值線范圍均比岸線變化前小，不利于高濃度污染物向外海擴散，在近岸大量累積，使得天津近岸海域污染加重。

［1］彭士濤，王心海，詹水芬，等.海洋生態系統及海岸工程生態影響預測模型研究進展［J］.水道港口，2009，30（6）：430-436.

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［6］王澤良，陶建華，季民，等.渤海灣中化學需氧量（COD）擴散、降解過程研究［J］.海洋通報，2004，23（1）：27-31.

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