洋河-戴河河口海域COD時空分布特征研究

匡翠萍，李正堯，顧 杰，胡成飛，張萬磊，張永豐（.同濟大學土木工程學院水利工程系，上海 200092；2.上海海洋大學海洋科學學院，上海 2006；.河北省海洋環境監測中心，河北 秦皇島 066002）

洋河-戴河河口海域COD時空分布特征研究

匡翠萍1，李正堯1，顧 杰2*，胡成飛1，張萬磊3，張永豐3（1.同濟大學土木工程學院水利工程系，上海 200092；2.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；3.河北省海洋環境監測中心，河北 秦皇島 066002）

首先應用MIKE 21軟件建立了洋河-戴河河口海岸水域水動力與污染物輸運數學模型，然后采用實測潮流和化學需氧量（COD）濃度對數學模型進行了驗證，最后模擬分析了河口海岸水域COD的輸運過程.結果表明，洋河-戴河近岸海域潮波為駐波；潮流為順岸往復流，漲潮流方向為NE向SW，落潮流方向為SW向NE.漲、落急時刻，河口至外海水域潮流流速遞增.COD輸運方向與漲落潮潮流方向一致.漲憩時刻，COD高濃度區向河道推進，其面積最小；落憩時刻，COD高濃度區向外海推進，其面積最大；葡萄島周圍潮流流速低，在潮周期內小于0.14m/s，對COD的稀釋作用較弱.

洋河-戴河；河口；化學需氧量（COD）；稀釋

不僅給水產養殖業帶來了巨大的經濟損失，同時也對海洋生態平衡造成長期的、潛在的影響.渤海面積約有77000km2，海岸線總長3784km，平均水深18m，具有資源豐富和區位獨特的優勢，對推動京津冀區域經濟協調發展起到了不可忽視的作用.然而長期以來，渤海接納了來自環渤海遼寧、河北、山東、北京和天津三省兩市，以及黃河和遼河中、上游流域的陸源排放污染物［1］.同時，由于渤海為半封閉的內海，自身水體交換異常緩慢，納污凈化能力有限［2］，造成污染物的輸入量已經遠遠超出了其飽和環境容量，導致該海域赤潮等生態環境問題頻發.2011年6月4日和17日，蓬萊19-3油田先后發生兩起溢油事故.事故造成油田周邊及其西北部約6200km2的海域海水污染且污染海域的海洋浮游生物種類和多樣性明顯降低，生物群落結構受到影響［3］.頻頻發生的海域環境污染問題日益突出，國內專家學者已經展開了諸多研究.在水動力方面，郭良波［4］采用HAMSOM模式模擬了渤海的流場和溫鹽度場.朱靜［5］建立了二維水動力數學模型，對曹妃甸工業區近岸海域潮流場進行模擬預測.劉菲菲［6］采取簡化的NPZD模型與三維水動力模型耦合，模擬了渤海表層葉綠素濃度、營養鹽濃度的季節變化及空間分布.在水質方面，王修林等［7］建立了渤海石油烴多介質動力學模型并估算了渤海海域石油烴污染物環境容量和剩余環境容量.劉學海［8］在參考海洋環境質量公報的基礎上，對渤海的污染狀況進行分析.曾慶飛［9］等運用主成分分析法對東太湖水質的空間異質性及主控因素進行研究.李明昌等［10］采用非線性隸屬函數集對分析方法分析海域水環境質量.郭洲華等［11］應用富營養狀態指數（EI）評價與分析海水水質.張順峰等［12］對環渤海區域近海污染特征進行分析.尹維翰等［13］對渤海海域污染源結構進行調查，診斷出水體污染狀況與海域水動力條件、水體交換速率及化學需氧量（COD）等污染物存在著一定的相關性.

目前渤海海域最明顯的一個生態災害是赤潮災害.河北省海域自2011年以來年均發生5次赤潮，其中多次發生在秦皇島海域，其高發期主要集中在夏季，秦皇島海域已成為赤潮的多發區，造成其赤潮災害泛濫的主要因素之一便是陸域污染源［14］.洋河-戴河河口水域有著名的度假勝地“北戴河海濱”，每年夏季都吸引了數以萬計的游客，對拉動該地區的經濟和發展起到了不可忽視的作用.在秦皇島市主要入海污染物中，陸源污染物占污染物總量的80%以上［12］，其中河流輸入是陸源污染入海的主要來源［15］.自1998年以來洋河污染態勢日趨嚴重且每年夏秋季均有大規模水華暴發［16］.其污染源主要來自洋河流域內工業企業、畜禽養殖場、周邊村落的農戶甘薯淀粉加工、農業生產、村民生活徑流排水和畜禽養殖外排水.洋河-戴河陸源污染的排放使得其河口海岸地區水環境面臨著巨大的壓力［15］.

近年關于河口地區污染物輸運的數學模型的研究日漸成熟，且在國內其他河口海域得到了廣泛的應用.許丹等［17］基于Boussinnesq本構關系建立相關的物質輸運模型，對錢塘江河口發生的污染物擴散輸運進行了數值模擬.王楊等［18］模擬了灌河口近岸海域COD濃度的變化情況及污染物的遷移擴散規律.

在專業軟件應用方面，Mike 21軟件包是由丹麥水環境研究所（DHI）研發的水環境綜合模擬軟件，可用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環境.已廣泛應用于國內外研究中并得到了廣泛驗證，如劉坤等［19］應用軟件中的富營養化模塊分析和評估了湖泊、河流及海洋水域的富營養化狀態；Paliwal等［20］通過MIKE 21水動力和水質模型來模擬研究區域生化需氧量（BOD）和溶解氧（DO）并以此提供更多水質污染預測；Wang等［21］利用MIKE 21來模擬雁鳴湖COD濃度分布.本文采用MIKE 21軟件建立洋河-戴河河口海岸水動力與污染物輸運數學模型，模擬分析赤潮頻發期COD在該河口海岸水域中的輸運過程，以期為該河口海岸污染治理及其周邊地區的水環境保護提供科學支撐.

1 研究區域

洋河-戴河流域地處暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候區，冬季較長，約170d；春季71d，夏季59d，秋季65d，無霜期76d，結冰期120d，最大凍土深85cm.年平均氣溫12.1℃，最高39.2℃，最低-21.5℃.多年平均水面蒸發量980mm，陸面蒸發量490mm［22］.該流域中主要入海河流為戴河和洋河.

戴河位于河北省秦皇島市北戴河區的最西部，橫跨秦皇島市的撫寧縣和北戴河區.河道全長35km，流域總面積290km2，河床寬度平均約200m.戴河流域北寬南窄，形如紡錘，主河道比降8.68‰；洋河是秦皇島市境內冀東獨流入海各河中的第一大河，水量居于諸河之首.河道全長100km，流域面積為1029km2.洋河與戴河相比，有著河寬大比降小的特點.洋河徑流量年際變化較大，多年平均徑流量為2.4億m3.

葡萄島（圖1，圖2）坐落于秦皇島北戴河新區，位于洋河沿岸線西南方向，為填海造島工程.葡萄島工程附近海域的潮流具有明顯的往復流特征，漲落潮流向順岸，漲潮流WSW向，落潮流基本為ENE向，主流向與岸線或等深線基本平行.該海域流速較小，漲落潮平均值差異也不明顯.

圖1 計算網格Fig.1 Computational grid

圖2 潮流和水質監測站點Fig.2 Tidal current and water quality monitoring stations

2 數學模型建立

COD是評價水體有機污染程度的綜合指標，也是水質監測的一個重要指標.COD超標會造成水質下降，不同程度地威脅水體中生物群落的生存［23］.當COD濃度超過2mg/L時，即可能引發赤潮災害［24］.本文基于實測資料，利用MIKE 21軟件建立和驗證了洋河-戴河河口海岸水域水動力和污染物輸運模型，對洋河-戴河流域及其河口水域的COD輸運進行數值模擬，并分析其時空分布規律.

2.1 控制方程

MIKE 21Flow Model FM子模塊（簡稱:HD FM）從屬于MIKE 21軟件包，為二維潮流模型，建立在二維淺水方程基礎上，應用于模擬潮流場.HD FM采用無結構網格優化計算，適用于針對海洋、近岸和河口環境的模擬研究，另外還可用來計算漫灘.本文的主要研究工作就是基于該模塊展開.

2.1.1 水動力模型 在笛卡爾坐標系下，通過對三維連續方程和動量方程沿深度進行積分，得到二維淺水方程，如下:

式中:h為總水深；t為時間，u與v分別為x和y方向上的流速；η為表面高程；g為重力加速度；f為柯氏力系數；ρ為水體密度；τsx和τsy分別為x和y方向上的風應力；τbx和τby分別為x和y方向上的底部摩擦力.側應力Tij包括黏性摩擦和紊動摩擦等，通過對渦黏方程計算如下（其中A表示水平渦黏系數）:

2.1.2 污染物輸運模型 基本方程:

式中:C為COD濃度；Dh為水平擴散系數.

對于污染物，在隨流平流、擴散遷移的同時，由于大氣揮發作用、微生物降解作用、浮游生物的富集作用以及懸浮顆粒的吸附作用等，其本身的性質和質量也在發生變化.其中的生物化學作用一般與溫度、鹽度等條件有關，本研究中COD降解采用一階衰減過程，一階衰減公式如下:

式中:KCOD為20℃時COD的降解系數，d-1，選取COD降解系數為0.35［25］；θCOD為COD降解的Arrhenius溫度系數，取1.02；CCOD為COD濃度標量；T為水溫，℃.

2.1.3 數值解法 在控制方程的求解過程中使用單元中心的有限體積法進行離散.它是將連續統一的計算區域細分為不重疊的控制體積（單元），將微分方程對每個控制體積積分，得出一組離散方程.離散方程要求因變量在無限小的控制體積中積分守恒，也就是說因變量的積分守恒對任意控制體積都能滿足，對整個計算區域，守恒條件自然也滿足.運用黎曼近似解來估計單元界面上的對流通量，通過使用線性梯度重構的方法以滿足二階空間精度.使用Jawahar等［26］的方法估計平均梯度，通過使用帶斜率限制因素的二階TVD格式計算對流項以避免數值震蕩.

二維模型中淺水方程可以用低階方法或高階方法進行求解，低階方法即低階顯式歐拉法，高階方法使用了二階龍格庫坦方法.綜合考慮計算精度和計算效率，選用顯式歐拉方法，顯式算法有較高計算效率，但時間步長受Courant數嚴格限制.每一個單元水動力的Courant數定義如式（7），每一個單元對流擴散的Courant數定義如式（8）.為保證計算穩定，時間步長需保證Courant數小于1.

式中:Δx、Δy為單元格方向的特征長度； Δt為時間步長.

2.2 計算范圍及網格

數學模型的計算范圍為戴河、洋河兩條河流以及其河口海岸水域，采用SMS軟件生成區域網格.由于洋河-戴河河口區地形復雜，入海河道較為狹長，因此整個計算區域采用非結構的三角形網格貼合邊界并對河道入?？诓糠志植考用?，最小網格步長約4m.為提高計算效率，外海區域網格較為稀疏，網格單元面積較大，其空間步長最大可達1.8km.研究區域的計算網格共有8013個節點和14088個單元（圖1）.圖2是研究區域的潮流及水質監測站點分布.

2.3 邊界條件

水動力模型的海域開邊界條件為潮位過程，其潮位條件由基于MIKE 21模型建立的渤海潮流模型提供.戴河、洋河邊界條件則為流量過程，為2013年6～8月洋河和戴河實測流量（表1）.側向固邊界采用不可滑移條件，即流速為0.污染物輸運模型的外海開邊界條件為本底COD濃度，河流開邊界COD濃度為2013年6～8月COD濃度實測值（表1），文中COD濃度均為CODMn.

表1 2013年夏季洋河-戴河各月入海流量及COD濃度Table 1 Monthly river discharges and concentrations of COD of the Yanghe River and the Daihe River in summer，2013

2.4 模型參數設置

水動力模塊的參數設置中，計算時間步長為1s，初始水位為0.55m，水平渦粘黏性系數采用Samagorinsky亞網格模型計算，其系數取常數0.28.作為衡量河床表面粗糙程度的一個指標，模型的曼寧系數取平均值0.0179.采用干濕判斷控制灘地漲落潮期間的出露和淹沒，分別取值hdry= 0.005m、hflood=0.05m和hwet=0.1m.當網格的計算水深小于hdry表示干單元；當網格的計算水深介于hdry與hflood之間表示半干單元；當網格的計算水深介于hflood與hwet之間表示半濕單元；當網格的計算水深大于hwet表示濕單元.污染物輸運模型中，COD的擴散系數經率定取常數10m2/s.

2.5 計算流程

首先，繪制岸線并構造網格，利用地形數據進行插值得到各單元節點地形.然后在水動力和污染物輸運模型中，確定海域開邊界條件、側向固邊界和雙河邊界條件.其次，在水動力和污染物模塊設置中，選擇不同的參數和COD擴散系數，驗證數學模型.最后輸出計算結果進行分析.

3 模型驗證

本次模型計算時段為2013年5月1日至8月31日，選擇有實測資料的時段（即赤潮高發期夏季）分別進行水動力及污染物輸運模型驗證.水動力模型驗證資料采用2013年5月11日8:00至5月12日8:00國家海洋局秦皇島海洋環境監測中心在秦皇島區域監測的流速流向，監測點S4、S5位于洋河-戴河河口海域.COD輸運模型驗證采用2013年8月11～24日國家海洋局秦皇島海洋環境監測中心和河北省地礦局秦皇島礦產水文工程地質大隊在洋河-戴河近岸海區（YDH01～04）及8月洋河-戴河道（YH1～4和DH1～8）監測的COD濃度.水動力及水質測站站點位置如圖2所示.

3.1 水動力模型驗證

水動力模型采用S4、S5點的大潮潮流實測資料進行驗證，其驗證過程線如圖3所示.計算與實測潮流過程比較顯示漲潮、落潮流速與流向過程的計算值在相位和數值上都與實測值擬合較好.本文選擇Wilmott［27］提出的統計學方法來評價數學模型，其計算公式如下:

式中:M表示模擬值；D表示實測值；D表示實測平均值；Skill值代表了實測值與實測平均值的偏差、模型計算值和實測平均值的偏差這兩者的相關程度，其結果范圍在0～1之間. Skill值為1時，代表模型計算值和實測值之間完全相符；大于0.65時，結果為極好；在0.65～0.5之間為非常好； 0.5～0.2為好；小于0.2為差；0為完全不符.通過計算得出:S4、S5流速的Skill值分別為0.872和0.782；S4、S5流向的Skill值分別為0.876和0.860；即S4和S5兩個站點水動力模型效率系數均大于0.65，結果為極好，表明該水動力模型是可靠的.

圖3 S4、S5潮流流速流向驗證Fig.3 Verification of tidal current velocity magnitude and direction at station S4 and S5

3.2 污染物輸運模型驗證

圖4 洋河、戴河河道COD驗證Fig.4 Verification of COD concentration in the Yanghe River and the Daihe River

圖5 近岸海域COD驗證Fig.5 Verification of COD concentration in the coastal water

污染物輸運模型分別采用洋、戴河河道和近岸海域的2013年8月實測COD濃度進行驗證，驗證結果如圖4和圖5所示.從模型計算出的COD濃度值與實測COD濃度比較分析來看:在洋河-戴河河道中除DH1和YH2的相對誤差偏大，誤差分別為18.33%和13.25%，其他測站誤差均低于10%，河道所有站點的平均相對誤差為5.92%.近岸海域中4個站點的絕對誤差控制在0.12～0.35mg/L之內.造成誤差的主要原因如下:由于夏季是旅游旺季從而導致直排到海洋的污染加重；模型模擬出的是COD垂向平均濃度，而測站的實測數據為河流表層COD濃度；站點監測時間不同步；近岸海域可能有其它海上污染源影響.

4 結果分析

基于已驗證的數學模型，對2013年6月1日到2013年9月1日洋河-戴河河口近海水域的水動力及COD輸運的數值模擬結果分析得到該研究區域的潮流和COD輸運特征.

4.1 潮流特征

圖6為T1點的潮位和流速過程.漲、落潮最大流速出現在中潮位附近，說明該海域潮波具有駐波性質.圖7為一個潮周期內4個典型時刻（落憩11:00、漲急14:00、漲憩18:00和落急21:00）的流場.

圖6 T1點潮位與流速過程Fig.6 Time history of tidal level and current velocity magnitude at point T1

落憩時刻（圖7a），落潮流轉向漲潮流，流速低，從外海向河口遞減；金山嘴西側形成一個弱逆時針環流.漲急時刻（圖7b），整個海域為從NE向SW的漲潮流，近岸流速略低，約為0.12m/s；外海流速略高，約為0.30m/s；由于岬角效應，金山嘴前方流速大且流向出現較大偏轉.漲憩時刻（圖7c），漲潮流轉向落潮流，流速低，從河口向外海遞減；金山嘴處挑流顯著；葡萄島以東水域水流流速減緩顯著，金山嘴東北側流速顯著減緩.落急時刻（圖7d），整個海域為從SW向NE的落潮流，近岸潮流流速略低，約為0.10m/s，外海流速略高，約為0.25m/s.葡萄島兩側潮流流速較低，在潮周期內小于0.14m/s.

洋河-戴河近岸海域潮流總體特征為順岸往復流，漲潮流的方向為從NE向SW，落潮流方向為從SW向NE；落潮流略弱于漲潮流.

圖7 洋河-戴河河口海岸水域典型時刻的潮流場Fig.7 Typical tidal current fields in the coastal water of the Yanghe River and the Daihe River

4.2 COD輸運特征

圖8為T2點（位置見圖2）的流速和COD濃度隨時間的變化過程.受到漲潮流的作用，自落憩時刻之后T2點的COD濃度呈下降趨勢.而受到落潮流的作用，自漲憩時刻之后T2點的COD濃度呈上升趨勢.T2點處COD濃度變化也呈現周期性.選取與潮流分析相同的典型時刻分析COD的輸運.由于COD濃度超過2mg/L時易發生赤潮災害并且COD高濃度區在河流出口近岸海岸，因此也繪出了COD高濃度局部放大圖.

圖8 T2點流速和COD的時間變化過程Fig.8 Time history of current velocity magnitude and COD concentration at point T2

落憩時刻［圖9（a）］，由于潮流由落潮流轉為漲潮流，COD高濃度區主要集中在河口段，2mg/L包絡線走向為NE，與落潮流方向一致，且面積最大；近岸水域COD濃度等值線呈河口段密外海疏的特點，COD從河道至河口的稀釋效果較好，河口段COD濃度分布形似雙峰狀，戴河口、洋河口各有一個峰值區.漲急時刻［圖9（b）］，由于受到NE-SW漲潮流的影響，COD高濃度區沿岸線向西南運移并向外海海域擴展，河口段的濃度降低，COD高濃度主要集中在河道；河流口門處COD濃度要比落憩時刻小很多，外海COD分布的濃度等值線較疏，這是由于漲急時刻流速大、紊動擴散稀釋效果好.漲憩時刻［圖9（c）］，漲潮流即將轉流為落潮流，因此COD高濃度區向西南運移并向河道推進到最遠，其面積最??；金山嘴附近的COD濃度值略有下降，為1mg/L.落急時刻［圖9（d）］，由于受到SW-NE落潮流的影響，高濃度區隨落潮流沿岸線向東北運移；河口段COD濃度等值線變密，金山嘴附近濃度略有升高，而葡萄島附近COD濃度值則呈下降趨勢.

近岸海域COD濃度場隨潮流運動也呈周期變化.河道COD排入海域后稀釋效果好，高濃度區域集中于河流出口的近岸水域，隨漲潮流向西南運移，隨落潮流向東北運移，對外海無明顯影響.

圖9 洋河-戴河河口海岸水域典型時刻的COD分布Fig.9 Typical COD distributions in the coastal water of the Yanghe River and the Daihe River

5 結論

5.1 洋河-戴河近岸海域潮波為駐波，潮流為順岸往復流，漲潮流方向為NE向SW，落潮流方向為SW向NE.漲、落急時刻，河口至外海海域潮流流速遞增，漲潮流略強于落潮流.

5.2 COD輸運方向與漲落潮潮流方向一致，隨漲潮流向SW運移，隨落潮流向NE運移.COD濃度分布由河口向外海遞減，河道COD排入海域后稀釋高；外海區域濃度場等值梯度較河口近岸海域小.

5.3 漲憩時刻，COD高濃度區向河道推進，近岸海域COD高濃度區面積最小.落憩時刻，COD高濃度區向外海推進，近岸海域COD高濃度區面積最大.

5.4 葡萄島周圍潮流流速低，在潮周期內小于0.14m/s，對COD的稀釋作用弱.

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致謝：感謝河北省地礦局秦皇島礦產水文工程地質大隊提供的河道的流量和水質資料！

Study on spatial and temporal characteristics of the COD in estuarine and coastal waters of the Yanghe River and the Daihe River.

KUANG Cui-ping1， LI Zheng-yao1， GU Jie2*， HU Cheng-fei1， ZHANG Wan-lei3， ZHANG Yong-feng3（1.Department of Hydraulic Engineering， College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China；2.College of Marine Sciences， Shanghai Ocean University， Shanghai 201306， China；3.Marine Environment Monitoring Center of Hebei， Qinhuangdao 066002， China）. China Environmental Science， 2015，35（12）：3689～3697

Based on MIKE 21 software， a hydrodynamic and pollutant transport model has firstly been established for the estuarine and coastal waters in the Yanghe River and the Daihe River. Then the model is verified by measured tidal current and concentration of Chemical Oxygen Demand （COD）. Finally， the transport processes of COD in the estuarine and coastal waters are simulated and analyzed. Numerical results show that the tidal current in the coastal water of the Yanghe River and the Daihe River can be characterized as a reciprocating flow along the shore while the tide is a standing wave. The directions of flood and ebb currents are NE to SW and SW to NE， respectively. The tidal current velocities increase from estuaries to the offshore in both flood and ebb periods. The direction of COD transport is consistent with that of the tidal current. The high concentration region of COD is pushed towards rivers at the slack of flood with the smallest area，while towards offshore at the slack of ebb with the largest area. The tidal current velocity is quite small in the region around the Putao Island， generally less than 0.14m/s in a tidal cycle， which leads to weak dilution of COD.

the Yanghe River and the Daihe River；estuary；chemical oxygen demand；dilution近年我國對生態環境建設非常重視，但是近海海域水質污染、富營養化及赤潮事件時有發生，

X834

A

1000-6923（2015）12-3689-09

匡翠萍（1966-），女，江蘇邗江人，教授，博士，主要研究方向為河口海岸工程和環境.發表論文170余篇.

2015-05-15

海洋公益性行業科研專項（201305003-5）

* 責任作者， 教授， jgu@shou.edu.cn