近岸海域多環芳烴生態系統動力學模型及生境影響

張曉霞,程嘉熠,陶 平,邵秘華,朱京海,2*

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近岸海域多環芳烴生態系統動力學模型及生境影響

張曉霞1,程嘉熠1,陶 平1,邵秘華1,朱京海1,2*

(1.大連海事大學環境科學與工程學院,遼寧 大連 116000；2.遼寧省環境保護廳,遼寧 沈陽 110000)

利用生態動力學模型Delf3D,對大連葫蘆山灣海域多環芳烴(PAHs)在海洋中的理化及生態動力學過程進行耦合,并以大連葫蘆山灣實際監測數據及相關文獻資料為基礎,確定了一套適用于該近岸海域PAHs生態動力學過程的特征參數,模擬研究了PAHs在近岸海域生態動力學過程.以浮游植物生長率作為指示近岸海域生態系統健康程度的指標,將PAHs含量的數值模擬結果與浮游植物生長率的動力學響應方程相擬合,定量的評估了PAHs對海洋生態系統的影響.結果顯示:排污口選址于水深大、流速快、水動力強處,對PAHs污染物擴散、水質改善具有顯著作用,反之造成PAHs大規模富集.PAHs富集作用對該灣生境影響較顯著,灣頂水動力作用微弱,浮游生物生長率削減度高達18%.ArcGIS分析顯示,浮游生物生長率削減程度與PAHs時空分布并不完全一致,體現海灣生態系統的動力復雜性與結構穩固性.

近岸海域；生態動力學模型；多環芳烴；數值模擬；Delft3D

化石能源的利用與燃燒、石化生產與運輸泄漏給近岸海域生態系統帶來巨大環境風險,引入一種對生物體高致癌、致突變的持久性有機污染物——多環芳烴(PAHs),受到國內外研究學者的廣泛重視,在其溯源,生化特征,毒理特征等方面已有較為成熟的研究[1-3].然而,海洋生態系統是潮汐水文多動力耦合的特殊生態系統,傳統定性或定量的實驗分析難以全面揭示PAHs在海洋生態系統中的轉化機制.國內尚無利用水文—水質—生態三相耦合模型對近岸海域PAHs動力學過程進行模擬的研究;國外亦無近岸海域生態系統健康程度與PAHs動力學響應過程的相關研究.

Delft3D模型包含水動力、波浪、水質、顆粒跟蹤、生態、泥沙運輸和地質動力7個模塊,可實現二維或三維河流、湖泊、海洋的水動力、水質和生態模擬,是目前國際上技術先進、應用廣泛的數值計算模型之一,荷蘭、俄羅斯、德國及美國均有較長的應用歷史[4-6].例如Rafael Ca?izares等利用Delft3D對舊金山海灣鹽度的季節性三維水動力遷移變化進行了研究[7-8].我國香港自20世紀70年代中期就開始使用該計算模型,現已成為香港環境署的標準計算模型.國內其他地區海南、鄱陽湖、長江入?？诘鹊乜茖W研究中均有應用[9-12].

本文以世界級沿海石化產業園區——大連葫蘆山灣海域為研究對象,運用Delft3D數值計算模型在傳統污染物質點擴散模塊基礎上[13],添加污染物生態化學動力學過程,包括:海表—大氣交換過程、海水—底質吸附與解吸過程、水文邊界水動力遷移過程、生態同化、分解與自然沉降過程等,系統進行了近岸海域PAHs生態動力學機制研究.浮游植物生長率作為海洋初級生產力的重要指標亦受到PAHs污染影響[14].為進一步了解海洋生態系統與PAHs的動力學響應機制,本研究確定了一套適用于該近岸海域PAHs生態動力學過程的特征參數,將PAHs的數值模擬結果賦予毒物與種群的史密斯生態模型中[15],并利用Matlab矩陣疊加功能,以浮游植物生長率作為指示,模擬并定量的評估了PAHs對近岸海域生態系統的影響過程,旨在揭示PAHs在海洋生態系統中的轉化機制,為近岸海洋環境的區域化管理及合理開發提供了技術支撐.

1 材料與方法

本文構建了與研究海域相符合的生態環境,運用Delft3D數值計算模型,采用顯、隱式交替數值積分法求解方程,模擬PAHs在實際條件中循環、遷移、轉化過程,見圖1.

PAHs生態動力學過程的控制方程如下:

動力學擴散方程:

(1)

海表-大氣交換動力學方程:

海水-底質交換動力學方程:

全面分解過程方程:

式中:為時間;為方向速度分量;e為粘性系數;顆粒沉降速度;i、equ、sed、w、par、d依次為PAHs總濃度、平衡態濃度、沉積物濃度、上覆水濃度、顆粒吸附態濃度、自由溶解態濃度;vol為海氣交換速率;vol為海氣交換系數;p為滲流通量;D擴散通量;為底質孔隙度;sw為擴散系數;sw為上覆水層厚度;為PAHs分解速率;0零級反應常數;1一階反應系數;t熱力學常數.

1.1 數值模型計算

1.1.1 地形及邊界設定 由衛星遙感影響圖提取大連葫蘆山灣水體邊界,運用ArcGIS對其進行地形、水深及邊界矢量化,并確定開、閉邊界和計算域.

1.1.2 網格化處理 采用正交曲線網格對計算海區進行處理,網格數為5084(82×62)個.全部曲線網格非正交值均小于0.1,檢驗網格正交性有效率達99.7%以上.

實地踏勘調查結果顯示:該海域設有5處陸源污染物排放源(D1,D2,D3,D4,D5),海洋底質以粉砂質海床為主,水深較淺,坡度平緩,適宜采用二維流數值模型.2015年5月,依葫蘆山灣地貌走向,于海灣口門處(S1)灣內狹長水道末端(S2)布設2處水文、PAHs連續25h觀測站,詳見圖2.

1.1.3 模擬時段與時間步長設定 依據葫蘆山灣研究海域面積(網格數)及空間步長,設定時間步長為5min,模擬時段為2015年5~6月,總計90個潮周期.

1.1.4 模型參數設定 依據該灣自然概況特點,設定模型相關參數如下:研究海域海流主驅動力為重力、地轉偏向力、潮汐潮流等因素,重力加速度取9.81m2/s,海水密度1024.2kg/m3,水平、垂直粘滯系數分別取10.1m2/s和1.0× 10-6m2/s,潮汐調和常數由2014年潮汐數據調和分析所得(絕密),PAHs動力學模型參數見表1.水文水動力模擬結果見圖3.

表1 PAHs生態動力學模型主要參數Table 1 Parameters in ecological dynamics model of PAHs

注:*參數取自《Delft3D水質污染物模擬技術參閱手冊》及海域PAHs化學實驗結果,**參數由葫蘆山灣海洋生物量估算得出.

2 結果與分析

2.1 數值模型準確性檢驗

大連葫蘆山灣海域S1、S2站位PAHs污染物模擬結果見圖4. 2個站位PAHs濃度隨模擬時間逐步增加,在模擬時段達到15d(30個潮周期)之后,PAHs濃度隨時段增長緩慢,在模擬時段達到30d(60個潮周期)之后,PAHs濃度曲線趨于平緩.

當模擬時段在日之后,PAHs濃度增加率ΔPAHs不超過1‰時,表明該海域PAHs動力學系統數值模擬結果在第日趨于多過程耦合動態平衡狀態,此時,該平衡狀態曲線即表示PAHs在研究海域的動力學過程.

式中:C表示時PAHs濃度;ΔPAHs表示PAHs濃度增長率.

選取數值模擬時段=40d,時間間隔25h(PAHs含量增長率ΔPAHs=0.3‰<1‰)的S1、S2的PAHs含量作為模擬值,以S1、S2站位PAHs含量25h連續監測實驗結果為基準,對數值模擬結果進行準確度檢驗,驗證結果見圖5.

由圖5可見,S1站位PAHs含量模擬值與實測值相符,PAHs濃度在(0.70±0.20)μg/L之間波動,模型數據準確度()平均值為70%.S2站位PAHs含量模擬值與實測值亦基本相符,PAHs濃度在(1.50±0.50)μg/L,模型數據準確度()平均值為72%.

由于S1站位相對于S2站位而言,具有較強的水文動力混合作用,污染物擴散能力較強,加之葫蘆山灣內部石化產業、船舶重工業密集,故灣內S2站位PAHs含量明顯高于S1站位,符合客觀實際情況,因此本文PAHs數值計算模型,可信度較高,具有足夠的數值模擬精度.

2.2 數值模擬結果分析

2.2.1 PAHs動力學過程模擬 采用二維流delft數值模型,計算PAHs污染物濃度分布結果見圖6.低潮時,由于水深淺,流速小,微弱的水交換動力致使PAHs在部分陸源排污口附近產生富集,葫蘆山灣海域PAHs整體含量較高,在局部水深較淺的灣頂等潮灘附近,PAHs富集濃度出現高于污染源的情況,產生較高的潛在生態風險;高潮時,潮汐水動力作用明顯加強,在良好水交換條件下,葫蘆山灣PAHs含量明顯降低.

可見,大連葫蘆山灣海域在海洋潮汐水動力作用下可以完成灣內大部分區域PAHs的遷移與擴散,然而在灣頂等水深較淺的潮灘附近,水動力交換作用微弱,依舊存在較高濃度的PAHs富集.

2.2.2 PAHs-生態響應過程模擬分析 利用Hallam[20-21]的種群與毒物的史密斯生態系統改良模型,結合浮游植物對PAHs響應的特征方程,模擬PAHs進入生態系統后,浮游植物生物量的動力學響應過程.式(10)~(13)為改良后的種群與毒物響應過程的一般方程.基于金香琴[15]2014年的實驗成果,進行經驗多項式擬合出浮游植物對PAHs響應的特征方程式(13).

式中:為浮游植物生物量;p為浮游植物體內PAHs含量;(,C)為浮游植物對PAHs的響應系數函數;為種群活度;為浮游生物的PAHs吸附指數;()為PAHs動力學吸附函數;與分別為浮游植物PAHs排泄率與凈化率;E為環境中PAHs含量;()為PAHs含量方程;1生物種群對環境的影響系數;2為生物種群對污染物的自凈系數;50為PAHs自然半衰期;C為PAHs濃度.

根據PAHs動力學過程計算結果顯示(圖7):PAHs含量以及對生境質量的影響作用并非一成不變,而是始終隨著潮汐、潮流、氣象等因素發生周期性動態變化,為此本文利用ArcGIS的空間矢量疊加功能將一個潮周期內(24張計算矢量圖)PAHs對海洋浮游植物生長率影響的全部數值模擬結果等權重疊加后展示.

葫蘆山灣浮游植物由于受到PAHs污染物排放的影響,其生長率比灣外海域降低6.0%~ 16.0%以上,由于灣頂水交換作用微弱,PAHs難以進行有效的遷移與擴散,致使浮游植物的生長受到PAHs富集作用的威脅,生長率削減高達18%.盡管位于葫蘆山灣口門處附近的陸源污染源也持續向環境排放PAHs,但由于適宜的水動力條件及較高的水交換速率有效的將PAHs向外海遷移,如圖可見,口門附近浮游植物生長率削減不足8%,生態系統功能良好.

通過PAHs-浮游植物響應過程模擬結果分析亦可知,近岸海洋生態環境的保護須加強對PAHs等污染物排放總量控制,在源頭上減少污染物排放,同時也須合理規劃近岸海域排污口的建設位置,確保PAHs等污染物進入近海環境后,能夠在較強的水交換能力下迅速向外海方向遷移,降低污染物濃度及其富集作用,減小污染物對近海生態系統的毒害作用.

3 討論

PAHs數值模擬結果顯示,該灣PAHs整體含量較高.高潮時,水交換能力較強,灣內大部分區域可完成PAHs向灣外的遷移與擴散過程;然而,灣頂及局部淺灘水域水動力作用較弱,存在PAHs富集現象.

對比PAHs富集濃度與浮游植物生長率削減的空間分布結果(圖6,圖7),該灣浮游植物生長率對PAHs排放較為敏感,但兩者的空間分布并非完全一致,局部海域PAHs含量較高,其浮游植物生長率抑制作用并不明顯.究其原因如下:①PAHs污染物對生物體的毒害作用具有一定的滯后性,PAHs對浮游植物的毒害作用穩定時間為50h[5].近岸海域多動力耦合作用促使水體中PAHs處于動態平衡狀態,而非理想靜水條件,故PAHs的生物毒害作用時滯性更為顯著;②史密斯生態模型中著重考慮了浮游植物對PAHs的同化吸收過程,故浮游植物種群的自凈能力及其對水體中PAHs濃度的影響不能忽略,在一定程度上也導致浮游植物生長率削減與PAHs濃度空間分布不一致.

PAHs生態系統動力學模擬結果顯示,大連葫蘆山灣海域海洋潮汐水交換速率對生態系統健康功能具有顯著影響,本文設定的五個污染源排放口PAHs排放通量D2>D3>D1>D4>D5,然而靠近灣頂的D4與D5排污口附近水交換速率較小,生態功能受PAHs影響更為明顯.因此本文建議環保部門對葫蘆山灣近岸陸源排污口進行整改,向水深大,流速快,水交換能力強的位置遷移,對污染物擴散,生態環境保護與改善具有重要意義.

4 結論

4.1 利用Delft3D模型建立了PAHs與近岸海域生態系統相耦合的生態動力學模型.模擬了PAHs在近岸海域的遷移轉化過程,并計算了葫蘆山灣生態系統初級生產力對PAHs的動力學響應過程.

4.2 該灣PAHs可基本完成向灣外的遷移與擴散過程,然而灣頂及局部淺灘水域水交換作用較弱,PAHs富集作用較強,浮游植物生長受到一定威脅,對生態系統功能產生較大影響.

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致謝：本研究的現場采樣工作由遼寧省大連市黃渤海測繪大隊張總工程師等協助完成,在此表示感謝.此外,特別感謝大連海事大學環境科學與工程學院宋成文教授在研究工作中給予的無私幫助和指導.

* 責任作者, 教授, zhujingh@163.com

Studying of ecological dynamics models of PAHs and their influence on eco-environment in coastal waters

ZHANG Xiao-xia1, CHENG Jia-yi1, TAO Ping1, SHAO Mi-hua1, ZHU Jing-hai1,2*

(1.Environmental Science and Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China；2.Department of Environmental Protection of Liaoning Province, Shenyang 110000, China)., 2016,36(5)：1540~1546

The physical and chemical processes of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are coupled with their ecological dynamic processes by using Delft3D model in the Hulushan Bay, Dalian. Based on in-situ monitoring data and previous references, the characteristic parameters for the ecological dynamics processes of PAHs are set and the corresponding simulated work is carried out. Here, the growth rate of phytoplankton is selected as an indicator of ecosystem health in coastal waters, and the numerical simulation results of PAHs concentrations are fitted with the dynamics response equation of the growth rate of phytoplankton to quantitatively evaluate the effect of PAHs on marine ecosystems. The result shows that when the sewage outfall is located at such a place with deep water, fast flow rate and strong hydrodynamic condition, it will benefit the diffusion of PAHs, and thus improve the water quality. On the contrary, it will result in the serious enrichment of PAHs in the Hulushan bay. In addition, the enrichment of PAHs has a significant influence on the ecological environment in the Hulushan Bay. The poor hydrodynamic conditions lead to that the reduction of 18% in the growth rate of phytoplankton. Finally, spatial GIS analysis demonstrates that the reduction in the growth rate of phytoplankton does not agree with the spatial distribution of PAHs concentrations well, reflecting the dynamic complexity and ecological stability of the ecosystem in the Hulushan bay.

coastal waters；ecological dynamics model；PAHs；numerical simulation；Delft3D

X171

A

1000-6923(2016)05-1540-07

張曉霞(1987-),女,河北石家莊人,大連海事大學博士研究生,主要從事海洋環境監測與分析研究.

2015-10-12

中華環?；饡?23”工程資助項目(CEPF2013-123- 1-9);遼寧省海洋與漁業廳課題:長興島海域生態環境現狀及變化動態研究(2014-lnhyhbc-0003)