基于EFDC的唐島灣排污口位置優化研究

張亞

摘 要：隨著社會經濟的發展，沿海地區污水排放量增加，近岸海水水質污染日趨嚴重，需要更合理的排放方式以最大限度利地用水體的環境容量。本文運用環境動力學模型EFDC模擬唐島灣污水排海及污染物擴散過程，結合實際情況，對灣內排污口進行位置調整后得出優化方案。通過前后兩種方案污染物擴散過程的對比，確定了優化方案具有更高的擴散效率，為排海口位置及排放模式的選擇提供參考。

關鍵詞：唐島灣 EFDC 污水排放

中圖分類號：X143 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（b）-0079-04

人類活動對海洋尤其是近岸海灣地區造成了越來越嚴重的影響，由于這一領域相對缺乏科學技術方法的支持，使得相應的管理手段產生的效果未能達到預期。預防環境污染比治理污染更為重要，沿海城市建設發展帶來的污染物排放是一個不容忽視的事實。近年來污水排放的數量以及污染物的種類都呈顯著增加趨勢。在客觀上，對于污水排放以及對近海區域的環境污染必須進行科學的規范和指引，從而使其對環境的影響降低至環境可承受范圍之內，達到經濟和環保雙贏的目的。

EFDC（Environmental Fluid Dynamics Code）環境流體動力學模型最早由美國佛吉尼亞海洋科學研究所基于Fortran語言編制而成。這年來，國內關于EFDC模型對水質的研究正逐漸發展，EFDC模型被大量應用到水環境二維、三維模擬研究中。由于EFDC具有功能齊全、代碼開源、操作靈活等優點，越來越為環境工作者青睞，已經成為水動力和水質研究領域的權威性軟件，所以在本研究中選用EFDC模型對唐島灣水體中的污染物擴散過程進行模擬和預測。

1 唐島灣地理資料及排污口布置

唐島灣位于海西半島西南岸，為倒“U”型構造原生海灣，三面環山，東和北部為薛家島，西接膠南的靈山衛鎮，南與黃海靈山灣相接。海灣開口西南方向，東起薛家島的魚鳴嘴，西至靈山衛鎮的炮臺嘴，開口寬2.5km左右，總面積約17km2。潮汐類型屬于正規半日潮，平均潮差2.59m，最大潮差4.57m。潮流速度約60cm/s，東南向為強浪向。海灣中間有一寬約200m，長約5km的狹長潮汐通道，其水深最深處有10m左右，淺處約4m，牛島附近等深線5m左右。由于唐島和遠處靈山島的遮掩，灣內波高較低，當風力達到7級時，灣內波高不超過1.2m，目前入灣的集中排污口如圖1所示。

2 模型的建立

2.1 網格劃分

考慮灣內水深較淺，沒有垂向分層，建立垂向平均的平面二維網格，開邊界取在唐島灣外側水域。為擬合不規則岸線，應用曲線正交網格對灣內水域進行剖分，得到如圖2所示的網格劃分圖。

2.2 邊界條件

唐島灣灣內潮汐類型為正規半日潮，因此開邊界水位條件可采用公式（1）所示調和方程：

（1）

上式中：為水位，單位m；t為時間，單位s；為M2分潮的圓頻率；為M2分潮的調和常數。不考慮波浪影響，其他為固壁邊界，因退潮時會露灘，設置了干濕網格判斷。

唐島灣沿岸初步估計共分布有大大小小十多個排污口，為了方便模擬，小排量排污口不加以考慮，對位置鄰近的排污口進行合并后共得到如圖1所示的6個排污口。各排污口流量信息見表1。

為了使模擬過程簡化，取COD為單獨指標，只考慮一級降解，取降解系數k為常數。COD濃度變化式：

（2）

其中：kc為COD的降解系數，d-1；c0為初始時刻COD的濃度，mg/L；ct為污染物在t時刻的濃度，mg/L；t為作用時間，d[6]。

2.3 模擬結果

2.3.1 流場模擬結果

圖3所示為漲潮流場。從灣口流入的潮流繞過唐島后直接流入灣內。到達灣中心后，繞過牛島并最終抵達灣頂。從圖3中可以看出，灣頂的流場幾乎不受入灣潮流的影響，灣頂水體與外界交換作用緩慢。圖4為唐島灣落潮流場。由圖4可知，在落潮情況下，灣頂水域仍然受到很小影響，主要活動區域位于灣口水域，這是由于唐島灣的狹長地形所致。

2.3.2 排污口位置的優選

對唐島灣污水排放口優選的原則是：在最短的時間內，使污水得到外輸和稀釋降解。根據流場情況分析排污口的布置可知存在選址不當，比如1、3號排污口，這些排污口所處位置流場強度較小，不便于污水的擴散，尤其是1號排污口位于岸邊的凹陷區域，3號排污口位于灣頂處潮流最小的區域。通過改變1、3號排放點的位置，模擬其擴散效果，進行排污口位置的優選。

（1）1號排污口的優化。

1號點的原始地理位置十分不利于污水的擴散，為了取得更為理想的排污效果，可將其從凹口內移出。

圖5和圖6為1號點位于凹口內以及移出后在相同排量下進行排放2天后的擴散圖。從這兩個圖中可以看出移出凹口后，污水可以更快地擴散到灣口，從而起到更好的凈化效果。

（2）3號排污口的優化。

3號排污口位于灣內最頂部。其地理位置使得經此處排出的污水很難通過灣內的流場排出灣口，即使采用離岸排污，所取得的效果也十分有限，而且也不經濟。對于這種情況，只能適當地改變沿岸排放地點，盡可能利用到潮流作用。

圖7、圖8所示為3號排污口原始位置以及沿岸向西移1000m之后6天擴散情況。從這兩個圖中可以看出，對于灣頂的排污口，經過移動后，可以開始有效地利用潮流向灣外輸移。相對于灣頂排污導致污染物大量聚集在灣頂海域，移動排污口后灣頂受到的影響顯著較小。尤其是對于難降解的物質，通過這種調整可以很好地避免其在灣內長期聚集。

（3）優化后的排污擴散對比。

綜合到實際地理因素和經濟情況，對6個排污口可做以下調整：1號點從凹口內移出，3號點由灣頂沿岸外移一段距離；其他排污口基本不變。最終各排污口重建位置如圖9所示。

在排放量不變的條件下，進行了兩種排污方案的對比，圖10～圖13分別是優化后與原始排污方案下3、12天灣內污水擴散情況。對比后可看出，優化后方案比原始方案更有效率。

3 結論

本文研究對象為山東省青島市黃島開發區唐島灣，應用EFDC水質模型對污水在灣內擴散過程進行模擬，并對排污口進行優化。

（1）對灣內流場分析可知灣口處流速最大，灣內流速小于灣口處，流速隨著流場的傳播有逐漸降低的趨勢。其中潮流流向與唐島灣走向基本一致，具有一般半封閉海灣流場特征。

（2）污水在灣內的擴散過程歸根到底是受到灣內潮汐動力的影響。當漲急時候，海水從灣口大量涌入，污染物在隨著潮流向灣內流動的同時也得到了很好的稀釋；當落急時候，污染物隨著潮流向灣口方向流動，灣口附近的污染物被迅速帶出海灣，可以通過調整排污口位置來使污水更好的利用灣內潮流進行擴散稀釋。

（3）結合實際情況，對灣內排污口進行位置調整后得出優化方案。通過前后兩種方案污染物擴散過程地對比，確定了優化方案具有更高的擴散效率。

參考文獻

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