近岸海域水環境預測中幾個關鍵技術問題探討

張敏霞

（中海油研究總院有限責任公司 北京 100028）

引言

近年來，隨著海洋經濟的興起、繁榮，開發海洋的熱潮席卷全球，海洋工程、海岸工程的建設、陸源污染物的排入給海洋環境不可避免的帶來了很多負面影響，尤其是近岸海域的水環境質量，多年來不斷趨于惡化。國內外相關領域的專家學者對近岸海域水環境質量惡化的原因開展了大量研究，普遍認為近岸工程的建設、沿岸工程陸源污染物的排放以及陸地徑流攜帶入海的污染物等是造成近岸海域水環境質量惡化的主要原因。為了有效減緩近岸海域水環境質量的惡化，眾多專家學者對近岸海域的水環境現狀、水文情況、沉積物現狀等進行了詳細的調查及分析，以找尋合適的解決方式，達到城市化建設和近岸海域水環境的生態平衡。

1 關于預測源強確定和相關技術處理

預測源強的確定在近岸海域水質環境污染狀況模擬預測過程中至關重要，一般針對建設項目可在工程分析階段采用模型計算技術確定預測源強，計算方式根據建設項目的不同可適當調整。實際計算中，包括單一工程和多項工程兩類，一般單個建設項目的污染源源強計算模型相對簡單一些。但在多個項目中，需要首先對項目工程詳細分析，通過物料衡算法、資料復算法、類比法等等進行污染源強的確定[1]。進而針對確定的污染源強進行環境影響模擬計算，根據計算結果決定是否需要調整工程建設方案。

在區域環境質量水質預測或者計算環境容量時，污染源源強的確定較為困難，專家通常需要綜合考慮點源、面源以及大氣中的沉降源和沉積物的釋放源進行全面性的分析計算。在進行點源計算時，主要考慮河?？?、混排口、直排口以及市政下水口等，對其入海排放的污染物進行分析、計算。在面源調查中，對地面徑流所攜帶的污染物及在其他非點源中出現的源匯項進行深入研究，通過全方位的調研和分析，確定區域境水環境質量預測或者水環境容量計算范圍。

面源污染源強的準確判定通常難以實現。但經研究表明，暴雨天氣下將暴雨徑流量和水體中污染物的濃度作為攜帶污染物的量進行考慮，可以得到一個大概的入海通量估算值。根據相關研究，在我國發達城市的入?？谕看蟾艦楹涌谕康?0.3%-92.5%[2]，可見面源源強占據整體預測源強的比重極大，因此在進行區域環境容量計算時，面源影響范圍的確定需要慎重研究，需保證在估算過程中，全方面考慮其中影響水質的因素。

另外，大氣沉降源和沉積物釋放源中也會產生大量污染物入海，很多近岸海域重金屬污染和水體富營養化問題就是由于大氣沉降源的影響，在計算這一部分污染源強時，需要同以往計算成果進行對比確認。以我國渤海海域為例，大氣塵土沉降量占據河流運輸總量的38%，在整體的污染源中占比較大，大氣陸源物質在向海洋進行傳輸時，對于污染物質是無差別傳輸，表明大氣沉降源對近岸海域的影響程度極大。

沉積物釋放的污染物類型一般為氮、磷等營養鹽，但很難準確估算源強，目前專家學者大概能夠估算包含了90%的有機碳、80%的生物硅等[3]，而在實際計算過程中，一般通過公式計算釋放源強，分析污染因子。其中，重點關注的污染因子有氮、磷、化學需氧量以及石油類這四種類型。

2 數學模型的選用和驗證技術處理

2.1 合理的選用數學模型

在近岸海域水環境質量的預測過程中，數學模型的合理選擇直接影響預測結果的準確性。水環境質量預測模型通常包含兩部分：潮流水文動力模型、水質模型，在進行環境影響評價時，應選用成熟的數學模型或者適用性較強的模型進行計算。如果實際情況不能滿足模型的應用情況，應及時對模型進行修正，避免出現計算結果偏差大的情況，模型適用性的判定需要大量的驗證和修正工作，以保證模型適應不同的環境[4]。

此外，海洋環境影響評價預測中，選用的潮流動力模型主要分為兩種：二維模型、三維模型。在近岸海域或者海灣地區，應選用二維模型，因為這類海域在形態上屬于寬淺型水域，水域特點是水平尺度大于垂直尺度，潮流混合較強，垂向要素分布較為均勻，二維模型也能夠有效的將三維運動形式判定出來，幫助海洋環境預測工作的進行[5]。

水質模型在應用過程中，需對模型進行全面性的驗證和修正，以保證預測結果和實際偏差不大。通常情況下，水質模型僅考慮一次污染物，不考慮生物化學反應，模型預測結果和實際結果相差較大。實際預測中，由于生物活動對海水氧含量影響較大，會出現很多變化，影響預測結果。因此在進行模擬計算時，還需對二次化學反應進行考慮，以減小水質預測誤差，而實際應用中通常很少考慮二次反應項。

2.2 模型驗證環節

數值模型應用之前，需針對研究區內潮流動力數據進行驗證，以期將模型誤差降低到最小。主要從三個方面對模型進行驗證：潮位、潮流、潮波。潮波的驗證主要是將通過計算結果繪制出來的潮時線和等振幅線和實測資料進行對比，得出模型計算值和實測值的相符程度[6]。

潮位驗證主要是將計算出的潮位過程曲線，與實際測量的潮位過程曲線進行對比。潮流的驗證則需要將計算的潮流流速、流向和實際測量的潮流流速、流向進行對比，或者采用潮流玫瑰圖的形式將計算值與實際測量值進行對比驗證，主要是對潮流流速的大小、發生的時刻、方向或者對旋轉流進行驗證等。

3 計算范圍的技術處理

計算范圍的合理選擇對于計算結果的準確性至關重要。計算域通常需要選擇較大海域范圍，以消除開邊界潮位或潮流的傳輸誤差。很多計算結果不正確就是因為對計算范圍判定時，產生了誤差[7]。例如：在計算海灣或者開闊海域流場時，若計算域范圍過小，開邊界距離模擬區域距離較近，則會出現開邊界初始潮位或者潮流傳輸的誤差問題，進而影響計算結果的準確性。這種情況下應將計算域范圍擴大至超出研究區域一定距離，以消除開邊界傳輸誤差，同時，也可將海灣最大邊界選到灣口處，盡量減小開邊界長度，最大程度利用開邊界上實測的水位場和流場。

此外，可采用嵌套網格方式對計算域進行網格剖分，在重點研究區域采用小尺度網格，其他計算區域采用大尺度網格，模型大網格區域的計算結果可以作為細網格研究區域的邊界輸入條件，驅動細網格海域的模擬計算。此外，還有一些計算海域應將開邊界觀測數據獲取的難易程度作為確定合理范圍的基礎[8]，如果所選開邊界實測水界觀測數據獲取困難，計算范圍應擴展到有實測數據的地方，避免出現計算結果失真的情況。

結語

我國近岸海域水質環境模型還處于發展階段，計算結果受很多不確定因素的影響，為了提升水質環境模擬預測的準確率，研究人員應對近岸海域環境所涉及的影響因素進行細致觀察分析，不斷研究探索，以期增強預測結果的準確度。