秦皇島市飲馬河口近岸海域潮流及污染物擴散數值模擬探討

摘要：近岸海域是海洋環境受人類活動最敏感區域，其生態環境保護尤為重要。監測數據顯示：秦皇島市近岸海域水質主要受入海河流飲馬河的影響。在秦皇島市飲馬河口及近岸海域監測斷面水質監測數據及水文環境現場調查的基礎上，模擬近岸海域的自然和動力演變過程，建立潮流動力數值模型;對飲馬河口近岸海域污染物CODMn擴散輸移特征進行研究，建立污染物擴散數值模型并通過實際監測數據驗證其模型的準確性。

關鍵詞：入海河流;污染物擴散;數值模擬

中圖分類號：X832 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）10-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.10.082

Abstract：The ecological environmental protection of coastal sea area is a critical issue as it is the most sensitive marine environment to human activities. As show in monitoring data，the water quality of Qinhuangdao coastal area is mainly affected by the Yinma river.In this paper， a numerical model of tidal current dynamics is established by simulating the natural and dynamic evolution of coastal sea area， which is based on the monitoring data of water quality in the monitoring sections of Yinma estuary and coastal area in Qinhuangdao and the field investigation of hydrological environment. A numerical model of pollutant diffusion was also established by studying the characteristics of pollutant CODMn diffusion in the coastal area of Yinma estuary， and its accuracy was verified by the actual monitoring data.

Key words：Seagoing rivers;Pollutant diffusion;Numerical simulation

秦皇島市作為享譽中外的避暑勝地，良好的生態環境，是秦皇島市旅游業不斷發展繁榮的根本。近岸海域作為能量、物質交換劇烈地帶，是海洋環境受人類活動最敏感區域，其生態環境保護尤為重要[1]。入海河流是陸源污染物入海的主要途徑之一[2]。近年來，秦皇島市政府實施了《飲馬河流域水質達標攻堅實施方案》，飲馬河及河口近岸海域生態環境惡化趨勢有所緩解。為進一步了解飲馬河口近岸海域污染特征，在飲馬河河口及近岸海域監測數據及其水文特征、流場水動力特征調查的基礎上，建立潮流動力數值模型;對污染物CODMn擴散、輸移過程進行研究，建立CODMn擴散遷移數值模型。數學模型的可重復性和條件因素的可選性為分析不同動力因素特征和彼此耦合效應提供了便利[3]。

1 研究方法

1.1 研究區域范圍和污染因子監測

以飲馬河及鄰近海域為硏究范圍，以飲馬河污染最重的監測因子CODMn進行監測和建模。飲馬河全長145km，流域面積601km2，徑流量 3 637萬m3/a，CODMn入海通量236.4t/a。監測結果顯示：大蒲河口CODMn年均濃度6.8mg/L，超標0.13倍。

1.2 入海河流水文特征調查

現場調查入海河流飲馬河的水文數據：水深、流速、流體截面積、流量等。水文調查監測斷面要和污染因子監測斷面一致，同時要考慮漲潮、落潮和平潮期的影響，及不同潮期的流量特征。

采用ADCP即走航式聲學多普勒流速儀，一種需要渡河載體（小船）的游動式測流設備，能同時測出河床斷面形狀、水流、流速流向的三維測量及流量，適應各種復雜流場的流速、流量測量。

式中：FD是聲學多普勒頻移;Fs是發射聲波頻率;V是水體中顆粒物沿聲束方向的移動速度;C是超聲波在水體中的傳播速度。

水體流量由公式計算：

式中：Qt為測量起點與終點之間的流量;T為測船從測驗起點至終點的航行時間;d為水深;Vf為測船航跡斷面某微元處流速矢量;Vb為測船速度矢量;K為垂向坐標單位矢量;dz為垂向微元長度;dt為時間微元[4]。

1.3 近岸海域水文特征調查及水質監測

秦皇島地處中緯度，海域水溫季節性變化顯著，水溫秋、冬季向岸遞減，春、夏季則向岸遞增;鹽度主要受入海徑流、降水、蒸發及外海因素影響，鹽度年變化范圍30.88‰～33.1‰，鹽度空間分布特征是外海高于近岸;潮流類型為正規日潮;海浪分為風浪和涌浪，均以南向為主。近岸海域水質監測結果：CODMn年均濃度1.45mg/L。

1.4 建立飲馬河口近岸海域流場水動力數值模型

飲馬河入海河口河道邊界較為復雜，近岸海域幾何邊界又極不規則，矩形網格難以完全貼合地形邊界，因而將正交曲線坐標系引入近岸潮流及污染物擴散輸移數學模型研究中。曲線坐標系的優點在于：曲線網格完全貼合物理邊界，使邊界條件處理變得簡單準確，提高計算精度;區域內曲線網格布置靈活，較好地適合近岸計算區域沿程變化較大的不規則岸線[5]。正交曲線坐標系下，水流運動方程包括水流連續方程和動量方程。

其中u、v分別表示沿ξ、η方向的流速分量;D=h+ζ為總水深。

1.5 建立秦皇島市飲馬河口近岸海域污染物COD擴散遷移數值模型

通過對秦皇島市相鄰近岸海域復雜動力因素及入海河流污染物擴散輸移特征進行分析研究，建立切合實際的數值模型，模型應滿足海水不同潮期和不同水期的邊界條件。

污染物綜合降解系數是污染物在水體中發生的物理、化學、生物反應變化的參數，參數值的確定有現場實測、實驗室實驗、經驗公式等，實際工作中，多將幾種方法結合起來確定參數值[7]。

污染物輸移過程包括對流和擴散過程。設水流運動方向為L，與物理坐標軸x的夾角為θ，則垂直方向N與X軸的夾角為Φ=θ+π/2。在該流動方向上，污染物輸移方程：

其中D為總水深;C為污染物濃度;S為源匯項;EL為縱向擴散系數;EN為橫向紊動擴散系數;為總流速。u、v分別為x軸和y軸方向上。

1.6 模型的驗證及修正

通過實測監測點潮位、流速、COD監測數據，對建立的潮流動力數值模型及COD擴散遷移數值模型的準確性進行比對驗證并進行模型修正。

2 結論

近岸海域污染物擴散受海流、潮汐等因素影響，在近海區，潮流是主要水動力條件之一，是這些區域最基本的物質運動。各種污染物質輸移均伴隨著潮流而運動，數值模擬為了解近岸海域潮流流場提供了一種有效手段。根據入海河流及污染物進入海域后的遷移及擴散軌跡，包括海水的主要潮期以及河流水文的不同水期的遷移、擴散特征，建立近岸海域潮流動力數值模型及污染物擴散遷移數值模型。數值模型的可重復性和條件因素的可選性，為研究不同水體不同污染物因子的擴散輸移提供了方便。

參考文獻

[1]李志偉，崔力拓.秦皇島主要入海河流污染及其對近岸海域影響研究[J].生態環境學報，2012（007）：1285-1288.

[2]王新蘭.入海河流對近岸海域海灣影響分析[J].環境保護與循環經濟，2006（1）：21-23.

[3]顧杰，胡成飛，李正堯，等.秦皇島河流-海岸水動力和水質耦合模擬分析[J].海洋科學，2017（02）：3-13.

[4]黃毅.聲學多普勒測流儀原理及應用[J].氣象水文海洋儀器，2013，30（4）：119-121.

[5]盧士強，林衛青，顧玉亮，等.潮汐河口水庫型飲用水水源地保護區劃分技術方法[J].長江流域資源與環境，2010（02）：36-41.

[6]俞琨.江蘇近海二維潮流及石油類污染物的數值模擬[D].南京：河海大學，2007.

[7]鄭亮.我國長江口水動力學及其泥沙輸運規律[J].海洋環境學，2011.

收稿日期：2020-08-11

作者簡介：張麗艷（1963-），女，雙本科，雙學士學位，高級工程師，研究方向為自動環境監測。