基于FVCOM模型的天津入海排污口污染物擴散模擬

薛志泳，鄭小慎

1.國家海洋技術中心 天津 300112

2.天津科技大學 海洋與環境學院 天津 300457

由于天津沿岸海域是半封閉式的地形,使得水體的交換能力差,自我調節功能較低,加之隨著天津近岸經濟的飛速發展和填海造陸帶來的影響,陸源污染物大量輸入,使得天津近岸海域污染現狀日趨嚴重[1]。在眾多導致海洋環境污染狀況惡化的因素中,陸源入海排污是重要因素之一。由于工業生產的發展所帶來的工業廢水向海排放,導致了天津沿岸水體的污染超標和富營養化加重,對海域的生態環境構成了一定的威脅[2]。近幾年,入海排污排放的主要污染物濃度呈現增長趨勢,對于海洋環境的污染也隨之加重[3-4]。對于排放污染物擴散研究也是海域環境監測的重要內容。

隨著海洋模型的不斷發展,模型在海水水質上的模擬計算的研究優勢更加明顯,可以更全面地了解水質情況,不受實地勘測的制約。國內外學者也做了很多研究,Sladkvich等[5]采用有限差分法 (FDM)在直角坐標系下建立了二維污染物擴散模型,進行了海法港的溫度、污染運移擴散模擬的計算。Ge等[6]采用物理水動力模型和生物模型耦合的方式,運用有限體積法 (FVM)計算模型,進行了懸浮泥沙和淡水排放擴散對近海浮游植物的影響研究。Yuan[7]利用FVCOM模型模擬計算了膠州灣在填海造島和橋梁建設后的潮流和水交換情況,并模擬計算了污染物的交換。蔡惠文[8]等建立了寧波—舟山海域的三維污染物擴散模型,對不同類型的污染物進行了數值模擬,研究了其排放趨勢及污染影響范圍。申霞等[9-10]基于現在成熟的POM模型模擬了近海海水水質和污染擴散的問題。林益平[11]模擬了海上危化品泄漏的擴散。本研究在前人的研究基礎上,基于FVCOM模型的染色示蹤模塊對天津3個入海排污口排放污染物進行擴散模擬計算,得到冬、夏季72 h內的擴散情況,以期望能對3個排污口排放污染物冬、夏季擴散情況得到計算顯示,并結合潮流特征對擴散規律得到認識,為環境監測部門在污染重大事故中迅速找出解決方法提供有力的科學依據。

1 研究區域及模型設置

1.1 研究區域

本文研究區域為天津沿岸海域及其周圍海域,即渤海灣海域。該區域北接河北,南接山東,為華北離岸貿易中心之一。海岸線北起澗河口,南至岐口,是一個三面環路的半封閉性海域[12]。地理位置范圍為 38°12’N-39°14’N,117°34’E-118°30’E。 地形資料采用ETOPO的一分度地形數據,將地形數據數字化之后插值得到渤海灣海域水深地形圖,如圖1所示。

圖1 渤海灣海域水深地形圖

渤海灣三面被陸地包圍,是京津冀經濟發展的門戶,華北的海上樞紐,海域面積約為1.59×104km2[13],約占渤海總面積的1/5[14]。由地形圖可知海底的地勢由岸向海灣中央逐漸加深,平均水深為12.5 m,最深水深在25 m左右,由北向南水深逐漸變淺。

1.2 模型模擬設置

FVCOM(Finite Volume Community Ocean Model)海洋模型最初是由美籍華人陳長勝[15-16]博士及其所領導的Massachusetts Dartmouth州立大學海洋學院海洋生態動力實驗室和Robert C. Beardsley[15]博士共同開發的。模型包含基礎的水動力和溫度、鹽度模塊,還有生態耦合模塊、潮汐-波浪耦合模塊、水質模塊、海冰模塊和泥沙模塊等。模型在數值計算上采用FVM(有限體積法)對控制方程進行離散計算,在水平方向上采用不規則無重疊的三角網格為計算單元,可以很好的擬合復雜的海岸線邊界和海底地形[17]。

本次模擬研究針對排污口瞬時排放的可溶保守性污染物進行排放后的擴散輸運情況進行了模擬計算。在計算模擬上采用FVCOM的染色示蹤模塊[18-19]進行計算,該功能模塊可用于計算溶解于水體且不隨時間消耗的污染擴散模擬,其控制方程如下。

式 (1)中,C為示蹤物濃度；C0為源點處起始濃度。

為了進行模型的輸入計算,本文根據衛星圖勾畫的天津岸線和地形數據,利用SMS地表水模擬軟件生成不規則三角形網格,并且對局部的岸線進行了處理,加密了天津沿岸的網格,總計生成9 663個網格,5 168個節點,開邊界1條,得到的網格如圖2所示。

圖2 模型計算網格

開邊界有10個網格點,水動力開邊界條件由潮位驅動,潮位模擬設定了M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1,共8個分潮,利用OTPS潮位數據插值得到開邊界節點的潮位信息。模型采用干濕分離進行計算,更好的擬合海岸的水位變化。在控制文件中設置σ垂向分為3層,計算溫度和鹽度為常數參數,溫度為16 、鹽度為32.5。本研究計算采用冷啟動的方式,初始水位和潮流設定為0。此外本研究不考慮河流輸入、風、降雨等對計算的影響。根據天津沿岸附近的自然環境和水文特點,分別選取了天津沿海的入海排污口中具有代表性的3個排污口做為模擬地點,分別為北部的大神堂入海排污口、中間的海河入海排污口和南部的北排河入海排污口,排污口位置如圖1所示。由于是點源瞬時排放,不考慮持續排放的情況,時間選取不需要進行長尺度上的計算,而且實際排污監測是一天一次,因此,模擬計算選取排放后1 h、24 h、48 h、72 h的擴散情況。考慮到渤海灣一年中冬季和夏季的潮流流向存在一個轉向的問題[20-21],分別進行了1月、7月各10 d的模擬計算,由模擬結果可以看到冬季、夏季3個不同排污口污染物的擴散情況。由于不同污染物的濃度單位不一樣,在染色體示蹤計算的過程中進行了歸一化的表示,將排放時刻的污染物確定為1,擴散過程為稀釋過程,按百分比含量計算。

1.3 模型水動力驗證

通過1月模型運行的設置和輸入文件的準備,進行了模型水動力的計算,得到計算區域的潮位結果,選取計算區域網格中間節點進行潮位驗證,使用再分析數據OTPS的插值潮位信息和模型計算的潮位進行驗證。驗證結果如圖3所示,其中實線為模型計算得到的潮位值,虛線為OTPS數據插值得到的值。從圖中可以看出,在冷啟動開始后一段時間潮位模擬的結果和再分析數據能夠很好的吻合,潮位的波動趨勢是一致的,可以認為模型對于水動力的計算是正確的。

圖3 計算區域中心節點潮位數據驗證圖

2 污染物擴散隨時間變化的模擬結果

2.1 冬季排污口污染物擴散結果

當可溶保守性污染物超量排放在大神堂入海排污口附近時,污染物的擴散輸運變化如圖4所示。剛排放1 h,在排污口附近,污染物排放形成高污染的排放流；排放24 h后,殘留的污染物向兩側擴散,污染量逐步被稀釋,污染中心依然保持高的污染程度；排放48 h后,污染范圍進一步向兩側擴大,但污染物很大程度上被海水潮流稀釋,污染中心僅為13%左右；排放72 h后,污染物幾乎被海水消散,高于10%的擴散范圍只有靠岸的一小部分。整體上看,大神堂入海排污口的污染殘留基本上是向兩側方向,在靠岸的海域,靠近岸邊的中心污染位置污染物濃度始終保持在10%左右,外海海域污染物持續消散。

圖4 1月大神堂入海排污口污染物擴散圖

當可溶保守性污染物超量排放在海河入海排污口附近時,污染物的擴散輸運變化如圖5所示。剛排放1 h,污染物排放在排污口附近,形成高污染的排放區域；排放24 h后,污染物沿河道向外消散,北側較南側擴散快,污染物快速被稀釋,南側靠岸水域還保持較高的污染水平；排放48 h后,污染物進一步被潮流稀釋,沿河道向外擴散范圍變大；排放72 h后,污染物的濃度水平和48 h時基本一致,在排放點有一個小范圍保留點。整體上看,海河入海排污口的污染殘留基本上是在河流入海口附近,北側的污染物消散程度較南側高,污染物濃度水平比南側低,污染物擴散在48 h后基本保持一致的水平。

圖5 1月海河入海排污口污染物擴散圖

當可溶保守性污染物超量排放在北排河入海排污口附近時,污染物的擴散輸運變化如圖6所示。剛排放1 h,污染物排放在排污口附近,形成高污染的排放區域；排放24 h后,污染物在排污口向外海擴散,并且快速消散,中心污染程度僅為排放時的30%左右；排放48 h后,污染物進一步向外擴散,但北側污染物沿岸邊有一個向北的污染殘留,南側沿岸邊有一個向南的污染殘留如圖中紅色框所示,形成了一個人字形的污染物擴散殘留情況,保持較高污染程度；排放72 h后,北側污染物基本被潮流消散掉,向外海的污染物也被消散掉,南側的污染物保留了下來,并且不斷的向南擴散。整體上看,北排河入海排污口的污染擴散基本上是由污染中心向外消散,但北側向外擴散的較快,南側向岸有一個保留,具有較好的污染保持性,隨著海水和潮汐涌動的消散能力較弱。

圖6 1月北排河入海排污口污染物擴散圖

2.2 夏季排污口污染物擴散結果

當可溶保守性污染物排放在大神堂入海排污口附近時,污染物的擴散輸運變化如圖7所示。剛排放1 h,污染物排放在排污口附近,形成高污染的排放流；污染24 h后,污染物除了紅色框中還有殘留外基本被擴散開來,可以看見污染物向外擴散,污染中心是最初污染程度的20%左右；污染48 h后,污染范圍隨著潮流的往復進一步向四周擴大,但污染物很大程度上被海水潮流稀釋,污染中心僅為7%左右；污染72 h后,污染物幾乎被海水消散,只有靠岸部分的海水中有污染物的殘留且范圍很小。整體上看,大神堂入海排污口的污染殘留基本上是在靠岸部分海域,外海海域污染物不會保留,污染向四周擴散,相比冬季來說有較高的擴散能力。

圖7 7月大神堂入海排污口污染物擴散圖

當可溶保守性污染物排放在海河入海排污口附近時,污染物的擴散輸運變化如圖8所示。剛排放1 h,污染物排放在排污口附近,形成高污染的排放區域；排放24 h后,污染物的殘留在河道中出現了兩部分的高值區,如圖中a、b兩部分所示,但污染物也被潮流進行擴散稀釋,兩部分污染程度高值區僅為最初的30%左右；排放48 h后,污染物進一步被潮流稀釋,沿河道向外擴散范圍變大,還是可以看見兩部分的分區；排放72 h后,a部分的污染物基本被擴散開,只有b部分還有污染物的殘留。整體上看,海河入海排污口的污染殘留基本上和冬季相似也是在河流入海口附近,污染物隨著時間的延長逐步被擴散開。

圖8 7月海河入海排污口污染物擴散圖

當可溶保守性污染物排放在北排河入海排污口附近時,污染物的擴散輸運變化如圖9所示。剛排放1小時,污染物排放在排污口附近,形成高污染的排放區域；排放24 h后,污染物在排污口沿岸向南擴散,并且污染程度快速下降為最初污染程度的20%左右；排放48 h后,污染物隨著潮水進一步向外擴散,但殘留的污染物僅殘留在排污口沿岸附近,有一個向北岸堆積,在北岸邊有一個污染物殘留高值區；排放72 h后,污染物殘留更加保留在排污口附近,外部海域很少有污染物,但排污口附近殘留的污染物也僅為最初的10%左右。整體上看,北排河入海排污口的污染擴散基本上是由污染中心貼岸擴散,但在排污口附近有污染物的持續,且北岸岸邊有污染物的高值區,較冬季相比,擴散能力更強,但污染物殘留區更集中。

圖9 7月北排河入海排污口污染物擴散圖

3 污染物擴散結果的潮流場分析

3.1 冬季排污口污染物擴散結果的潮流場分析

為了說明冬季污染物在潮流影響下的擴散情況,3個排污口的潮流漲急、落急時刻的模擬結果如圖10-圖12所示。從圖中可以看出,大神堂入海排污口附近海域的漲急潮流是由海向岸方向傾斜流動,落急潮流是由岸向海方向流動；海河入海排污口附近海域的漲急時刻潮流是由外海向河口方向流動,落急時刻潮流是由河口向外海方向流動,在靠近河口位置落急潮流明顯小于漲急潮流；北排河入海排污口附近海域的漲急時刻潮流是由外海向沿岸流動,落急時刻潮流是由岸向外海流動,這與污染物向離岸-向岸方向消散情況一致,且在靠近排污口北側岸邊時是貼岸方向進行往復流,這可以很好的解釋圖6中紅色框中污染物有一個向北的溢出。

圖10 1月大神堂海域漲急時刻、落急時刻流場圖

圖11 月海河口海域漲急時刻、落急時刻流場圖

圖12 1月北排河海域漲急時刻、落急時刻流場圖

為了比較漲潮和落潮對于污染物擴散影響的主導,將一個潮周期中漲潮流和落潮流做了差值 (正表示漲潮流大于落潮流,負表示漲潮流小于落潮流),結果如圖13所示。在大神堂排污口附近海海域是漲潮流大于落潮流,污染物隨著潮流向岸邊進行擴散,但由于岸邊的阻擋作用,所以污染物向兩側進行擴散,這就形成了排污口附近污染物在沿岸區域有殘留的現象。海河排污口河道中漲潮流大于落潮流,污染物隨著潮流整體向河口擴散,這就形成了海道內河口附近較高的污染物殘留,且河道口比較封閉,所以污染物只受潮流作用,很少往外海擴散。北排河排污口海域南岸區域漲潮流大于落潮流,污染物隨著潮流向岸堆積,北岸區域落潮流大于漲潮流,污染物隨著潮流向離岸方向輸運,出了排污口附近后又是漲潮流在主導擴散方向,如圖13(c)中綠色框所示。由于漲潮流在貼岸附近北側有向北的偏轉,南側有向南的偏轉,這就造成了排污口北側污染物貼岸向北擴散,南側污染物在岸邊堆積保留并貼岸向南擴散,形成人字形污染物殘留。

圖13 1月3個排污口附近海水漲、落潮流差值圖

3.2 夏季排污口污染物擴散結果的潮流場分析

為了說明夏季污染物在潮流影響下的擴散情況,3個排污口的潮流漲急、落急時刻的模擬結果如圖14-圖16所示。從圖中可以看出,大神堂入海排污口附近海域的漲急潮流是由岸向海方向傾斜流動,落急潮流是由海向岸方向流動；海河入海排污口附近海域的漲急時刻潮流是由河口向外海方向流動,落急時刻潮流是由外海向河口方向流動,在靠近河口位置漲急潮流明顯小于落急潮流；北排河入海排污口附近海域的漲急時刻潮流是貼岸向北方向,到排污口北側時向外海方向,落急時刻潮流是貼岸向南流動,海水在整個漲落潮只有在潮流轉向的時候有向外海的流動,這可以很好地解釋夏季北排河口污染物沿岸南北擴散的情況,且污染殘留為什么聚集在河口附近。

圖14 7月海河口海域漲急時刻、落急時刻流場圖

圖16 7月北排河海域漲急時刻、落急時刻流場圖

圖15 7月海河口海域漲急時刻、落急時刻流場圖

將夏季一個潮周期中漲潮流和落潮流做了差值,得到結果如圖17所示。在大神堂排污口附近海海域是落潮流大于漲潮流,污染物隨著潮流向岸邊進行擴散,外海海域漲潮流大于落潮流,污染物向外海擴散,如圖17(a)中綠色框所示,這就形成了圖7紅色框中污染物殘留的現象。海河排污口河道中河口是落潮流大于漲潮流,污染物隨著潮流整體向河口擴散,河口靠外海域是漲潮流大于落潮流,污染物沿河道向外擴散,如圖17(b)中綠色框所示,這就形成了圖8河口附近a、b兩部分的擴散區域,有向河口和向外海的擴散。北排河排污口海域漲潮流大于落潮流,污染物隨著潮流沿岸向北擴散,但由于北部有一個向外的凸出海岸,所以排污口北側污染物被保留下來,形成了一個岸邊的高污染區域,并且污染物集中殘留在排污口附近。

圖17 7月3個排污口附近海水漲、落潮流差值圖

4 結 語

本研究基于FVCOM模型的染色示蹤模塊對天津3個入海排污口排放可溶保守型污染物隨潮汐擴散的情況進行了模擬,得到了冬季和夏季1 h、24 h、48 h和72 h后的污染物擴散情況。

模擬結果顯示:冬季,大神堂排污口向岸海域污染物不容易擴散出去,在岸邊有所殘留,海河排污口在河道口附近有污染物保留,北排河排污口排放48 h后有一個南北的人字形污染物殘留,最終在南岸堆積。夏季,大神堂排污口兩側污染物殘留較少,主要是向外延伸,海河排污口在河道上有向內和向外的兩部分污染擴散,并且向外擴散的更快,更容易消散,北排河排污口向外擴散的比冬季更廣,但污染物集中殘留在排污口附近。整體上夏季的污染物擴散的比冬季快,3個排污口的污染物殘留都比冬季低。

模擬潮流的結果顯示:冬季和夏季漲潮和落潮方向相反,基本都是向海和離岸的方向,但在夏季北排河排污口岸邊為貼岸向南北方向流。值得一提的是,在夏季大神堂排污口靠岸海域是落潮流主導,海河排污口河道中出現兩部分由不同潮流主導的區域,在河口附近是落潮流主導,靠外海是漲潮流主導,這導致了污染物分別向河口和外海擴散。

本研究得到的污染物擴散保留區可以在發生重大事故時為環境監測部門提供科學依據,可在重點區域迅速做出響應,進行治理工作。但本次模擬也存在不足,缺少對河流輸入的影響研究,今后將進行包括河流徑流在內的模擬研究。