不同設計水文條件下近岸海域水環境容量的研究

李 茜，程乾坤，方 皓，符云琳

（廣東環境保護工程職業學院 環境科學研究所，廣東 廣州 510655）

引言

近岸海域有著豐富的漁業、礦產、水、旅游等資源，是維系著濱海城市社會經濟發展的重要保障，是重要的資源地[1]。隨著沿海地區經濟的快速發展和人口的激增，使得近岸海域的污染日趨嚴重，近岸海域海洋環境容量已成為濱海地區區域發展的重要制約因素之一[2-4]。高欄港經濟區位于珠海市西南端，珠江雞啼門至虎跳門出海口之間，由高欄、南水兩個半島和荷包、大杧等海島及黃茅海東部沿岸陸域和海域組成。高欄港經濟區是依托華南沿海主樞紐港高欄港而設立的經濟功能區，2012年3月，經國務院批準，升級為國家級經濟技術開發區。本研究通過MIKE 21軟件建立的水動力與污染物輸運數學模型計算了六種不同水文條件下化學需氧量（COD）的總容量，為制定水污染總量控制方案和實施水環境目標管理等提供科學支撐。

1 區域概況

1.1 海洋水文概況

黃茅海是位于珠江口西部的喇叭狀河口灣，崖門和虎跳門交匯于灣頂，上通潭江和西江，灣口由一系列島嶼（含大杧、荷包、高欄等島嶼）形成屏障，通過島嶼間的峽口和南海相通，是水道泄洪、納潮的主要通道[5-6]。黃茅海河口的潮汐為不正規半日潮，其潮性系數在荷包島為1.35，一天內有兩次漲落潮過程，而且潮高不等顯著[7]。由于受喇叭型地形收縮的影響以及上游徑流的頂托作用，進入黃茅海的潮波發生變形，由灣口至灣頂，漲潮歷時沿程縮短，落潮歷時沿程增加，潮差呈灣頂附近最大，在上、下游逐漸趨減的分布狀況。崖門口-黃茅海-高欄列島一帶海區海流是潮流、徑流和沿岸流的共同流。這一帶屬于強潮弱徑流海區，高欄、荷包的外側有一股常年偏西南向的沿岸流。潮流基本上為往復流。

1.2 入河排污口概化

入河排污口概化時，若多個入河排污口相隔距離較近時，可將多個入河排污口視作一個集中獨立入河排污口。據調查，高欄港經濟區污染物入海排放口全部為沿岸排放，其中一個位于雞啼門保留區，其余均位于高欄港口航運區，距離相近。結合相關規劃及排污口概化原則，本次研究的入河排污口最終概化為2個，分別位于雞啼門保留區和高欄港口航運區，詳見圖2。

2 水環境數學模型的構建

2.1 模型介紹

模型軟件采用丹麥水資源及水環境研究所（DHI）開發的MIKE 21軟件，MIKE軟件是目前世界上領先的、經過實際工程驗證最多的、被水資源研究人員廣泛認同的優秀軟件[8]。模型的相關方程介紹請參看文獻［9］。

2.2 計算范圍

本次模型計算范圍，上游河流邊界至雞啼門水道上的雞啼門大橋處，虎跳門水道西炮臺水位站，崖門水道官沖水位站；外海東邊界至三灶潮位站；外海西邊界至大襟島以西鵝頭咀；外海向南至海水水質國控/省控監測點位處。模型網格示意見圖1，網格邊長在700～1 000 m，靠近岸邊海域根據模型計算需要予以細化，局部細化區域網格邊長在100～300 m，共8 279個計算網格，4 453個計算節點。

圖1 模型網格劃分示意圖

圖2 水文(T）和水質(W）監測站點

圖3 水文、水質驗證

圖4 COD水環境容量計算結果

2.3 模型參數率定

（1）水動力模型參數率定。利用小潮期和大潮期補充監測點位實測流速、流向以及高欄島潮位站實測值對模型進行率定，率定得出大曼寧系數取值為60-200m1/3/S，水平渦粘性系數取為0.28。從率定結果來看，計算流速與實測流速相差一般不超過30%，計算流向與實測流向相差一般不超過90°，計算潮位與實測潮位相差一般不大于0.1 m，總體上來說，計算海流可以代表高欄港經濟區近岸海域實際海流場。

（2）水質模型參數率定。利用小潮期和大潮期補充監測點位實測水質，率定得出COD的降解系數取為0.057 d-1。從率定結果來看，小潮期各點COD誤差在4.5%～22.9%之間，大潮期各點COD誤差在1.9%～24.5%之間，大小潮期各點誤差基本符合相關模擬技術規范的精度要求。

3 環境容量估算

3.1 計算方案

本次研究在考慮入海河道豐、平、枯水過程以及外海邊界大、中、小潮差的基礎上，共設計了六種設計水文條件，詳見表1。

表1 六種設計水文條件

3.2 計算結果

在上文選取的六種設計水文條件下，情景1至情景4水文條件下計算的COD總容量分別為413.6 t、403.7 t、390.3 t、387.3 t，情景5和情景6水文條件下計算的COD總容量分別為234.9 t、193.6 t。

分析計算結果可知，情景1至情景4水文條件下計算的COD總容量較為接近，情景5至情景6水文條件下計算的COD總容量較為接近，情景1至情景4水文條件下計算的COD總容量顯著大于情景5至情景6水文條件下計算的COD總容量。由此可見，外海邊界潮位數據對計算結果影響較大。

情景1至情景6水文條件下計算的COD總容量大小為：情景1＞情景2＞情景3＞情景4＞情景5＞情景6。由此可見，上游邊界豐水期計算的環境容量最大，枯水期計算的環境容量最小，外海邊界大潮差條件下計算的環境容量最大，其次為中潮差條件下，再次為小潮差條件下，利用調和常數計算的潮位作為外海邊界條件下，計算的環境容量最小。

4 結果與討論

（1）利用MIKE 21軟件的HD、AD模塊構建珠海高欄港經濟區近岸海域水環境數學模型，并對模型進行率定，率定結果表明各測點的水文、水質計算值與實測值吻合良好，該模型可用于模擬 該區域的水文水質變化過程。

（2）運用構建的水環境數學模型模擬了六種不同水文條件下COD總的環境容量，結果表明情景1至情景4水文條件下計算結果較為接近，情景5至情景6水文條件下計算結果較為接近，情景1至情景4水文條件下計算結果顯著大于情景5至情景6水文條件下計算結果，由此可見，外海邊界潮位數據對計算結果影響較大。

情景1至情景6水文條件下計算的COD總容量大小為：情景1＞情景2＞情景3＞情景4＞情景5＞情景6。由此可見，上游邊界豐水期計算的環境容量最大，枯水期計算的環境容量最小，外海邊界大潮差條件下計算的環境容量最大，其次為中潮差條件下，再次為小潮差條件下，利用調和常數計算的潮位作為外海邊界條件下，計算的環境容量最小。