基于Delft3D模型對深圳灣近岸海域污染物遷移模擬

孫文郡，范博淵，黎栩霞，徐 旭

（1.廣東省深圳生態環境監測中心站，廣東 深圳 518000；2.天津市濱海新區環境創新研究院，天津 300450）

深圳灣位于珠江口伶仃洋入海口東部，北接深圳特區中心區，南接香港新界，屬于半封閉型海灣[1]，水深較淺，平均水深約34 m。深圳灣地處深圳和香港2座高度城市化區域中，含有大量的氮、磷及其他無機鹽類的生活污水和工業廢水以及農田排水排入河口，由于深圳灣海床平坦，使其成為污水源的匯集區。此外，因半封閉型海灣的地理條件，深圳灣與其他海域間的水交換能力較弱，海水的自凈能力較差，引發深圳灣海域的水環境污染問題。近岸海域地處海洋和陸地的交匯區，其地理位置決定了近岸海域的水質狀況，同時水質情況也可以反映海陸兩區的污染程度，近岸海域水環境狀況的改善有利于實現海陸生態環境可持續發展。

為深入了解深圳灣近岸海域的陸海水質響應關系，建立重點海域陸海水質響應模型，以期利用實測數據、通過模型分析獲得深圳灣水質時空變化規律。選取應用較為廣泛的Delft3D 模型對深圳灣近岸海域的水質狀況進行數值模擬研究，分析深圳灣海域污染物遷移規律，以期為深圳灣水環境質量改善提供科學依據，并為其他地區近岸海域水污染治理提供參考。

1 模型的建立與驗證

1.1 Delft3D模型

Delft3D 模型是由荷蘭Delft 大學WL Delft Hydraulics 開發的一套功能強大的軟件包[1]，主要應用于地表水環境研究。Delft3D 模型具有靈活的框架，能夠模擬二維、三維的水流、波浪、水質、生態、泥沙輸移及床底地貌以及各個過程之間的相互作用，它是國際上最為先進的水動力-水質模型之一。Delft3D 模型在國際上應用十分廣泛，如荷蘭、波蘭、德國、澳大利亞、美國等，尤其在美國己經有很長的應用歷史。中國香港地區從20 世紀70 年代中期開始使用Delft3D模型，已經成為香港環境署的標準產品[2]。Delft3D 模型從20 世紀80 年代中期開始在中國大陸也有越來越多的應用，如長江口、杭州灣、渤海灣、太湖、滇池等地的應用。

1.2 水動力模型建立

水動力模型的建立需考慮鹽度、溫度、自由曲面的熱交換太陽能（短波）、大氣長波輻射的單獨效應以及由于回輻射、蒸發、對流產生的熱損失[3]，同時確定模型的邊界。模型的邊界包括深圳灣灣口以及5條主要河流的入海河口。灣口處邊界條件包括水位、溫度和鹽度。水位邊界條件根據歷史數據，采用潮汐調和分析方法計算了潮汐調和常數，并采用分潮方法估算潮位，其得到的分潮及潮汐調和常數具有較好的擬合度。鹽度和水溫的邊界條件選用10—12 月的逐月鹽度和水溫數據，其中一個監測點恰好位于深圳灣水動力模型的灣口邊界處，可以代表邊界的鹽度和溫度情況，通過線性插值的方法得到逐日的水溫和鹽度數據，如圖1所示。

圖1 水動力模型建立的網格

1.3 水質模型建立

水質模型的建立需考慮溶解氧（DO）、生化需氧量（BOD）、氨氮（NH3-N）、硝酸鹽（NO3）、磷酸鹽（PO4）等水質數值。

首先，在Initial condition中設置各個物質的初始狀態，物質包括溶解氧、生化需氧量、氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽、溶解有機氮（DON）和溶解性有機磷（DOP）。考慮到深圳灣區域各個物質量不一致，選取深圳市近岸海域監測點位，具體點位如圖2所示，對深圳灣的2021年10月28日的各水質參數監測值進行插值，專項監測物質包括溶解氧、生化需氧量、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、活性磷酸鹽、總氮（TN）和總磷（TP）。

圖2 監測點位置

根據Delft3D 的水質模型原理和各物質過程關系，實測硝酸鹽氮加亞硝酸鹽氮為模型中的硝酸鹽，實測活性磷酸鹽為模型中的磷酸鹽，總氮減去氨氮、硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮之和為模型中的溶解有機氮，總磷減去活性磷酸鹽為模型中的溶解有機磷，將10月各點的水質參數數據導入ArcGIS中，利用克里金插值法[4]進行插值得到深圳灣10月各物質濃度分布，如圖3所示，生成深圳灣區域的矢量點數據導入水質模型的初始條件中，得到基于空間分布的各物質初始條件。

圖3 水質模型中各物質初始濃度分布

1.4 水質模型驗證

根據實測數據對模擬出的水質數據進行驗證比對，確定模型建立的準確性。水質監測數據來自深圳市近岸海域專項監測，選取LH016—LH024 的2021 年10—12 月中10 月28 日、11 月18 日和12 月10 日的水質參數監測值，因LH016 為灣口的邊界條件，故選用LH017—LH024 的逐月實測值作為驗證資料，驗證的水質參數包括溶解氧、生化需氧量、氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽、總氮和總磷。水質模擬得到的12月31日的各物質濃度分布，如圖4所示。

圖4 各參數12月31日模擬結果

由模擬結果可知，各參數模擬值與實測值基本保持一致，其中溶解氧模擬值與實測值最為接近，模擬效果最好[5]；總磷和磷酸鹽在深圳灣灣頂處模擬值比實測值偏低；氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽等濃度呈現由灣頂（靠近深圳河河口處）向灣口逐漸下降的情況，河口部分濃度明顯高于其他海域濃度，符合實際情況。水質參數實測值與模擬值對比，如圖5所示。

圖5 水質參數實測值與模擬值對比

本項目建立了深圳灣的水動力、水質模型，根據實測資料，驗證了深圳灣的水位、溫度、鹽度、溶解氧、氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽、總氮和總磷，能較好地反映深圳灣的水動力、水質情況。

2 深圳灣水質模擬結果分析與討論

2.1 污染物指標分布特征

通過數據模擬，可以確定深圳灣近岸海域各污染物指標分布特征。深圳灣海域污染源除受深圳特區鹽田區、寶安區等區域的入海污染物影響之外，還受珠江口上游地區帶來的污染物影響。其中，深圳河在匯集了沿途各支流的污染負荷及面源污染負荷后，沿深圳河航道流入深圳灣，是深圳灣最大的污染源。

由于深圳灣頂及淺灘區域的水體交換能力較弱[6]，污染物被排放之后不能及時被稀釋，從而積累形成污染[7]。在灣頂部，污染物擴散是影響氨氮、磷酸鹽等污染物濃度的主要因素；在灣中部，硝化過程是影響氨氮濃度的主要因素。浮游植物的死亡率[8]可能是影響磷酸鹽濃度的主要因素，其中底層腐殖質的分解補充是灣中部及灣口區磷酸鹽的主要來源[9]。

圖6—9 分別為溶解氧、氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽一個潮周期內的濃度分布圖。溶解氧和各種污染物濃度在一個潮周期內隨時間的變化均具有如下特點。

圖6 一個潮周期溶解氧濃度變化

圖7 一個潮周期氨氮濃度變化

圖8 一個潮周期硝酸鹽濃度變化

圖9 一個潮周期磷酸鹽濃度變化

（1）在漲急時刻，外海大量海水進入深圳灣內，由于受大量清潔海水涌入產生的稀釋作用，灣內污染物濃度減小[10]。溶解氧濃度隨潮流方向由灣口至內灣及河口減少，污染物濃度表現為隨潮流方向由灣口至內灣及河口地區迅速增大。同時，由于潮流沿深圳河口的上溯抑制了污染物向灣內的排放，在深圳河入海處污染物濃度減小，上游濃度加大。

（2）隨著外海更多水體進入深圳灣，灣內水體總體積進一步增加，因此在漲憩時刻灣內的溶解氧進一步增大，污染物濃度進一步減小[11]。高濃度區域主要分布于深圳河口和大沙河口一側沿岸。此時，深圳河內的污染物由于受潮流的影響，污染物高濃度分布區域進一步向上游推進。

（3）在落急時刻，大量的污染物借助潮流的作用進入深圳灣，灣內污染物影響的范圍和程度都有明顯的增加，溶解氧降低，在深圳河入灣口和大沙河入灣口出現明顯高濃度污染區域，其中大沙河口處的氮含量最高、深圳河口處的磷含量最高。

（4）在落憩時刻，深圳灣接受了大量的污染負荷，但是由于流速較小，不利于污染物的輸移擴散，灣內溶解氧濃度降低，污染物濃度有所增加，此刻污染物濃度最高。

深圳灣內的污染物濃度分布對潮汐變化敏感性強，其不僅受各污染源點源強與流量的影響，而且受灣內的潮汐動力影響。在流速較小的時刻，污染物在水體中輸移擴散能力較弱，污染物的濃度值較大[12]。在漲急時刻，灣外大量水體進入深圳灣，有利于污染物的稀釋；相反，在落急時刻，各徑流中的污染物被迅速帶入海灣，在河流入海口處濃度值較大，其中深圳河和大沙河河口處的污染物濃度最高。

由污染物濃度場模擬結果得知，全海域溶解氧濃度值從灣口向灣頂逐漸減少、大體保持在5～7 mg/L，污染物濃度值總體從灣口向灣頂逐漸增大，濃度梯度由外向內遞增，深圳灣的物理自凈能力除深圳河和大沙河入口外，大體上呈現由外灣向內灣遞減趨勢，外灣自凈能力強于內灣[13]，濃度變化和水位成明顯的負相關關系。

2.2 關閉深圳河入灣水質情況

為確定重污染河流對深圳灣污染程度的大小，通過對關閉深圳河入灣河流的工況進行模擬，分析深圳河對深圳灣水質的影響情況，定量對比深圳河入灣和關閉深圳河入灣工況下的深圳灣污染物變化情況。以溶解有機氮和磷酸鹽濃度在點LH019、LH021 和LH023 的變化過程為例，分析2 種工況下的深圳灣水質變化情況。

2.2.1 溶解有機氮濃度變化

LH019、LH021 和LH023 處的溶解有機氮濃度變化過程，如圖10—12所示。

圖10 LH019處溶解有機氮濃度對比

圖11 LH021處溶解有機氮濃度對比

圖12 LH023處溶解有機氮濃度對比

通過對比不同位置的深圳灣溶解有機氮濃度可以發現，LH019 處溶解有機氮平均濃度由0.93 mg/L降至0.88 mg/L，削減5.41%；LH021 處溶解有機氮平均濃度由1.02 mg/L 降至0.93 mg/L，削減9.23%；LH023 處溶解有機氮平均濃度由1.23 mg/L 降至1.00 mg/L，削減18.87%。關閉深圳河入灣后深圳灣整體溶解有機氮濃度降低，靠近深圳河河口處的灣頂降低最大；越靠近灣口，關閉深圳河入灣對深圳灣的溶解有機氮濃度的影響越小，濃度降低的幅度越小。以上分析說明，深圳河對深圳灣污染貢獻較大。

2.2.2 磷酸鹽濃度變化

LH019、LH021和LH023處的磷酸鹽濃度變化過程，如圖13—15 所示。通過對比不同位置的深圳灣磷酸鹽濃度可以發現，LH019 處磷酸鹽平均濃度由0.031 1 mg/L 降至0.029 4 mg/L，削減5.43%；LH021處磷酸鹽平均濃度由0.033 5 mg/L降至0.030 4 mg/L，削減9.14%；LH023處磷酸鹽平均濃度由0.039 5 mg/L降至0.031 3 mg/L，削減20.89%。和溶解有機氮變化相一致，靠近深圳河河口處的磷酸鹽濃度降低幅度最大；越靠近灣口，關閉深圳河入灣對深圳灣的磷酸鹽濃度的影響越小。以上分析說明，深圳河的匯入對深圳灣水質造成較大影響。

圖13 LH019處磷酸鹽濃度對比

圖14 LH021處磷酸鹽濃度對比

圖15 LH023處磷酸鹽濃度對比

根據溶解有機氮和磷酸鹽在2 種情景下的不同變化情況發現，深圳河的水質較差對深圳灣的水質有一定影響，關閉深圳河入灣能在一定程度上改善深圳灣水質。深圳河河口對內灣的水質影響明顯大于外灣，深圳河入灣關閉后深圳灣整體水質提高，灣頂處水質改善最大。灣頂處水交換能力較弱，污染物排放易滯留于灣內，故在控制外部污染入灣后其水質得到明顯改善；而灣口處水質與外灣水體交換大[14]，水流通暢，水交換能力強，受外部污染影響小。關閉深圳河入灣后污染物平均濃度變化，詳見表1。

表1 關閉深圳河入灣后污染物平均濃度變化%

2.3 灣內水質空間變化規律

通過水質模型模擬分析，獲得深圳灣近岸海域水質時空變化規律。深圳灣溶解氧濃度值從灣口向灣頂逐漸減少、大體保持在5～7 mg/L，污染物濃度值總體從灣口向灣頂逐漸呈現遞增趨勢（濃度梯度由灣口向灣頂遞增）[15]，在靠近深圳河和大沙河河口處溶解有機氮濃度超過1 mg/L，氮磷營養鹽濃度偏高。

深圳灣內的污染物濃度分布對潮汐變化敏感性強，其不僅受各污染源點源強與流量的影響，還受灣頂的潮汐動力的影響。在漲急時刻，灣口大量水體進入深圳灣，有利于污染物的稀釋；相反，在落急時刻，各徑流中的污染物被迅速帶入海灣，灣口自凈能力強于灣頂，濃度變化和水位成明顯的負相關關系。潮汐變化對深圳灣的水質有較強影響，同時因為地理條件原因灣頂的影響弱于灣口。

2.4 深圳灣污染貢獻分析

通過對深圳灣不同工況的模擬，確定了各條河道的污染貢獻比例。其中，深圳河總磷貢獻率最高，達到38.9%；小沙河總氮貢獻率最高，達到27.67%。但通過總磷和總氮的共同分析發現，深圳河對深圳灣污染貢獻率最高，貢獻率超過了50%。各河流單項污染貢獻率詳見表2，如圖16所示。

表2 各河流單項污染貢獻率%

圖16 各河流單項污染貢獻率

根據水質模擬結果，深圳灣水質主要呈現出灣頂氮磷濃度偏高的情況，深圳河、大沙河河口附近污染物濃度較高，深圳河、大沙河河口對深圳灣水質影響顯著。關閉深圳河入灣后，深圳灣的氮磷濃度總體下降，對灣頂的水質影響顯著，灣頂處污染物濃度值下降約20%；灣口處水體與外灣交換密切，水流通暢，水交換能力強，水質受影響較小。

3 結論

（1）Delft3D 的水質模型各水質參數的模擬值與實測值基本保持一致，氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽等濃度由灣頂向灣口逐漸下降，河口部分濃度明顯高于其他區域，符合深圳灣水質的實際情況。深圳灣水質空間變化規律分析結果顯示，污染物濃度分布對潮汐變化敏感性強，在各污染源點源強、流量、灣內潮汐動力的綜合影響下，污染物濃度呈現從灣口向灣頂遞增的趨勢。

（2）在關閉深圳河入灣的工況下，深圳灣整體水質提高，灣頂處水質改善最大。灣頂處水交換能力較弱，污染物排放易滯留于灣內；而灣口處水質與外灣水體交換量大，水流通暢，水交換能力強，受影響小。

（3）通過對深圳灣進行水質模型模擬可知，深圳河、鳳塘河、小沙河河口對深圳灣水質影響較大，并明確了不同河道對深圳灣的污染貢獻量，提高了陸海聯動響應速度，為深圳市改善近岸海域水質提供了技術支持。