




已阅读5页,还剩44页未读, 继续免费阅读
版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
摘要 近年来,随着沿海地区经济的快速发展和人口的激增,我国近岸海域不仅面 临由传统污染物引起的水环境富营养化和耗氧有机污染等问题,而且还面临着有 毒物污染、尤其是有机毒物污染等问题。但是目前以水质基准为依据的近海水环 境管理还具有一定的缺陷,很难实现对有毒污染物的有效管理。针对上述问题, 本文以天津市近岸海域为研究对象,立足于环境监测数据,通过近海水环境质量 模拟和污染物浓度估值,提出了一套完整的近岸海域生态风险计算和评价的方法 体系,为近海水环境的有效生态管理提供了理论依据和技术手段。 首先,采用d e l f t 3 d 模型中的网格生成模块对模拟区域进行网格划分和正交 化处理,并将某化工企业排放污水水质、近海水质本底值等基础数据作为模拟模 型的参数输入;然后借助d e l f t 3 d 模型中的水动力、水质模块等对该化工企业排 污后天津市近海水环境质量进行模拟,预测得到该化工企业排污后各个监测点的 汞浓度增量值;最终通过将各个监测点汞浓度的增量值与近海本底值进行叠加, 实现了近海水环境质量的模拟和预测。 其次,在近海水环境质量模拟预测得到各个监测点的汞浓度基础上,本文采 用地统计学原理分析各个监测点汞浓度数据的空间结构特征,在实验变差函数曲 线的基础上,采用高斯理论模型对其进行了拟合;然后,采用普通克里格插值方 法对整个研究海域的汞浓度进行了估值;最后,将估值结果在g i s 软件中表达, 实现了汞浓度估值的可视化。 最后,本文选择对汞比较敏感的鱼类作为评价终点,根据近海水环境质量模 拟结果和近海污染物浓度估值结果得到鱼类在近海中的最大环境暴露浓度;在此 基础上,按照平均致死量法计算不同暴露时间下汞对鱼类的半致死浓度l c 5 0 最后根据风险最大化原则,按照生态风险评价模型计算和评价汞对鱼类的生态风 险大小,最终提出了一套完整的近岸海域生态风险计算和评价的方法体系。 关键词:近岸海域;生态风险;模拟;估值;评价 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ,w i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d p o p u l a t i o nb o o m i n gi n c o a s t a lz o n e ,t h ec o a s t a lm a r i n eo fc h i n aa r ef a c i n gn o to n l yt h ee u t r o p h i c a t i o na n d p o l l u t i o no fo x y g e nc o n s u m p t i o no r g a n i cc a u s e db yt r a d i t i o n a lp o l l u t a n t s ,b u ta l s o f a c i n gt h et o x i cp o l l u t i o n ,e s p e c i a l l yo r g a n i ct o x i cp o l l u t i o np r o b l e m h o w e v e r , t h e c o a s t a lw a t e re n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n tw h i c hb a s e do nw a t e rq u a l i t yb e n c h m a r k h a ss o m es h o r t c o m i n g sa tp r e s e n t ,a n di t i sd i f f i c u l tt oa c h i e v ee f f e c t i v em a n a g e m e n t f o rt o x i cp o l l u t a n t s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e ma b o v e ,t h et i a n j i n sc o a s t a lm a r i n e w a st o o ka st h er e s e a r c ho b j e c ta n dac o m p l e t es e to fc o a s t a le c o l o g i c a lr i s k c a l c u l a t i o na n de v a l u a t i o ns y s t e mw a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h r o u g ht h i ss t u d y , i t c o u l dp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n o l o g i c a lm e a n sf o re f f e c t i v ee c o s y s t e m m a n a g e m e n to fc o a s t a lw a t e re n v i r o n m e n t a l f i r s t l y , t h eg r i dg e n e r a t i o nm o d u l eo fd e l f t 3 dm o d e lw a su s e dt od i v i d et h e s i m u l a t i o nm e s hi n t os o m eg i r d s ,a n dt h eb a s i cd a t aw a st r e a t e da st h ep a r a m e t e r si n t o o ft h es i m u l a t i o nm o d e l t h e n t h eh y d r o d y n a m i ca n dw a t e rq u a l i t ym o d u l e sw e r e u s e dt os i m u l a t et h ec o a s t a lw a t e rq u a l i t yc h a n g e sw h e nt h ec h e m i c a ls e w a g ee m i t t e d i n t ot h e t i a n j i n s c o a s t a lm a r i n e ,a n dt h ei n c r e m e n t a lv a l u e so fm e r c u r y c o n c e n t r a t i o n so f14m o n i t o r i n gp o i n t sw e r ep r e d i c t e d w h a t sm o r e ,t h em e r c u r y i n c r e m e n t a lv a l u eo fe v e r ym o n i t o r i n gp o i n tw a ss u p e r p o s e dw i t ht h eb a c k g r o u n d v a l u eo f t i a n j i n sc o a s t a lm a r i n e ,a n dt h e nt h ec o a s t a lw a t e rq u a l i t yw a ss i m u l a t e da n d p r e d i c t e d s e c o n d l y , t h es p a t i a lv a r i a t i o no fc o n t a m i n a n tc o n c e n t r a t i o ni nt h ec o a s t a lm a r i n e w a sa n a l y z e du s i n gg e o s t a t i s t i c a lt h e o r y t h eg a u s s i a nt h e o r e t i c a lm o d e lw a su s e dt o f i tt h ee x p e r i m e n t a lv a r i o g r a mo fc o n t a m i n a n tc o n c e n t r a t i o n a f t e rt h a t t h eo r d i n a r y k r i g i n gi n t e r p o l a t i o nm e t h o dw a se m p l o y e dt oe s t i m a t et h em e r c u r yc o n c e n t r a t i o ni n t h ew h o l es t u d i e da r e a f i n a l l y , t h ee s t i m a t i o nr e s u l tw a se x p r e s s e di ng i ss o f t w a r e a n da c h i e v e dt h ev i s u a l i z a t i o ns t u d yo fm e r c u r yc o n c e n t r a t i o ne s t i m a t i o n a tl a s t ,t h ef i s hw h i c hw a ss e n s i t i v et ot h em e r c u r yw a ss e l e c t e da st h e e v a l u a t i o ne n d t h el a r g e s te n v i r o n m e n t a le x p o s u r ec o n c e n t r a t i o no fm e r c u r yw a s o b t a i n e da c c o r d i n gt ot h ec o a s t a lw a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o nr e s u l ta n dc o n c e n t r a t i o n e s t i m a t i o nr e s u l t a f t e rt h a t ,t h es e m i l e t h a lc o n c e n t r a t i o n s l c ni nd i f f e r e n t e x p o s u r et i m e sw e r ec a l c u l a t e db yt h ea v e r a g el e t h a ld o s em e t h o d f i n a l l y , b a s e do n t h ep r i n c i p l eo fm a x i m i z i n gr i s k ,t h er i s ko fm e r c u 口o nf i s hw a sc a l c u l a t e da n d e v a l u a t e d a n dt h e nac o m p l e t es e to fc o a s t a le c o l o g i c a lr i s kc a l c u l a t i o na n d e v a l u a t i o ns y s t e mw a sp r o p o s e di n t h i sp a p e r k e yw o r d s - c o a s t a lm a r i n e ;e c o l o g i c a lr i s k ;s i m u l a t i o n ;e s t i m a t i o n ;a s s e s s m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得基生盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一虢鲜删、夕砷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一虢野专订 签字日期:7 年2 月毕日 天津大学工程硕士学位论文第一章前言 1 1 课题的提出及研究意义 第一章前言 海岸带地区是自然界的特殊区域,一方面,这里有着丰富且便于开发的能源、 生物和矿产等资源,以及适宜生产、生活的自然环境,具有对当地和区域乃至全 球都十分重要的“三生功能( 生活、生产和生态功能) ,所以海岸带在人类社 会的发展中一直具有非常突出的地位和作用,这些地区也成为人类社会的经济、 政治、文化中心;另一方面,由于海岸带大城市人口的过度集中,经济的高速发 展,使得近岸海域承受着日益严重的压力,出现了近岸海域富营养化、生物多样 性丧失、近海湿地的减少等多种环境问题,而这些问题反过来都会影响海岸带的 人类活动,会大大削弱人类在这一区域追求经济发展所赖以生存的物质基础。迄 今为止,向海洋环境、尤其是近海排污量最大的就是陆域上产生的废水。通向海 洋的下水道中包含着大量的工业、市政、生活等污水。这些大量的污染负荷每天 都从人口密集的大城市中产生,并最终通过排水系统进入河流和近岸海域。所以, 高负荷的工业污染源往往伴随着生活污染源。世界上许多国家都曾报道海湾及近 岸海域的污染情况,比如波罗的海、北海、黑海、亚得里亚海、荷兰海、日本海、 泰国湾以及印度洋等1 1 。2 j ,可以说遍布整个世界的近岸海域。在过去3 0 年里,只 有少数的发达国家开始了海洋环境的保护工作,并且这些工作也有很大的局限 性。但是,海洋环境不仅没能改善,还在进一步恶化。不过,人们对于海洋污染 的观念有了很大的变化,并开始重视海洋污染,特别是近海污染已经成为世界上 各个国家共同关注的问题,研究近海污染的成果也层出不穷1 3 j 。 近年来,随着海岸带经济的快速发展和人口的激增,我国近岸海域的污染也 日趋严重。本文研究的海域为天津市近岸海域,天津地处环渤海地区,其借助优 越的地理位置,一直是我国北方社会、经济发展的中心地带,尤其是国家“十一 五”规划确定了重点发展天津市滨海新区的战略,这必将带动该区域经济的跨越 式发展。天津市近岸海域在经济发展方面的功能要得以更好的体现,其中近海水 环境质量的优劣是其更好发挥作用的前提和基础,同时经济的发展也将给天津市 近岸海域的水环境质量带来更大的压力。但是,近年来天津市近岸海域由于受地 理位置和自然条件的影响,其水质有加快恶化的趋势,也持续出现了水体富营养 天津大学工程硕士学位论文第一章前言 化等环境问题,这给天津市近岸海域的水环境质量带来了很大的压力,尽管国家 和地方政府采取了大量的技术手段,其污染问题仍然呈现日益严重的趋势:2 0 0 3 年中度和重度污染海域面积比2 0 0 2 年均有所增加,2 0 0 4 年的赤潮次数由2 0 0 3 的1 次增加至4 次,赤潮发生面积由2 0 0 3 年的1 0 0k m 2 增加至3 2 3 0k m 2 【引。 目前,我国近岸海域不仅面临由传统污染物引起的水环境富营养化和耗氧有 机物污染,而且还面临着近海水环境毒物污染、尤其是有机毒物污染的严峻挑战。 近几年来,我国近岸海域,尤其是东南沿海地区的不少水体已遭到不同程度的有 毒物污染。为尽早遏制我国近海水环境由于毒物污染引起水质恶化的趋势,强化 毒物污染点源控制与生态风险管理已势在必行。自2 0 世纪8 0 年代以来,发达国 家在近海水环境毒物污染点源控制和生态风险管理领域已取得了长足的发展,对 改善水质、保障生态安全和人群健康发挥了积极作用。但是我国在近海有毒污染 物生态风险方面的研究较少,在近海水环境管理方面,多是以水质基准为依据, 制定水污染物排放标准、具有特征化学污染物浓度和负荷排放许可限的排污许可 证制度以及海水水质标准等【5 】。但是这些水质基准所涉及的化学物质毕竟是少 数,许多复杂的化工废水在成分识别上存在很大的困难和障碍。因此,现有的污 水排放标准不能对工业废水中存在的所有有毒污染物予以限制,而海水水质标准 也很难实现对近海有毒污染物的有效生态风险管理。 针对上述问题,本课题以天津市某化工企业作为排污对象进行研究,该化工 企业通过某市政排污口常年向天津市近岸海域排放污水,排污口位置位于北塘口 附近( 见图1 1 ) 。环境管理部门监测数据显示,该化工企业排放污水量约为l 万吨天,其中主要水质指标c o d 、b o d 、氨氮等符合国家和地方污染物排放标 准的要求,但是污水中含有有毒物汞。根据污染物排放标准的要求,其只对污水 中最大汞允许排放浓度具有一定限制,而并未对汞的排放总量等作出要求。另一 方面,有毒物汞进入近海水环境中,其中一部分汞可以通过水生生物的吸收、富 集等生物放大作用积累,这样不仅会增加对水生生物的生长造成的影响,而且人 体食用这些鱼类后身体健康也会受到一定程度的危害;而另一部分汞沉降进入沉 积物中并通过后续的释放作用对水生生物产生影响。因此,目前以水质基准为依 据的近海水环境管理不仅不能对汞的排放作出必要限制,也不能很好的计算和评 估排污后汞对水生生物生长造成的影响。为了解决上述问题,本文特从生态风险 管理角度对该化工企业排污后所造成的近海水环境质量影响进行计算和评价。在 借鉴国外近海水环境生态风险评价方法和模型研究的基础上,通过本论文的研 究,提出了一套完整的切合我国实际的近海有毒物生态风险计算和评价的方法体 系。该方法体系集近海水环境质量模拟、污染物浓度估值和生态风险计算和评价 于一体,克服了目前以水质基准为依据的近海水环境管理中存在的缺陷,可为近 2 天津大学工程硕士学位论文第一章前言 海水环境的有效生态管理提供理论依据和技术手段。 1 2 国内外研究现状 图1 - 1 天津市近岸海域及排污口位置 无论在发达地区还是发展中地区,海洋,尤其是近岸海域正遭受着人为活动 带来的污染,如何有效的控制近海的污染,使其达到功能区划提出的水质目标, 是世界各国环境管理和研究机构的工作焦点。但是,近年来随着近海水污染问题 调查的不断细化和水环境管理研究工作的开展,人们发现近海区域不仅面临由传 统污染物所引起的水环境富营养化和耗氧有机物污染等问题,而且还面临着近海 水环境有毒物污染、尤其是有机毒物污染的严峻挑战,而目前以水质基准为依据 的污水排放标准和海水水质标准在近海水环境管理中具有一定的局限性。所以, 如何科学的评价近海有毒物生态风险的大小,实现近海水环境有效的生态风险管 理成为大家研究的热点。 生态风险是生态系统及其组分所承受的风险,是指一个种群、生态系统或整 个景观的正常功能受外界胁迫,从而在目前和将来减少该系统内部某些要素或其 本身的健康、生产力、遗传结构、经济价值和美学价值的可能性【6 】。生态风险评 价是伴随着环境管理目标和环境观念的转变而逐渐兴起并得到发展的一个新的 研究领域,2 0 世纪7 0 年代,各工业化国家“零风险 的环境管理逐渐暴露出弱 点,进入8 0 年代后,便产生了风险管理这一全新的环境政策【八。风险管理观念 着重权衡风险级别与减少风险成本,着重解决风险级别与一般社会所能接受的风 险之间的关系。生态风险评价正是为风险管理提供科学依据和技术支持的,因而 得到了迅速发展,其已成为健康环境管理必不可少的一部分。风险评价与风险管 3 天津大学工程硕士学位论文第一章前言 理是两个既相互联系又内容不同的概念:风险评价是评估污染物进入水体之后产 生生态危害的可能性及程度;风险管理是对评价结果采取相应的管理行动。而水 环境生态风险评价是近十几年新兴的一种污染控制技术,它不属于环境科学基础 研究,但又依赖于基础研究的发展。水生态风险评价是一个预测污染物进入水体 之后对生态系统或其中某些组份产生危害的可能性的过程,它利用数学方法,以 生态毒理学研究为技术手段进行预测,其评价基础是水生态毒理学研究。近年来 的许多基础研究成果,诸如有毒污染物的毒性作用机制、单物种生物检测外推和 不确定性的数学处理等都在很大程度上影响和改变着水生态风险评价。目前,不 同国家对于生态风险评价的方法有所不同。美国环保局将生态风险评价分为4 个过程:提出问题;分析( 暴露和效应表征) ;风险表征;风险管理和交流。而 加拿大和欧盟则将生态风险评价分为4 个步骤:危害识别;剂量反应评价;暴 露评价;风险表征博圳。 国外对生态风险的评价研究工作开始较早,生态风险评价的发展历程大致经 历了以下几个阶段:( 1 ) 2 0 世纪8 0 年代以前的萌芽阶段;( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代 的发展阶段人体健康评价阶段;( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代的大发展阶段生态风险评 价阶段;( 4 ) 2 0 世纪9 0 年代末2 l 世纪初的区域生态风险评价阶段l l 们。而生态 风险评价的范围和方法呈现出以下几个特点:( 1 ) 从人体健康风险评价与生态风 险评价到综合的风险评价;( 2 ) 从单因子到多因子的生态风险评价;( 3 ) 评价工 具更加模型化;( 4 ) 风险评价定性和定量相结合【。7 1 。其中,生态风险评价在具体 的研究应用中也取得了许多成功的案例。最早的环境风险评价代表作是由美国原 子能委员会提出的一份“大型核电站中重大事故的理论可能性和后果”的研究报 告,其目的在于减少核电工程事故的风险损失【1 1 1 。1 9 8 1 年,美国橡树岭国家实 验室( o 对儿) 在受e p a 委托进行综合燃料的风险评价中提出了一系列针对组织、 种群、生态系统水平的生态风险评价方法,并将此方法类推到人体健康的致癌风 险评价中,确定生态风险评价应该估计那些可以明确表述影响的可能性,并强调 相应的组织水平【l2 | 。j o h n s o n 通过微观实验,对比受到化学毒害和没受化学毒害 的系统动态,采用“状态空间”的办法,解决了风险影响结果的表达问题【1 引。 z a n d b e r g e n 选取多个评价指标利用g i s 对城市流域进行了生态风险评价【l 4 1 。 f e r n a n d e z 等用多物种的土壤系统m s 3 作为实验工具,对有机和无机复合污染的 场地进行了生态风险评价【1 5 1 。o r n l 研究组对美国田纳西州c l i n c hr i v e r 流域进行 了生态风险研究,评价了化学有毒物质对流域特殊种群的影响,虽然没有开展综 合生态风险评价,但此项研究说明流域和大尺度风险研究是可能的【1 6 。e f r o y m s o n 等用t r i m f a t e 模型对多介质的有害空气污染物进行生态风险评价,评价了空气 中多种媒体污染物的暴露和效应【i 丌。k a r m a n 等利用化学物危害评价和风险管理 4 天津大学工程硕士学位论文第一章前言 ( c h a r m ) 模型对石油天然气生产平台的废水排放进行了动态的风险评价,该 模型基于对废水中化合物归宿的真实计算,考虑到化合物浓度的动态变化,对生 产废水进行了动态可能性风险评估,用于选择最经济的风险减少措施方案1 1 引。 我国在2 0 世纪8 0 年代开始了对事故风险的重视和研究工作,国家环保局 19 9 0 年下发0 5 7 号文件,要求对重大环境污染事故隐患进行环境风险评价,尤 其是世界银行和亚洲开发银行贷款项目的环境影响报告中必须包含有环境风险 评价的章节。1 9 9 3 年国家环保局颁布的中华人民共和国环境保护行业标准环 境影响评价技术导则( 总则) ( t 2 1 9 3 ) 规定:对于风险事故,在有必要也 有条件时,应进行建设项目的环境风险评价或环境风险分析。同时,该导则也指 出“目前环境风险评价的方法尚不成熟,资料的收集及参数的确定尚存在诸多困 难。但是迄今为止我国的风险评价研究主要以介绍和应用国外的研究成果为主, 还没有一套适合我国的生态风险评价的技术指南或指导性文件,尽管如此,9 0 年代以后,在一些部门的法规和管理制度中已经明确提出风险评价的内容i i9 j 。 2 0 0 5 年陆续发生重大环境污染事故,标志着我国已进入环境污染事故高发期, 说明生态风险将成为我国发展的一大障碍。目前,生态风险评价的研究工作在我 国已经陆续开展,主要体现在以下几个方面【7 】:( 1 ) 生态风险评价方法的探讨; ( 2 ) 建立区域生态风险评价指标;( 3 ) 生物生态风险、人类活动聚居区生态风 险引起关注。其中,付在毅等对区域生态风险评价的特点和方法进行了讨论,对 评价方法和步骤进行了探讨,他们将区域生态风险评价步骤概括为6 个部分:研 究区的界定与分析、受体分析、风险识别与源项分析、暴露与危害分析及风险综 合评价【2 0 1 。卢宏玮等对洞庭湖流域区域进行了生态风险评价,对各种污染物的 毒性污染指数、自然灾害指数和系统本身的生态指数、生物指数、生物多样性指 数、物种重要性指数和脆弱性指数进行了综合评价【2 。马德毅等采用单因子指 数法和h a k a n s o n 生态风险指数法,对中国主要河口沉积物污染的潜在生态风险进 行了评价1 2 2 】。石璇等分析了天津地区土壤、水体中持久性有机污染物的生态风 险【2 3 j ;刘小琴等将风险分为突发性风险和非突发性风险,对城市化进程中的环 境风险评价问题进行了探谢川。蒋良群等以塔里木河下游作为研究区,将遥感、 地理信息系统等技术手段与模糊数学方法相结合,根据e r a 框架和层次分析思想 建立塔里木河下游植被的生态风险评估指标,运用模糊综合评判的方法进行塔里 木河下游植被生态风险的遥感定量评估,并在评估结果的基础上进行可视化分析 2 5 1 。 5 天津大学工程硕士学位论文 第一章前言 1 3 主要研究内容和技术路线 1 3 1 主要研究内容 综上分析可知,我国近岸海域不仅面临由传统污染物引起的水环境富营养化 和耗氧有机污染等问题,而且还面临着近海水环境有毒物污染、尤其是有机毒物 污染的严峻挑战,但是目前以水质基准为依据的近海水环境管理还具有一定的缺 陷,很难实现对近海有毒污染物的有效生态风险管理。针对以上问题,本文通过 对生态毒理学和环境毒理学的理论方法和原理的学习应用,结合天津市近岸海域 水环境管理的实际,提出了一套完整的集近海水环境质量模拟、污染物浓度估值 和生态风险计算和评价的方法体系。具体来讲,本文主要进行了以下几个方面的 研究: ( 1 ) 本文选择近海河口中使用较为广泛的d e i f t 3 d 模型对天津市近岸海域 的水环境质量进行了模拟和预测。首先依靠d e l f t 3 d 模型中的网格生成模块对模 拟区域进行网格划分和正交化处理;然后对某化工企业排放污水的水量、水质特 征、环境管理部门监测掌握的近海水质本底值等基本数据进行处理,将其作为近 海水环境质量模拟模型的参数输入;最后借助d e l f t 3 d 模型中的水动力、水质模 块等对该化工企业排污后天津市近岸海域中污染物浓度的扩散降解进行模拟,预 测得到该化工企业排污后各个监测点的汞浓度增量值;最终通过将各个监测点汞 浓度的增量值与近海本底值进行叠加,实现了近海水环境质量的预测和模拟。 ( 2 ) 在近海水环境质量模拟预测得到各个监测点的汞浓度值基础上,本文 采用地统计学原理分析近岸海域污染物浓度的空间结构特征,通过克里格插值成 功实现了对于整个研究海域的污染物浓度估值,并借助g i s 软件实现了近海浓 度估值的可视化表达。首先,根据环境管理部门提供的近海监测点位基础专题图 层,将近海水环境质量模拟预测得到的汞浓度数据作为近海监测点位专题图层的 字段:然后,对汞浓度数据进行了空间结构分析,在实验变差函数曲线的基础上, 采用高斯理论模型对其进行了拟合;在此基础上,采用普通克里格插值方法,根 据高斯理论模型对整个研究海域的汞浓度进行了估值;最后将估值结果在g i s 软件中表达,实现了汞浓度估值的可视化。 ( 3 ) 本文通过对生态毒理学和环境毒理学的方法和原理的学习和应用,在 近海水环境质量模拟和污染物浓度估值的研究基础上,提出了一套完整的近岸海 域生态风险计算和评价的方法体系。首先根据某化工企业的水质特点确定主要的 有毒污染物汞;然后选择对汞比较敏感的鱼类作为评价终点,并根据近海水环境 质量模拟结果和近海污染物浓度估值结果,得到鱼类在近海中的最大环境暴露浓 6 天津大学工程硕士学位论文第一章前言 度;在此基础上,按照平均致死量法计算不同暴露时间下汞对鱼类的半致死浓度 l c ,。;最后根据风险最大化原则,按照生态风险评价模型计算汞对鱼类的生态 风险指数,最终依据生态风险指数的大小对汞的生态风险进行评价。 综上所述,本文通过对天津市近海水环境质量的模拟和污染物浓度的估值, 结合生态毒理学和环境毒理学的理论方法和原理,提出了一套完整的近海水环境 生态风险计算和评价的方法体系,力求克服现有的污水排放标准和海水水质标准 在近海水环境管理中存在的不足,为我国近海水环境有效的生态风险管理提供理 论依据和技术手段。 1 3 2 技术路线 本文研究所采用的技术路线见图1 - 2 。 近海水环境质量模拟 模拟区域网格化+ 模型参数设定 近海污染物浓度估值 地统计学分析+ 普通克里格插值 生态风险评价 风险评价模型建立 生态风险表征 图1 - 2 近海生态风险评价技术路线 7 天津大学工程硕士学位论文第二章近海水环境质量模拟方法研究 2 1 概述 第二章近海水环境质量模拟方法研究 近年来,随着我国沿海地区人口的增长和经济的发展,大量的工业废水和生 活污水直接或间接的排入近岸海域,导致沿海水体受到不同程度的污染。为了有 效的防治近海水质的污染,需要对近海污染物浓度进行准确的预测和模拟,这也 是进行近海有毒污染物生态风险研究的前提和基础,而这其中的机理性研究为揭 示污染物在近海的迁移转化规律提供了依据,也是其它方法的理论源头。对于近 海水环境研究来说,水动力学特性是重要的研究内容。只有掌握了水动力学过程, 才有可能揭示水质等环境问题的发生和扩展机制,才有可能进一步解决生态学问 题。严格地讲,水动力学模型包括物理模型和数学模型两大类。物理模型即常用 的比尺模型,最初人们在研究近海水环境问题时常采用物理模型。自从r e y n o l d s ( 1 9 8 5 年) 首次用潮汐河口模型试验,研究美i 垂l m e r s y 河1 2 1 的潮汐水流以来,已 有一百多年的历史1 2 6 。虽然物理模型可直观地观测到水流的流态,并可精确地 测得水流的边界影响,但因其造价高、建造时间长、方案更改周期长,尤其是对 复杂自然环境不易模拟、受时间和空间尺度限制较大等固有缺陷,其发展和应用 受到了限制。数学模型是将所研究的现实世界中物质运动的物理机理进行抽象, 而建立的数学物理方程,称之为控制运动的基本方程,简称基本方程和控制方程。 近年来,在近海水环境质量研究中,数学模型已经成为重要的研究手段,已广泛 地应用于近海的潮流场、污染物扩散降解等方面的研究,并逐步替代了过去必须 是物理模型试验才能解决的问题,而且应用范围越来越广,几乎涉及河口、海岸 工程的所有分支【27 1 。近海水环境质量模拟通常是建立数学模型以模拟污染物在 近海水体中的时空变化,一般来讲有两种方法,即随时间变化的浓度方程和微粒 追踪( p a r t i c l e t r a c k i n g ) 方法,其中对流扩散方程是任何确定污染物浓度方程的 核心。目前国际上使用较广的河口、近海水环境质量模拟模型主要有荷兰的 d e l f t 3 d 模型、美国普林斯顿大学的p o m ( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ) 和e c o m ( e a t u a r y ,c o a s ta n do c e a nm o d e l ) 模型、佛罗里达大学的等密度模型、德国的 汉堡模型和丹麦模型等【2 引。通过对上述模型的比较及天津市近岸海域的区域特 点,本文选择目前使用较为成熟和广泛的d e l f t 3 d 模型对天津市近岸海域水环境 8 天津大学工程硕士学位论文第二章近海水环境质量模拟方法研究 质量进行模拟和预测研究,以便为近海有毒污染物的生态风险计算和评价研究提 供理论依据和数据支持。具体来讲,本文根据d e l f t 3 d 模型的特点及要求首先对 模拟区域进行网格划分和正交化处理,设定模型的初始条件和边界条件:然后将 收集掌握的天津市近岸海域的水文、气候等数据以及环境管理部门提供的某化工 企业水质、水量监测数据等作为d e l f t 3 d 模型的模型参数进行输入:在此基础上, 采用d e l f t 3 d 模型的水动力和水质模块对天津市近岸海域的水环境质量进行模 拟,预测得到某化工企业排污后天津市近岸海域各个监测点的污染物浓度增量 值;最后,将预测得到的各个监测点的污染物浓度增量值与近海本底值进行叠加, 最终预测得到各个监测点的污染物浓度值。 2 2d e l f t 3 d 模型及原理 2 2 1 数学模型原理 d e l f t 3 d 模型是荷兰d e l f t 水力研究院开发的一个关于水流和水质的软件包, 它是由f l o w 、w a v e 、w a p 、p a r t 、e c o 、m o r 、s e d 以及后处理模块g p p 等多个模 块组成的灵活的模块化模拟系统,这些模块不仅可以就不同的需要进行单独的模 拟,也可以多个模块之间进行耦合模拟,其中各个模块之间关系见图2 1 。d e l f t 3 d 模型进行水环境质量模拟时,其总的思想是生成网格和网格节点上的水深文件, 通过对应的模块来计算相应的水质问题,该数学模型的主要特点是采用正交曲线 网格、计算稳定、精度高、能处理潮间带及滩槽交换的复杂地形。其中水动力模 块d e l f t 3 d f l o w 是本文进行近海水环境质量模拟研究的主要模块。 图2 1d e l f l 3 d 模型结构框图 9 天津大学工程硕士学位论文第二章近海水环境质量模拟方法研究 本文采用d e l f t 3 d 模型对天津市近岸海域的水动力条件和水环境质量进行模 拟研究,主要采用的是d e l f t 3 d 模型中的水动力( f l o w ) 模块和水质( w a p ) 模 力以及柯氏力作用 2 9 - 3 0 】,最后采用交替方向法( a d i ) 对控制方程组进行离散求 型+ 竺+ 里:0 ( 2 t 1 ) 一r 一r 一 i 二。j a u a ( u 2 1a ( u v )a ( u w ) 1a 尸 一- - 一- - 一- - 一- - 一一= : 皇f矿型ox+昙o(yk券)a+z昙ip卷axac t , 。a x ) + q 矿 ( 2 - 2 ) 旦f 矿型 + 昙( k 券) + 昙i 卷) + q 矿 。 a va ( v 2 1a ( u v )a ( v w ) 1a p 一4 - 一一一一一= a la ya xa z po y ( 2 - 3 、 面o 。( v 。萌a v 厂、l 昙( 圪等) + 昙( 圪尝) 一q u 。 熹+ p g = 0 ( 2 - 4 ) o k a ( v k )a ( u k )a ( w k ) 一 l - -1-ae= 旦a t f ,旦a 堡y1 + 旦o x f 旦丝o z l + 旦f 旦丝 + 傩一占 ( 2 - 5 旦f 旦堡1 + 旦f ,旦丝1 + 旦f ,旦丝 + 傩一占 一 凹l 旅a x ) o y l 碳a 】,o zl 碳a z a c ,a ( u c ,) a ( v c ,) a ( w c ,) 。o。一一 0 8 t f,圪oaxc,+昙oy(考号万07,面td7,+axo c i + 否a z ( 。口v k ea a c z , 一 + c ,+ ( 2 - 6 ) 一吖叫e m 苦万m 吒忽一卜“ 毕叫 式中:f 为时间;u 、v 、w 分别为x 、】,、z 方向上的速度分量;p 为海 水密度;q 为柯氏力系数;g 为动力加速度;k 为湍流动能;圪为有效粘性系 l o 天津大学工程硕士学位论文第二章近海水环境质量模拟方法研究 2 2 2 模拟区域网格化处理 本文采用d e l f t 3 d 模型对某化工企业通过市政排污口向天津市近岸海域排污 后的水环境质量进行模拟研究,其中天津市海岸线见图2 2 。在进行模拟时,首 先需要对模拟区域进行网格划分和开闭边界的设定。本文将模拟海域的闭边界设 定为天津市海岸线,开边界取天津市近岸海域外的海洋边界,其中模拟区域的开 闭边界见图2 3 。d e l f t 3 d 中网格的生成在g r i d 模块中完成,本文在划分模拟区域 的网格时采用正交曲线网格,首先将天津市近岸海域采样点的经纬度坐标文件导 入至u g r i d 模块中;然后通过s p l i n e 命令生成网格样本线;最后再转换成网格,在 网格生成过程中,根据天津市近岸海域的地形局部调整网格的稠密度,天津市近 岸海域网格划分结果见图2 3 。网格生成后,通过网格正交命令对网格进行正交 化设计,在网格划分时,网格角度的余弦值越小越好,当网格正交参数,即网格 的正交余弦值小于0 0 2 时,网格为有效网格,在网格的边界或局部区域余弦值略 大于0 0 2 不影响模拟的精度要求,其中模拟区域网格正交化结果见图2 4 。由图2 3 和图2 4 可知,模拟区域网格边界拟合较好,其中有效的计算网格为2 5 0 9 个,占 网格总数的9 7 9 3 。由于天津市近岸海域海岸低缓平直,为典型的淤泥质海岸, 水下地形变化不大,岸滩坡度平缓( i = 1 1 0 0 0 1 2 0 0 0 ) ,潮间带宽度大,泥沙运 移的主要形态是悬移质。所以在本文中将水下地形作为一个平面进行简化处理, 不会对水环境质量的模拟精度产生较大影响。 图2 - 2 天津市海岸线 天津大学工程硕士学位论文第二章近海水环境质量模拟方法研究 图2 - 3 模拟区域网格划分结果 圈2 - 4 模拟区域同格正变化结果 2 23 模拟模型的边界条件及参数设定 2 23 1 初始条件 根据d e l i l 3 d 数学模型的特点,当模拟时间超过6 个月对,初始条件的设定 对模拟结果并无影响 ” 。因此,本文假定模型开始时静止,即初始条件以零启 动的形式给出,全场流速分量给定为零,其中初始海平面值和初始浓度场由观测 值给出: 天津大学工程硕士学位论文第二章近海水环境质量模拟方法研究 z ( x ,y ,f ) i ,柚= z ( x ,y ) = o u ( x ,y ,f ) l ,= 0 = v ( x ,y ,) i ,= o = 0 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 2 2 3 2 边界条件 ( 1 ) 闭边界取值:本文采用d e l f t 3 d 模型对某化工企业排污后天津市近岸 海域的水环境质量变化进行模拟研究,其中,该化工企业排放污水通过北塘口排 入天津市近岸海域,排海方式为管道出水。因此,本文将包括北塘口在内的天津 市海岸线作为模拟区域的闭边界,将该化工企业的排污量、排污时间和排污浓度 等作为闭边界取值进行输入。其中,闭边界采用自由滑移条件,与闭边界垂直方 向流速取为0 。 ( 2 ) 开边界取值:开边界取天津市近岸海域外的海洋边界,边界条件所取 平均海面由模拟区域的潮汐条件设定,驱动力为谐波驱动。 ( 3 ) 监测点设定:为了对整个研究海域的水环境质量有一个清楚的了解, 本文将天津市近岸海域功能区的1 4 个监测点位作为模拟区域的监测点,分别用 1 1 4 表示,各个监测点位的经纬度坐标见表2 1 ,其中各个监测点及该化工企业 排污口所处北塘口位置示意图见图2 5 。 表2 1 天津市近岸海域监测点位 堕型盛逝厘功篚匿丝廑绫廑 3一类1 1 8 0 0 03 9 。0 5 4一类117 0 4 7 5 6 ” 3 8 0 4 8 3 6 ” 2二类 1 1 7 0 4 5 t3 8 0 4 0 t 1 二类 1 1 8 0 0 0 ” 3 9 0 1 l 1 2一类l1 7 0 2 7 3 9 0 0 8 5 5二类1 1 7 0 4 0 3 8 。5 0 1 3二类11 7 0 3 7 ,3 8 0 4 5 1 4二类1 1 7 0 3 7 3 8 0 4 0 - 6三类1 1 7 0 4 6 4 4 ”3 9 0 0 4 1 2 ” 7 三类1 1 7 0 5 2 3 8 0 5 7 8 三类1 1 8 0 0 03 8 0 5 5 t 9 四类1 1 7 0 4 7 3 9 0 0 0 1 0四类11 7 。4 5 - 3 8 0 5 7 1 1四类1 1 7 。4 8 3 8 0 5 5 1 3 天津大学工程硕士学位论文第二章近海水环境质量模拟方法研究 2 233 模型参数设计 圈2 - 5 模拟监捌点位置示意 模型区域所在纬度取北纬3 8 3 9 。,经度取东经1 1 7 一i i8 。:主要驱动力为地球 引力、自转力、八海水流推动力、潮汐、波浪等。模型的重力加速度g 取9 8 im 2 s , 海水密度取1 0 2 4 h ,m 3 ,大气密度取10k g m 3 。潮型为不规则半日潮,幅度取平 均潮差24 0 m 。海底租糙率由曼宁系数n 表示,在x 和y 两个方向均取0 0 1 。且全 区域一致。除开边界外,其余边界均默认为闭边界,采用自由滑动边界条件。温 度按照模拟区域的气候条件设定。湍流模型取k 一模型,水平方向和垂直紊动 粘滞系数分别取1 0m 2 s 和1o o1 0 6 m 2 s 。 天津大学工程硕士学位论文第二章近海水环境质量模拟方法研
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 专用法律知识培训内容课件
- 脑洞英语语法系列之条件状语从句课件
- 2026届重庆市垫江五中学数学九上期末监测试题含解析
- 2026届辽宁省盘锦市七年级数学第一学期期末质量检测模拟试题含解析
- 新疆乌鲁木齐市第八十七中学2026届数学七年级第一学期期末复习检测模拟试题含解析
- 徐州市重点中学2026届数学八上期末考试试题含解析
- 企业外包服务的市场定位与经营策略探讨
- 浙江省杭州市西湖区2026届九年级数学第一学期期末检测模拟试题含解析
- 工商银行鞍山市铁东区2025秋招半英文面试题库及高分答案
- 邮储银行廊坊市香河县2025秋招笔试经济学专练及答案
- GB/T 45845.1-2025智慧城市基础设施整合运营框架第1部分:全生命周期业务协同管理指南
- 2025至2030中国智能卡行业市场深度调研报告
- 民族地区小学英语情境教学实践探索
- 儿童超重或肥胖的规范化诊断与评估(2024)解读课件
- GB/T 45333-2025类金刚石薄膜球盘法测试类金刚石薄膜的摩擦磨损性能
- 农产品检测技术实习心得范文
- 种植业可研报告范文
- 《复活(节选)》统编版高中语文选择性必修上册
- 《水墨风格动画》课件
- 销售合同协议书模板集
- 南通市启秀初中2024-2025八年级上学期第一次月考物理试卷及答案
评论
0/150
提交评论