（环境科学专业论文）近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究.pdf

a b s t r a c t t h eo n l yt y p i c a ls e m i e n c l o s e ds e ai nc h i n ai st h eb o h a is e aw h i c hh a s v a s tv a l u eo fd e v e l o p m e n t a l o n gw it ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr e g i o n a l e c o n o m y ，t h ep a r t i a li n s h o r ew a t e rp o l l u t i o ni ss e r i o u sa n dt h ee x t e n t o fp o l l u t i o nh a sat e n d e n c yt os p r e a dw i d e l y t h e r e f o r et h er e s e a r c ho n t r a n s p o r tl a wo fc o n t a m i n a n t si nw a t e ra n dt h ee n v i r o n m e n tc a p a c i t y ( e c ) i nc o a s t a la r e an o to n l yh a st h et h e o r ys i g n i f i c a n c e ，b u ta l s oh a st h e e x t r e m e l yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gm a n ys c h o l a r s r e s e a r c h ，t h ea r t i c l e o u t l i n e dt h ed o m e s t f ca n df o r e i g nm a r i n ee n v i r o n m e n tc a p a c i t yr e s e a r c h s i t u a t i o na n dt h er e s e a r c ht e c h n i q u e ，a n di n t r o d u c e dt h em e t h o d o f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da c t i v es o f t w a r eu s e di na s p e c to fr e s o l u t i o n p r o c e d u r eo fm a r i n ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m t a k et h ec a o f e i d i a ni n d u s t r i a la r e ai nb o h a ib a ya sa ne x a m p l e ，t h i s a r t i c l es t u d i e dt h ei n s h o r eh y d r o d y n a m i cm o d e l ，t h ec h a r a c t e r i s t i c o f c o n t a m i n a n t st r a n s p o r t i n gi nw a t e ra n dt h ew a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t y f i r s t l yt h eh y d r o d y n a m i cm o d e lo fb o h a is e aw a se s t a b l i s h e d ，t h eb r i e f a n a l y s i sw a sc a r r i e do na b o u tt h ef l o wf i e l d t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n si n c o a s t a lh y d r o d y n a m i cm o d e lc a m ef r o mt h er e s u l t so fb o h a is e ah y d r o d y n a m i c m o d e l s e c o n d l yc o da n dp e t r o l e u mw e r ec h o s e na so b j e c t si n v e s t i g a t e da n d t w o d i m e n s i o n f l o w - q u a l i t y m o d e lw a se s t a b l i s h e do nc a o f e i d i a n i n d u s t r i a la r e a ，w h i c hu s e dt os i m u l a t ea n da n a l y z et h ec o n t a m i n a n t s t r a n s f e rc h a r a c t e ri nt h et y p i c a lh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s b a s i n go nt h ee x i s t i n gp o l l u t a n ts o u r c e ，t a k i n gt h ee n v i r o n m e n t a l f u n c t i o nr e g i o na sc o n t r o lg o a la n dt a k i n gt h ea r e ao fm i x i n gz o n ea s 1 i m i t i n gc o n d i t i o n t h ee n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo fc o a s t a ls e a s w e r e r e s e a r c h e d t h em a x i m u mp e r m i s s i o nd i s c h a r g eo ft h ec h i e fw a t e r p o l l u t i o n s ( c o d ，p e t r o l e u m ) w e r ec a l c u l a t e d ，a n dt h es c h e m eo ft o t a l a m o u n tc o n t r o l l i n gw a se x t r a c t e d i ts u p p l l e dt e c h n i c a ls u p p o r t sf o r e x p l o i t i n gt h eo c e a n r e s o u r c e sp r o p e r l y ，p r o t e c t i n gt h eo c e a ne n v i r o n m e n t v a li d i t y ，a n dr e s e a r c h i n go t h e ro c e a ne n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sf u r t h e r k e yw o r d s ： o o a s t a l s e a s ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；t r a n s f e ro fc o n t a m i n a n t s ； e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y ； 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 生缝 2 0 0 7 年5 月e l 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：查壁2 0 0 7 年5 月日 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 1 绪论 1 1 课题提出背景及研究意义 我国是一个海域辽阔，海上利益广泛的国家。海洋对我们来说，是寄予很大 希望的、具有战略意义的资源接替空间。加强对海洋资源与环境的综合管理，规 范海洋开发利用秩序，是实现海洋经济可持续发展的根本保证。但是多年来，我 国的海洋污染问题始终得不到解决，相反呈现越来越严重的事态。被称为“海洋 时代”的2 l 世纪，我国和世界一样面临着海洋环境如何进行保护和利用的重大 课题。 。 随着沿海经济的迅猛发展，近海海域遭到越来越严重的污染，使海域环境质 量明显下降，生态环境日趋恶化，并对生物资源和人体健康产生有害影响。据了 解，渤海是中国污染最严重的海域，环渤海的环境污染问题，已经影响到了当地 渔民的生产和生活。现阶段渤海的污染源主要是陆源污染，即内地河流污染物入 海造成局部污染严重。目前，渤海生态环境已经十分脆弱，必须严格控制污染物 排海，加强海上污染源管理。 渤海环境整治是一个复杂的问题，在限制污染物排放量的同时，也需要了解 渤海不同海域自身的扩散、降解能力本文结合河北省环科院的相关研究课题， 着重研究了曹妃甸工业区近岸海域的自净能力及各种污染物的分布状况及变化 规律，以便掌握曹妃甸海域环境容量及纳污能力。近岸海域环境容量研究不仅可 以揭示自然环境的内在属性，而且可以为环境质量的分析、评价和环境区划提供 依据，为国家制定环境标准和排放标准提供依据，为陆源污染物排海总量控制方 法的建立，以及进而制定削减方案提供必要的科学基础和技术支撑1 1 1 。 1 2 海洋环境容量的概念 环境容量的概念最早出现于1 8 3 8 年，之后日本学者于2 0 世纪6 0 年代提出 了环境容量( e n v 曲删l e i i l a lc a p a c i t y ) 的概念【2 捌。1 9 8 6 年联合国海洋污染专家小组 ( g e s a m p ) e 式定义了这一概念：环境容量是环境的特性，在不造成环境不可承 受的影响的前提下，环境所能容纳某物质的能力。这个概念包含三层含义：污 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 染物在海洋环境中存在，只要不超过一定的阈值，就不会对海洋环境造成影响。 在不影响生态系统特定功能的前提下，任何环境都有有限的容量容纳污染物。 环境容量可以定量化1 4 j 。 我国于2 0 世纪7 0 年代引进环境容量的概念，我国有关学者认为：环境容量 是一个变量，它包括两部分组成【5 1 ，第一部分是基本环境容量，由拟定的环境标 准减去环境本底值求得：第二部分是变动环境容量，是指环境单元的自净能力。 海洋环境容量可定义为：为维持某一海域的特定生态环境功能所要求的海水 质量标准，在一定时间内所允许的环境污染物最大入海量 2 1 。它与海水的自净能 力有关，是自净能力综合表现的定量描述。海洋环境容量的大小主要取决于以下 两个因素：一是海域本身具备的条件，如海域环境空间的大小、位置、潮流、自 净能力等自然条件以及生物的种群特征、污染物的理化特性等，客观条件的差异 决定了不同地带的海域对污染物有不同的净化能力二是人们对特定海域环境功 能的规定，如确定某一区域的环境质量应该达到何种标准【6 1 环境目标、海域环 境特性、污染物特性是影响海洋环境容量的三类主要因素。 1 3 海洋环境容量国内外研究动态 1 3 1 国外研究动态 目前，环境容量的理论研究工作正处于由定性描述向定量计算发展的阶段。 联合国海洋污染专家组 4 1 1 9 8 6 年给出了海洋环境容量的计算方法。即建立箱式模 型，该模型包括污染物输入、输出和悬浮物吸附等三个过程。 近些年来，国外许多学者对海洋环境容量展开了一系列的研究。m a r g e t a r 等人于1 9 8 9 年对南斯拉夫k a s t e l a 湾环境容量进行了研究，提出了具体的研究 方法；e r n e s t a v a 等人于1 9 9 4 年对光化学氧化活化产物对自然水体游离自由基 自净过程的机理和影响因子进行了讨论；y e 等人于1 9 9 5 年利用细菌动力学估算 了厦门西海域的c o d 和b o n 环境容量；d u k a 等人于1 9 9 6 年对自然水体中的有机 物的自净容量进行了模拟【饥。 目前，不同国家的学者正在相继展开海洋环境容量的深入研究i o 】，并提出 了海洋环境容量的预警原理( p r e c a u t i o n a r yp r i n c i p l e ) 。 2 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 1 3 2 国内研究动态 海洋环境容量的研究在我国丌始于上世纪7 0 年代，其发展过程主要为叽 上世纪8 0 年代初，研究方向主要集中在水污染自净规律、水质模型、 水质排放标准制定的数学方法上，从不同角度提出和应用了环境容量 的概念： “六五”期间，高校和科研机构联合攻关，把环境容量理论与水污染 控制规划相结合，对污染物在水体中的物理、化学行为进行了比较深 入系统的研究； “七五”期间，环境容量推向系统化、实用化的新阶段； “九五”期间，国家海洋局对大连湾、胶州湾和长江口环境容量进行 了研究； 本世纪，综合考虑物理、化学、生物过程成为海洋环境容量研究的重 点。 我国在海洋环境容量研究方面也做了大量的工作。主要有：吴俊等1 9 8 3 年 通过求潮差移动量及涨落潮浓度差和海水交换率，研究了污染物输运与海水之间 的定量关系【l l l ；匡国瑞、王寿景、曾刚等分别对乳山东湾、厦门西港海水交换进 行了初步计算1 t 2 - 1 4 ；郑漓于1 9 9 0 年建立了伶仃洋全海域二维水质模型，并对污 染物排放负荷与水域水质之间的输入响应关系进行了的研究 1 5 l ；姜太良等1 9 9 1 年计算了莱州湾海水交换及环境容量【1 町：韩保新等于1 9 9 3 年对澳门周围水域进 行了功能区划，并计算了不同组合条件下的“排放点容量”【1 7 l ；陈慈美等于1 9 9 3 年研究了厦门西海域磷的环境容量；张银英等于1 9 9 5 年研究了珠江口油类的自 净规律，发现油类降解最为迅速，并估算了油类的自净系数嗍：陈春华于1 9 9 7 年用水动力交换和海水化学自净作用相结合的方法研究了海口湾海域的自净能 力，计算了海口海域铜的自净能力【1 9 1 ；陈伟琪等于1 9 9 9 年对厦门西海域环境容 量进行了研究1 2 0 】；李适宇等于1 9 9 9 年用分区达标控制法求解海域环境容量【2 i 】； 詹兴旺等于2 0 0 1 年采用水体区域划分的方法对安海湾环境容量进行了研究圆； 郭良波等于2 0 0 5 年采用最优化法计算了渤海环境容量川 近岸海域水污染物输移规律及环境容鼙研究 1 4 海洋环境容量计算方法 目前，海洋环境容量计算方法主要有以下几种1 2 3 1 。【2 7 】： 1 4 1 模型试算法 1 4 1 i 计算方法 模型试算法计算水环境容量分4 步： 综合考虑海域计算范围、排污口位置、海水水域环境功能及海水保护目标 等多方面因素，将所模拟区域划分为若干个次区。 在现有水质模拟的基础上，逐步加大其中一个集水区的污染量，保持其它 集水区污染量不变，直至所模拟出的计算区域的水质达到规定的海水水质标准， 此时的污染量即为该集水区的最大污染负荷。 重复第二步的做法，估算出各个集水区的最大污染负荷。 利用前2 步的计算结果，计算所有集水区在同时排放最大污染量时的水质 情况，并根据各次区的超标情况削减其污染量，直至整个海域水质达到水质标准。 1 4 1 2 优缺点分析 当计算范围较小，海域功能区划单一的情况下，即对所模拟的海水水域不需 要划分次区时，模型试算法可以简单方便且直观的预测出水环境容量。 该方法的不足之处有2 个方面：计算量较大。例如栗苏文1 2 3 1 将大鹏湾集 水区分为两个次区，按照上述方法估算大鹏湾水环境容量，每个步骤均采用模型 试算法，共进行了1 2 4 次模拟运算。根据整个海域水质标准削减各个次区污染 量过程中，受主观影响较大。 1 4 2 均匀混合法 1 4 2 i 计算方法 环境容量可定义为：“环境本底值和环境标准值之间浓度范围内，环境所能 允许容纳的污染物质量”。基于这种定义，环境容量的确定只依赖于本底值和标 准值，可用下式表达； e c = l 辩i c 油 式中：e c 为环境容量，v 为研究海域水体体积，c o 和c ；分别是空间某点本 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 底值和该点所要达到的水质标准。 1 4 2 2 优缺点分析 该方法从定义出发，易于理解，计算简便，广泛应用于海湾河口的环境评价 研究。 其局限性表现在：将计算水体看作一个浓度均匀的箱体，认为在计算区域的 各个空间点本底值c o 相同，且污染物质一进入水体，马上被均匀混合这在范 围不大、混合均匀的水库、湖泊或者海湾是一种比较好的近似。但对于面积较大， 潮流作用较强的海洋水体，这种假设就不再成立。用此方法来计算一般会过高估 计环境容量，且该方法不能体现不同污染源对浓度分布的影响。 1 4 3 分担率法 1 4 3 1 计算方法 海水通过物理、化学和生物化学等作用对排入其中的污染物质进行净化，其 中水动力输运的物理自净能力十分巨大。分担率法在污染源调查和水质监测基础 上，采用数值模拟方法，通过建立潮流模型和入海污染物浓度模型，求得各个点 源的响应系数场和分担率场，根据水质目标及现状浓度求得主要污染源和控制单 元入海污染物的环境容量。 建立每个排放源与受纳水体之间的响应关系q kj ，) ，则每个点源单独排放 时所形成的浓度场可以看作是响应系数场的倍数，即： c f g ，y ) - - q k y ) q 式中：q i 为第i 个污染源的源强；口g ，_ ) ，) 为响应系数，即为q i = i 时所形成 的响应系数场，它表征了海域内水质对某个点源的响应关系。是环境容量研究的 基础；( x ，y ) 为空间点坐标 将水质方程视为线性，根据叠加原理，便得到多个污染源共同作用下所形成 的平衡浓度场，即： c b ，) = e g ，y ) ，# 1 分担率可定义为各污染源的影响在海域总体污染影响中所占的份额( 百分 率) ，它体现了某个污染源对海域总体污染所作贡献的大小，分担率可表示为： y t b ，窃= c i b ，冉fc b ，y 、 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 设c s ( x ，y ) 为该海域的水质标准，假设同一污染源的分担率场不变，则满足水 质标准条件下的第i 个点源分担浓度值： c 。b ，y ) - - 以g ，力c j g ，力 结合第i 个点源的响应关系： c z i ( x ，y ) = g ，j ，) 绒 可求出满足水质目标条件下第i 个点源的允许排放量q s i ( 环境容量) ，即： 绒= 矧= 帮 所以第i 个点源的削减量等于现状与允许排放量之间的差额，差额为正，则 应减少排放量：差额为负，则环境容量尚有剩余。 1 4 3 2 优缺点分析 这种方法思路容易理解、操作方便。当浓度场模拟不需太长时间就能达到平 衡时，且对所有排放源资料掌握比较全面时，就能够得到比较稳定的响应系数场 和比较准确的分担率场。 此方法的不足之处在于：忽略了在一定的排污布局下，排污量可以在各污染 源问合理分配，以实现各控制点不超标前提下，排污量达到最大。 1 4 4 最优化法 1 4 4 1 计算方法 该方法将优化的思想引入环境容量的计算，认为环境容量为选定的一组水质 控制点的污染物浓度不超过其各自对应的环境标准的前提下，使各排污口的污染 负荷排放量之和最大，即： 目标函数m a x l = x ( 1 ) ，l 约束条件e 口f _ 心c 。 ( i = l ，m ) ( 2 ) 1 = 1 x ，00 = 1 ，柚 ( 3 ) 式中：i 为水质控制点编号；m 为水质控制点数目；j 为排污口编号；n 为掸 污口数目：x 为负荷量；l 为总负荷量；为第j 个排污e l 的单位负荷量对第i 个水质控制点的污染贡献度系数；c o 为水质控制点的污染背景浓度；c 。为水质 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 控制点处的环境标准值。 式( 2 ) 左边实际上是控制点处的浓度。由于水质扩散模型是线性的，浓度有 可迭加性，所以用线性迭加的方法来求某一点的浓度是可行的。因此，求解海域 环境容量问题归结到求解由式( 1 h 3 ) 所表达的线性规划问题，可以用单纯形法求 解。 1 4 4 2 优缺点分析 此方法的显着优点是统筹考虑了研究海域内控制点之间的动态联系，从而得 到最优排污布局和最大排放量，目前已被广泛应用于环境容量的研究。 该方法最大缺点在于，它经常会出现某些排污口被“优化掉”的情况，即某 些排污口的允许排放量为零。这在数学上确实可以取得极值，但与客观实际不符， 因为不可能把现存的河口或排污口完全关闭。因此，使用这种方法还需要对排放 量从社会经济角度进行限制。郭良波f 刀将约束条件： 工，0a = l ，n ) 改为： _ 五_ ( j = l ，柚 即任何排放口允许排放量不低于总允许排放量的五倍，该系数可以根据实际 情况而定。 1 4 5 地统计学和g i s 方法 一种利用地统计学理论和地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ) 软件，完全基于环境监测数据的计算近海水环境容量的新方法。 1 4 5 1 计算方法 首先，对c o d 监测数据进行地统计学分析，确定研究海域有机物的空间结构 特征；其后在此基础上，利用普通克里格法对整个海域的有机物浓度进行空间差 值；最后，借助g i s 软件的地图代运算功能，依据质量守恒原理，建立近海水环 境容量的计算方法，估算最不利情况下海域的水环境容量。 1 4 5 2 优缺点分析 本方法是一种计算水环境容量的新方法，由于它基于地统计学和g i s 而避开 了复杂模型的计算，并且结果可视化程度高，在环境管理和保护中利于应用。 7 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 此方法不足之处，它完全基于环境监测数据，其数据的多少和准确性将直接 影响计算结果：另外由于它是一种新方法，并未被人们普遍接受，且计算结果有 待进一步检验。 1 5 海洋环境动力学数值模拟研究现状 潮流运动( 又称非恒定流) 是河口和近岸海域的主要水动力条件之一，泥沙、 盐分、各类污染物质及热量的输运过程，均伴随着潮流而运动 2 8 1 1 2 9 。 潮流数值模拟通过描述潮流运动的控制( 偏微分) 方程，用数值离散求近似解 手段来模拟潮流运动，始于6 0 年代，在国内始于7 0 年代，并于7 0 年代未以后 有大量研究成果问世近岸海域潮流运动的控制方程有两种，即二维模型和三维 模型。河口和近岸海域属宽浅型水域，二维数值模式基本上能够反映出水流的水 平运动规律，且在一些工程实际问题中收到一定效果。随着海洋经济的发展，海 岸、近岸和海洋开发越来越多，从而对水流空间特征的要求也越来越深入。因此， 三维水流模式在一定程度上代表着水流数值模拟的发展方向。 随着电子计算机和数值计算方法的发展与实际问题研究需要，目前已出现了 各种各样的数值模拟方法。按差分网格形状分，有三角形f 3 0 1 、正方形、矩形【3 ”、 四边形【3 2 l 、多边形l 强、曲线正交坐标网格刚以及不同尺寸网格的组合【3 5 1 等：按 空间差分方法有有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 3 6 1 、有限单元法【3 7 1 ( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) 和有限体积法 3 8 1 ( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) 等；按求解技术法分， 有显式法 3 9 1 、半隐半显式法1 4 0 l 、隐式法t 4 1 1 等。对三维数值模拟。计算方法有垂 向分层二维法 4 2 1 、谱方法【4 3 l ，流速分解法【删、坐标变换法【4 5 l 、破开算子法【蜘、 动水压力校正法【4 刀等。 污水经扩散器喷射入海后，在海水运动的作用下迁移，在湍流的作用下扩散 稀释，如何预测水中的污染物浓度( 如c o d 或油类) 的时空分布，对于评价海区 水质污染，计算水环境容量，以及制定水污染总量控制方案和控制规划，实施水 环境目标管理等都具有十分重要的意义。研究水污染物运移扩散规律常用的方法 有野外观测、物理模型试验和数值模型法。由于人力物力条件的限制，和水体自 然规律难以把握的特点，建立水质数学模型是目前水体污染控制研究工作的常用 和主要方法。 水质数学模型主要由物质对流扩散方程构成，还可根据不同的研究对象和不 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 同的水体环境等加入不同的补充方程以达到完善求解的目的。近岸海域水质模型 主要有二维模型和三维模型两种。水质模型控制方程可与水动力控制方程耦合求 解，也可单独求解，求解方法与潮流数值模拟计算方法类似。 在着力发展自己的模型的同时，大量学者采用商用软件来研究解决海洋水环 境问题。目前国际上广泛应用于海洋、河口模型有：d e h f l 3 d ，m i k e ，p o m ，和 由p o m 发展而来的e c o m 模型等，这些模型在国际上具有其建模上的先进性及 应用上的广泛性 ( 1 ) d e l f t 3 d 【档堤一个关于水流和水质的软件包，是荷兰d e l f t 水力研究院 开发的，模拟二维( 深度平均) 或三维非恒定流及物质输移性质。它的总的思想是 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水流问题，根据 计算结果处理得到的数据。所以这个软件包括生成网格和网格节点上的水深的网 格生成部分：在它的模块中包括三维的水流计算、波浪、水质、生态、泥沙输送 和地形演变等模块；并且在计算后提供了后处理的软件( p o s t p r o c e s s i n g 简称 g p p ) ，对于每个模块都有自己的菜单和运行对话框。它在许多河流及海域的模 拟中起到了很好的作用。 d e l f t 3 d 软件总体上基于f l o w 模型( 水动力模块) 为核心，其它模型在f l o w 模型上扩展、构形。它是一个包括了计算水利中很多相关问题的软件，其中包括 了水环境、水生态、地形演变、泥沙输送等。其结式框图见图1 1 。水动力模块 建立在n a v i e r - s t o k e s 方程的基础上，应用了浅水简化，采用交替方向法( a d r _ ) x 于 该坐标系下的控制方程组进行离散求解。 9 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 i 后处理工具( g p p ) 图1 1d e l f l 3 d 模型结构框图 ( 2 ) m i k e 4 螂幞型是由丹麦水动力研究所( d h i ) 开发的，是国际上广泛应 用的商业软件。与通常流体力学数值计算的过程一样，m i k e 软件的计算过程也 可以归纳为4 步：前处理；数学模型计算参数的率定；模拟计算各种工况； 后处理。 m i k e - 1 1 模型是一维计算模型，对于河道、湖泊及分蓄洪区均概化为一维河 道，湖泊及分蓄洪区的概化断面利用水位容积曲线修正。计算方法是求解圣维南 方程组，采用向前的六点隐式差分计算格式，河网是利用汊点的兼容性求解，该 模型设置的河网结构比较灵活，只要能给定边界条件，河网可任意选定。 在m i k e l l 的基础上，d h i 又开发了二维m i k e 2 1 和三维m i k e 3 1 模型。 m i k e 2 1f l o w m o d e l 采用垂向平均的二维浅水方程，离散方法为有限差分法，计 算算法采用a d i ( a l t e m a t i n gd i r e c t i o ni m p l i c i t ) 和d s ( d o u b l es w e e p ) 格式。与其它 计算软件相比，m i k e 2 1 具有前后处理方便、结果显示生动、计算中考虑的影响 因素全面，以及与m i k e 系列中其它计算模块衔接容易等优点。 m i k e 模型都具有很好的界面，能处理许多不同类型的水动力条件。但它们 的源程序不对外开放，使用有加密措施，售价昂贵。 ( 3 ) 由美国普林斯顿大学b l u m b e r g 和m e l l o r 开发的原始方程海洋环流模 式，简称p o m ( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ) 5 2 1 。其基本特点是： 自由表面可以模拟水位变化； 甲 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 垂直方向的坐标变换不仅能够使网格适应地形变化而且保持垂直方向上 网格层数的一致； 垂直和水平方向的混合扩散分别采用2 5 阶的m e l l o r - y a m a d a 湍流闭合 模式和s m a g o r i n s k i 模式； 垂向应用s i g m a 坐标以更好地拟合底地形；水平采用正交曲线网格和交错 “c ”网格，可以较好的匹配岸界； 水平、时间差分格式为显式，垂直差分格式为隐式； 内外模态分开计算。外模是二维的，时间步长较短，内模态是三维的，计 算时间步长较长。内外模态分别处理速度较慢的内重力波和速度较快的外重力波 以提高整个模式计算效率等； 包含了一套物质扩散输运和拉格朗日追踪； 包含了完整的热力学方程组。 ( 4 ) e c o m i s 3 l 是当今国内外应用较为广泛的海洋模式，它是在 p o m ( p r i n e 2 t o no c e a nm o d e l ) 的基础上发展起来的( m u m b e r gc ta 1 1 9 8 7 ) 。e c o m 模式采用基于静力和b o u s s i n e s q 近似下的海洋原始方程，水平正交曲线网格，垂 向o r 坐标，变量空间配置a r a k a w ac 格式，自由海表面，2 5 阶湍流闭合模型求 解垂向湍流粘滞和扩散系数【蚓；水平湍流粘滞和扩散系数基于s m a g o r i n s k y 参数 化方法。 ( 5 ) e c o m s e d t 5 5 】【5 6 l 模式是由b l u n b e r g 等人在美国普林斯顿大学的三维海 洋模式( p o m ) 及其后来发展的河口、陆架和海洋模式0 巳c o m ) 的基础上发展而来 的，是目前国际上较为先进的水流、泥沙、水质模型之一该模式主要由水动力 模块、泥沙输运模块、波浪模块、热逶量模块和水质跟踪模块组成，各模块之间 相互耦合。其中水动力模块是一个基于静压和b o u s s i n e s q 近似的三维斜压原始方 程，以自由水位、三方向的速度分量、温度、盐度、密度以及代表湍流的两个特 征量：湍动能和湍宏观尺度作为预报变量。 ( 6 ) 季节性三维综合水质模型w a h m o 是1 9 9 2 年6 月由英国h y d r a u l i c s r e s e a r c h w a l l i n g f o r d 和香港w a t e r r e s e a r c h c e n t e r 为香港。战略污水处理计划” 共同开发的，用于考察沿岸工厂排污对维多利亚港水流运动和水质的影响【5 7 l 。 它能够模拟近海水域三维水动力学和水质的详细状况w a h m o 水质模型由两 个相互独立又彼此联系的子模型t i e d e a n 3 d s l ( 季节性水运动模型) 和 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 f o l l f l 0 w 3 d s l ( 季节性水质模型) 构成。水运动模型用来预测由于重力循环和 海水分层导致的潮流季节性变化，包括计算潮流运动、盐分输送、温度分布及重 力循环，其计算结果输送给水质模型，由水质模型完成具体污染物的物理、生物、 化学反应的计算。 ( 7 ) o d e m 模型【船1 是日本大阪大学n a k a t u j i 教授( 1 9 8 8 ) 开发。并已经应 用于大阪湾、东京湾、伊势湾等半封闭海湾水体的潮汐、流场、密度及水质的模 型。在b o u s s i n e s q 假定的基础上，根据质量守恒及动量、物质输运定理提出基本 方程组，离敏时采用有限体积法及空阀交错网格体系，空间上采用t v d 算法控 制收敛性，计算波面升高时采用超松弛s o r 算法来计算波高。 另外，陈长胜教授研究组针对海洋系统研发了三维海洋生态系统动力学模型 f v c o m 0 9 1 ，它包含了水质动力学模型和种群动力学模型，并用模型成功模拟了 美国密歇根大湖生态过程和美国东南沿岸s a t i l l a 河水质过程。周莉华脚j 采用 g l l v h t 模型对江苏l n g 项目冷海水排放温度场进行模拟计算，预测其环境影 响。 1 6 本文主要工作及技术路线 ( 1 ) 本文回顾了环境容量的概念。总结分析了国内外海洋环境容量的研究 动态和研究方法，并介绍了研究海洋环境问题的数值模拟方法及常用软件； ( 2 ) 以大连、烟台一线作为开边界，建立渤海二维潮流数学模型，获得整 个渤海大、小潮流场，为曹妃甸局部海域的计算提供相对精确的边界条件； ( 3 ) 建立近岸海域水动力及水质数学模型，根据大范围海域计算提供的边 界潮位过程，计算近岸海域水动力，获得背景流场，并在此基础上预测水污染物 ( c o d 、石油类) 捧入海中后形成的浓度场，分析其输移特征： ( 4 ) 以现有污染源为基础，以本海域水环境功能区划为控制目标，以混合 区面积为限制条件，采用最优化法计算了主要水污染物( c o d 、石油类) 的最大 允许排放量； ( 5 ) 在环境容量的基础上，讨论了近岸海域总量控制的实施步骤，并定性 分析了曹妃甸工业区近岸海域总量控制指标的分配方法。 本文的技术路线见图1 2 。 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 图1 2技术路线图 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 2 研究区域概况 2 i 渤海概述 ( 1 ) 地理位置 渤海是一个近封闭的内海，地处中国大陆东部的最北端，北纬3 7 。0 7 7 4 1 ，东经1 1 7 。3 5 1 2 2 。1 5 它一面临海，三面环陆，北、西、南三面 分别与辽宁、河北、天津和山东三省一市毗邻，东面经渤海海峡与黄海相通。渤 海底部两侧即为渤海湾和莱州湾，顶部为辽东湾。见图2 i 。 渤海海域面积7 7 2 8 4 平方公里，大陆海岸线长2 6 6 8 公里，平均水深1 8 米， 最大水深8 5 米，2 0 米以浅的海域面积占一半以上。 图2 i 渤海地理位置图 ( 2 ) 气候 渤海海区受季风影响，冬季干寒而夏季湿暖。渤海气温变化具有明显的“大 陆性”，1 月平均气温为一2 1 2 ，4 月为7 l o ，7 月为2 5 c ，1 0 月为1 4 1 6 ， 年较差达2 7 1 2 。平均年降水量为5 0 0 毫米左右，其中一半集中于6 8 月。4 7 月多雾，尤以7 月最多 1 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 ( 3 ) 温度和盐度 渤海的水温分布受周围陆地、水文和气候的影响十分显着。冬季，水温在垂 直方向呈均匀分布；在水平方向上，等温线分布略与海岸线平行，自中部向四周 逐渐递减，同时因受黄海暖流余脉的影响，东部水温高于西部。1 月水温最低， 三大海湾的水温均低于一l ，且于每年1 2 月出现短期冰盖，此时深水区表面 水温为o 2 。夏季，表面水温分布较均匀。8 月，莱州湾和渤海湾水温最高， 沿岸区可达2 8 1 2 ，而辽东湾东南部一些海区水温可以低于2 4 。表层水温的年变 幅达2 8 c 左右。夏半年，出现明显的海水分层现象，特别在海峡附近的深水区， 上层充满高温低盐水，下层为低温高盐水所占据，二者之间出现强跃层。 渤海盐度很低，年平均值仅3 0 0 ，东部略高，平均约3 1 0 ，近岸区只有2 6 o 左右。盐度的分布变化主要决定于渤海沿岸水系的消长。冬季，沿岸水系衰退， 等盐线大致与海岸平行。同时，由于黄海暖流余脉的高盐水舌向西延伸范围扩大， 本区盐度分布为东高西低。盐度的垂直分布像水温分布一样，呈均匀状态。夏季 表层盐度随入海河川径流量的增加而降低。8 月海区中部盐度尚不到3 0 0 ，河口 区常低于2 4 0 。洪期，黄河中淡水舌可及渤海中部，盐度仅2 2 0 左右，透明度 不足2 米，但在此低盐水舌之下仍为高盐水所占据。 ( 4 ) 海浪 以风浪为主，随季风的交替具有明显的季节性。1 0 月至翌年4 月盛行偏北 浪，6 9 月盛行偏南浪。渤海风浪以冬季为最盛，波高通常为0 8 o 9 米，周 期多半小于5 秒1 月平均波高为i 1 1 7 米，寒潮侵袭时可达3 5 6 0 米。 夏秋之间，偶有大于6 0 米的台风浪。海浪以渤海海峡和中部为最大，辽东湾和 渤海湾较小。渤海的平均波高多为0 1 o 7 米，以海峡区最大，平均为0 8 1 9 米。 ( 5 ) 潮汐和潮流 渤海具有独立的旋转潮波系统，其中半日潮波( m 2 ) 有两个，全日潮波( k 1 ) 有一个旋转系统。半日分潮占绝对优势。渤海海峡因处于全日分潮波。节点”的 周围而成为正规半日潮区：秦皇岛外和黄河口外两个半日分潮波“节点”附近， 各有一范围很小的不规则全日潮区。除此以外，其余区域均为不规则半日潮区。 潮差为l 3 米。沿岸平均潮差，以辽东湾顶为最大( 2 7 米) ，渤海湾顶次之( 2 5 米) ，秦皇岛附近最小( o 8 米) 。海峡区的平均潮差为2 米左右。潮流以半日潮 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 流为主，流速一般为5 0 1 0 0 厘米秒，最强潮流见于老铁山水道附近，达1 5 0 2 0 0 厘米秒，辽东湾次之，为1 0 0 厘米秒左右；最弱潮流区是莱州湾，流速为 5 0 厘米秒左右。 2 2 曹妃甸工业区区域环境概况 2 2 1 自然环境 ( 1 ) 地理位置 曹妃甸是唐山南部近海一带状沙岛，位于东经1 1 8 。2 8 ，北纬3 8 。5 5 ， 距离大陆岸线约1 8 k m ，沙岛走向n e s w 。从甸头向前延伸5 0 0 米，水深即达 2 5 米，甸前深槽水深达3 6 米，是渤海最深点。曹妃甸岛后方滩涂广阔且与陆域 相连，低潮面积达3 0 平方公里，零米水深线面积达1 5 0 平方公里。为临港产业 布局和城市的开发建设提供了足够的用地。 曹妃甸毗邻京津冀城市群，北距唐山市7 5 公里，距北京市2 2 0 公里，西距 天津1 2 0 公里，东距秦皇岛1 7 0 公里，产业布局集中，经济腹地广阔，物产丰富。 物流发达，面对我国南北资源互补、经济融合走势，曹妃甸港区的开发建设，将 构造新的区城优势，开辟新的产业空间。打造新的经济增长点地理位置见图 2 2 。 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 图2 2 曹妃甸岛地理位置图 1 7 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 ( 2 ) 地质地貌 曹妃甸位于滦河三角洲平原海岸，具有双重岸线的特征，其中内侧大陆岸线 为沿滦河古三角洲前沿发育的冲积海积平原，沿岸多盐用，潮滩发育，宽3 5 km ：外侧岛屿岸线与大陆岸线走向基本一致，由蛤坨、腰坨和曹妃甸沙岛群构 成，为沙质海滩，其南段的曹妃甸沙岛由1 2 个小沙岛组成，西南段最大，高程 3 m ( 当地理论最低潮面起算，下同) 左右，最高处有少量沙生植物。内外岸线 间为宽阔的浅水泻湖，低潮时大片露出，东西两侧潮沟最大水深分别为1 0 1 5 1 1 1 和2 5 m 。曹妃甸沙岛位居渤海湾北岸岸线转折处，尤如矶头和岬角，紧贴 渤海湾- - 2 0 - - 3 0 m 深槽。 ( 3 ) 海洋水文 潮汐 曹妃甸海域主要受南渤海潮波系统控制。由于受沿岸反射潮波的干涉作用， 本海域潮波性质呈驻波形态，潮汐类型为不正规半日潮型，每日两涨两落。 实测潮汐特征值如下( 潮位以理论深度基准为准) ：最高潮位3 9 0 m ，最低 潮位一0 3 9 m ，平均高潮位2 5 2 m ，平均低潮位0 9 8 m ，平均潮差1 5 4 m 潮流特征 1 9 9 6 年l o 月1 4 - - 1 5 日和l o 月2 1 - 2 2 日。在曹妃甸海域曾进行两次较大规 模的水文泥沙测验，通过分析其具有以下特点： a 曹妃甸港区附近海域潮流呈往复形式，涨潮西流，落潮东流。由于曹妃甸 以岬角形式向南伸入渤海湾，受地形影响，各测站主流向也不相同，但规律性是 明显的，主要流向基本平行于等深线 b 本海区潮波呈驻波特点。 c 各测站水流强度有向岸逐渐减小的趋势。 d 大潮时，涨潮流( 西流) 流速大于落潮流流速。 e 曹妃甸岛附近水流最强，实际观测最大涨潮流可达1 2 0 m s ，落潮流可达 0 9 5 m s 。 波浪 主要依据较近的京唐港1 9 8 7 年一年和9 3 6 - 9 5 3 两年连续波浪观测资料进行 比照分析，同时适当参考塘沽波浪条件，得出以下结论： 色风浪频率大于涌浪频率。 近岸海域水污染物输移规律及环境容量研究 b 各向波浪频率分布 从1 9 8