大連灣水體中特征污染物的環(huán)境行為與模擬

大連灣水體中特征污染物的環(huán)境行為研究與模擬摘要：隨著大量的廢水排入近海海域，海域環(huán)境的規(guī)劃和管理顯得非常重要，用模型對水環(huán)境中污染物的行為進行模擬和預測，是一經(jīng)濟有效的方法。水質模型能夠模擬污染物在水體中的變化規(guī)律，從而可進行水質評價、水質管理和規(guī)劃。本文用模型分析了海岸帶水環(huán)境中狀態(tài)變量的變化過程，流體的流動及由此發(fā)生的污染物行為的時空演變與分布規(guī)律，以便給未來的水質規(guī)劃和管理提供科學依據(jù)。關鍵詞：水質模型近海海域模擬預測生態(tài)1．引言海岸帶是海洋與陸地的交接地帶，具有多種環(huán)境功能和生態(tài)價值。它又是一個環(huán)境脆弱和敏感地帶，即易受人為活動影響和破壞。隨著社會的發(fā)展，大量的工業(yè)廢水和生活廢水直接或間接的排放，大連灣由于接受大量的工業(yè)和生活廢水，灣頂部及排污口附近氨氮、油類、有機物的污染較重，大量的生物死亡，多次引起赤潮[4]。治理海域環(huán)境污染，恢復大連灣的生態(tài)污染，對于區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，生態(tài)環(huán)境的規(guī)劃和管理，具有重要的現(xiàn)實意義。為了評價廢水排放對水的污染程度，以進一步進行水質規(guī)劃，實施污染控制，需要了解污染物在水體中的行為，建立數(shù)學模型是一經(jīng)濟、有效的研究方法。應用水質模型，可定量的進行水環(huán)境質量的變化規(guī)律和發(fā)展趨勢進行模擬和預測，由此制定水污染控制規(guī)劃，實施水環(huán)境目標管理，以便保護環(huán)境、保持區(qū)域的生態(tài)平衡。本文用模型研究污染物的水環(huán)境行為，旨在了解污染物在多重環(huán)境因子影響下時空分布的變化規(guī)律，從而為海岸的水體規(guī)劃，生態(tài)保護提供科學的依據(jù)。本文中以氨氮在H010#監(jiān)測點上的變化為例，進行說明。圖1.大連灣的地形2．研究對象圖1.大連灣的地形大連灣位于大連北部，是大連地區(qū)黃海沿岸的第一大灣，如圖4-1所示。大連灣是一個典型的半封閉型海灣。東西寬約20km，南北長約11km，水域面積224km2，岸線長80km。大連灣三面環(huán)陸，灣口朝向東南，海底向灣口傾斜，海底平坦，5-10米等深線占據(jù)整個海灣，灣口水深超過30米，平均水深18米。灣內潮流流速不大，近岸最大流速為0.3-0.5節(jié)，中部最大流速為0.5-1.0節(jié)，三山島水稻出最大流速為2.0-2.5節(jié)。平均潮差2.13米，潮汐屬規(guī)則半日潮。1月份平均氣溫-3℃，8月份為24℃，年均氣溫8-10℃，圖1。3．模型說明季節(jié)性三維綜合水質模型WAHMO是1992年6月由英國HydraulicsResearchWallingford和香港WaterResearchCenter為香港“戰(zhàn)略污水處理計劃”共同開發(fā)的，用于考察沿岸工廠排污對維多利亞港水流運動和水質的影響。它能夠模擬近海水域三維水動力學和水質的詳細狀況。該模型可同時模擬二十一個水質變量及其相互作用，統(tǒng)一考慮了多種物理、化學核生物過程的綜合作用，已被成功的應用于香港的維多利亞港、英國的卡的夫灣和日本的博多灣等國家的海域的水質模擬[1，2，3]。WAHMO水質模型由兩個相互獨立又彼此聯(lián)系的子模型TIEDEAN-3DSL（季節(jié)性水運動模型）和FOLLFLOW-3DSL(季節(jié)性水質模型)構成。水運動模型用來預測由于重力循環(huán)和海水分層導致的潮流季節(jié)性變化，包括計算潮流運動、鹽分輸送、溫度分布及重力循環(huán)，其計算結果輸送給水質模型，由水質模型完成具體污染物的物理、生物、化學反應的計算。水運動模型的輸入文件包括控制數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、初始條件、淡水流入（源與匯）、降水、云遮、氣溫、風數(shù)據(jù)、相對濕度、海水溫度、蒸發(fā)數(shù)據(jù)共計12個文件，充分考慮了各種影響。CAMCDO硝化污染負荷CFNCAMCDO硝化污染負荷CFNCSNCONCFBCSBCFBMUDCSBMUDCMUDP-NHP-NO2P-OH藻類腐殖質海底需求CPHCSI光水解氧化DO>5%生化降解氧化揮發(fā)光解吸附沉淀沉淀負荷負荷呼吸光合作用氧化死亡大氣復氧，河流、海水朝帶入負荷，腐殖質分解氧化DO<5%NO>O時CON圖2.模型中變量的交互作用圖3.狀態(tài)變量的變化4．氨氮濃度的時空變化結果與討論圖3.狀態(tài)變量的變化污染物在水體中的行為受到海水溫度、溶解氧含量和水位等狀態(tài)變量的交替影響外，擴散遷移的物理過程，化學降解過程和生物的活動情況有關。4.1模擬結果4.1.1狀態(tài)變量的變化圖4.單元流體遷移量變化由狀態(tài)變量的變化圖3可知，鹽度在一年內的變化相對很小，由于降雨量，水位在8月份出現(xiàn)高峰值。在2月份，溫度出現(xiàn)低峰值，溶解氧濃度出現(xiàn)相對高峰值；在8月份，溫度出現(xiàn)高峰值，溶解氧濃度出現(xiàn)低峰值。圖4.單元流體遷移量變化4.1.2水體遷移量變化由5#監(jiān)測點所屬單元的對流流出和擴散流出量的變化圖4可知，單元的擴散流出量大大高于對流流出量，由于重力循環(huán)，從11月下旬開始到第二年的3月末，由于密度接近，垂直方向的擴散流出量大大增加。4.1.3污染物的時空分布1) 氨氮水平分布由大連灣的空間分布圖5、6和監(jiān)測點上氨氮濃度分布圖5可知，污染物的負荷和大連灣的地形水文的影響較大，在15#，H09#，1#排污口附近區(qū)域污染較重。圖6.氨氮濃度水平空間的分布2)氨氮濃度的垂直分布圖6.氨氮濃度水平空間的分布由氨氮濃度的垂直分布圖8可知，離海岸較遠的區(qū)域，在大連灣的東南部港口附近氨氮的濃度偏高，且表層高，隨著深度下降。3)氨氮時間分布由氨氮的一年中的變化行為圖7可知，污染物濃度的時間變化，受季節(jié)變化的影響比較明顯。由圖可知氨氮在夏季濃度較高，8月末是濃度減少到低谷之后開始回升，在秋季保持較高的濃度，冬季和早春保持較低的濃度，4月份開始回升。4.2討論4.2.1地形地貌、污染物負荷及流體流動的影響由污染物的空間分布圖5、6、8可知，污染物在排污口附近具有高濃度，作為水體自然屬性的自凈能力，一般是指水體物理、化學和生物的諸種要素稀釋和降解污染物質的一種綜合能力。其中決定海水宏觀快速凈化的支配因素是水動力要素的輸移與稀釋過程，簡稱貯存容量和輸移容量。陸源排放于海洋環(huán)境中的污染物，與海水混合之后，其輸移擴散的路徑和范圍均取決于排放海區(qū)的海洋環(huán)境動力狀況，海流則是海水自凈過程中最主要的環(huán)境動力因素。根據(jù)實測資料分析，大連灣海域潮流在海流成分中占絕對優(yōu)勢。本海區(qū)的潮汐屬正規(guī)半日潮，潮流為非正規(guī)半日潮流，其中以M2分潮流為主。圖8.氨氮濃度縱向空間的分布圖5.氨氮濃度在空間監(jiān)測點上的分布大連灣內潮流較弱。M2分潮流流速分布自灣口向灣內遞減，灣口線附近，流速在25~30cm/s的范圍內，在灣的中腹，流速在10~15cm/s的范圍內，灣頂近岸區(qū)，流速在5cm/s以下。從流速分布看，大連灣海域整體上說為一弱流區(qū)，灣口流動稍強，灣中部流動較弱，灣頂部流動極弱。圖8.氨氮濃度縱向空間的分布圖5.氨氮濃度在空間監(jiān)測點上的分布大連灣潮流的分布特征表明，灣口區(qū)水體比較活躍，水交換能力較強。灣頂區(qū)，尤其是幾個子灣內，水體呆滯，稀釋擴散能力極弱。據(jù)此可以定性的判斷大連灣頂部區(qū)域的貯存容量和輸移容量都是比較低的。污染物排放之后，不能及時輸移擴散出去形成積累，使得排污口區(qū)附近，污染物濃度較高；離岸邊較遠的區(qū)域，由于擴散條件好，海水交換能力強，污染物迅速得到稀釋，排污口對海水的影響很小，污染較輕。圖7.氨氮濃度的時間變化4.2.2季節(jié)變化圖7.氨氮濃度的時間變化在海洋的真光層內，浮游植物的生長和繁殖需要不斷的吸收營養(yǎng)鹽；另外，它們在代謝過程中的排泄物和生物殘骸，經(jīng)過細菌的分解，又把營養(yǎng)鹽再生而溶入海水中。那些沉降到海底的尸骸和排泄物，在海底被分解后再生的營養(yǎng)鹽，也可被上升流或對流帶回到上層，如此循環(huán)不已。在這些轉化和循環(huán)過程中，受到了化學的、生物的和物理的各種因子的影響。如在，氨氮氧化硝酸鹽氮的反應中，有著光化學氧化作用、化學氧化作用和微生物氧化作用。浮游生物對氮化合物吸收利用與排泄、分解，即微生物的影響，在整個氮循環(huán)過程中起著很大的作用[9]。4.2.2.1循環(huán)和垂直混合的影響污染物的時間變化圖7顯示，其濃度的季節(jié)變化是明顯的，主要受到垂直混合與溫度成層的影響。在冬季和早春，由于表層的溫度下降，密度增大，垂直方向的混合擴散量增加，污染物被稀釋，氨氮的濃度降低；隨著夏季的到來，溫度上升，表層密度越來越小，垂直密度的差別越來越大，增強重力循環(huán)，形成溫度和密度成層，垂直混合減少[5]，污染物停留在表層，導致濃度偏高。4.2.2.2生物、化學過程的影響NedwellD.B.等人研究證實：在夏季高溫條件下，上覆水中的溶解氧因為溫度升高而降低，而此時微生物活動強烈，使沉積物中的溶解氧迅速耗盡，溶解氧的滲透深度減小，使沉積物中處于還原環(huán)境，從而抑制了硝化作用的進行，沉積物中的反硝化作用，使上覆水中的NO3—N向沉積物擴散，因而在夏季，沉積物成為NO3—N的一個有效匯庫[7]。張興正等人的研究表明，無機氮在沉積物-水界面的遷移和轉化，各環(huán)境因子最終要通過影響沉積物-水界面的氧化還原邊界層來實現(xiàn)，氧化還原邊界層的上移，就使沉積物處于一個還原環(huán)境中，此時反硝化作用進行，使沉積物成為NO3—N的匯，NH4+-N的源；而氧化還原邊界層的下移，就使表層沉積物處于一個氧化的環(huán)境中，此時硝化作用的進行，就使沉積物成為NH4+-N的匯，NO3—N的源[8]。Kristensen等人的研究證明，在底棲生物的作用下，有生物作用的樣品比沒有生物作用的樣品礦化率要高1.6~2.6倍[6]。從氨氮的濃度的季節(jié)變化圖7可知，氨氮在冬季濃度最低，夏季高，秋季有一低峰之后升高達到最大值，冬季下降。4月份開始，垂直混合減少，氨氮在表層的濃度迅速增加；隨著溫度的繼續(xù)升高，微生物的活動加強，光密度的增加，促進硝化過程的進行，加上藻類的繁殖和生長旺盛，營養(yǎng)物質消耗增加，氨氮的濃度慢慢減少，隨著硝化反應過程的進行，會形成缺氧環(huán)境，有利于反硝化作用進行，所以氨氮濃度下降到一定程度后開始有所上升；隨著溫度的下降，微生物的活動開始變慢，對有機物的礦化作用減少，浮游植物的衰退，對營養(yǎng)鹽的消耗減弱，加上垂直混合的增加，底層腐殖質經(jīng)過溶解和分解產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽隨上升流帶回到表層，使氨氮的濃度增加；隨著垂直混合的進一步加劇，氨氮的濃度被稀釋而下降。5．結語海岸水體中污染物的行為受到眾多環(huán)境因子的影響，隨著時間和空間的變化有較大的差異。模型提供了一簡單有效的工具，可以對污染物的行為進行模擬和預測。通過對大連灣的水質模擬研究，發(fā)現(xiàn)狀態(tài)變量、流體流動和污染物的行為的直觀形象的變化，加深理解狀態(tài)變量、水體流動，污染負荷和環(huán)境因子對水體中污染物的行為的影響，為海岸水質規(guī)劃和管理提供科學依據(jù)。6．參考文獻[1]ShenY.M,MurphyD.G.Pollutionofthecoastalenvironment[R].Oxfordshire:HydraulicsResearchWallingford,UK,1994[2]KomatsutT,ShenY.M.Athree-dimensionalnumericalsimulationofhydrodynamicsandwaterqualityincoastalareas[R].Fukuoka:KyushuUniversity,Japan,1999[3]沈永明，鄭詠虹，邱大洪.香港維多利亞港三維污染精細預報模型研究.水利學報.2000,{8}:60~69[4]王惠卿，杜廣玉.大連市近岸海域赤潮狀況、預防及防治對策.中國環(huán)境監(jiān)測，2000，16（6）:42~45[5]KyeongPark,AlbertY.KuoandBruceJ.Neilson.ANumericalModelStudyofHypoxiaintheTidalRappahannockRiverofChesapeakeBay.Estuarine,CoastalandShelfScience1996,42,563~581[6]ErikKristensen.BenthicFaunaandBiogeochemicalProgressinMarineSedimentMicrobioActivitiesandFluxes[A]in:NitrogenCyclinginCoastalMarineEnvironments.1988,276~291[7]NedwellD.B.,TrimmerM.NitrogenfluxesthroughtheupperestuaryoftheGreatOuse,England:theroleofthebottomsediment.MarineEcolotyProgressseries.1996,142,273~286[8]張興正，陳振樓，鄧煥廣，許世遠長江口北支潮灘沉積物-水界面無機氮的交換通量及季節(jié)變化重慶環(huán)境科學2003,9:31~35[9]張正斌陳鎮(zhèn)東劉蓮生王肇鼎海洋化學原理與應用海洋出版社1999AStudyofwaterqualitymodelinDalianBayAbstract:DalianBayischallengedbyseriousproblemsofmarinepollution.Itisnecessarytoassessthewaterquality,helpthemanagementoftheenvironmentandtheregionalwastewatertrea