青岛碱厂温排水对娄山河口附近水环境的影响预测

李晓静，娄安刚，王 璟，郑嫣茹，邱照宇

（中国海洋大学环境科学与工程学院，中国海洋大学海洋环境生态重点实验室，青岛 266100）

胶州湾位于山东半岛南部（35°58′～36°18′N，120°04′～120°23′E），属半封闭性海湾。湾内岸线长 163 km，总面积423 km2，其中滩涂面积125 km2，0 m线以下水域面积298 km2，平均水深6～7 m，湾内最大水深64 m［1］。

娄山河口位于胶州湾东北部，青岛碱厂白泥脱硫废水由娄山河口外海南侧排入胶州湾。由于胶州湾海域海水温度场的空间结构明显地分为2种类型：冬季型和夏季型［2］，因此本文在流场模拟的基础上，利用湍流热扩散方程预测冬夏两季温排水在环境水体中的运移扩散范围，分析其对水质及海洋生态环境的影响。

1 二维潮流模型

由于排污口附近海域水深较浅，故运用深度平均二维潮流模型［3］，采用不规则三角形网格划分模拟区域，分步杂交方法求解。

1.1 基本控制方程组

连续方程

运动方程组

式中：ζ为平均海平面起算的海面高度；H=ζ+h为总水深，h为静水深；g为重力加速度；f=2ωsinφ为柯氏力参量（ω为地球自转角速度，φ为地球纬度）；u、v分别为x、y方向的深度平均流速；C为谢才系数，主要取决于海底粗糙度，同时依赖于水深，本文应用Manning公式

式中：n为表征海底粗糙度的Manning系数。

（1）初始条件。t=0 时，u=u0，v=v0，ζ=ζ0。

（2）陆边界。ucosα+vcosβ=0。

（3）开边界。ζ=ζ′（水界强迫函数）。

本文采用非结构三角网格的分步杂交方法，在前半步采用特征线方法，在后半步采用集中质量有限元方法求解方程。

1.2 计算域及网格设置

本文计算海域选取崂山头—朝连岛—灵山岛联线以西海域，包括胶州湾及其邻近海域（图1）。采用三角形网格，计算域共5 808个节点、10 763个单元格，计算海域最小网格间距为50 m，最大网格间距为2 000 m（图2）。

1.3 水深

由于海湾大桥墩柱距离小于计算网格，网格无法反映出海湾大桥的存在，根据文献［4］的处理方法，采用式（5）对海湾大桥所在区进行水深修正

式中：ΔH为桩基所在区的折减水深；d为桩径；B为桩距；H为天然水深；α为水深折减系数，是d/B的函数，其值在1.3～4.0，本文取中值2.5。

1.4 水界输入

我国判断潮汐类型的标准为HK1+HO1/HM2，胶州湾及其附近海域的值小于0.5，是正规半日潮海域，因此，可输入下列方程作为水界强迫函数

式中：ζ为水位；t为时间；HM2为M2分潮调和常数振幅；σM2为M2分潮角速度；gM2为M2分潮调和常数迟角。

2 温排水数值模型

基本方程

式中：T为沿深度平均温升；Dx、Dy分别为x、y方向的温度湍流扩散系数；R为海面综合散热系数，不考虑风速的影响；Cp为海水的定压比热；ρ为海水密度；f为热源项。

（1）边界条件。

（2）初始条件。

利用Gunneberg公式计算得出海面综合散热系数

式中：Ts为各个网格的计算温升值加上环境本底水温值。

经现场测试，青岛碱厂温排水入海口温度为32℃，流量为4 400 m3/h。考虑冬夏两季的不同情况，根据胶州湾的常年观测资料［2］，夏季平均水温取25℃，冬季平均水温取5℃。

3 模拟结果与分析

3.1 潮流模型验证及计算结果

3.1.1 验证

潮位验证点采用大港潮位站和沙子口潮位站2个验潮站的观测值，与计算值进行比较（图3和图4），比较结果表明潮位计算值与观测值吻合较好。

选取C1、C2、C3三个点的历史测流资料进行潮流验证（图1），验证结果见图5～图7。由图5～图7可知，计算值和实测值的最大流方向、最大流速值、潮流旋转向、转流时刻等基本吻合。

3.1.2 计算结果

潮流计算结果如图8和图9。

3.2 温升计算结果

在潮流显著的海区，影响温升线分布的主要是海域潮流场及排水后产生的局部流场和扩散混合作用，因此排污口附近是高温中心，温升线具有潮周期振动的性质。

冬季和夏季不同潮时温升线分布分别见图10～图13。计算得冬季的最大温升值为14.31℃，夏季最大温升为3.58℃。不同季节各个温升值最远扩散距离和包络面积见表1。由表1可以看出，夏季温排水的影响范围很小，而冬季则相对较大，但强温升区范围仅限于0.348 km2。

冬季和夏季温升包络线分布分别见图14和图15。

3.3 温排水对海洋生态环境的影响

3.3.1 对水中溶解氧的影响

溶解氧是生物新陈代谢所必须的物质条件之一，宋国栋等［6］对温度与溶解氧的关系研究结果表明，外海海域的溶解氧与温度之间呈显著的负相关，而近岸海域的溶解氧与温度则呈显著的正相关，充分说明温度是影响溶解氧的一个重要因素。温度过高会影响水体中溶解氧含量，进而影响水生生物的生命活动。

3.3.2 对浮游生物的影响

一般来说，大多数海洋生物适应的最高温度为30℃左右，温带大多数水生生物最适温度在18～28℃［7］，水温超过35℃时浮游生物的种类和数量会明显减少。本文夏季最大温升为3.58℃，叠加后不超过30℃，因此热冲击对浮游生物影响不大，冬季最大温升14.31℃，温排水的增温使海水温度更适合浮游生物生长，加快海水中有机质的分解，为浮游生物的生长提供良好的温度条件和营养条件，促进浮游生物的生长繁殖。

表1 冬季和夏季各温升值最远扩散距离和包络面积Tab.1 The farthest diffusion distance and temperature rise envelope area in winter and summer

3.3.3 对鱼类的影响

冬季自然海水温度较低，鱼类大都向外海游去，温排水的排放在促进浮游生物生长的同时，也为鱼类提供了丰富的饵料，为鱼类的繁殖和发育提供了有利条件，从而吸引更多的鱼类聚集于此。但夏季自然水温高，再升温则会使鱼类数量相对减少，但随着鱼类的不断适应，温升对其影响也会逐渐降低。

3.3.4 对底栖动物的影响

底栖动物长期栖息在水底底层，相对固定，迁移能力弱，在受到热冲击的情况下很难回避，容易受到伤害。胡德良等［8］研究得出6℃以上的增温将对底栖动物造成严重危害，减少栖息地，即使冬季也是如此；而增温4℃则对底栖动物有利，其种类和数量比自然水体要丰富，多样性指数也相应提高。因此，在冬季，温排水的排放会对底栖动物产生一定的影响，影响面积为0.15 km2。

4 结论

本文对青岛碱厂温排水对胶州湾环境水体的影响进行了预测分析，结果表明，夏季温升较小，且控制在很小的区域内，可以认为对水体环境几乎不产生影响；冬季会产生较大温升，且影响范围较夏季大，但由于冬季自然水温较低，适度温升反而会提高浮游生物的生长繁殖，在一定程度上对生物多样性指数有利。

如要进一步减小温排水影响程度，可以考虑改进能源利用设备，降低温排水温度；改进排放方式，将排放口设置到潮下带，以避免影响生物多样性丰富的潮间带。

本文的温排水模型未考虑风场的影响，只粗略地认为夏季和冬季海水自然温度有差异，结果存在一定的误差，在以后的研究中，要进一步提高预测精度。

［1］国家海洋局.胶州湾环境调查监测监视和执法管理实施计划专辑［J］.海洋通报，1992，11（3）：1-80.

SOA.Jiaozhou Bay Environmental Survey and the Implementation Plan of Law Enforcement Management Album［J］.Marine Bulletin，1992，11（3）：1-80.

［2］杨玉玲，吴永成.90 年代胶州湾海域的温、盐结构［J］.黄渤海海洋，1999，17（3）：31-36.

YANG Y L，WU Y C.Temperature and Salinity Structures of Jiaozhou Bay Waters During 1991～1995［J］.Journal of Oceanography of Huanghai&Bohai Seas，1999，17（3）：31-36.

［3］娄安刚，李凤歧，吴德星，等.胶州湾红岛码头疏浚物质输移扩散数值预测［J］.海洋科学，2003，27（12）：45-49.

LOU A G，LI F Q，WU D X，et al.Numerical Prediction for Transport and Diffusion of Dredged Matter near Hongdao Wharf in Jiaozhou Bay［J］.Marine Sciences，2003，27（12）：45-49.

［4］唐士芳，李蓓.桩群阻力影响下的潮流数值模拟研究［J］.中国港湾建设，2001（5）：25-29.

TANG S F，LI B.Study on Numerical Simulation of Tidal Flow Influenced by Pile Group Resistance［J］.China Harbour Construction，2001（5）：25-29.

［5］GB3097-1997，海水水质标准［S］.

［6］宋国栋，石晓勇，祝陈坚.春季黄海溶解氧的平面分布特征及主要影响因素初探［J］.海洋环境科学，2007，26（6）：534-536.

SONG G D，SHI X Y，ZHU C J.Horizontal distributions and main effect factors of dissolved oxygen in the Yellow Sea in Spring［J］.Marine Environmental Science，2007，26（6）：534-536.

［7］金岚，李平衡，刘伟，等.水域热影响概论［M］.北京：高等教育出版社，1993.

［8］胡德良，杨华南.热排放对湘江大型底栖无脊椎动物的影响［J］.环境污染治理技术与设备，2001，2（1）：25-27.

HU D L，YANG H N.Effects of heat shock on macro-invertebrates in Xiangjiang River［J］.Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control，2001，2（1）：25-27.