秦皇岛海域洪季水动力及污染物扩散数值模拟

匡翠萍，胡成飞，冒小丹，顾 杰

（1.同济大学 土木工程学院，上海200092；2.上海海洋大学 海洋科学学院，上海201306）

秦皇岛位于河北省东北部，地理坐标为北纬39°24′～40°37′，东经118°33′～119°51′.秦皇岛海岸线北起山海关金丝河口，南止昌黎县滦河口，总长162.7km.秦皇岛市现有捕捞作业渔场1万km2，有适宜发展养殖的浅海533km2，滩涂13km2.海产养殖尤其是海湾扇贝养殖在全国占有重要地位，2008年，秦皇岛市渔业总产量34.96万t，其中海水养殖产量29.98万t，占总产量的85.76%［1］.然而近年来秦皇岛海域几乎连年发生赤潮，对当地扇贝等海产养殖造成了巨大损失.2009年秦皇岛沿岸海域爆发大面积赤潮，赤潮区内养殖的扇贝、牡蛎等水产出现了滞长和死亡现象，约三分之二的养殖区受到影响.2010年秦皇岛昌黎沿海海域发生大面积赤潮，造成直接经济损失约2亿元.2011年秦皇岛海域赤潮发生次数最多，全年共爆发7次赤潮，对当地扇贝养殖造成了数亿元的损失.

近年来，国内外大量学者对赤潮爆发的机理及赤潮爆发时水体中各测站点的水文化学要素的浓度变化进行了研究［2-4］，研究表明赤潮爆发与海域水动力条件、水体交换速率及营养盐等污染物存在着一定的相关关系.海域的水动力条件和污染物扩散受潮汐、地形、风及科氏力等因素影响［5-7］，其中在湖泊、河口和海湾等封闭或半封闭水域，风是驱动水体环流及污染物扩散的主要因子之一［8-11］，而在宽广海域风驱动力的作用并不是影响水动力条件和污染物扩散的主要因素，然而部分学者通过研究发现，风对开放海域的水动力、水体交换、盐度混合及污染物扩散等仍有一定程度的影响［12-14］，尤其在赤潮频发海域更应引起重视.由于洪季为秦皇岛海域赤潮频发期，本文建立了秦皇岛近岸海域二维水动力和污染物扩散模型，并通过洪季水文和水质实测资料对模型进行了率定验证，得到了秦皇岛近岸海域在潮汐以及潮汐和风共同作用下的水动力和化学需氧量（COD）扩散分布特征，并在此基础上，分析了风对秦皇岛近岸海域洪季水动力和COD扩散分布的影响，以期较为全面地认识秦皇岛近岸海域洪季水动力及COD扩散特征.

1 研究区域

研究区域选择秦皇岛近岸海域，北起山海关，南至滦河口，岸线绵延173km，从北向南沿岸线共有11条入海河流：石河、新开河、汤河、新河、戴河、洋河、人造河、东沙河、大蒲河、七里海和滦河.

秦皇岛属于暖温带半湿润大陆性季风气候区，春季少雨干燥，夏季湿润多雨，秋季晴朗干爽，冬季寒冷少雪［15］，其海岸带年平均风速为3.9m·s-1，最大风速24m·s-1，冬季多为东北（NE）风，春季多为西南偏西（WSW）风，夏季为西南（SW）风［16］.秦皇岛附近海域是规则全日潮区，向南至滦河口区属于不规则全日潮区［17］.秦皇岛近岸海域历年平均潮位73～91cm，呈现冬低夏高的趋势［18］.秦皇岛年平均温度9℃～11℃，最高月平均温度23℃～25℃，最低月平均温度-7℃～-5℃，最适宜气候环境为6～9月，是海滨泳浴的最佳时节［19］.

2 数学模型

基于Navier-Stokes方程和对流扩散方程建立水动力和污染物扩散模型，并在污染物扩散模型中采用线性衰减系数来反映COD的衰减过程.

（1）计算网格与地形

数学模型的计算范围，北至山海关以北约20 km处，南至滦河口以南近14km处，向外海延伸大约55km，包含入海河流河口.计算区域采用三角形划分网格，节点数为9 066，网格单元数为16 866.通过对国家测绘局1998年版1：50 000地形图，以及2000年、2005年航片资料进行数字化处理，并配合2007年、2009年、2011年实测近岸详细地形水深数据和2013年河道地形实测数据得到一整套完整的计算区域地形数据.

（2）初始条件与边界条件

水动力模型外海开边界由潮位过程控制，其潮位过程由渤海潮流模型（边界为大连到烟台）［20］提供；河流开边界由实测多年月平均流量控制.模型初始水位选取计算开始时刻开边界潮位的平均值，流速为零.污染物扩散模型外海开边界条件为本底COD浓度，近似取常值0.9mg·L-1，河流开边界COD浓度由2011年各月COD浓度实测值控制.模型初始COD浓度设定为本底COD浓度0.9mg·L-1.

（3）参数设置

曼宁系数由该海域海床泥沙中值粒径和水深综合确定，取平均值0.014，时间步长取1s.边界滩地采用动边界处理滩地的干湿交换过程.水平扩散系数通过污染物扩散模型率定，取常值60m2·s-1.COD衰减系数根据实测平均水温按一阶衰减过程计算，为0.033d-1.风场数据来源于美国国家海洋和大气管理局 NOAA中渤海站点（120°E、39.047°N）2011年5月1日～9月1日的风速风向.2011年5～9月渤海最大风速为12.6m·s-1，平均风速4.0 m·s-1；南（S）、东南偏南（SSE）和西南偏南（SSW）风向占总数的49.1%，常风向为S，S风向平均风速为5.2m·s-1.8月10～16日期间（图1），渤海最大风速4.9m·s-1，平均风速2.87m·s-1；SSE、S、SSW风向占总数的56%，常风向为SSE.

图1 2011年8月10～16日风速风向Fig.1 Time-series of wind speed and wind direction from 10th to 16th August 2011

3 模型验证

2011年7月21日～26日暨南大学对赤潮发生时秦皇岛近岸海域C01～C23站点的水质情况进行了取样分析.秦皇岛海洋环境监测中心于2011年5月26日8：00至27日8：00对秦皇岛近岸海域V01～V10十个站点进行了流向流速监测，水动力及污染物测站如图2所示.

3.1 水动力模型验证

（1）潮位验证

水动力模型中的潮位验证如图3a所示，实测潮位资料为2011年5月21日18：00至22日18：00秦皇岛站的潮位过程，验证站位置如图2所示.潮位的相位和趋势基本吻合，潮位大小有小幅度偏差，这是由于水动力模型中部分物理参数采用了平均值，即常数；风场为6h的演变场.此外秦皇岛站位置靠近海岸线，近岸海域地形复杂，且秦皇岛站处于无潮点影响范围内，潮波变形较大，从而导致计算潮位大小有一定偏差.

（2）潮流验证

水动力模型中潮流验证如图3b和3c所示 （限于篇幅有限，现仅列出V01潮流验证），实测潮流资料来源于秦皇岛海洋环境监测中心实测数据，测站位置如图2所示.V01测站的模拟流速和流向与实测值在相位上基本吻合，部分时刻V01测站流速和流向验证在数值上有一定误差，这主要是由于风场数据参考的站点为渤海监测站点，与秦皇岛实际风速风向有一定偏差，而且近岸风场还受陆域影响，较为复杂，且秦皇岛近岸海域位于渤海无潮点附近，潮波变化复杂.

3.2 污染物扩散模型验证

采用暨南大学2011年7月21日～26日秦皇岛近岸海域水质监测数据（监测站点如图2所示）对污染物扩散模型进行验证，验证结果如图4所示，未考虑风的情况下，污染物扩散模型中COD计算结果相对误差小于25%以内的站点占总数的78.26%，加入风场后，COD计算结果相对误差小于25%以内的站点占总数的95.65%，污染物扩散模型总体验证良好.部分站点计算值与实测值误差较大的原因可能是站点监测时间不同步，计算值和实测值不能保证为同一时刻水质的反映以及数学模型中仅考虑了河流进入海域的污染，未考虑其他直排口以及浴场开放等当地因素的影响.

图3 秦皇岛站潮位验证和V01站流速流向验证Fig.3 Verification of tidal level at Qinhuangdao gauge station and tidal current velocity magnitude and direction at stations V01

4 结果与分析

通过建立和验证的数学模型计算得到秦皇岛近岸海域2011年6月1日～9月1日水动力和污染物扩散变化过程，选取8月15日来分析秦皇岛近岸海域在洪季大潮水文条件下的水动力和污染物扩散分布特征，比较风对秦皇岛近岸海域水动力和污染物扩散的影响.

图4 COD浓度验证Fig.4 Verification of COD concentration

4.1 水动力特征

秦皇岛近岸海域2011年8月15日涨憩时刻水位流场如图5a所示，图中，矢量箭头代表流速，等值线表示水位.秦皇岛近岸海域涨潮流为SW向，落潮流为NE向.在涨憩时刻，风作用下，整个海域水位变化为-0.004 8～0.000 8m，变化幅度仅为-0.7%～0.2%，仅石河口东北部靠岸和外海边界处狭小海域水位略有升高，大部分海域水位均降低，滦河口附近海域水位降低较明显，可能是因为滦河口三角洲特殊的地形受风作用力影响较为复杂.风作用下，整个海域的流速变化为-0.112～0.021m·s-1，风作用（风速＜5m·s-1）对外海流速基本无影响，对近岸海域流速影响复杂，可能是由于近岸海域地形复杂，潮流较紊乱，受风作用力的影响较大.近岸海域，石河口以北海域流速略有增加，戴河口至滦河口间海域流速降低，滦河口以南海域流速减小相对较大，这是由于海域潮流过程不同步造成的，2011年8月13日～15日，渤海主要风向为SSW、S和SSE，戴河口附近海域涨憩时，石河口以北海域已经转流，流向为NE，风应力起动力作用，使流速增加，而戴河口至滦河口海域潮流仍处于涨急向涨憩过渡阶段，流向为SW，风应力起阻力作用，使流速减小.

落憩时刻，风作用下，整个海域水位变化规律与涨憩时刻相似，变化幅度较涨憩时刻大，为-2.5%～4.6%.风对外海流速基本无影响.在近岸海域，由于海域潮流过程不同步，石河口以北海域流速降低，石河口以南海域流速增加，滦河口以南海域流速增加相对较大.

图5 涨憩时刻秦皇岛近岸海域水位流场Fig.5 Isolines of water levels and current fields at the slack of the flood in Qinhuangdao costal water

4.2 污染物扩散分布特征

秦皇岛近岸海域2011年8月15日涨憩时刻COD浓度分布如图6所示.COD扩散方向与涨落潮潮流方向一致.涨憩时刻，潮汐作用及潮汐和风共同作用下的COD浓度分布趋势基本一致，洋河口以北海域，风和潮汐共同作用下的COD浓度等值线分布在近岸海域较无风条件下向NE偏移，这是由于2011年8月13日～15日，渤海主要风向为SSW、S和SSE，减慢了洋河口以北海域COD向SW方向的扩散.风作用下，该海域内COD浓度变化为-0.17～0.24mg·L-1，浓度变化梯度近岸海域高于外海，与近岸海域浓度梯度大于外海浓度梯度一致.COD在七里海以南海域浓度降低，洋河口以北海域浓度增加，这是由于该时段，涨潮流在风作用下流速降低，减慢了洋河口以北海域COD向SW方向扩散，同时也降低了戴河、洋河、人造河、东沙河和大蒲河排出的COD向七里海以南海域扩散速度，从而造成COD在七里海以南海域浓度降低，洋河口以北海域浓度增加.

落憩时刻，风作用下，COD浓度等值线分布向NE偏移，这是由于该时段渤海主要风向为SSW、S和SSE，加快了COD向NE方向的扩散.海域内COD浓度变化为-0.27～0.35mg·L-1.COD在大蒲河口、人造河口以及滦河口以南海域浓度降低，洋河口以北海域浓度增加，这是由于该时间段，潮流在风作用下流速增大，加大了从河口排出的COD向NE方向扩散的速度，从而造成洋河口以北海域COD浓度增加；而SW向外海开边界浓度小于海域浓度，NE方向流速增大，加大了SW向外海开边界对滦河口以南海域的影响，从而造成滦河口以南海域COD浓度降低.

图6 涨憩时刻秦皇岛近岸海域COD浓度分布（单位：mg·L-1）Fig.6 Isolines of COD concentration at the slack of the flood in Qinhuangdao costal water （unit：mg·L-1）

5 结论

本文建立了秦皇岛近岸海域二维水动力和污染物扩散数学模型，并用实测资料对数学模型进行率定验证，研究了秦皇岛近岸海域在洪季大潮水文条件下的水动力和污染物扩散分布特征，并在此基础上分析了风对秦皇岛近岸海域水动力和污染物扩散的影响，得到如下结论：

（1）秦皇岛近岸海域落潮流为NE向，涨潮流为SW向；秦皇岛与滦河口海域转流时间不同步；秦皇岛近岸海域潮流总体特征为顺岸往复流.

（2）涨落憩时刻，风作用下，秦皇岛近岸海域整体水位均略有降低.风作用对近岸海域流速影响复杂，落憩时刻，石河口以北海域流速降低，石河口以南海域流速增加；涨憩时刻，石河口以北海域流速略有增加，戴河口至滦河口间海域流速降低.

（3）COD扩散方向与涨落潮潮流方向一致.COD浓度分布由近岸向外海递减，近岸海域浓度梯度较外海大.

（4）风作用下，落憩时刻，COD浓度在大蒲河口、人造河口以及滦河口以南海域降低，洋河口以北海域增加；涨憩时刻，COD浓度在七里海以南海域降低，洋河口以北海域增加.

致谢：本文水动力和污染物扩散数学模型验证采用的潮流及水质实测数据分别由秦皇岛海洋环境监测中心和暨南大学吕颂辉教授提供，在此表示真诚的感谢！

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