大沽河河口区氮磷营养盐输移转化行为研究❋

2015-06-01马晓波尹则高孙寓姣王震宇

中国海洋大学学报（自然科学版） 2015年11期

关键词：大沽胶州湾营养盐

马晓波，尹则高，孙寓姣，王震宇

(1. 中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛 266100；2.中国海洋大学工程学院，山东青岛 266100;3.北京师范大学水科学研究院，北京 100875)

大沽河河口区氮磷营养盐输移转化行为研究❋

马晓波1，尹则高2❋❋，孙寓姣3，王震宇1

(1. 中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛 266100；2.中国海洋大学工程学院，山东青岛 266100;3.北京师范大学水科学研究院，北京 100875)

基于MIKE21软件，建立潮流、径流耦合作用下大沽河河口区氮磷营养盐输移转化数学模型。利用数学模型，对实测工况进行了模拟，并与相应的实测资料进行验证；在此基础上，对不同径流和排污条件下的氮磷营养盐分布进行预测分析。结果表明：大沽河口附近DO浓度较低，氨氮、硝酸盐和磷酸盐浓度较高。平水期流量条件下，上述物质进入胶州湾后有偏向河口右侧海岸的趋势。丰水期流量条件下，各水质参数的分布趋向均匀；上述物质进入胶州湾后基本上呈现以河口纵向主槽为对称轴，两侧对称分布的特征。不同排污条件下，河口附近DO从北向南基本呈现递增趋势，而氨氮、硝酸盐和磷酸盐则相反。一、二级污水排放条件下，河口附近DO符合一类海水水质标准；而无机氮和磷酸盐为超四类海水水质标准。

大沽河河口；无机氮；磷；数值模拟

大沽河发源于山东省招远市，在胶州市注入胶州湾。全长179.9 km，年均径流量6.3亿m3，流域面积6 100 km2，是胶州湾的最大入海河流。2010年监测资料表明，大沽河及胶州湾水体污染较严重，主要污染物是无机氮、磷酸盐、石油类和铅；其中大沽河干流Ⅰ 至Ⅲ 类水质的河段占监测河段长度的66.2%，Ⅳ 类水质河段占监测河段长度的16.0%，Ⅴ 和劣Ⅴ 类水质的河段占监测河段长度的17.8%。污染物的排放和累积，超过了水体的自净能力，导致环境质量恶化，生态平衡遭到破坏，严重影响当地的正常生产和生活。

近年来，诸多学者对世界主要河口海岸地区的水体富营养化污染进行了大量研究。Testa等[1]利用泥沙通量数学模型，对Chesapeake湾的氮，磷和硅循环进行了模拟，进而对各复杂物理化学环境下的氨氮、硝酸盐和磷酸盐等参数分布进行了成功的反演。Vanderborght等[2]建立了欧洲Scheldt河口海岸地区的营养物质输移反应二维数学模型，对碳、氮、氧和硅的输移和转化行为进行了研究，分析了潮流等因素对当地生物地球化学循环的影响。Chen等[3]分析了最近30年长江口的总氮、硝态氮、总磷和磷酸盐数据，发现上述污染物浓度大幅持续增加，2003—2010年间，总氮最大值从3.07mg/L增加到4.48mg/L，总磷最大值从0.25mg/L增加到0.34mg/L。Xu等[4]对2005和2006年南中国海的氮磷营养盐数据进行了观测和分析，发现浮游植物受氮磷的共同影响，而珠江泄流、降雨和风场因素影响了氮磷等限制性营养元素的确定。胶州湾近岸污染研究方面，孙优善等[5]分析了2005年5、8和10月胶州湾海域水质调查结果，发现磷酸盐局部超标，无机氮则严重超标。韩彬等[6]分析了2006年和2007年的实测大沽河口水质资料，发现无机氮和石油类为该海域的主要污染物，该海域总体营养水平较高。孙晓霞等[7]分析了近40余年来胶州湾营养盐浓度与结构的变化规律，指出近年来胶州湾各项营养盐浓度都呈现增加趋势，但不同种类营养盐的变化时期并不相同。陈晨等[8]研究了胶州湾营养盐的分布，发现营养盐分布都是从湾内向湾口递减，微表层海水对氮、硅均有不同程度的富集作用，对磷无富集现象。过锋等[9]依据1997—2011年部分月份的水环境调查资料，对胶州湾贝类养殖区氮、磷污染现状进行了分析，结果表明2011年胶州湾贝类养殖区氮、磷污染程度具有明显的季节变化，以10月最重，8月次之，3月最轻。娄安刚等[10]则预测了胶州市城市污水处理场正常运行和事故情况下大沽河口邻近海域的水质情况。

虽然上述学者对胶州湾水环境进行了大量的观测计算和分析工作，但对于大沽河口复杂水动力行为对胶州湾水环境影响的考虑仍不足，径流和潮流耦合作用下的氮磷营养盐输移转化特性研究亟待深入。本文建立了大沽河口氮磷营养盐输移转化的数学模型，利用观测资料对数学模型进行了验证；进而研究了典型径流和排污条件下氮磷营养盐输移转化行为。

1 数学模型

MIKE21是一个专业的工程软件包，用于模拟河流、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。考虑到MIKE21软件在模拟潮流、径流和水环境等方面的强大功能，本文选用其作为计算软件进行计算。

1.1 控制方程

1.1.1 水动力学模型控制方程垂向平均的二维水动力数学模型控制方程包括连续性方程和动量方程。

连续性方程：

(1)

x方向动量方程：

(2)

y方向动量方程：

(3)

式中：t为时间；ζ为水面高程；h为水深；p、q分别为x，y方向上的单宽流量；g为重力加速度；C为谢才系数；Ex，Ey为x，y方向的涡黏系数；Ω为科氏力参数。利用有限差分格式和非叠代交替方向隐式法求解方程(1)，(2)和(3)。

1.1.2 氮磷营养盐输移模型控制方程营养盐生物化学过程与表述物理过程的输移模型紧密相关，其控制形式如下：

(4)

式中：c为营养盐浓度；u、v分别为x，y方向上流速；Dx、Dy分别为x，y方向上的扩散系数；Qs为源汇项；R为由于化学生物作用的营养盐产生和消耗速率。

在利用水动力学模型求得u，v和h的基础上，利用三阶的QUICKEST格式求解方程(4)。

1.1.3 水质模型控制方程基于MIKE21软件的ECOLAB模块，选取水质营养盐项，模型包含7个主要变量，9个辅助变量和39个常数。由于篇幅所限，这里只给出本文关心的DO，氨氮，硝酸盐和磷酸盐质量平衡方程。

DO质量平衡方程：

(5)

式中:DO为溶解氧浓度，α1、α2、α3、α4和α5分别为大气复氧率，生物化学过程耗氧率，植物光合作用复氧率，浮游动植物呼吸作用耗氧率和泥沙耗氧率。

氨氮质量平衡方程：

(6)

硝酸盐质量平衡方程：

(7)

磷酸盐质量平衡方程：

(8)

水质模型框架及参数间的相互关系见图1[11]。公式(5)～(8)中相关速率参数的具体设置方法，请参见相关文献[12]，这里不再赘述。

1.2 边界条件和参数设置

1.2.1 开边界条件水动力学模型开边界采用Dirichlet边界条件，即潮(或水)位控制z|边界=ζ(t)，其中ζ(t)为外海开边界的潮位或河口汇入处的水位。水质模型采用Neumann边界条件，即各水质参数的梯度为零。

1.2.2 壁面边界条件床面上，水动力学模型采用不可入和无滑移边界，即法向速度为零，切向流速的法向梯度也为零；水质模型采用Land方法进行处理。采用干湿法处理动边界。

1.2.3 参数设置模型采用的时间步长为10s，最大克朗数取0.6。胶州湾区域较大，不同位置Manning数有所不同；在对实测资料进行率定的基础上，取0.033～0.036。紊动黏性系数的计算采用Smagorinsky公式计算得到，这里取0.28。采用平均海平面作为计算基准面。

图1 水质模型框架

1.3 网格划分、地形资料与源项设置

1.3.1 网格划分模型囊括整个胶州湾海域；计算水域面积约367km2；三角形网格个数：21486；网格节点数：12585；模型网格如图2所示。

图2 计算网格图Fig.2 Computation grids

1.3.2 地形资料水深采用国家海洋局第一海洋研究所于1992年测量的1∶2.5万的数据。

1.3.3 源项设置根据胶州湾入海河流和沿岸污水处理厂分布情况，将主要入海污染源分成8个排污单元，分别为团岛、海泊河、李村河、板桥坊河、楼山河、墨水河、大沽河和前湾，具体位置见图3。将上述排污单元对应工况作为源项代入数学模型参与计算。

图3 排污入海源项分布Fig.3 Pollutant sources distribution in Jiaozhou bay

2 水动力模型验证、预测与分析

2.1 模型验证

利用MIKE21软件对大沽河河口进行潮位预测。根据2008年10月14日10时—15日11时大潮期间全潮水文观测资料，对1#站采用潮汐调和常数M2进行潮位验证，对2#号和3#测站进行了流速和流向验证。对2011年5月、8月和10月4#～8#5个测站的DO，氨氮，硝酸盐和磷酸盐进行了连续观测。测站位置见图4。

图4 测站位置示意图Fig.4 Measured data stations map

2.1.1 潮位验证从图5和表1中可以看出，计算振幅与实测值最大偏差0.011 9 m，计算迟角与实测值最大偏差为0.24°，模型模拟效果较好。

图5 1#站潮位验证

表1 潮汐调和常数(M2)验证

2.1.2 流速和流向验证从图6和7可以看出，计算流速大小和方向与观测数据基本一致，相对误差一般在15%以内，模拟结果比较可靠。需要注意的是15日5时左右，图7(a)中的3#测站计算流速与实测值相差较大，可能的一个原因是1992年观测的水深数据与2008年的实际地形不匹配引起的。

图6 2#测站实测值与计算值对比

总之，对于潮汐来说，本文建立的潮流数学模型模拟得到的M2分潮振幅和迟角与实测值比较一致；对于潮流来说，潮流速和流向的模拟结果也相对可靠。所以，可以利用该模型进行胶州湾潮流场的预测和分析。

2.1.3 水质参数验证从图8可以看出，2011年5—10月，胶州湾内由西向东4#～8#5个测站的DO基本上呈现递减趋势，氨氮和磷酸盐基本上呈现递增趋势；而硝酸盐在5#和6#测站数值较小，7#和8#测站数值较大。分析原因是由于胶州湾东部的墨水河及李村河等汇入，带来了大量的营养物质，导致氮磷营养盐参数较高，污染比较严重。

图7 3#测站实测值与计算值对比

从图8(a)可以看出，各站的DO在8月份数值最小，4#、5#和6#测站的DO10月大于5月对应值。从图8(b)可以看出，4#、5#和6#测站的氨氮在8月份数值最小；7#测站的氨氮在5、8和10月份数值都较大；8#测站的氨氮则在8月份数值最大。从图8(c)可以看出，4#～8#5个测站10月的硝酸盐数值最大；8月的硝酸盐数值次之，5月的硝酸盐数值最小。从图8(d)可以看出，4#测站磷酸盐数值最小，5#、6#和7#测站不同程度的增加；8#测站的最大，大约为4#测站的3～4倍。从图8还可以看出，不同月份上述测站的DO、氨氮，硝酸盐和磷酸盐计算值与实测值相对误差较小，吻合较好，说明可以利用建立的数学模型进行大沽河口氮磷营养盐的输移转化行为研究。

2.2 典型径流条件下大沽河口水质参数计算分析

根据相关文献[13]，大沽河全线水质确保不低于Ⅲ类水标准。这里选取Ⅲ类水参数上限作为入海控制标准。根据大沽河河口的气象水文资料，确定丰水期流量3000m3/s，平水期流量209.6m3/s。由于枯水期流量较小，计算工况跟模型验证类似，这里不再讨论。

2.2.1 平水期流量从图9中可以看出，平水期径流3 h后，大沽河口DO浓度较低，氨氮、硝酸盐和磷酸盐浓度较高。分析原因是径流带来了大量的污染物，导致大沽河口局部区域营养盐浓度有明显增加，河流营养盐汇入是胶州湾水体富营养化的一个重要原因。随着沿程紊动扩散混掺作用的影响，DO浓度逐渐增加，而氨氮、硝酸盐和磷酸盐浓度大致呈现降低的趋势。氨氮在河口局部区域数值较大，原因可能是此处DO浓度急剧降低，梯度较大，影响了氨氮的硝化进程。从平面分布来看，由于右侧海岸线放宽率不同程度的大于左侧岸线，大沽河携带的DO、氨氮、硝酸盐和磷酸盐进入胶州湾后有偏向河口右侧海岸的趋势。

图8 4#～8#测站水质实测参数与计算值Fig.8 Measured and computed data of water quality at 4#～8# stations

2.2.2 丰水期流量从图10中可以看出，丰水期径流3h后，大沽河口DO、氨氮、硝酸盐和磷酸盐浓度分布规律与平水期相似，但分布范围有明显增加。具体说来，河口附近5.2mg/L以下的DO分布范围增加至平水期的6.3倍左右，1mg/L以下的氨氮分布范围增加至平水期的7.2倍左右，1mg/L以下的硝酸盐分布范围增加至平水期的5.25倍左右，0.16mg/L以下的磷酸盐分布范围增加至平水期的5.8倍左右。另外由于丰水期流量的增加，径流和潮流的紊动混掺范围和强度有较明显增加，导致各水质参数的分布更为均匀。由于径流作用增强，大沽河携带的DO、氨氮、硝酸盐和磷酸盐进入胶州湾后偏河口右侧分布的趋势减弱，基本上呈现以河口纵向主槽为对称轴，两侧对称分布的状态。

图9 平水期流量条件下3 h计算水质参数(大潮期涨急时刻)

图10 丰水期流量条件下3 h计算水质参数(大潮期涨急时刻)Fig.10 Computed water quality parameters after 3 hours discharge at flood period of spring tide

2.3 典型排污条件下大沽河口水质参数计算分析

根据《污水综合排放标准》[14]，图3所示8个排污单元应满足2级污水综合排放标准。这里取2级污水综合排放标准中各水质参数上限作为排放条件，进行计算，排放15日后的结果见图11。为进一步分析排污水质的影响，进而选取1级污水综合排放标准中各水质参数上限作为排放参数进行模拟，排放15日后的结果见图12。

图11 二级污水上限排放入海计算水质参数(大潮期涨憩时刻)

2.3.1 二级污水上限排放从图11中可以看出，DO从北向南基本呈现递增的趋势，且在大沽河口东侧附近出现极小区；随着远离排污位置，氨氮、硝酸盐和磷酸盐从北向南基本呈现递减趋势。图11所示区域内，DO满足一类海水水质标准[15]，无机氮、磷酸盐超四类海水水质标准；可见大沽河口的主要污染物是N和P。

2.3.2 一级污水上限排放从图12中可以看出，DO、氨氮、硝酸盐和磷酸盐平面分布与图11相似。但上述参数均有不同程度的改善。图12所示区域内，DO满足一类海水水质标准，无机氮、磷酸盐仍为超四类海水水质标准。较短时间内排污入海水质的提高，对大沽河口水质的提升影响不大。

图12 一级污水上限排放入海计算水质参数(大潮期涨憩时刻)

3 结论与展望

(1)基于MIKE21软件，建立了潮流、径流耦合作用下大沽河河口区氮磷输移转化水动力学和水质模型。利用数学模型，对典型潮流场的潮位、流速流向和水质参数进行了模拟，并与实测资料进行了验证，两者吻合较好。

(2)在此基础上，对典型径流作用下的大沽河口水质参数进行预测。结果表明:大沽河带来了大量的污染物，河口附近DO浓度较低，氨氮、硝酸盐和磷酸盐浓度较高。平水期流量条件下，大沽河携带的DO、氨氮、硝酸盐和磷酸盐进入胶州湾后有偏向河口右侧海岸的趋势。丰水期流量条件下，各水质参数的分布更为均匀；进入胶州湾后基本上呈现以河口纵向主槽为对称轴，两侧对称分布的状态。

(3)不同排污条件下，大沽河口附近海域DO从北向南呈现递增趋势，而氨氮、硝酸盐和磷酸盐则相反。一、二级污水排放条件下，河口附近DO符合一类海水水质标准；而无机氮和磷酸盐为超四类海水水质标准。较短时间内排污水质的提高，对大沽河口海域水质的提升影响不大。

(4)值得一提的是，由于枯水期的来水量较小，径流动力条件较弱，对于污染物的输移扩散相对不利，枯水期间的水质问题值得进一步关注。

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责任编辑陈呈超

Nitrogen, Phosphate Transport and Transformation Research at Dagu Estuary

MA Xiao-Bo1, YIN Ze-Gao2, SUN Yu-Jiao3, WANG Zhen-Yu1

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. College of Water Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)