近岸海域水环境预测中几个关键技术问题探讨

2019-01-20张敏霞

资源节约与环保 2019年4期

张敏霞

（中海油研究总院有限责任公司北京 100028）

引言

近年来，随着海洋经济的兴起、繁荣，开发海洋的热潮席卷全球，海洋工程、海岸工程的建设、陆源污染物的排入给海洋环境不可避免的带来了很多负面影响，尤其是近岸海域的水环境质量，多年来不断趋于恶化。国内外相关领域的专家学者对近岸海域水环境质量恶化的原因开展了大量研究，普遍认为近岸工程的建设、沿岸工程陆源污染物的排放以及陆地径流携带入海的污染物等是造成近岸海域水环境质量恶化的主要原因。为了有效减缓近岸海域水环境质量的恶化，众多专家学者对近岸海域的水环境现状、水文情况、沉积物现状等进行了详细的调查及分析，以找寻合适的解决方式，达到城市化建设和近岸海域水环境的生态平衡。

1 关于预测源强确定和相关技术处理

预测源强的确定在近岸海域水质环境污染状况模拟预测过程中至关重要，一般针对建设项目可在工程分析阶段采用模型计算技术确定预测源强，计算方式根据建设项目的不同可适当调整。实际计算中，包括单一工程和多项工程两类，一般单个建设项目的污染源源强计算模型相对简单一些。但在多个项目中，需要首先对项目工程详细分析，通过物料衡算法、资料复算法、类比法等等进行污染源强的确定[1]。进而针对确定的污染源强进行环境影响模拟计算，根据计算结果决定是否需要调整工程建设方案。

在区域环境质量水质预测或者计算环境容量时，污染源源强的确定较为困难，专家通常需要综合考虑点源、面源以及大气中的沉降源和沉积物的释放源进行全面性的分析计算。在进行点源计算时，主要考虑河海口、混排口、直排口以及市政下水口等，对其入海排放的污染物进行分析、计算。在面源调查中，对地面径流所携带的污染物及在其他非点源中出现的源汇项进行深入研究，通过全方位的调研和分析，确定区域境水环境质量预测或者水环境容量计算范围。

面源污染源强的准确判定通常难以实现。但经研究表明，暴雨天气下将暴雨径流量和水体中污染物的浓度作为携带污染物的量进行考虑，可以得到一个大概的入海通量估算值。根据相关研究，在我国发达城市的入海口通量大概为河口通量的10.3%-92.5%[2]，可见面源源强占据整体预测源强的比重极大，因此在进行区域环境容量计算时，面源影响范围的确定需要慎重研究，需保证在估算过程中，全方面考虑其中影响水质的因素。

另外，大气沉降源和沉积物释放源中也会产生大量污染物入海，很多近岸海域重金属污染和水体富营养化问题就是由于大气沉降源的影响，在计算这一部分污染源强时，需要同以往计算成果进行对比确认。以我国渤海海域为例，大气尘土沉降量占据河流运输总量的38%，在整体的污染源中占比较大，大气陆源物质在向海洋进行传输时，对于污染物质是无差别传输，表明大气沉降源对近岸海域的影响程度极大。

沉积物释放的污染物类型一般为氮、磷等营养盐，但很难准确估算源强，目前专家学者大概能够估算包含了90%的有机碳、80%的生物硅等[3]，而在实际计算过程中，一般通过公式计算释放源强，分析污染因子。其中，重点关注的污染因子有氮、磷、化学需氧量以及石油类这四种类型。

2 数学模型的选用和验证技术处理

2.1 合理的选用数学模型

在近岸海域水环境质量的预测过程中，数学模型的合理选择直接影响预测结果的准确性。水环境质量预测模型通常包含两部分：潮流水文动力模型、水质模型，在进行环境影响评价时，应选用成熟的数学模型或者适用性较强的模型进行计算。如果实际情况不能满足模型的应用情况，应及时对模型进行修正，避免出现计算结果偏差大的情况，模型适用性的判定需要大量的验证和修正工作，以保证模型适应不同的环境[4]。

此外，海洋环境影响评价预测中，选用的潮流动力模型主要分为两种：二维模型、三维模型。在近岸海域或者海湾地区，应选用二维模型，因为这类海域在形态上属于宽浅型水域，水域特点是水平尺度大于垂直尺度，潮流混合较强，垂向要素分布较为均匀，二维模型也能够有效的将三维运动形式判定出来，帮助海洋环境预测工作的进行[5]。

水质模型在应用过程中，需对模型进行全面性的验证和修正，以保证预测结果和实际偏差不大。通常情况下，水质模型仅考虑一次污染物，不考虑生物化学反应，模型预测结果和实际结果相差较大。实际预测中，由于生物活动对海水氧含量影响较大，会出现很多变化，影响预测结果。因此在进行模拟计算时，还需对二次化学反应进行考虑，以减小水质预测误差，而实际应用中通常很少考虑二次反应项。

2.2 模型验证环节

数值模型应用之前，需针对研究区内潮流动力数据进行验证，以期将模型误差降低到最小。主要从三个方面对模型进行验证：潮位、潮流、潮波。潮波的验证主要是将通过计算结果绘制出来的潮时线和等振幅线和实测资料进行对比，得出模型计算值和实测值的相符程度[6]。

潮位验证主要是将计算出的潮位过程曲线，与实际测量的潮位过程曲线进行对比。潮流的验证则需要将计算的潮流流速、流向和实际测量的潮流流速、流向进行对比，或者采用潮流玫瑰图的形式将计算值与实际测量值进行对比验证，主要是对潮流流速的大小、发生的时刻、方向或者对旋转流进行验证等。

3 计算范围的技术处理

计算范围的合理选择对于计算结果的准确性至关重要。计算域通常需要选择较大海域范围，以消除开边界潮位或潮流的传输误差。很多计算结果不正确就是因为对计算范围判定时，产生了误差[7]。例如：在计算海湾或者开阔海域流场时，若计算域范围过小，开边界距离模拟区域距离较近，则会出现开边界初始潮位或者潮流传输的误差问题，进而影响计算结果的准确性。这种情况下应将计算域范围扩大至超出研究区域一定距离，以消除开边界传输误差，同时，也可将海湾最大边界选到湾口处，尽量减小开边界长度，最大程度利用开边界上实测的水位场和流场。

此外，可采用嵌套网格方式对计算域进行网格剖分，在重点研究区域采用小尺度网格，其他计算区域采用大尺度网格，模型大网格区域的计算结果可以作为细网格研究区域的边界输入条件，驱动细网格海域的模拟计算。此外，还有一些计算海域应将开边界观测数据获取的难易程度作为确定合理范围的基础[8]，如果所选开边界实测水界观测数据获取困难，计算范围应扩展到有实测数据的地方，避免出现计算结果失真的情况。