不同设计水文条件下近岸海域水环境容量的研究
2023-12-20程乾坤符云琳
李 茜，程乾坤，方 皓，符云琳
（广东环境保护工程职业学院 环境科学研究所，广东 广州 510655）
引言
近岸海域有着丰富的渔业、矿产、水、旅游等资源，是维系着滨海城市社会经济发展的重要保障，是重要的资源地[1]。随着沿海地区经济的快速发展和人口的激增，使得近岸海域的污染日趋严重，近岸海域海洋环境容量已成为滨海地区区域发展的重要制约因素之一[2-4]。高栏港经济区位于珠海市西南端，珠江鸡啼门至虎跳门出海口之间，由高栏、南水两个半岛和荷包、大杧等海岛及黄茅海东部沿岸陆域和海域组成。高栏港经济区是依托华南沿海主枢纽港高栏港而设立的经济功能区，2012年3月，经国务院批准，升级为国家级经济技术开发区。本研究通过MIKE 21软件建立的水动力与污染物输运数学模型计算了六种不同水文条件下化学需氧量（COD）的总容量，为制定水污染总量控制方案和实施水环境目标管理等提供科学支撑。
1 区域概况
1.1 海洋水文概况
黄茅海是位于珠江口西部的喇叭状河口湾，崖门和虎跳门交汇于湾顶，上通潭江和西江，湾口由一系列岛屿（含大杧、荷包、高栏等岛屿）形成屏障，通过岛屿间的峡口和南海相通，是水道泄洪、纳潮的主要通道[5-6]。黄茅海河口的潮汐为不正规半日潮，其潮性系数在荷包岛为1.35，一天内有两次涨落潮过程，而且潮高不等显著[7]。由于受喇叭型地形收缩的影响以及上游径流的顶托作用，进入黄茅海的潮波发生变形，由湾口至湾顶，涨潮历时沿程缩短，落潮历时沿程增加，潮差呈湾顶附近最大，在上、下游逐渐趋减的分布状况。崖门口-黄茅海-高栏列岛一带海区海流是潮流、径流和沿岸流的共同流。这一带属于强潮弱径流海区，高栏、荷包的外侧有一股常年偏西南向的沿岸流。潮流基本上为往复流。
1.2 入河排污口概化
入河排污口概化时，若多个入河排污口相隔距离较近时，可将多个入河排污口视作一个集中独立入河排污口。据调查，高栏港经济区污染物入海排放口全部为沿岸排放，其中一个位于鸡啼门保留区，其余均位于高栏港口航运区，距离相近。结合相关规划及排污口概化原则，本次研究的入河排污口最终概化为2个，分别位于鸡啼门保留区和高栏港口航运区，详见图2。
2 水环境数学模型的构建
2.1 模型介绍
模型软件采用丹麦水资源及水环境研究所（DHI）开发的MIKE 21软件，MIKE软件是目前世界上领先的、经过实际工程验证最多的、被水资源研究人员广泛认同的优秀软件[8]。模型的相关方程介绍请参看文献［9］。
2.2 计算范围
本次模型计算范围，上游河流边界至鸡啼门水道上的鸡啼门大桥处，虎跳门水道西炮台水位站，崖门水道官冲水位站；外海东边界至三灶潮位站；外海西边界至大襟岛以西鹅头咀；外海向南至海水水质国控/省控监测点位处。模型网格示意见图1，网格边长在700～1 000 m，靠近岸边海域根据模型计算需要予以细化，局部细化区域网格边长在100～300 m，共8 279个计算网格，4 453个计算节点。
图1 模型网格划分示意图
图2 水文(T）和水质(W）监测站点
图3 水文、水质验证
图4 COD水环境容量计算结果
2.3 模型参数率定
（1）水动力模型参数率定。利用小潮期和大潮期补充监测点位实测流速、流向以及高栏岛潮位站实测值对模型进行率定，率定得出大曼宁系数取值为60-200m1/3/S，水平涡粘性系数取为0.28。从率定结果来看，计算流速与实测流速相差一般不超过30%，计算流向与实测流向相差一般不超过90°，计算潮位与实测潮位相差一般不大于0.1 m，总体上来说，计算海流可以代表高栏港经济区近岸海域实际海流场。
（2）水质模型参数率定。利用小潮期和大潮期补充监测点位实测水质，率定得出COD的降解系数取为0.057 d-1。从率定结果来看，小潮期各点COD误差在4.5%～22.9%之间，大潮期各点COD误差在1.9%～24.5%之间，大小潮期各点误差基本符合相关模拟技术规范的精度要求。
3 环境容量估算
3.1 计算方案
本次研究在考虑入海河道丰、平、枯水过程以及外海边界大、中、小潮差的基础上，共设计了六种设计水文条件，详见表1。
表1 六种设计水文条件
3.2 计算结果
在上文选取的六种设计水文条件下，情景1至情景4水文条件下计算的COD总容量分别为413.6 t、403.7 t、390.3 t、387.3 t，情景5和情景6水文条件下计算的COD总容量分别为234.9 t、193.6 t。
分析计算结果可知，情景1至情景4水文条件下计算的COD总容量较为接近，情景5至情景6水文条件下计算的COD总容量较为接近，情景1至情景4水文条件下计算的COD总容量显著大于情景5至情景6水文条件下计算的COD总容量。由此可见，外海边界潮位数据对计算结果影响较大。
情景1至情景6水文条件下计算的COD总容量大小为：情景1＞情景2＞情景3＞情景4＞情景5＞情景6。由此可见，上游边界丰水期计算的环境容量最大，枯水期计算的环境容量最小，外海边界大潮差条件下计算的环境容量最大，其次为中潮差条件下，再次为小潮差条件下，利用调和常数计算的潮位作为外海边界条件下，计算的环境容量最小。
4 结果与讨论
（1）利用MIKE 21软件的HD、AD模块构建珠海高栏港经济区近岸海域水环境数学模型，并对模型进行率定，率定结果表明各测点的水文、水质计算值与实测值吻合良好，该模型可用于模拟 该区域的水文水质变化过程。
（2）运用构建的水环境数学模型模拟了六种不同水文条件下COD总的环境容量，结果表明情景1至情景4水文条件下计算结果较为接近，情景5至情景6水文条件下计算结果较为接近，情景1至情景4水文条件下计算结果显著大于情景5至情景6水文条件下计算结果，由此可见，外海边界潮位数据对计算结果影响较大。
情景1至情景6水文条件下计算的COD总容量大小为：情景1＞情景2＞情景3＞情景4＞情景5＞情景6。由此可见，上游边界丰水期计算的环境容量最大，枯水期计算的环境容量最小，外海边界大潮差条件下计算的环境容量最大，其次为中潮差条件下，再次为小潮差条件下，利用调和常数计算的潮位作为外海边界条件下，计算的环境容量最小。
