潮-径相互作用下甬江总氮污染的降解、扩散及分布模拟

陈勤思,胡 松,王晓华,刘鹏霞,刘 星,高照诠(.生态环境部太湖流域东海海域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心,上海 005；.上海海洋大学,海洋生态系统与环境实验室,上海 006；.浙江省海洋生态环境监测中心,浙江 舟山 60)

甬江位于浙江省宁波市,流域面积4518km2,由奉化江和姚江在宁波市区三江口汇合形成甬江干流,并于镇海口流入东海.甬江流域是浙江省城市化程度高、经济发达地区之一.随着经济发展和城市化进程的推进,甬江流域水体污染的问题逐渐显现,临近海域水质污染也十分严重.总氮作为甬江入海污染物总量控制的主要指标,其入海行为及影响受到广泛关注[1-2].

目前,地表水与海水的监测体系相对独立[3],很难直接依赖监测数据得到入海总氮污染物的去向和分布情况,数值模拟成为了解其迁移-转化过程的有效手段.由于不受采样时间和空间限制,数值模拟方法可以展示污染物随水体运动的全过程,常常被用于评估入海污染物对近岸水质的影响[4-7].以往研究发现,甬江流域的入海污染物主要输入到宁波-舟山海域,其扩散和分布情况受径流[8]、潮汐[9-11]等动力条件影响较大.曹欣中等[12]在对宁波-舟山海域潮流进行模拟的基础上,分析了污染物随潮流的输运特征.张燕等[13]采用河口、陆架和海洋模式(ECOM)对宁波-舟山海域的潮流进行数值模拟,从而开展了污染物的分布和环境容量研究.蔡惠文等[14]通过对宁波-舟山海域污染物扩散的数值模拟,发现该海域较高的污染物浓度受入海径流输入影响较大.这些工作为宁波-舟山海域环境综合治理及污染物排海总量控制等提供了支持,具有一定的应用价值,但其模拟结果仍较为理想化,对污染物的分布和影响因素等仍缺少定量的分析.

本文采用数值模拟方法对甬江入海污染物展开了研究.首先,基于非结构有限体积法海洋模式(FVCOM)建立了宁波-舟山海域的动力场,分析了典型情况下径流、潮汐对甬江入海污染物分布的影响.进而根据甬江上游、下游断面水体总氮浓度的监测数据,确定潮-径相互作用下甬江总氮污染物的降解系数.最后,在FVCOM 的示踪物DYE 模块中增加污染物降解算法,以2021年夏季(7～9月)为例,结合水体总氮与流量资料,对甬江总氮入海污染物的降解、扩散过程及浓度分布结果进行了定量分析.本文旨在为该地区污染物的排放总量控制和陆-海环境统筹综合治理服务.

1 数据和方法

1.1 动力模型及验证

采用FVCOM 建立了宁波-舟山海域的水动力模型.FVCOM是基于三维海洋原始方程的非结构网格、有限体积的海洋模式[15],结合了有限元法拟合边界、局部加密和有限差分法计算高效等优点,能够并行计算[16],被广泛应用到全球及近海区域水动力模拟[17].如图1a所示,本文建立了宁波-舟山海域的数值模型,模型共生成37959 个三角元与20272 个节点,其模拟区域为120.9°～123.3°E、29.25°～31.02°N,包含了杭州湾、宁波-舟山和象山港海域.为保证甬江及宁波-舟山海域网格质量,该海域的岸线和地形数据采用中华人民共和国海事局出版的海图予以了订正,并对该海域进行了网格加密,使海域网格最高水平空间分辨率在30m 以内.

图1 宁波-舟山海域FVCOM 模型及验证Fig.1 FVCOM model grid and tidal calibration in Ningbo-Zhoushan sea area

采用冷启动方式,模型开边界由1/30°分辨率的TPXO9 主要分潮的潮汐水位驱动[18-19],运行时间为2022年3月1日～10月31日,结果输出开始时间为2022年3月16日,得到宁波-舟山海域的正压潮模拟结果.利用图1a 中S1 位置2022年4月19日00:00 时至4月21日23:00 时的实测潮位数据,S2 和S3 位置2022年4月16日07:00 时至4月17日09:00 时的实测潮流数据(包含流速、流向)对模型模拟结果进行了验证,结果如图1b～f所示.将模拟结果在时间上线性插值到采样时间后,通过Willmott[20]所提出的方法对模型模拟结果进行评估,表达式如下:

式中:Pi是模拟值;Oi是实测值;是实测平均值.通过d 值判断模型效率,d>0.65 时,模型效率极好.经验证,本文模型中潮位、潮流流速及流向的平均d 值分别为0.99,0.91 和0.88,模拟结果较好.

在部分试验中,除开边界的潮位强迫外,模型中还输入了钱塘江、甬江两条河流的径流通量.在动力要素分析部分,径流流量数据参考了《中国河流泥沙公报(2021)》《浙闽台河流水文资料》[21-22]中发布钱塘江、甬江的多年平均径流量.在甬江入海总氮的降解和扩散模拟部分,采用了2021年甬江丰水期(7～9月)平均流量.

1.2 示踪物模块及降解算法

非结构有限体积法框架下的示踪物模块,起源于全球海洋生态系统动力学项目(GLOBEC)中对美国乔治浅滩区域营养盐输运的研究,最初由Hu 等[23]建立并用于量化浅滩海域沿锋面和跨锋面的深海营养盐输运.因设计初衷是用于验证比对模型结果和海上染料投放试验实测浓度,故取名为DYE 模块.此后,由于DYE 模块在物质输运、水体交换等方面具有简便快速模拟的功能,很快被国内外许多研究者应用到污染物输运扩散、水体交换模拟等更多领域的研究中.DYE 模块利用水动力模块计算出的三维流速和混合系数来推算示踪物浓度的变化.示踪物被假定为保守量,遵循以下方程:

式中:C 为试验中保守示踪物的浓度;D 为总水深;u,v和ω为对应x,y 和σ方向流速分量;Kh为垂直扩散系数;FC水平扩散项;CO为保守示踪物的初始浓度.

在本文的模拟中,DYE 模块被用于模拟由河流输入到海水中总氮污染物(营养盐)的分布.考虑到营养盐在水体中受物理、化学和生物过程的共同作用下浓度会发生衰减,并且这类影响对水体中污染物浓度的影响较大[24],因此采用表观降解系数方法在DYE 模块中补充了示踪物浓度衰减机制,并使其耦合在模型中.表观降解系数方法采用降解系数来表示物质衰减的速率,其表达式为:

式中:C0和C 分别表示物质降解前后的浓度,mg/L;T为物质的降解时间,d;k 即为表观降解系数,d-1,是在物理、化学和生物等多种因素作用下的综合降解系数,在本文中表示水体中总氮每日降解的比例.

1.3 总氮数据

本文所采用的水体总氮数据来自地表水与海水监测两部分.甬江的总氮入海通量根据历史流量和总氮数据计算得到.在数值模拟部分采用的地表水监测数据源于入海河流水质监测断面数据,调查时间为2021年丰水期(7～9月).宁波-舟山海域海水中总氮数据来源于2021年夏季航次近海海水水质调查监测项目,调查时间也为7～9月,以保证数据在时间上的匹配性.

2 结果与讨论

2.1 水体总氮的背景调查

从历史资料来看(图2)所示,2020年至2022年间,甬江总氮入海量年际变化非常大.2021年甬江总氮入海量最大,达到2 万t 以上,并且较前一年(2020年)增加约82%.而在2021年中(图3),甬江总氮入海量又以第三季度(7～9月)为最高,达到1.21 万t,约占全年总氮入海量的60%以上.伴随着这一时期总氮入海量剧增情况的发生,在同期的海水水质监测中也观察到了海水总氮浓度较高的情况.

图2 甬江总氮入海量年际变化分布Fig.2 Interannual variation of total nitrogen flux in Yongjiang

图3 2021年甬江总氮入海量季度变化分布Fig.3 Seasonal variation of total nitrogen flux in Yongjiang in 2021

根据2021年夏季航次近海海水水质监测数据,得到了宁波-舟山海域水体中总氮分布结果.如图4所示,2021年7～9月宁波-舟山海域水体中总氮浓度整体较高,近岸区域以0.5mg/L 以上为主.区域内浓度分布整体呈现近岸向近海递减、北岸向南岸递减的态势.但是,宁波市镇海区、北仑区近岸海域存在一个特别的高值区域(图4 方框所示区域),区域内浓度超过1.0mg/L,海水监测点位(P3)最高浓度可达到1.2mg/L 以上,高于其北部海域水体总氮浓度.因此,对图4 中P1(甬江干流)和P2(甬江入海口)两处断面同期的总氮浓度进行分析,发现同期P1 断面总氮浓度均值为3.82mg/L,P2 断面均值为3.01mg/L,甬江输入到该海域的总氮污染物通量较大,有可能造成区域性的高值出现.

图4 2021年夏季宁波-舟山海域水体中总氮浓度和监测点位分布Fig.4 Total nitrogen concentration and monitoring site distribution in Ningbo-Zhoushan sea waters in summer 2021

2.2 动力要素分析

采用数值模拟方法进一步评估甬江输入性污染物对宁波-舟山海域的影响,首先需要分析该海域不同动力因素影响下污染物输运扩散的特征.由于研究区域的河流流量在丰水期会有显著的增加,其增量幅度在每年也会有较大的差异.因此,为了使模拟结果更具有代表性,可以展现河流在一般通量状态下的典型情况,在此部分将输入河流设置为甬江、钱塘江的多年平均径流量.然后,基于FVCOM 模式中经典的DYE 模块,在模型中加入示踪物,释放位置对应为图4 中P1 和P2两处,释放浓度为1.如表1所示,本文设计了不同的试验方案.

表1 数值模拟试验方案Table 1 Experimental scenarios of numerical simulation

试验#1 为仅考虑甬江径流输入的情景,用于评估甬江径流输入对污染物的扩散和分布的影响.图5展示了试验#1条件下释放示踪物第60d的分布情况.从模拟结果中看出,在不考虑潮汐作用的情况下,甬江的输入使污染物主要向东南方向输运,最远可到达大榭岛周围.同时,径流的冲击也使污染物存在北向和东向的输运,但输运距离较短,且并未到达金塘岛沿岸.污染物浓度分布显示,高值区域位于甬江河口东南方向并以其为中心向外部递减.

图5 试验#1 情景下示踪物第60d 分布Fig.5 Distribution of dye in 60d under #1experimental scenarios

仅考虑潮汐作用,图6b 和c 分别展示了试验#2 情景下示踪物第60d 在平潮和停潮时刻污染物的分布情况,图6a 展示了当日一个潮周期内的叠加结果.与图5 相比,宁波-舟山海域内强潮流的作用使污染物扩散的范围明显增大,平潮时污染物北向输运可达到30.1°N,停潮时污染物东南向输运可达到122.1°E、29.9°N.叠加结果显示,受潮汐作用,污染物影响范围可到达金塘岛南岸.试验#2 证明了在宁波-舟山海域,潮流是污染物输运扩散的重要动力因素.

图6 试验#2、试验#3 和试验#4 情景下示踪物第60d 分布Fig.6 Distribution of dye in 60d under #2,#3and #4experimental scenarios

在试验#3 中增加甬江径流强迫.图6e 和f 分别展示了试验#3情景下示踪物第60d在平潮和停潮时刻污染物的分布情况,图6d 展示了当日一个潮周期内的叠加结果.与试验#1 和试验#2 相比,在潮-径相互作用下,污染物分布在平潮、停潮和叠加情景下扩散的范围整体增大.比较图6a 与图6d,甬江径流使污染物影响范围可到达金塘岛西岸,但高值区域分布变化较小.可见,在该区域污染物的扩散分布也受到径流一定程度的影响.

试验#4 中增加了钱塘江径流,但其结果与试验#3 相比变化不大.试验#4 证明钱塘江径流对该区域污染物输运和分布影响较小,因此宁波近岸海域总氮高值区域来源于甬江输入的可能性较大.

2.3 甬江入海总氮的降解和扩散模拟

在FVCOM 模型中,动力部分采用甬江2021年丰水期(7～9月)平均径流量和同期开边界潮位作为强迫场,采用表观降解系数方法在FVCOM 模式DYE 模块中增加衰减机制,以模拟甬江入海总氮污染物的扩散分布情况.根据图4 中展示的甬江P1 与P2 断面位置,在模型中P1 对应位置设置污染物输入初始浓度为3.82mg/L,根据P2 位置的污染物浓度3.01mg/L 计算得到式(3)中表观降解系数k 约为0.004.

从短期来看,如图7所示,展示了该情景下第7d总氮污染物的分布情况.图7b 为第7d 平潮时刻总氮污染物的位置,其显示涨潮过程中总氮污染物主要影响了镇海区东部和北部海水水质.而在停潮情况下,如图7c所示,总氮污染物主要分布北仑区北部海域和甬江口北部一线.图7a 展示了第7d 一个潮周期内总氮污染物分布的叠加结果,其显示,在2021年丰水期(7～9月)情景下,甬江总氮污染物输入到宁波-舟山海域后,短期内显著影响了宁波市镇海区和北仑区近岸海域水质.从模拟结果来看,0.05mg/L 包络线向北抵达金塘岛,向东最大影响到北仑区穿山半岛以东海域,而高值区主体仍位于宁波市镇海区近岸海域.

图7 2021年7～9月甬江排海总氮污染物第7d 分布Fig.7 Distribution of total nitrogen pollutants discharged from Yongjiang on the 7d from July to September 2021

从长期变化来看,图8 为2021年夏季(7～9月)甬江排海总氮污染物第15,30,60和120d一个潮周期内总氮污染物分布的叠加结果,其展示了15～90d总氮污染物分布的变化情况.结果显示,在2021年丰水期甬江径流和潮汐的共同作用下,甬江输入的总氮污染物在15d 内影响了宁波-舟山海域中大部分区域,0.05mg/L 包络线向东北方向可到达舟山市本岛,向东南方向则扩散到达穿山半岛以南海域.30～60d 结果表明,在近2 个月的时间内,甬江输入的总氮污染物可以逐渐影响宁波市和舟山市之间大部分海域,并在60d 使穿山半岛周围海水总氮浓度整体增大约0.1mg/L,使宁波市近岸-金塘岛一线和大榭岛周围海域海水总氮浓度整体增大0.2mg/L 以上.60d 与90d 结果对比表明,考虑总氮的降解过程后,总氮浓度大于0.5mg/L 的高值区域分布随时间的变化已较小,而低浓度区域分布仍有向外延伸的趋势.据该情景下第90d(约3 个月)结果估算,甬江输入至宁波市镇海区东部、北部海域的总氮污染物会使该区域监测站位(图4 中P3 位置)总氮浓度最高增加0.7mg/L,占该点位监测得到总氮浓度值的60%以上.因此,本文认为甬江输入性的总氮污染来源是2021年夏季该区域水体总氮浓度出现高值的重要因素.

图8 2021年7～9月甬江排海总氮污染物15 至90d 分布变化情况Fig.8 Distribution of total nitrogen pollutants discharged from Yongjiang during the 15-90d from July to September 2021

3 结论

3.1 2021年7～9月,甬江输入到宁波-舟山海域的总氮污染物可能是造成宁波市镇海区、北仑区近岸海域海水总氮浓度出现高值的重要因素.

3.2 潮汐和甬江径流都会影响宁波-舟山海域污染物的扩散输运过程.在同时考虑潮-径相互作用的情景下,甬江输入到宁波-舟山海域的总氮污染物将在短期内显著影响到宁波市镇海区东部、北部海域海水质量.

3.3 根据2021年7～9月的模拟结果,考虑降解过程后,总氮污染物在15d 内影响了宁波-舟山海域中大部分区域,总氮浓度大于0.5mg/L的高值区域分布在60～90d 之间变化已较小.根据第90d 结果估算,甬江输入至宁波市镇海区东部、北部海域的总氮污染物会使该区域海水监测站位总氮浓度最高增加0.7mg/L.