欒忠慶, 郝 楊, 孫優(yōu)善, 王學(xué)昌

(1. 青島中油華東院安全環(huán)保有限公司, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100)

浮山灣帆船基地海域水質(zhì)變化預(yù)測(cè)及分析

欒忠慶1, 郝 楊1, 孫優(yōu)善2, 王學(xué)昌2

(1. 青島中油華東院安全環(huán)保有限公司, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100)

在對(duì)青島浮山灣帆船基地海域水質(zhì)現(xiàn)狀分析評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上, 利用二維平流-擴(kuò)散模型, 選取化學(xué)需氧量(Chemical oxygen demand, 簡(jiǎn)稱COD)作為水質(zhì)指標(biāo)因子, 按麥島污水處理廠改造擴(kuò)建前、改造擴(kuò)建后正常運(yùn)行及改造擴(kuò)建后事故運(yùn)行 3種情況, 對(duì)污水排海給帆船基地海域水質(zhì)帶來(lái)的影響進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析。由3種情況預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出： 1)麥島污水處理廠改造擴(kuò)建后, 大大改善浮山灣帆船基地周圍海域的水質(zhì)情況; 2)麥島污水處理廠改造擴(kuò)建后, 正常運(yùn)行情況下入海COD對(duì)帆船基地海域水質(zhì)的影響不大, 海水中COD濃度未出現(xiàn)超一類海域水質(zhì)要求的情況; 在事故運(yùn)行情況下入海COD在排污口附近有超一類海域水質(zhì)的現(xiàn)象, 面積最大為2 674 m2, 未出現(xiàn)超二類以上海域。

浮山灣; 水質(zhì); 數(shù)值模擬

帆船運(yùn)動(dòng)是世界各沿海國(guó)家和地區(qū)最為普及和喜聞樂(lè)見的體育活動(dòng)之一, 而帆船運(yùn)動(dòng)海域海水水質(zhì)的好壞是關(guān)系到帆船活動(dòng)能否順利進(jìn)行的重要因素之一。本文以青島浮山灣帆船基地海域海水水質(zhì)為研究對(duì)象, 選取化學(xué)需氧量(以下簡(jiǎn)稱 COD)作為水質(zhì)指標(biāo)因子, 在分析參考現(xiàn)狀水質(zhì)的基礎(chǔ)上, 建立二維平流-擴(kuò)散模型, 利用建立的模型, 按麥島污水處理廠改造擴(kuò)建前、改造擴(kuò)建后正常運(yùn)行及改造擴(kuò)建后事故運(yùn)行三種情況, 對(duì)污水排海給帆船基地海域水質(zhì)帶來(lái)的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析, 為該海域的水質(zhì)變化趨勢(shì)提供理論支持。

1 擴(kuò)散方程及計(jì)算海域

1.1 濃度輸運(yùn)擴(kuò)散方程

經(jīng)垂向平均的物質(zhì)輸運(yùn)方程為[1]：

其中,P為污染物濃度;u、v分別為x、y向流速分量;Dx、Dy為x、y向分散系數(shù);H為總水深;S為污染源單位時(shí)間的排放速率。

在開邊界：P＝P′,P′為水界濃度 入流段

計(jì)算采用不規(guī)則三角形分步雜交數(shù)值求解物質(zhì)輸運(yùn)方程。

1.2 比賽場(chǎng)地位置及計(jì)算網(wǎng)格設(shè)置

青島帆船基地主要活動(dòng)水域?yàn)槲髌饏R泉灣、東至麥島的前海近岸海域, 東西跨度10 km, 由海岸向海內(nèi)延伸的最大距離為 3.5 km, 為了全面地反映該地區(qū)海水的運(yùn)動(dòng)情況, 本次計(jì)算海域包括了整個(gè)膠州灣及鄰近海域(圖 1), 采用的是三角形變邊界網(wǎng)格。為了精確反映帆船基地海域的潮流[2], 對(duì)帆船運(yùn)動(dòng)所在場(chǎng)地——浮山灣及鄰近海域(見圖1, A-B-C-D區(qū)域)的三角形網(wǎng)格進(jìn)行了加密。本次計(jì)算共設(shè)網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)3 610個(gè), 最小網(wǎng)格邊距為80 m[3]。

2 評(píng)價(jià)海域水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果及污水處理廠改造擴(kuò)建前入海COD濃度計(jì)算

2.1 評(píng)價(jià)海域水質(zhì)歷史監(jiān)測(cè)結(jié)果及評(píng)價(jià)

表 1給出了帆船基地及附近海域 7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2003年海水pH、COD、糞大腸菌群數(shù)、石油類等4項(xiàng)重要水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果, 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體位置見圖 2。

圖1 青島鄰近海域地形圖Fig. 1 Topographical map of Qingdao adjacent sea area

由表 1可以看出, 帆船基地海域水質(zhì)整體狀況良好[4], 對(duì)照海水水質(zhì)二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求, pH值、COD指標(biāo)達(dá)標(biāo)率均為100%。石油類和糞大腸菌群在部分點(diǎn)位的部分月份出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象, 其中石油類最大質(zhì)量濃度為100 μg/L(出現(xiàn)在浮山灣附近), 糞大腸菌群最大菌群密度為24 000個(gè)/L(出現(xiàn)在五四廣場(chǎng)附近)。石油類監(jiān)測(cè)濃度超標(biāo)的主要原因是北海船廠在修理和清洗船只時(shí)產(chǎn)生的廢油排海影響; 糞大腸菌群數(shù)超標(biāo)的主要原因有兩個(gè)： 一個(gè)是經(jīng)過(guò)污水處理廠一級(jí)處理后, 處理效果達(dá)不到要求, 糞大腸菌菌群密度仍然大于 24 000個(gè)/L; 二是在五四廣場(chǎng)東側(cè)有一條浮山河, 其中部分生活污水未經(jīng)處理直接排海, 造成部分點(diǎn)位的糞大腸菌群數(shù)超標(biāo)。隨著北海船廠的搬遷和帆船基地的建成,石油類濃度超標(biāo)問(wèn)題得到徹底的解決; 在 2004年底,浮山河實(shí)現(xiàn)了截污, 其中的污水全并網(wǎng)到污水廠的管道, 輸送到污水處理廠后集中處理后排放, 這有效地降低了污水中糞大腸菌群數(shù)。

表1 帆船基地及附近海域主要水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab. 1 The ranges of key water quality parameters in Qingdao Sailing Game area and adjacent waters

圖2 帆船基地及其附近海域監(jiān)測(cè)點(diǎn)位圖Fig. 2 Map of the monitoring stations in Qingdao Sailing Game area and adjacent waters

2.2 污水處理廠改造擴(kuò)建前入海污水COD濃度計(jì)算

隨著浮山河截污的成功以及雨水管網(wǎng)建設(shè)的完善, 目前對(duì)帆船基地海域海水水質(zhì)影響的主要因素是麥島污水處理廠的排海污水。為了對(duì)比麥島污水處理廠改造擴(kuò)建前后該海域水質(zhì)變化情況, 首先給出了污水處理廠改造擴(kuò)建前污水排海COD擴(kuò)散情況。

根據(jù)2003年麥島污水處理廠廢水排放量(麥島污水處理廠廢水排放量為 7.3萬(wàn) t/d, COD入海量為15.95t/d)和排污口處的實(shí)際監(jiān)測(cè)值(表 2), 建立了本海域COD濃度擴(kuò)散數(shù)值模型。計(jì)算設(shè)1個(gè)排污口, 即麥島污水處理廠排放口(離岸1 016 m), 見圖2。

表2 麥島污水處理廠改造擴(kuò)建前出口水質(zhì)樣品監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab. 2 Water quality parameters at the outlet of Maidao wastewater treatment plant before reconstruction and expansion

圖3是麥島污水處理廠改造擴(kuò)建前COD在一個(gè)潮周期的平均濃度場(chǎng)。由圖 3可以看出, 評(píng)價(jià)海域COD高濃度中心位于污水排放口處, 混合區(qū)以外的海水水質(zhì)COD質(zhì)量濃度小于3 mg/L, 滿足本海域二類功能區(qū)的要求。在浮山灣內(nèi), 由于距污水處理廠的排放口較遠(yuǎn), 入海 COD經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離的稀釋擴(kuò)散后,對(duì)該海域的影響很小, COD影響濃度小于0.5 mg/L。

圖3 污水處理廠改造擴(kuò)建前入海污水COD濃度分布圖Fig. 3 COD concentration distribution of discharge from wastewater treatment plant before reconstruction and expansion

3 污水處理廠改造擴(kuò)建后入海污水COD濃度計(jì)算

帆船運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)環(huán)保型運(yùn)動(dòng), 由于運(yùn)動(dòng)員在從事這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)期間, 身體會(huì)經(jīng)常接觸海水, 因此該項(xiàng)運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)海水水質(zhì)有較高的要求[5]。目前, 國(guó)際奧委會(huì)還沒(méi)有出臺(tái)帆船運(yùn)動(dòng)海域海水水質(zhì)各項(xiàng)主要指標(biāo)具體要求, 本文參照《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997)的規(guī)定, 對(duì)評(píng)價(jià)海域執(zhí)行二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 標(biāo)準(zhǔn)的具體要求見表1。

根據(jù)青島市政府規(guī)劃, 2008年前海一線已實(shí)現(xiàn)徹底截污, 市區(qū)產(chǎn)生的污水被全部輸送到改造擴(kuò)建后的麥島污水廠進(jìn)行集中處理排放, 麥島污水處理廠改造擴(kuò)建至日排污能力14萬(wàn)t, 出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污水排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn) B標(biāo)準(zhǔn), 即COD＜60 mg/L, 這樣改造擴(kuò)建后的麥島污水處理廠COD入海量?jī)H為2.8 t/d。利用已建立的COD擴(kuò)散模型, 進(jìn)行以下兩種情況水質(zhì)預(yù)測(cè)： 1)污水處理廠正常運(yùn)行情況下, 入海COD質(zhì)量濃度為60 mg/L; 2)污水處理廠事故運(yùn)行情況下, 入海 COD質(zhì)量濃度為 600 mg/L。預(yù)測(cè)結(jié)果給出污水處理廠COD入海對(duì)該海域水質(zhì)的影響, 疊加海域海水的本底最大值0.87 mg/L,便是該海域COD的最終影響值。

3.1 正常情況下

圖4給出了污水處理廠正常情況排污時(shí), 入海COD濃度變化分布圖。由圖可以看出, 當(dāng)污水處理廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 由于排污口離岸較遠(yuǎn), 海域水深較深, 潮流流速較大等原因, 入海 COD對(duì)該海域水質(zhì)的影響范圍很小, COD最高濃度值出現(xiàn)在排污口附近, 為1.02 mg/L, 疊加海域海水的本底最大值0.87 mg/L后, 為 1.89 mg/L, 排污口混合區(qū)以外海水中COD濃度增加量均小于1.0 mg/L。由預(yù)測(cè)結(jié)果可知,當(dāng)污水處理廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 海水中COD濃度未出現(xiàn)超一類水質(zhì)海域(一類水質(zhì)海域要求 COD不超過(guò) 2 mg/L)要求, 海水水質(zhì)良好。

圖4 污水處理廠正常排污入海COD濃度分布圖Fig. 4 COD concentration distribution of discharge under normal conditions of wastewater treatment plant

為了清楚地比較麥島污水處理廠改造擴(kuò)建前后入海 COD對(duì)該海域海水水質(zhì)影響情況, 本文特別選取 5個(gè)代表性點(diǎn)(位置如圖 2), 給出了代表點(diǎn)在污水處理廠改造擴(kuò)建前后, COD對(duì)該海域的影響濃度值(表3)。

表3 污水處理廠改造前后入海COD在5個(gè)代表點(diǎn)的濃度值Tab. 3 COD concentrations of at five representative points before and after the wastewater treatment plant mg/L

由表 3可以看出, 麥島污水處理廠改造擴(kuò)建后,正常運(yùn)行的情況下, 由于 COD入海量的減少, 對(duì)相應(yīng)海域的海水水質(zhì)的影響明顯減小。

3.2 事故運(yùn)行情況下

圖5給出了污水處理廠事故情況排污時(shí), 入海COD濃度變化分布圖。由圖可以看出, 在該情況下, 由于入海COD濃度的增大, 其對(duì)相應(yīng)海域水質(zhì)的影響范圍和程度都明顯加大。這時(shí)該海域COD最高質(zhì)量濃度值為2.32 mg/L, 超一類水域面積為2 674 m2, 未出現(xiàn)超二類以上海域, 滿足該海域?qū)Ｋ|(zhì)的要求。

圖5 污水處理廠事故排海COD濃度分布圖Fig. 5 COD concentration distribution of discharge under accident conditions for wastewater treatment plant

4 結(jié)論

通過(guò)分析帆船基地海域水質(zhì)歷史監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出, 由于監(jiān)測(cè)時(shí)青島前海一線沒(méi)有實(shí)現(xiàn)徹底截污,這對(duì)帆船基地海域的水質(zhì)造成一定的影響, 該海域部分監(jiān)測(cè)因子出現(xiàn)了超標(biāo)的現(xiàn)象。

對(duì)比麥島污水處理廠改造擴(kuò)建前后的預(yù)測(cè)結(jié)果可以得出： 1)麥島污水處理廠改造擴(kuò)建后, 大大改善了浮山灣周圍海域的水質(zhì)情況; 2)麥島污水處理廠改造擴(kuò)建后, 正常運(yùn)行情況下入海COD對(duì)該海域水質(zhì)的影響較小, 海水中COD濃度未出現(xiàn)超一類海域水質(zhì)要求的情況; 在事故運(yùn)行情況下入海COD在排污口附近有超一類海域水質(zhì)的現(xiàn)象, 面積最大為2 674 m2, 未出現(xiàn)超二類以上海域。說(shuō)明青島前海一線徹底截污大大改善了前海海域水質(zhì)情況, 這為帆船運(yùn)動(dòng)提供了良好保障。

[1]吳江航, 韓慶書. 計(jì)算流體力學(xué)的理論、方法及應(yīng)用[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 1988： 243-258.

[2]婁安剛, 王學(xué)昌, 吳德星, 等. 膠州灣大沽河口鄰近海域海水水質(zhì)預(yù)測(cè)[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 2002, 21(1)： 52-56.

[3]郝楊, 孫優(yōu)善, 欒忠慶, 等. 浮山灣帆船賽場(chǎng)水動(dòng)力條件數(shù)值模擬[J]. 海洋科學(xué), 2009, 33(11)： 15-17.

[4]于子江, 崔文林, 楊建強(qiáng). 青島奧運(yùn)帆船賽區(qū)及鄰近海域海水環(huán)境質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)[J]. 城市環(huán)境與城市生態(tài), 2004, 17(3)： 25-26.

[5]翁錫全. 體育·環(huán)境·健康[M]. 北京： 人民體育出版社,2004： 313-332.

Prediction and analysis of water quality changes in Fushan Bay

LUAN Zhong-qing1, HAO Yang1, SUN You-shan2, WANG Xue-chang2
(1．Qingdao China Petroleum EDI Safety Environment Protection Co., Ltd, 266071, Qingdao, China; 2. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Oct., 12, 2009

Fushan bay; water quality; numerical simulation

Based on the assessment of current water quality of Qingdao sailing base, using a two-dimensional diffusion model and Chemical oxygen demand (COD) as the index factor of sea water quality, we analyzed and predicted the impact of discharge on the water quality of Sailing Game area in three situations. After the reconstruction and expansion of Maidao sewage treatment plant, the water quality of Sailing Game area in Fushan Bay had been greatly improved, and the discharge COD had little effect on the water quality of Sailing Game area under normal operating conditions, where the COD concentration was within scope of National Grade I. Under the accident conditions, the COD concentration at the outlet exceeded the standard of National Grade I, the maximum area is 2674m2, but there was no area exceeding the standard of National Grade II.(本文編輯：張培新)

X55

A

1000-3096(2011)06-0052-05

2009-10-12;

2010-02-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40306019)

欒忠慶(1978-), 男, 山東招遠(yuǎn)人, 中國(guó)海洋大學(xué)碩士研究生, 研究方向： 數(shù)值模擬, E-mail： luanzq2005@163.com; 王學(xué)昌, 通信作者, 電話： 0532-83893109