呂志峰，孫然然，王學(xué)昌

（中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100）

膠州灣是青島的母親灣，有著豐富的水產(chǎn)和旅游資源，但由于多年以來承受巨大的排污壓力，膠州灣的水質(zhì)狀況不容樂觀，尤其是近岸河口海域的污染更為突出。如果對各主要污染源的排量進(jìn)行適當(dāng)削減，則部分污染嚴(yán)重水域的水質(zhì)狀況將會逐漸改善。本研究首先建立了膠州灣潮流數(shù)值模型，以其計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，然后選取COD作為主要污染因子，對膠州灣的水質(zhì)狀況進(jìn)行了模擬分析。

1 膠州灣潮流數(shù)值模型

1.1 計(jì)算海域、網(wǎng)格設(shè)置及參數(shù)選取

本研究以膠州灣為計(jì)算海域，采用二維平均運(yùn)動方程組［1］，計(jì)算海域范圍、潮位驗(yàn)證點(diǎn)、潮流驗(yàn)證點(diǎn)及COD實(shí)測濃度監(jiān)測站位見圖1。

采用“不規(guī)則三角形網(wǎng)格分布雜交的變邊界”潮流數(shù)值模型［2］，污染源附近海域網(wǎng)格邊長約100m，沿岸海域網(wǎng)格邊長200m左右，膠州灣中部海域的網(wǎng)格一般在500m左右。

根據(jù)分步雜交方法計(jì)算的穩(wěn)定性要求，該數(shù)值模型選取時間步長為△t＝1.294s，計(jì)算4個半日潮周期即可趨于穩(wěn)定。模擬計(jì)算的是膠州灣海域具有代表性的中潮（M2分潮）潮流場。

圖1 計(jì)算海域及驗(yàn)證點(diǎn)位Fig.1 Computed area and validated stations in the Jiaozhou Bay

1.2 潮位、潮流驗(yàn)證

圖2為大港站潮位驗(yàn)證曲線，由圖可以看出，計(jì)算與實(shí)測結(jié)果吻合良好。

圖3是測流點(diǎn)C1～C4的潮流驗(yàn)證玫瑰圖，計(jì)算與實(shí)測值的最大流發(fā)生方向、大小及旋轉(zhuǎn)方向基本一致，二者吻合良好。

由潮位和潮流驗(yàn)證可以看出，計(jì)算值和實(shí)測值吻合良好，說明本海域建立的數(shù)值模型是正確的，由此得到的計(jì)算結(jié)果是可信的，能夠比較真實(shí)地反映該海域海水的運(yùn)動規(guī)律。

圖2 大港站潮位驗(yàn)證曲線Fig.2 Tide level verification curve at the Dagang Station

圖3 潮流玫瑰驗(yàn)證圖Fig.3 Tidal current roses for verification

1.3 潮流計(jì)算結(jié)果分析

由于該海域?yàn)檎?guī)半日潮海域，開邊界強(qiáng)迫水位按M2分潮輸入，由此模擬得出的潮流場見圖4。以大港潮位站為參考港，分別輸出了漲潮中間時和落潮中間時兩個不同時刻的流場圖，以此來說明該海域的流場分布情況。

圖4a是海域漲潮中間時的流場分布圖，由此可以看出，這時的海水由灣外流入后，經(jīng)灣口以放射狀進(jìn)入膠州灣并流向?yàn)车?，這時流速較大，最大流發(fā)生在灣口，流速約60cm／s；中部海域流速大都在35cm／s左右；近岸海域流速較小，一般在20cm／s左右。

圖4b是海域落潮中間時的流場分布圖，由圖可以看出，這時的流場結(jié)構(gòu)與漲潮中間時的流場基本相同，相應(yīng)海域的流速也基本一致，只有海水的流動方向與之相反。

綜上所述，膠州灣海域?yàn)檎?guī)半日潮海域，在一個半日潮周期內(nèi)有一個完整的潮汐過程，并且漲潮中間時和落潮中間時流速達(dá)到最大；對整個膠州灣來說，灣口流速較大，沿岸海域流速較小，當(dāng)潮位達(dá)到最高或最低時流速最小，這時的海水基本處于停滯狀態(tài)。

圖4 計(jì)算海域潮流場圖Fig.4 The tidal current field in the computed area

2 水質(zhì)預(yù)測數(shù)值模型

在已建立的潮流場基礎(chǔ)上，建立了膠州灣二維變邊界對流——擴(kuò)散數(shù)值模型［3］。初始條件可以根據(jù)相應(yīng)海域的實(shí)際水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果賦以初值，也可以零值起算；本研究初始質(zhì)量濃度取零值，并根據(jù)灣中8個點(diǎn)的現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。數(shù)值計(jì)算過程采用不規(guī)則三角形分步雜交法求解物質(zhì)輸運(yùn)方程，模擬計(jì)算的COD質(zhì)量濃度是網(wǎng)格水體單元的深度平均值。

2.1 污染因子選擇及源強(qiáng)

根據(jù)國家污染物排放總量控制指標(biāo)，并考慮入海污染源水質(zhì)特征，選擇COD作為污染因子，在污染物入海后對海水水質(zhì)影響進(jìn)行預(yù)測和分析。研究區(qū)中8個主要污染源年平均COD入海源強(qiáng)是根據(jù)2008年青島海洋環(huán)境質(zhì)量公報相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出的，其源強(qiáng)分別為：團(tuán)島106.975g／s，海泊河358.7g／s，李村河142.286g／s，樓山河183.7g／s，墨水河185.1g／s，大沽河130.1g／s，洋河25.74g／s，前灣20.8g／s。

2.2 質(zhì)量濃度驗(yàn)證分析

取計(jì)算域中8個具有代表性的點(diǎn)的COD實(shí)測值和相應(yīng)計(jì)算值，比較發(fā)現(xiàn)，樓山河口（P3）、洋河口（P6）和灣中心（P8）三點(diǎn)誤差較大（分別為18.1%，35.6%和17.8%，可能是由于這些地方有養(yǎng)殖廢水排出，而該模型未考慮），其余5點(diǎn)實(shí)測和計(jì)算值都符合良好，說明數(shù)值模擬結(jié)果可信。各驗(yàn)證點(diǎn)位置見圖1，比較結(jié)果見表1。

表1 各驗(yàn)證點(diǎn)實(shí)測、計(jì)算COD質(zhì)量濃度對比 （mg·L－1）Table 1 Comparison between the measured and the computed COD concentrations（mg·L－1）

2.3 水質(zhì)計(jì)算結(jié)果

在平均潮的情況下，利用所建立的水質(zhì)模型，對膠州灣現(xiàn)狀COD質(zhì)量濃度進(jìn)行了200個潮周期的數(shù)值模擬（結(jié)果見圖5a）。從圖中可以看到，膠州灣東部沿岸和大沽河口海域COD質(zhì)量濃度較高，中部海域水質(zhì)狀況良好。污染較嚴(yán)重的海域主要集中在幾個排污量較大的河口海域，依次為：墨水河口COD質(zhì)量濃度5.5mg／L，超過了三類功能區(qū)的要求；樓山河口和李村河分別為4.6mg／L和4.5mg／L，超過了三類功能區(qū)的要求；大沽河口為3.5mg／L，超過了二類功能區(qū)的要求；海泊河口3.0mg／L，洋河口2mg／L，團(tuán)島和前灣均小于1mg／L，這些海域的水質(zhì)狀況良好。

分析可見，李村河、樓山河及墨水河近岸狹長海域和大沽河口附近海域污染嚴(yán)重，4處的COD最大質(zhì)量濃度均出現(xiàn)了超標(biāo)現(xiàn)象，所以應(yīng)對其進(jìn)行適當(dāng)削減才能滿足相應(yīng)功能區(qū)對水質(zhì)的要求。根據(jù)水質(zhì)模型的多次計(jì)算，上述4處超標(biāo)海域所對應(yīng)的污染源分別削減503t，650t，1 594t和587t后，相應(yīng)海域COD質(zhì)量濃度方能滿足各自功能區(qū)的要求。污染源削減以后的計(jì)算結(jié)果為：李村河口、樓山河口COD最大質(zhì)量濃度分別為3.9 mg／L和4.0mg／L，墨水河口為4.0mg／L，大沽河口為2.9mg／L，所有海域均能達(dá)到各自功能區(qū)的要求（見圖5b）。

圖5 模擬COD質(zhì)量濃度分布圖（mg·L－1）Fig.5 Distribution of COD concentration（mg·L－1）

3 結(jié) 語

本研究在已建立的潮流和擴(kuò)散模型基礎(chǔ)上，模擬了膠州灣COD現(xiàn)狀分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)李村河、樓山河、墨水河和大沽河共4處近岸海域COD質(zhì)量濃度超標(biāo)；通過計(jì)算，適當(dāng)削減污染源強(qiáng)之后，超標(biāo)海域的水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)，相應(yīng)功能區(qū)對水質(zhì)的要求也能得到滿足。

隨著青島多年來經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展，膠州灣承受了巨大的排污壓力，尤其是近岸海域水環(huán)境狀況不容樂觀。在海域物理自凈能力有限的情況下，通過提高污水處理等級削減入海源強(qiáng)是目前解決膠州灣污染比較好的辦法；但隨著擁灣發(fā)展戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施，青島市數(shù)年后的經(jīng)濟(jì)和人口都將有一個大的增長，那時膠州灣的水環(huán)境將面臨更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)，所以“污水外調(diào)”將是解決膠州灣污染的根本辦法，作者也將繼續(xù)關(guān)注并進(jìn)行相關(guān)方面的后續(xù)研究。

［1］ 孫文心，江文勝，李磊.近海環(huán)境流體動力學(xué)數(shù)值模型［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［2］ 吳江航，韓慶書.汁算流體力學(xué)的理論、方法及應(yīng)用 ［M］.北京：科學(xué)出版社，1988.

［3］ 孫長青，王學(xué)昌，孫英蘭，等.填海造地對膠州灣污染物輸運(yùn)影響的數(shù)值研究［J］.海洋科學(xué)，2002，26（10）：47－50.