匡翠萍，胡成飛，冒小丹，顧 杰

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092；2.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海201306）

秦皇島位于河北省東北部，地理坐標(biāo)為北緯39°24′～40°37′，東經(jīng)118°33′～119°51′.秦皇島海岸線北起山海關(guān)金絲河口，南止昌黎縣灤河口，總長162.7km.秦皇島市現(xiàn)有捕撈作業(yè)漁場1萬km2，有適宜發(fā)展養(yǎng)殖的淺海533km2，灘涂13km2.海產(chǎn)養(yǎng)殖尤其是海灣扇貝養(yǎng)殖在全國占有重要地位，2008年，秦皇島市漁業(yè)總產(chǎn)量34.96萬t，其中海水養(yǎng)殖產(chǎn)量29.98萬t，占總產(chǎn)量的85.76%［1］.然而近年來秦皇島海域幾乎連年發(fā)生赤潮，對(duì)當(dāng)?shù)厣蓉惖群．a(chǎn)養(yǎng)殖造成了巨大損失.2009年秦皇島沿岸海域爆發(fā)大面積赤潮，赤潮區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖的扇貝、牡蠣等水產(chǎn)出現(xiàn)了滯長和死亡現(xiàn)象，約三分之二的養(yǎng)殖區(qū)受到影響.2010年秦皇島昌黎沿海海域發(fā)生大面積赤潮，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約2億元.2011年秦皇島海域赤潮發(fā)生次數(shù)最多，全年共爆發(fā)7次赤潮，對(duì)當(dāng)?shù)厣蓉愷B(yǎng)殖造成了數(shù)億元的損失.

近年來，國內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)赤潮爆發(fā)的機(jī)理及赤潮爆發(fā)時(shí)水體中各測站點(diǎn)的水文化學(xué)要素的濃度變化進(jìn)行了研究［2-4］，研究表明赤潮爆發(fā)與海域水動(dòng)力條件、水體交換速率及營養(yǎng)鹽等污染物存在著一定的相關(guān)關(guān)系.海域的水動(dòng)力條件和污染物擴(kuò)散受潮汐、地形、風(fēng)及科氏力等因素影響［5-7］，其中在湖泊、河口和海灣等封閉或半封閉水域，風(fēng)是驅(qū)動(dòng)水體環(huán)流及污染物擴(kuò)散的主要因子之一［8-11］，而在寬廣海域風(fēng)驅(qū)動(dòng)力的作用并不是影響水動(dòng)力條件和污染物擴(kuò)散的主要因素，然而部分學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)對(duì)開放海域的水動(dòng)力、水體交換、鹽度混合及污染物擴(kuò)散等仍有一定程度的影響［12-14］，尤其在赤潮頻發(fā)海域更應(yīng)引起重視.由于洪季為秦皇島海域赤潮頻發(fā)期，本文建立了秦皇島近岸海域二維水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散模型，并通過洪季水文和水質(zhì)實(shí)測資料對(duì)模型進(jìn)行了率定驗(yàn)證，得到了秦皇島近岸海域在潮汐以及潮汐和風(fēng)共同作用下的水動(dòng)力和化學(xué)需氧量（COD）擴(kuò)散分布特征，并在此基礎(chǔ)上，分析了風(fēng)對(duì)秦皇島近岸海域洪季水動(dòng)力和COD擴(kuò)散分布的影響，以期較為全面地認(rèn)識(shí)秦皇島近岸海域洪季水動(dòng)力及COD擴(kuò)散特征.

1 研究區(qū)域

研究區(qū)域選擇秦皇島近岸海域，北起山海關(guān)，南至灤河口，岸線綿延173km，從北向南沿岸線共有11條入海河流：石河、新開河、湯河、新河、戴河、洋河、人造河、東沙河、大蒲河、七里海和灤河.

秦皇島屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季少雨干燥，夏季濕潤多雨，秋季晴朗干爽，冬季寒冷少雪［15］，其海岸帶年平均風(fēng)速為3.9m·s-1，最大風(fēng)速24m·s-1，冬季多為東北（NE）風(fēng)，春季多為西南偏西（WSW）風(fēng)，夏季為西南（SW）風(fēng)［16］.秦皇島附近海域是規(guī)則全日潮區(qū)，向南至灤河口區(qū)屬于不規(guī)則全日潮區(qū)［17］.秦皇島近岸海域歷年平均潮位73～91cm，呈現(xiàn)冬低夏高的趨勢［18］.秦皇島年平均溫度9℃～11℃，最高月平均溫度23℃～25℃，最低月平均溫度-7℃～-5℃，最適宜氣候環(huán)境為6～9月，是海濱泳浴的最佳時(shí)節(jié)［19］.

2 數(shù)學(xué)模型

基于Navier-Stokes方程和對(duì)流擴(kuò)散方程建立水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散模型，并在污染物擴(kuò)散模型中采用線性衰減系數(shù)來反映COD的衰減過程.

（1）計(jì)算網(wǎng)格與地形

數(shù)學(xué)模型的計(jì)算范圍，北至山海關(guān)以北約20 km處，南至灤河口以南近14km處，向外海延伸大約55km，包含入海河流河口.計(jì)算區(qū)域采用三角形劃分網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)為9 066，網(wǎng)格單元數(shù)為16 866.通過對(duì)國家測繪局1998年版1：50 000地形圖，以及2000年、2005年航片資料進(jìn)行數(shù)字化處理，并配合2007年、2009年、2011年實(shí)測近岸詳細(xì)地形水深數(shù)據(jù)和2013年河道地形實(shí)測數(shù)據(jù)得到一整套完整的計(jì)算區(qū)域地形數(shù)據(jù).

（2）初始條件與邊界條件

水動(dòng)力模型外海開邊界由潮位過程控制，其潮位過程由渤海潮流模型（邊界為大連到煙臺(tái)）［20］提供；河流開邊界由實(shí)測多年月平均流量控制.模型初始水位選取計(jì)算開始時(shí)刻開邊界潮位的平均值，流速為零.污染物擴(kuò)散模型外海開邊界條件為本底COD濃度，近似取常值0.9mg·L-1，河流開邊界COD濃度由2011年各月COD濃度實(shí)測值控制.模型初始COD濃度設(shè)定為本底COD濃度0.9mg·L-1.

（3）參數(shù)設(shè)置

曼寧系數(shù)由該海域海床泥沙中值粒徑和水深綜合確定，取平均值0.014，時(shí)間步長取1s.邊界灘地采用動(dòng)邊界處理灘地的干濕交換過程.水平擴(kuò)散系數(shù)通過污染物擴(kuò)散模型率定，取常值60m2·s-1.COD衰減系數(shù)根據(jù)實(shí)測平均水溫按一階衰減過程計(jì)算，為0.033d-1.風(fēng)場數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋和大氣管理局 NOAA中渤海站點(diǎn)（120°E、39.047°N）2011年5月1日～9月1日的風(fēng)速風(fēng)向.2011年5～9月渤海最大風(fēng)速為12.6m·s-1，平均風(fēng)速4.0 m·s-1；南（S）、東南偏南（SSE）和西南偏南（SSW）風(fēng)向占總數(shù)的49.1%，常風(fēng)向?yàn)镾，S風(fēng)向平均風(fēng)速為5.2m·s-1.8月10～16日期間（圖1），渤海最大風(fēng)速4.9m·s-1，平均風(fēng)速2.87m·s-1；SSE、S、SSW風(fēng)向占總數(shù)的56%，常風(fēng)向?yàn)镾SE.

圖1 2011年8月10～16日風(fēng)速風(fēng)向Fig.1 Time-series of wind speed and wind direction from 10th to 16th August 2011

3 模型驗(yàn)證

2011年7月21日～26日暨南大學(xué)對(duì)赤潮發(fā)生時(shí)秦皇島近岸海域C01～C23站點(diǎn)的水質(zhì)情況進(jìn)行了取樣分析.秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心于2011年5月26日8：00至27日8：00對(duì)秦皇島近岸海域V01～V10十個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了流向流速監(jiān)測，水動(dòng)力及污染物測站如圖2所示.

3.1 水動(dòng)力模型驗(yàn)證

（1）潮位驗(yàn)證

水動(dòng)力模型中的潮位驗(yàn)證如圖3a所示，實(shí)測潮位資料為2011年5月21日18：00至22日18：00秦皇島站的潮位過程，驗(yàn)證站位置如圖2所示.潮位的相位和趨勢基本吻合，潮位大小有小幅度偏差，這是由于水動(dòng)力模型中部分物理參數(shù)采用了平均值，即常數(shù)；風(fēng)場為6h的演變場.此外秦皇島站位置靠近海岸線，近岸海域地形復(fù)雜，且秦皇島站處于無潮點(diǎn)影響范圍內(nèi)，潮波變形較大，從而導(dǎo)致計(jì)算潮位大小有一定偏差.

（2）潮流驗(yàn)證

水動(dòng)力模型中潮流驗(yàn)證如圖3b和3c所示 （限于篇幅有限，現(xiàn)僅列出V01潮流驗(yàn)證），實(shí)測潮流資料來源于秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心實(shí)測數(shù)據(jù)，測站位置如圖2所示.V01測站的模擬流速和流向與實(shí)測值在相位上基本吻合，部分時(shí)刻V01測站流速和流向驗(yàn)證在數(shù)值上有一定誤差，這主要是由于風(fēng)場數(shù)據(jù)參考的站點(diǎn)為渤海監(jiān)測站點(diǎn)，與秦皇島實(shí)際風(fēng)速風(fēng)向有一定偏差，而且近岸風(fēng)場還受陸域影響，較為復(fù)雜，且秦皇島近岸海域位于渤海無潮點(diǎn)附近，潮波變化復(fù)雜.

3.2 污染物擴(kuò)散模型驗(yàn)證

采用暨南大學(xué)2011年7月21日～26日秦皇島近岸海域水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)（監(jiān)測站點(diǎn)如圖2所示）對(duì)污染物擴(kuò)散模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示，未考慮風(fēng)的情況下，污染物擴(kuò)散模型中COD計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差小于25%以內(nèi)的站點(diǎn)占總數(shù)的78.26%，加入風(fēng)場后，COD計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差小于25%以內(nèi)的站點(diǎn)占總數(shù)的95.65%，污染物擴(kuò)散模型總體驗(yàn)證良好.部分站點(diǎn)計(jì)算值與實(shí)測值誤差較大的原因可能是站點(diǎn)監(jiān)測時(shí)間不同步，計(jì)算值和實(shí)測值不能保證為同一時(shí)刻水質(zhì)的反映以及數(shù)學(xué)模型中僅考慮了河流進(jìn)入海域的污染，未考慮其他直排口以及浴場開放等當(dāng)?shù)匾蛩氐挠绊?

圖3 秦皇島站潮位驗(yàn)證和V01站流速流向驗(yàn)證Fig.3 Verification of tidal level at Qinhuangdao gauge station and tidal current velocity magnitude and direction at stations V01

4 結(jié)果與分析

通過建立和驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到秦皇島近岸海域2011年6月1日～9月1日水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散變化過程，選取8月15日來分析秦皇島近岸海域在洪季大潮水文條件下的水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散分布特征，比較風(fēng)對(duì)秦皇島近岸海域水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散的影響.

圖4 COD濃度驗(yàn)證Fig.4 Verification of COD concentration

4.1 水動(dòng)力特征

秦皇島近岸海域2011年8月15日漲憩時(shí)刻水位流場如圖5a所示，圖中，矢量箭頭代表流速，等值線表示水位.秦皇島近岸海域漲潮流為SW向，落潮流為NE向.在漲憩時(shí)刻，風(fēng)作用下，整個(gè)海域水位變化為-0.004 8～0.000 8m，變化幅度僅為-0.7%～0.2%，僅石河口東北部靠岸和外海邊界處狹小海域水位略有升高，大部分海域水位均降低，灤河口附近海域水位降低較明顯，可能是因?yàn)闉春涌谌侵尢厥獾牡匦问茱L(fēng)作用力影響較為復(fù)雜.風(fēng)作用下，整個(gè)海域的流速變化為-0.112～0.021m·s-1，風(fēng)作用（風(fēng)速＜5m·s-1）對(duì)外海流速基本無影響，對(duì)近岸海域流速影響復(fù)雜，可能是由于近岸海域地形復(fù)雜，潮流較紊亂，受風(fēng)作用力的影響較大.近岸海域，石河口以北海域流速略有增加，戴河口至灤河口間海域流速降低，灤河口以南海域流速減小相對(duì)較大，這是由于海域潮流過程不同步造成的，2011年8月13日～15日，渤海主要風(fēng)向?yàn)镾SW、S和SSE，戴河口附近海域漲憩時(shí)，石河口以北海域已經(jīng)轉(zhuǎn)流，流向?yàn)镹E，風(fēng)應(yīng)力起動(dòng)力作用，使流速增加，而戴河口至灤河口海域潮流仍處于漲急向漲憩過渡階段，流向?yàn)镾W，風(fēng)應(yīng)力起阻力作用，使流速減小.

落憩時(shí)刻，風(fēng)作用下，整個(gè)海域水位變化規(guī)律與漲憩時(shí)刻相似，變化幅度較漲憩時(shí)刻大，為-2.5%～4.6%.風(fēng)對(duì)外海流速基本無影響.在近岸海域，由于海域潮流過程不同步，石河口以北海域流速降低，石河口以南海域流速增加，灤河口以南海域流速增加相對(duì)較大.

圖5 漲憩時(shí)刻秦皇島近岸海域水位流場Fig.5 Isolines of water levels and current fields at the slack of the flood in Qinhuangdao costal water

4.2 污染物擴(kuò)散分布特征

秦皇島近岸海域2011年8月15日漲憩時(shí)刻COD濃度分布如圖6所示.COD擴(kuò)散方向與漲落潮潮流方向一致.漲憩時(shí)刻，潮汐作用及潮汐和風(fēng)共同作用下的COD濃度分布趨勢基本一致，洋河口以北海域，風(fēng)和潮汐共同作用下的COD濃度等值線分布在近岸海域較無風(fēng)條件下向NE偏移，這是由于2011年8月13日～15日，渤海主要風(fēng)向?yàn)镾SW、S和SSE，減慢了洋河口以北海域COD向SW方向的擴(kuò)散.風(fēng)作用下，該海域內(nèi)COD濃度變化為-0.17～0.24mg·L-1，濃度變化梯度近岸海域高于外海，與近岸海域濃度梯度大于外海濃度梯度一致.COD在七里海以南海域濃度降低，洋河口以北海域濃度增加，這是由于該時(shí)段，漲潮流在風(fēng)作用下流速降低，減慢了洋河口以北海域COD向SW方向擴(kuò)散，同時(shí)也降低了戴河、洋河、人造河、東沙河和大蒲河排出的COD向七里海以南海域擴(kuò)散速度，從而造成COD在七里海以南海域濃度降低，洋河口以北海域濃度增加.

落憩時(shí)刻，風(fēng)作用下，COD濃度等值線分布向NE偏移，這是由于該時(shí)段渤海主要風(fēng)向?yàn)镾SW、S和SSE，加快了COD向NE方向的擴(kuò)散.海域內(nèi)COD濃度變化為-0.27～0.35mg·L-1.COD在大蒲河口、人造河口以及灤河口以南海域濃度降低，洋河口以北海域濃度增加，這是由于該時(shí)間段，潮流在風(fēng)作用下流速增大，加大了從河口排出的COD向NE方向擴(kuò)散的速度，從而造成洋河口以北海域COD濃度增加；而SW向外海開邊界濃度小于海域濃度，NE方向流速增大，加大了SW向外海開邊界對(duì)灤河口以南海域的影響，從而造成灤河口以南海域COD濃度降低.

圖6 漲憩時(shí)刻秦皇島近岸海域COD濃度分布（單位：mg·L-1）Fig.6 Isolines of COD concentration at the slack of the flood in Qinhuangdao costal water （unit：mg·L-1）

5 結(jié)論

本文建立了秦皇島近岸海域二維水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，并用實(shí)測資料對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行率定驗(yàn)證，研究了秦皇島近岸海域在洪季大潮水文條件下的水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散分布特征，并在此基礎(chǔ)上分析了風(fēng)對(duì)秦皇島近岸海域水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散的影響，得到如下結(jié)論：

（1）秦皇島近岸海域落潮流為NE向，漲潮流為SW向；秦皇島與灤河口海域轉(zhuǎn)流時(shí)間不同步；秦皇島近岸海域潮流總體特征為順岸往復(fù)流.

（2）漲落憩時(shí)刻，風(fēng)作用下，秦皇島近岸海域整體水位均略有降低.風(fēng)作用對(duì)近岸海域流速影響復(fù)雜，落憩時(shí)刻，石河口以北海域流速降低，石河口以南海域流速增加；漲憩時(shí)刻，石河口以北海域流速略有增加，戴河口至灤河口間海域流速降低.

（3）COD擴(kuò)散方向與漲落潮潮流方向一致.COD濃度分布由近岸向外海遞減，近岸海域濃度梯度較外海大.

（4）風(fēng)作用下，落憩時(shí)刻，COD濃度在大蒲河口、人造河口以及灤河口以南海域降低，洋河口以北海域增加；漲憩時(shí)刻，COD濃度在七里海以南海域降低，洋河口以北海域增加.

致謝：本文水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證采用的潮流及水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)分別由秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心和暨南大學(xué)呂頌輝教授提供，在此表示真誠的感謝！

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