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海洋开发与管理2021年 第2期
朱志清，叶林安，章紫宁，刘莲，鲁水，徐清
(国家海洋局宁波海洋环境监测中心站宁波315040)
摘要：文章建立污染物动力扩散数值模型，并将模型应用于象山港污染物扩散的模拟计算。研究
结果表明：象山港海域化学需氧量、无机氮和活性磷酸盐源强的实测值与模型模拟结果之间的相 对误差基本小于15% ；污染物动力扩散数值模型在总体上有效模拟了象山港化学需氧量、无机氮 和活性磷酸盐等污染物的浓度分布，为该模型在其他海域的应用提供参考依据。 关键词：污染物；动力扩散；数值模拟；象山港；营养盐
中图分类号：P76;X55
文献标志码：A
文章编号：1005 —9857(2021)02 —0064—05
Numerical Modeling of Dynamic Diffusion of Pollutants :
A Case Study of Xiangshan Bay
ZHU Zhiqing,YE Lin'an,ZHANG Zining,LIU Lian,LU Shui,XU Qing
涡流管(Marine Environmental Monitoring Center of Ningbo ,SOA,Ningbo 315040,China.)
Abstract ： This paper used the dynamic diffusion model of pollutants to apply the model to the
simulation of pollutant, diffusion in Xiangshan Bay.The results showed that, the relative errors be
tween the measured values of chemical requirements, inorganic nitrogen , and active phosphate source pollutants in the water quality of Xiangshan Port, and the model simulation results were
basica 1 1 y less than 15%.The concentration distribution of pollution sources such as chemical re quirements ,inorganic nitrogen , and active phosphate in Xiangshan Port, was simulated , which pro
vided a reference basis for the future application of this pollutant, diffusion numerical model in otherseaareas.
Keywords : Pollutant. ? Dynamic diffusion , Numerical simulation , Xiangshan Bay ? Nutrients
[]。建立营养盐等海洋水质
收稿日期：2020-04-01；修订日期：2021-01-24
污染物的动力扩散模型，可有效估算污染物大致的
基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFC1402405)；自然资源部东海局青年科技基金项目(201803). 作者简介：朱志清，工程师，硕士，研究方向为海洋环境监测与评价
通信作者：
叶林安.工程师.硕士.研究方向为海洋环境监测与评价
第2期朱志清，等：污染物动力扩散数值模型模拟研究65
扩散变化动态。部分学者研究发现，潮汐、地形、风和科氏力等因素均可影响开放海域的水动力、水体交换、盐度混合和污染物扩散等⑵，尤其在赤潮频发海域更应引起重视。因此，建立污染物动力扩散模型，对于研究特定海域因污染源变化而引起的海洋灾害具有重要意义。
象山港是宁波市东南沿海的半封闭式深水港湾拥有独特的自然资源优势，可用于生态养殖、海洋旅游和湿地保护，是宁波市的重要海域之一和重要生态涵养地，属于具有保护性的稀有国土资源⑷。目前对于象山港海域已有较多的研究成果：朱根海等⑸利用1982—2011年东海象山港海域主要营养物质的年际变化数据，提出象山港的营养盐浓度呈逐年增加的趋势；张丽旭等皈分析象山港赤潮监控区营养盐的变化及其结构特征，其中无机氮的比值保持稳定，整个监控区处于热力学平衡状态，而无机磷一直是该海域初级生产力的主要潜在限制性因子；叶林安等⑷采用2016年象山港4个季节的调查资料，提出象山港的主要污染因子为无机氮和无机磷，重金属符合二类海水水质标准。此外，象山港海域环境因子的长期变化趋势及其对生态系统的影响也越来越受关注[-10]
本研究将象山港海域作为研究对象，建立污染物动力扩散数值模型，对该海域的源强污染物进行数值模拟并与实际数值进行比对，从而验证该模型的有效性，为该模型在象山港等海域的应用提供参考依据。
1污染物动力扩散数值模型
建立污染物对流扩散方程[1]
d(d+Z)C Js C
dt d(J
+1・
{d[GJd+UC)]+*[G z(d+Z)C]
}+
Z
1d D d C)亠d+Z
d+S D dj+G z G nn•
D h G n d C
P D h G C
Z_
d
+G C+S 式中:z为水位；d为水深；G z=x Z+丈和G n=x；+y为直角坐标系(x y)与正交曲线坐标系Z，7)的转换系数u、和•分别为在z、n 和莎3个方向上的速度分量；D h和D V分别为水平和垂向扩散系数；C为污染物的质量浓度；X d为一阶降解系数；S为源汇项。
定解条件为：①初始条件为C(xy,0)=C。;
②陆边界条件为d—=0；③水边界条件为C(x0,
y0,)=C0(流入)，C(x0,y0,)=计算值(流出)o 其中，陆边界条件表示沿法线方向的浓度梯度为0。
初始条件对计算结果的影响通常在计算开始阶段，当计算稳定后可忽略不计。本研究的水质模型采用
冷启动方式，即营养物质的初始浓度均取0mg/L o水质模型的水边界条件在水边界附近海域水质现状的基础上由模型率定。
2研究区与模拟污染源
本研究在象山港周边汇水区设置相应的计算源点。由于汇水区4不临海，将汇水区3和汇水区4东部概化为S3污染源，并将汇水区4西部和汇水区5概化为S4污染源(图1)。
40
30
20
10
50
10203040506070
距离/km
图1模拟污染源的位置分布
根据调查结果，象山港的污染源主要分为2个部分。①陆域污染源，主要包括工业企业、居民生活、农业生产、畜禽养殖和水土流失；②海水养殖污染源，主要包括浅海养殖、围塘养殖和滩涂养殖，主要养殖种类为鱼类、虾类、蟹类和贝类
李先念的女婿。
66海洋开发与管理2021年
3污染物动力扩散数值模拟
3.1化学需氧量源强
化学需氧量（COD）是表征水体有机污染的综合指标和描述污染源的重要指标之一，在水环境评价、管理和规划中被普遍采用，本研究选取COD"作为象山港水环境容量的计算污染物。根据污染源调查结果，象山港沿岸COD cr入海量最大的为汇水区3和汇水区9，其次为汇水区8；COD cr入海量最小的为汇水区1，其次为汇水区2和汇水区21。各汇水区COD"源强的组成不同，但以海水养殖、生活污染和水土流失为主，工业污染和畜禽养殖的占比较低°C OD cr源强按各计算源点的分配结果如表1所示。
表1COD cr水质模型各污染源的源强t/d
排放源点所属汇水区陆源污染海水养殖污染计算源强S110.7400.74
S220.960.42 1.38
S33和4东部 1.358.8910.24
S44西部和5 1.05 1.25 2.30
S560.95 2.65 3.60
S670.21 4.26 4.47
S78 1.218.519.72
S89 1.729.9411.66
光纤电流互感器S910 2.220.06 2.28
S10110.13 1.59 1.72
S11210.110.100.21
S12120.25 2.96 3.21
S1313 1.680.60 2.28
S14140.74 3.15 3.89哈勃太空望远镜
S1515 1.49 3.43 4.92
S1616 1.340 1.34
S17170.58 5.71 6.29
S18180.25 5.71 5.96
S1919 1.03 5.18 6.21
S20200.32 5.77 6.09
3.2总氮源强
本研究选取总氮（TN）作为削减量计算污染物，从削减TN排放量的角度出发，分析源强削减对象山港水环境的影响，并进行削减控制。根据污染源调查结果，氮类营养盐是象山港污染排放的主要污染物。象山港沿岸TN入海量最大的为汇水区9，其次为汇水区3；TN入海量最小的为汇水区21，其次为汇水区11。各汇水区TN源强的组成不同，但以农业面源污染为主。根据环境质量现状，象山港水体中总氮含量较高。总氮污染源源强按各计算源点的分配结果如表2所示。
表2TN水质模型各污染源的源强t/d
排放源点所属汇水区陆源污染海水养殖污染计算源强S110.2900.290
S220.560.0170.577
S33和4东部0.620.3500.970
S44西部和50.500.0500.550
S560.450.1450.595
地震的模拟实验
S670.100.1680.268
S780.570.3370.907
S890.600.3920.992
S9100.550.0030.553
S10110.060.0630.123
S11210.080.0390.119
S12120.190.1170.307
S13130.550.0230.573
S14140.350.1240.474
S15150.690.1350.825
S16160.3900.390
S17170.320.2250.545
S18180.150.2250.375
S19190.470.2040.674
S20200.160.2270.387
互联网情报
3.3总磷源强
本研究选取总磷（TP）作为削减量计算污染物，从削减TP排放量的角度出发，分析源强削减对象山港水环境的影响，并进行削减控制。根据污染源调查结果，磷类营养盐是象山港污染排放中的主要污染物。象山港沿岸TP入海量最大的为汇水区9，其次为汇水区8；TP入海量最小的为汇水区21，其次
为汇水区11。各汇水区TP源强的组成不同，但以农业面源污染和海水养殖污染为主。根据环境质量现状，象山港水体中总磷含量较高。总磷污染
第2期朱志清，等：污染物动力扩散数值模型模拟研究67
源源强按各计算源点的分配结果如表3所示。
表3TP水质模型各污染源的源强t/d
排放源点所属汇水区陆源污染海水养殖污染计算源强S110.0400.040
S220.060.0030.063
S33和4东部0.070.0520.122
S44西部和50.060.0080.068
S560.060.0210.081
S670.010.0250.035
S780.070.0520.122
S890.070.0600.130
S9100.0700.070
S10110.010.0080.018
S11210.010.0050.015
S12120.020.0170.037
S13130.060.0030.063
S14140.040.0190.059
S15150.070.0200.090
S16160.050.0000.050
S17170.030.0340.064
S18180.020.0340.054
S19190.050.0300.080
S20200.020.0330.053
3.4主要污染物的换算关系
本研究选取化学需氧量、无机氮和活性磷酸盐用于环境容量或削减量的计算。根据象山港水体中各污染物浓度分布的对比，确定象山港C OD<r和COD m”、总氮和无机氮以及总磷和活性磷酸盐之间的换算系数。
3.4.1CODc r和COD m”
COD cr和COD m”是由不同测定方法求得的化学需氧量数值，在陆地上以重铬酸钾法测定的COD cr表达，在海水中以碱性高锰酸钾法测定的COD m”表达。通常认为水体中COD cr的浓度是COD m”的2.5倍，在涉及二者之间换算时采用此换算系数。
3. 4.2总氮和无机氮
根据2018年象山港夏季和冬季的实测数据，得到总氮和无机氮在水体中的浓度比值（表4）本研究取无机氮与总氮的源强以及在水体中的平均浓度比值为0.6900，即总氮的源强以及在水体中的平均浓度是无机氮的1.45倍，在涉及二者之间换算时采用此换算系数。
表42018年象山港夏季和冬季无机氮和总氮的调查结果调查项目海水层次夏季冬季
无机氮/表层0.7550.865
(mg・L—1)底层0.7320.844
表层 1.213 1.234
总氮/(mg•L—1)
底层 1.088 1.107
表层0.6220.701无机氮/总氮底层0.6730.762
垂向平均0.6480.732
3.4.3总磷和活性磷酸盐
根据2018年象山港夏季和冬季的实测数据，得到总磷和活性磷酸盐在水体中的浓度比值（表5）。本研究取活性磷酸盐与总磷的源强以及在水体中的平均浓度比值为0.3960，即总磷的源强以及在水体中的平均浓度是活性磷酸盐的2.52倍，在涉及二者之间换算时采用此换算系数。
表52018年象山港夏季和冬季活性磷酸盐和
总磷的调查结果
调查项目海水层次夏季冬季
活性磷酸盐/表层0.03420.0442
(mg•L—1)底层0.03010.0395
表层0.09940.0878
总磷/(mg•L—1)
底层0.11240.0842
表层0.34400.5030
活性磷酸盐/总磷底层0.26800.4690
垂向平均0.30600.4860
4结果分析和对比
4.1COD M"
象山港COD m”的浓度分布总体呈现自湾口到湾内逐渐增大的趋势。外湾浓度较低，大部分区域的浓度小于1mg/L。西沪港、黄墩港和铁港内的浓度较高，且越靠近湾顶的浓度越大，其中西沪港内的浓度为1〜13mg/L，黄墩港内大部分区域的浓度为
68海洋开发与管理2021年
1.2~1.5mg/L，铁港内的浓度基本大于1.3mg/L。象山港COD m”浓度最高的区域位于铁港海域，最大浓度超过1.5mg/L；象山港COD m”的总体分布与实测浓度等值线的分布基本一致，仅局部区域略有偏差。水质调查的实测值与模型计算结果之间的相对误差基本小于15%，水质模型在总体上较成功地模拟了象山港COD m…的浓度分布。
4.2无机氮
象山港无机氮的浓度分布总体呈现自湾口到湾内逐渐增大的趋势。外湾浓度较低，大部分区域的浓度小于0.58mg/L。西沪港、黄墩港和铁港内的浓度较高，大部分区域的浓度大于0.71mg/L，最大浓度达0.82mg/L；其原因除陆源排放外，还可能是由涨、落潮时滩涂底泥翻搅释放所致；象山港无机氮的总
体分布与实测浓度等值线的分布基本一致，仅局部区域略有偏差。水质调查的实测值与模型计算结果之间的相对误差基本小于15%，水质模型在总体上较成功地模拟了象山港无机氮的浓度分布。
4.3活性磷酸盐
象山港活性磷酸盐的浓度分布总体呈现自湾口到湾内逐渐增大的趋势。外湾浓度较低，大部分区域的浓度小于0.030mg/L。西沪港、铁港和黄墩港内的浓度较高，其中西沪港基本大于0.040mg/L，铁港和黄墩港大于0.050mg/L。象山港活性磷酸盐的总体分布与实测浓度等值线的分布基本一致，仅局部区域略有偏差。水质调查的实测值与模型计算结果之间的相对误差小于15%的占比达85%，水质模型在总体上较成功地模拟了象山港活性磷酸盐的浓度分布。
5结语
本研究建立污染物动力扩散数值模型，并将其应用于象山港污染物扩散模拟计算。研究结果表明，象山港海域化学需氧量、无机氮和活性磷酸盐源强的实测值与模型计算结果之间的相对误差基本小于15%，污染物动力扩散数值模型在总体上有效地模拟了象山港化学需氧量、无机氮和活性磷酸盐的浓度分布，可为该模型在其他海域的应用提供参考依据。
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