膠州灣主要污染源削減排污量研究＊

呂志峰，孫然然，王學昌

（中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，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行適當削減，則部分污染嚴重水域的水質(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，以其計算結(jié)果為基礎，然后選取COD作為主要污染因子，對膠州灣的水質(zhì)狀況進行了模擬分析。

1 膠州灣潮流數(shù)值模型

1.1 計算海域、網(wǎng)格設置及參數(shù)選取

本研究以膠州灣為計算海域，采用二維平均運動方程組［1］，計算海域范圍、潮位驗證點、潮流驗證點及COD實測濃度監(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，計算4個半日潮周期即可趨于穩(wěn)定。模擬計算的是膠州灣海域具有代表性的中潮（M2分潮）潮流場。

圖1 計算海域及驗證點位Fig.1 Computed area and validated stations in the Jiaozhou Bay

1.2 潮位、潮流驗證

圖2為大港站潮位驗證曲線，由圖可以看出，計算與實測結(jié)果吻合良好。

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

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

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

圖3 潮流玫瑰驗證圖Fig.3 Tidal current roses for verification

1.3 潮流計算結(jié)果分析

由于該海域為正規(guī)半日潮海域，開邊界強迫水位按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)灣口以放射狀進入膠州灣并流向灣底，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，膠州灣海域為正規(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，當潮位達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 計算海域潮流場圖Fig.4 The tidal current field in the computed area

2 水質(zhì)預測數(shù)值模型

在已建立的潮流場基礎上，建立了膠州灣二維變邊界對流——擴散數(shù)值模型［3］。初始條件可以根據(jù)相應海域的實際水質(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個點的現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進行了驗證。數(shù)值計算過程采用不規(guī)則三角形分步雜交法求解物質(zhì)輸運方程，模擬計算的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

根據(jù)國家污染物排放總量控制指標，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)影響進行預測和分析。研究區(qū)中8個主要污染源年平均COD入海源強是根據(jù)2008年青島海洋環(huán)境質(zhì)量公報相關(guān)數(shù)據(jù)計算出的，其源強分別為：團島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)量濃度驗證分析

取計算域中8個具有代表性的點的COD實測值和相應計算值，比較發(fā)現(xiàn)，樓山河口（P3）、洋河口（P6）和灣中心（P8）三點誤差較大（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點實測和計算值都符合良好，說明數(shù)值模擬結(jié)果可信。各驗證點位置見圖1，比較結(jié)果見表1。

表1 各驗證點實測、計算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重，4處的COD最大質(zhì)量濃度均出現(xiàn)了超標現(xiàn)象，所以應對其進行適當削減才能滿足相應功能區(qū)對水質(zhì)的要求。根據(jù)水質(zhì)模型的多次計算，上述4處超標海域所對應的污染源分別削減503t，650t，1 594t和587t后，相應海域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散模型基礎上，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；通過計算，適當削減污染源強之后，超標海域的水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)，相應功能區(qū)對水質(zhì)的要求也能得到滿足。

隨著青島多年來經(jīng)濟、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)略的進一步實施，青島市數(shù)年后的經(jīng)濟和人口都將有一個大的增長，那時膠州灣的水環(huán)境將面臨更加嚴峻的考驗，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)境流體動力學數(shù)值模型［M］.北京：科學出版社，2006.

［2］ 吳江航，韓慶書.汁算流體力學的理論、方法及應用 ［M］.北京：科學出版社，1988.

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