秦皇島海域洪季水動力及污染物擴(kuò)散數(shù)值模擬

【摘要】近年來，我國對于河流水域的利用日益增多，使得當(dāng)前的河流海域污染也逐漸增多。基于此，本文將秦皇島海域洪季水動力及污染物擴(kuò)散數(shù)值模擬作為研究對象，了解秦皇島海域在洪季水文背景下的水動力及污染物的擴(kuò)散情況，尤其是海域風(fēng)向?qū)ξ廴疚飻U(kuò)散產(chǎn)生的影響，通過對秦皇島洪季水動力技巧污染物擴(kuò)散模型的建立及驗(yàn)證的分析，進(jìn)而對其模型結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)的研究。旨在緩解秦皇島海域污染物擴(kuò)散的情況。

【關(guān)鍵詞】秦皇島海域；洪水動力；污染物擴(kuò)散；數(shù)值模擬

前言：

秦皇島位于我國河北省東北部地區(qū)，地理坐標(biāo)為39。24’N～40。37’N，118。33’E～119。51’E，其海岸線總長度為163千米，主要用于海產(chǎn)養(yǎng)殖，漁業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到35萬噸，海水養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)到漁業(yè)總產(chǎn)量的86%，過度開發(fā)導(dǎo)致秦皇島含義近年來連續(xù)發(fā)生赤潮現(xiàn)象，對當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響，直接造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到2億元。

一、秦皇島海域概況

本研究選取的秦皇島海域?yàn)樯胶ｊP(guān)到灤河口一段，匯入河流有石河、湯河、人造河、東沙河以及灤河等11條河流。秦皇島氣候?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，春秋季節(jié)干燥少雨，夏季濕潤多雨，秦皇島的平均氣溫為10℃，最高月的平均氣溫為24℃，最低月平均氣溫為-6℃，其海岸風(fēng)速平均為3.9m/s，MAX風(fēng)速可達(dá)到24m/s。秦皇島海域風(fēng)向夏季為西南風(fēng)，冬季為東北風(fēng)，春季為西南風(fēng)。秦皇島海域?qū)儆谌粘眳^(qū)，其平均潮位處于73-91cm，冬天潮位較低，夏天的潮位較高。

二、秦皇島洪季水動力及污染物擴(kuò)散模型建立及驗(yàn)證

（一）建立水動力及污染物擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

本研究建立的秦皇島洪季水動力及污染物擴(kuò)散模型采用的是Navier—Stokes方程以及對流擴(kuò)散方程，對COD衰減過程研究采用的是線性衰減系數(shù)來進(jìn)行。該數(shù)學(xué)模型的建立首先要對秦皇島海域進(jìn)行地形網(wǎng)格的劃分計(jì)算工作。數(shù)學(xué)模型中涉及到的計(jì)算范圍從山海關(guān)以北大約20千米到灤河口以南大約14千米以及外海延伸大約55千米的范圍內(nèi)，計(jì)算區(qū)域采取的是三角劃分網(wǎng)格方法，該網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)數(shù)為9066，單元數(shù)為16866，本研究采用的地形圖為1國家測繪局繪制的1998版的1：50000比例尺的地圖，水文數(shù)據(jù)和河道地形數(shù)據(jù)分別為2011年和2013年的實(shí)測數(shù)據(jù)。

其次要對確定海域研究初始條件及其邊界條件。海域潮位過程控制者水動力模型的外海開邊界，渤海潮流模型為潮位過程提供數(shù)據(jù)，多年對河流月平均流量的實(shí)測控制著河流開邊界，本研究中數(shù)學(xué)模型的初始水位選取的是海潮開始時刻的開邊界計(jì)算的平均值，其流速為0，該模型的外海開邊界條件選取了常值為0.9mg/L的本底化學(xué)需氧量濃度（COD），該濃度是由2011年每月COD濃度實(shí)測得到的數(shù)值而設(shè)定的[1]。

最后要對模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。又秦皇島海域的河床泥沙中值粒徑以及水深共同確定的曼寧系數(shù)選取的平均值為0.014，時長為1S，而邊界灘地采用的是動邊界處理灘地干濕交換過程，其通過污染物擴(kuò)散模型率來確定水平擴(kuò)散系數(shù)，選取的常值為60m2/s，通過對海域的平均實(shí)測水溫的一階衰退過程來計(jì)算水平擴(kuò)散系數(shù)，計(jì)算得到該系數(shù)為0.033d。

（二）對該數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證過程

2011年7月針對秦皇島赤潮發(fā)生時，有關(guān)單位對該海域C01-C23站點(diǎn)范圍內(nèi)的水質(zhì)狀況進(jìn)行了取樣分析工作，童年5月秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心又UI該海域V01-V10這十個站點(diǎn)的水流流向和流速進(jìn)行了監(jiān)測，了解其水動力與污染物擴(kuò)散之間的關(guān)系

首先，對上述的水動力模型進(jìn)行了驗(yàn)證工作。一方面進(jìn)行潮位驗(yàn)證，驗(yàn)證工作中的潮位選擇的是2011年5月秦皇島海域潮位于21日18：00-22日18：00的實(shí)測數(shù)據(jù)，其潮位驗(yàn)證如圖2-1所示，由圖可知，水動力模型中的潮位相位與趨勢基本符合，但存在較小的偏差，這是由于模型參數(shù)選取了平均值且海岸線地形較為復(fù)雜導(dǎo)致潮位計(jì)算出現(xiàn)偏差[2]。另一方面對潮流進(jìn)行驗(yàn)證，如圖2-2與2-3所示的潮流驗(yàn)證，其根據(jù)監(jiān)測中心對于潮流的實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，以V01站點(diǎn)為例，其流速與流向同實(shí)測數(shù)值在相位上基本符合，但也存在誤差，主要是由于監(jiān)測站點(diǎn)與實(shí)際風(fēng)向有差別。

其次，對上述的污染物擴(kuò)散模型進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)有關(guān)單位對海域監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了污染物擴(kuò)散模型的驗(yàn)證工作，其驗(yàn)證結(jié)果在不加入風(fēng)的背景下對模型中的COD計(jì)算的結(jié)果誤差小于25%的站點(diǎn)占總數(shù)的78%，在加入風(fēng)的背景下其計(jì)算誤差要小于總數(shù)的96%。

三、水動力及污染物擴(kuò)散模型結(jié)果分析

根據(jù)秦皇島海域水動力及污染物模型的分析可得，該海域在漲憩時水位流場變化情況如圖4所示，其潮流為西南方向，落潮時為東北方向，漲憩時的水位變化受風(fēng)力影響為-0.0050m到0.0008m，位于石河口東北部以及外海邊界處的水位有上升現(xiàn)象，流速有所增加，其他區(qū)域水位均較低，流速較低，尤其是灤河口海域[3]。而該海域的COD濃度在漲憩時的分布如圖5所示，其擴(kuò)散方向與漲落潮使得潮流方向相吻合，在風(fēng)和潮汐的共同作用下，COD濃度等值線分布從近海域無風(fēng)的情況下向東南方向移動，落憩時，COD濃度等等值線往東南移動。

結(jié)論：

本文通過對秦皇島海域概況的分析，進(jìn)而建立了海域水動力及污染物擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，并利用實(shí)際資料對所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了相關(guān)的驗(yàn)證和分析工作。研究結(jié)果表明當(dāng)秦皇島海域潮落為東北方向時，潮流為西南向，潮流呈順岸往復(fù)流，在漲落休憩時，由于風(fēng)力作用秦皇島海岸水位下降，落憩時刻以及漲憩時刻在不同流段的水流速度有增有減，而COD的擴(kuò)散方向由漲落潮的潮流方向決定，其濃度在近海域較大，其隨著落憩和漲憩的不同在不同流段濃度有增有減。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧杰，胡成飛，李正堯，等.秦皇島河流-海岸水動力和水質(zhì)耦合模擬分析[J].海洋科學(xué)，2017，41（02）：1-11.

[2]匡翠萍，謝華浪，蘇平，等.基于FBM法追蹤秦皇島海域赤潮遷移擴(kuò)散[J].中國環(huán)境科學(xué)，2016，36（08）：2505-2515.