基于EFDC的唐島灣排污口位置優(yōu)化研究

張亞

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，沿海地區(qū)污水排放量增加，近岸海水水質(zhì)污染日趨嚴(yán)重，需要更合理的排放方式以最大限度利地用水體的環(huán)境容量。本文運(yùn)用環(huán)境動(dòng)力學(xué)模型EFDC模擬唐島灣污水排海及污染物擴(kuò)散過(guò)程，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)灣內(nèi)排污口進(jìn)行位置調(diào)整后得出優(yōu)化方案。通過(guò)前后兩種方案污染物擴(kuò)散過(guò)程的對(duì)比，確定了優(yōu)化方案具有更高的擴(kuò)散效率，為排?？谖恢眉芭欧拍Ｊ降倪x擇提供參考。

關(guān)鍵詞：唐島灣 EFDC 污水排放

中圖分類(lèi)號(hào)：X143 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）09（b）-0079-04

人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海洋尤其是近岸海灣地區(qū)造成了越來(lái)越嚴(yán)重的影響，由于這一領(lǐng)域相對(duì)缺乏科學(xué)技術(shù)方法的支持，使得相應(yīng)的管理手段產(chǎn)生的效果未能達(dá)到預(yù)期。預(yù)防環(huán)境污染比治理污染更為重要，沿海城市建設(shè)發(fā)展帶來(lái)的污染物排放是一個(gè)不容忽視的事實(shí)。近年來(lái)污水排放的數(shù)量以及污染物的種類(lèi)都呈顯著增加趨勢(shì)。在客觀上，對(duì)于污水排放以及對(duì)近海區(qū)域的環(huán)境污染必須進(jìn)行科學(xué)的規(guī)范和指引，從而使其對(duì)環(huán)境的影響降低至環(huán)境可承受范圍之內(nèi)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)和環(huán)保雙贏的目的。

EFDC（Environmental Fluid Dynamics Code）環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型最早由美國(guó)佛吉尼亞海洋科學(xué)研究所基于Fortran語(yǔ)言編制而成。這年來(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)于EFDC模型對(duì)水質(zhì)的研究正逐漸發(fā)展，EFDC模型被大量應(yīng)用到水環(huán)境二維、三維模擬研究中。由于EFDC具有功能齊全、代碼開(kāi)源、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越為環(huán)境工作者青睞，已經(jīng)成為水動(dòng)力和水質(zhì)研究領(lǐng)域的權(quán)威性軟件，所以在本研究中選用EFDC模型對(duì)唐島灣水體中的污染物擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。

1 唐島灣地理資料及排污口布置

唐島灣位于海西半島西南岸，為倒“U”型構(gòu)造原生海灣，三面環(huán)山，東和北部為薛家島，西接膠南的靈山衛(wèi)鎮(zhèn)，南與黃海靈山灣相接。海灣開(kāi)口西南方向，東起薛家島的魚(yú)鳴嘴，西至靈山衛(wèi)鎮(zhèn)的炮臺(tái)嘴，開(kāi)口寬2.5km左右，總面積約17km2。潮汐類(lèi)型屬于正規(guī)半日潮，平均潮差2.59m，最大潮差4.57m。潮流速度約60cm/s，東南向?yàn)閺?qiáng)浪向。海灣中間有一寬約200m，長(zhǎng)約5km的狹長(zhǎng)潮汐通道，其水深最深處有10m左右，淺處約4m，牛島附近等深線(xiàn)5m左右。由于唐島和遠(yuǎn)處?kù)`山島的遮掩，灣內(nèi)波高較低，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到7級(jí)時(shí)，灣內(nèi)波高不超過(guò)1.2m，目前入灣的集中排污口如圖1所示。

2 模型的建立

2.1 網(wǎng)格劃分

考慮灣內(nèi)水深較淺，沒(méi)有垂向分層，建立垂向平均的平面二維網(wǎng)格，開(kāi)邊界取在唐島灣外側(cè)水域。為擬合不規(guī)則岸線(xiàn)，應(yīng)用曲線(xiàn)正交網(wǎng)格對(duì)灣內(nèi)水域進(jìn)行剖分，得到如圖2所示的網(wǎng)格劃分圖。

2.2 邊界條件

唐島灣灣內(nèi)潮汐類(lèi)型為正規(guī)半日潮，因此開(kāi)邊界水位條件可采用公式（1）所示調(diào)和方程：

（1）

上式中：為水位，單位m；t為時(shí)間，單位s；為M2分潮的圓頻率；為M2分潮的調(diào)和常數(shù)。不考慮波浪影響，其他為固壁邊界，因退潮時(shí)會(huì)露灘，設(shè)置了干濕網(wǎng)格判斷。

唐島灣沿岸初步估計(jì)共分布有大大小小十多個(gè)排污口，為了方便模擬，小排量排污口不加以考慮，對(duì)位置鄰近的排污口進(jìn)行合并后共得到如圖1所示的6個(gè)排污口。各排污口流量信息見(jiàn)表1。

為了使模擬過(guò)程簡(jiǎn)化，取COD為單獨(dú)指標(biāo)，只考慮一級(jí)降解，取降解系數(shù)k為常數(shù)。COD濃度變化式：

（2）

其中：kc為COD的降解系數(shù)，d-1；c0為初始時(shí)刻COD的濃度，mg/L；ct為污染物在t時(shí)刻的濃度，mg/L；t為作用時(shí)間，d[6]。

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 流場(chǎng)模擬結(jié)果

圖3所示為漲潮流場(chǎng)。從灣口流入的潮流繞過(guò)唐島后直接流入灣內(nèi)。到達(dá)灣中心后，繞過(guò)牛島并最終抵達(dá)灣頂。從圖3中可以看出，灣頂?shù)牧鲌?chǎng)幾乎不受入灣潮流的影響，灣頂水體與外界交換作用緩慢。圖4為唐島灣落潮流場(chǎng)。由圖4可知，在落潮情況下，灣頂水域仍然受到很小影響，主要活動(dòng)區(qū)域位于灣口水域，這是由于唐島灣的狹長(zhǎng)地形所致。

2.3.2 排污口位置的優(yōu)選

對(duì)唐島灣污水排放口優(yōu)選的原則是：在最短的時(shí)間內(nèi)，使污水得到外輸和稀釋降解。根據(jù)流場(chǎng)情況分析排污口的布置可知存在選址不當(dāng)，比如1、3號(hào)排污口，這些排污口所處位置流場(chǎng)強(qiáng)度較小，不便于污水的擴(kuò)散，尤其是1號(hào)排污口位于岸邊的凹陷區(qū)域，3號(hào)排污口位于灣頂處潮流最小的區(qū)域。通過(guò)改變1、3號(hào)排放點(diǎn)的位置，模擬其擴(kuò)散效果，進(jìn)行排污口位置的優(yōu)選。

（1）1號(hào)排污口的優(yōu)化。

1號(hào)點(diǎn)的原始地理位置十分不利于污水的擴(kuò)散，為了取得更為理想的排污效果，可將其從凹口內(nèi)移出。

圖5和圖6為1號(hào)點(diǎn)位于凹口內(nèi)以及移出后在相同排量下進(jìn)行排放2天后的擴(kuò)散圖。從這兩個(gè)圖中可以看出移出凹口后，污水可以更快地?cái)U(kuò)散到灣口，從而起到更好的凈化效果。

（2）3號(hào)排污口的優(yōu)化。

3號(hào)排污口位于灣內(nèi)最頂部。其地理位置使得經(jīng)此處排出的污水很難通過(guò)灣內(nèi)的流場(chǎng)排出灣口，即使采用離岸排污，所取得的效果也十分有限，而且也不經(jīng)濟(jì)。對(duì)于這種情況，只能適當(dāng)?shù)馗淖冄匕杜欧诺攸c(diǎn)，盡可能利用到潮流作用。

圖7、圖8所示為3號(hào)排污口原始位置以及沿岸向西移1000m之后6天擴(kuò)散情況。從這兩個(gè)圖中可以看出，對(duì)于灣頂?shù)呐盼劭?，?jīng)過(guò)移動(dòng)后，可以開(kāi)始有效地利用潮流向?yàn)惩廨斠?。相?duì)于灣頂排污導(dǎo)致污染物大量聚集在灣頂海域，移動(dòng)排污口后灣頂受到的影響顯著較小。尤其是對(duì)于難降解的物質(zhì)，通過(guò)這種調(diào)整可以很好地避免其在灣內(nèi)長(zhǎng)期聚集。

（3）優(yōu)化后的排污擴(kuò)散對(duì)比。

綜合到實(shí)際地理因素和經(jīng)濟(jì)情況，對(duì)6個(gè)排污口可做以下調(diào)整：1號(hào)點(diǎn)從凹口內(nèi)移出，3號(hào)點(diǎn)由灣頂沿岸外移一段距離；其他排污口基本不變。最終各排污口重建位置如圖9所示。

在排放量不變的條件下，進(jìn)行了兩種排污方案的對(duì)比，圖10～圖13分別是優(yōu)化后與原始排污方案下3、12天灣內(nèi)污水?dāng)U散情況。對(duì)比后可看出，優(yōu)化后方案比原始方案更有效率。

3 結(jié)論

本文研究對(duì)象為山東省青島市黃島開(kāi)發(fā)區(qū)唐島灣，應(yīng)用EFDC水質(zhì)模型對(duì)污水在灣內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行模擬，并對(duì)排污口進(jìn)行優(yōu)化。

（1）對(duì)灣內(nèi)流場(chǎng)分析可知灣口處流速最大，灣內(nèi)流速小于灣口處，流速隨著流場(chǎng)的傳播有逐漸降低的趨勢(shì)。其中潮流流向與唐島灣走向基本一致，具有一般半封閉海灣流場(chǎng)特征。

（2）污水在灣內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程歸根到底是受到灣內(nèi)潮汐動(dòng)力的影響。當(dāng)漲急時(shí)候，海水從灣口大量涌入，污染物在隨著潮流向?yàn)硟?nèi)流動(dòng)的同時(shí)也得到了很好的稀釋?zhuān)划?dāng)落急時(shí)候，污染物隨著潮流向?yàn)晨诜较蛄鲃?dòng)，灣口附近的污染物被迅速帶出海灣，可以通過(guò)調(diào)整排污口位置來(lái)使污水更好的利用灣內(nèi)潮流進(jìn)行擴(kuò)散稀釋。

（3）結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)灣內(nèi)排污口進(jìn)行位置調(diào)整后得出優(yōu)化方案。通過(guò)前后兩種方案污染物擴(kuò)散過(guò)程地對(duì)比，確定了優(yōu)化方案具有更高的擴(kuò)散效率。

參考文獻(xiàn)

[1] Wu G， Xu Z. Prediction of algal blooming using EFDC model： Case study in the Daoxiang Lake[J]. Ecological Modelling，2011，222（6）：1245-1252.

[2] 龔艷君.威海灣污染物擴(kuò)散數(shù)值模擬與環(huán)境容量研究 [D].中國(guó)海洋大學(xué)，2008.

[3] 王翠，孫英蘭，張學(xué)慶.基于EFDC模型的膠州灣三維潮流數(shù)值模擬[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，38

（5）：833-840.

[4] 樸香花，周集體，張玉，等.藻類(lèi)在大連灣的水環(huán)境行為數(shù)值模擬研究[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2007，25（4）：52-54.

[5] 國(guó)峰，張海平，李陽(yáng)，等.金山污水排海對(duì)納污海域水質(zhì)影響的數(shù)學(xué)模擬[J].海洋學(xué)研究，2008，25（4）：81-85.

[6] Ji Z G.Hydrodynamics and water quality：modeling rivers， lakes， and estuaries[M]. John Wiley & Sons， 2008.

[7] 張曦，夏星輝，楊志峰.水體中有機(jī)污染物自然降解研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2004，27（B8）：136-139.

[8] 劉夏明，李俊清，豆小敏，等.EFDC模型在河口水環(huán)境模擬中的應(yīng)用及進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，34（6）： 136-140.