近岸海域水環(huán)境預(yù)測(cè)中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題探討

張敏霞

（中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028）

引言

近年來(lái)，隨著海洋經(jīng)濟(jì)的興起、繁榮，開發(fā)海洋的熱潮席卷全球，海洋工程、海岸工程的建設(shè)、陸源污染物的排入給海洋環(huán)境不可避免的帶來(lái)了很多負(fù)面影響，尤其是近岸海域的水環(huán)境質(zhì)量，多年來(lái)不斷趨于惡化。國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者對(duì)近岸海域水環(huán)境質(zhì)量惡化的原因開展了大量研究，普遍認(rèn)為近岸工程的建設(shè)、沿岸工程陸源污染物的排放以及陸地徑流攜帶入海的污染物等是造成近岸海域水環(huán)境質(zhì)量惡化的主要原因。為了有效減緩近岸海域水環(huán)境質(zhì)量的惡化，眾多專家學(xué)者對(duì)近岸海域的水環(huán)境現(xiàn)狀、水文情況、沉積物現(xiàn)狀等進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查及分析，以找尋合適的解決方式，達(dá)到城市化建設(shè)和近岸海域水環(huán)境的生態(tài)平衡。

1 關(guān)于預(yù)測(cè)源強(qiáng)確定和相關(guān)技術(shù)處理

預(yù)測(cè)源強(qiáng)的確定在近岸海域水質(zhì)環(huán)境污染狀況模擬預(yù)測(cè)過程中至關(guān)重要，一般針對(duì)建設(shè)項(xiàng)目可在工程分析階段采用模型計(jì)算技術(shù)確定預(yù)測(cè)源強(qiáng)，計(jì)算方式根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目的不同可適當(dāng)調(diào)整。實(shí)際計(jì)算中，包括單一工程和多項(xiàng)工程兩類，一般單個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的污染源源強(qiáng)計(jì)算模型相對(duì)簡(jiǎn)單一些。但在多個(gè)項(xiàng)目中，需要首先對(duì)項(xiàng)目工程詳細(xì)分析，通過物料衡算法、資料復(fù)算法、類比法等等進(jìn)行污染源強(qiáng)的確定[1]。進(jìn)而針對(duì)確定的污染源強(qiáng)進(jìn)行環(huán)境影響模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果決定是否需要調(diào)整工程建設(shè)方案。

在區(qū)域環(huán)境質(zhì)量水質(zhì)預(yù)測(cè)或者計(jì)算環(huán)境容量時(shí)，污染源源強(qiáng)的確定較為困難，專家通常需要綜合考慮點(diǎn)源、面源以及大氣中的沉降源和沉積物的釋放源進(jìn)行全面性的分析計(jì)算。在進(jìn)行點(diǎn)源計(jì)算時(shí)，主要考慮河?？?、混排口、直排口以及市政下水口等，對(duì)其入海排放的污染物進(jìn)行分析、計(jì)算。在面源調(diào)查中，對(duì)地面徑流所攜帶的污染物及在其他非點(diǎn)源中出現(xiàn)的源匯項(xiàng)進(jìn)行深入研究，通過全方位的調(diào)研和分析，確定區(qū)域境水環(huán)境質(zhì)量預(yù)測(cè)或者水環(huán)境容量計(jì)算范圍。

面源污染源強(qiáng)的準(zhǔn)確判定通常難以實(shí)現(xiàn)。但經(jīng)研究表明，暴雨天氣下將暴雨徑流量和水體中污染物的濃度作為攜帶污染物的量進(jìn)行考慮，可以得到一個(gè)大概的入海通量估算值。根據(jù)相關(guān)研究，在我國(guó)發(fā)達(dá)城市的入?？谕看蟾艦楹涌谕康?0.3%-92.5%[2]，可見面源源強(qiáng)占據(jù)整體預(yù)測(cè)源強(qiáng)的比重極大，因此在進(jìn)行區(qū)域環(huán)境容量計(jì)算時(shí)，面源影響范圍的確定需要慎重研究，需保證在估算過程中，全方面考慮其中影響水質(zhì)的因素。

另外，大氣沉降源和沉積物釋放源中也會(huì)產(chǎn)生大量污染物入海，很多近岸海域重金屬污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化問題就是由于大氣沉降源的影響，在計(jì)算這一部分污染源強(qiáng)時(shí)，需要同以往計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)。以我國(guó)渤海海域?yàn)槔?，大氣塵土沉降量占據(jù)河流運(yùn)輸總量的38%，在整體的污染源中占比較大，大氣陸源物質(zhì)在向海洋進(jìn)行傳輸時(shí)，對(duì)于污染物質(zhì)是無(wú)差別傳輸，表明大氣沉降源對(duì)近岸海域的影響程度極大。

沉積物釋放的污染物類型一般為氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽，但很難準(zhǔn)確估算源強(qiáng)，目前專家學(xué)者大概能夠估算包含了90%的有機(jī)碳、80%的生物硅等[3]，而在實(shí)際計(jì)算過程中，一般通過公式計(jì)算釋放源強(qiáng)，分析污染因子。其中，重點(diǎn)關(guān)注的污染因子有氮、磷、化學(xué)需氧量以及石油類這四種類型。

2 數(shù)學(xué)模型的選用和驗(yàn)證技術(shù)處理

2.1 合理的選用數(shù)學(xué)模型

在近岸海域水環(huán)境質(zhì)量的預(yù)測(cè)過程中，數(shù)學(xué)模型的合理選擇直接影響預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。水環(huán)境質(zhì)量預(yù)測(cè)模型通常包含兩部分：潮流水文動(dòng)力模型、水質(zhì)模型，在進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)選用成熟的數(shù)學(xué)模型或者適用性較強(qiáng)的模型進(jìn)行計(jì)算。如果實(shí)際情況不能滿足模型的應(yīng)用情況，應(yīng)及時(shí)對(duì)模型進(jìn)行修正，避免出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果偏差大的情況，模型適用性的判定需要大量的驗(yàn)證和修正工作，以保證模型適應(yīng)不同的環(huán)境[4]。

此外，海洋環(huán)境影響評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)中，選用的潮流動(dòng)力模型主要分為兩種：二維模型、三維模型。在近岸海域或者海灣地區(qū)，應(yīng)選用二維模型，因?yàn)檫@類海域在形態(tài)上屬于寬淺型水域，水域特點(diǎn)是水平尺度大于垂直尺度，潮流混合較強(qiáng)，垂向要素分布較為均勻，二維模型也能夠有效的將三維運(yùn)動(dòng)形式判定出來(lái)，幫助海洋環(huán)境預(yù)測(cè)工作的進(jìn)行[5]。

水質(zhì)模型在應(yīng)用過程中，需對(duì)模型進(jìn)行全面性的驗(yàn)證和修正，以保證預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際偏差不大。通常情況下，水質(zhì)模型僅考慮一次污染物，不考慮生物化學(xué)反應(yīng)，模型預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際結(jié)果相差較大。實(shí)際預(yù)測(cè)中，由于生物活動(dòng)對(duì)海水氧含量影響較大，會(huì)出現(xiàn)很多變化，影響預(yù)測(cè)結(jié)果。因此在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，還需對(duì)二次化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行考慮，以減小水質(zhì)預(yù)測(cè)誤差，而實(shí)際應(yīng)用中通常很少考慮二次反應(yīng)項(xiàng)。

2.2 模型驗(yàn)證環(huán)節(jié)

數(shù)值模型應(yīng)用之前，需針對(duì)研究區(qū)內(nèi)潮流動(dòng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，以期將模型誤差降低到最小。主要從三個(gè)方面對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證：潮位、潮流、潮波。潮波的驗(yàn)證主要是將通過計(jì)算結(jié)果繪制出來(lái)的潮時(shí)線和等振幅線和實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，得出模型計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的相符程度[6]。

潮位驗(yàn)證主要是將計(jì)算出的潮位過程曲線，與實(shí)際測(cè)量的潮位過程曲線進(jìn)行對(duì)比。潮流的驗(yàn)證則需要將計(jì)算的潮流流速、流向和實(shí)際測(cè)量的潮流流速、流向進(jìn)行對(duì)比，或者采用潮流玫瑰圖的形式將計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，主要是對(duì)潮流流速的大小、發(fā)生的時(shí)刻、方向或者對(duì)旋轉(zhuǎn)流進(jìn)行驗(yàn)證等。

3 計(jì)算范圍的技術(shù)處理

計(jì)算范圍的合理選擇對(duì)于計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。計(jì)算域通常需要選擇較大海域范圍，以消除開邊界潮位或潮流的傳輸誤差。很多計(jì)算結(jié)果不正確就是因?yàn)閷?duì)計(jì)算范圍判定時(shí)，產(chǎn)生了誤差[7]。例如：在計(jì)算海灣或者開闊海域流場(chǎng)時(shí)，若計(jì)算域范圍過小，開邊界距離模擬區(qū)域距離較近，則會(huì)出現(xiàn)開邊界初始潮位或者潮流傳輸?shù)恼`差問題，進(jìn)而影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。這種情況下應(yīng)將計(jì)算域范圍擴(kuò)大至超出研究區(qū)域一定距離，以消除開邊界傳輸誤差，同時(shí)，也可將海灣最大邊界選到灣口處，盡量減小開邊界長(zhǎng)度，最大程度利用開邊界上實(shí)測(cè)的水位場(chǎng)和流場(chǎng)。

此外，可采用嵌套網(wǎng)格方式對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，在重點(diǎn)研究區(qū)域采用小尺度網(wǎng)格，其他計(jì)算區(qū)域采用大尺度網(wǎng)格，模型大網(wǎng)格區(qū)域的計(jì)算結(jié)果可以作為細(xì)網(wǎng)格研究區(qū)域的邊界輸入條件，驅(qū)動(dòng)細(xì)網(wǎng)格海域的模擬計(jì)算。此外，還有一些計(jì)算海域應(yīng)將開邊界觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取的難易程度作為確定合理范圍的基礎(chǔ)[8]，如果所選開邊界實(shí)測(cè)水界觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取困難，計(jì)算范圍應(yīng)擴(kuò)展到有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的地方，避免出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果失真的情況。

結(jié)語(yǔ)

我國(guó)近岸海域水質(zhì)環(huán)境模型還處于發(fā)展階段，計(jì)算結(jié)果受很多不確定因素的影響，為了提升水質(zhì)環(huán)境模擬預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率，研究人員應(yīng)對(duì)近岸海域環(huán)境所涉及的影響因素進(jìn)行細(xì)致觀察分析，不斷研究探索，以期增強(qiáng)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。