閩江口水質(zhì)對(duì)邊界條件的響應(yīng)關(guān)系模擬研究

宋剛福， 范臣臣， 向 波， 張 鵬， 王冰一， 梅書浩， 李明月

(1.華北水利水電大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院， 河南 鄭州 450046； 2.河南省水環(huán)境模擬與治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450046； 3.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100024)

1 研究背景

近年來，河口和近岸海域的水環(huán)境問題備受關(guān)注[1-4]。河口作為徑流與海洋生態(tài)系統(tǒng)的過渡帶，具有流速復(fù)雜、水溫分層等特征，是生態(tài)環(huán)境十分脆弱和敏感的水域[5-6]。河口和海灣地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展程度高，極大地增加了沿海徑流的營養(yǎng)鹽輸入[7]，從而引發(fā)水體富營養(yǎng)化、有毒有害赤潮和生物多樣性喪失等一系列水環(huán)境問題[8-9]。根據(jù)近年來中國海洋環(huán)境公報(bào)，污染海域分布在河口、海灣等近岸海域，其主要超標(biāo)因子為無機(jī)氮和活性磷酸鹽。河口營養(yǎng)鹽聚集已經(jīng)成為我國沿海水域的主要環(huán)境問題[10]。閩江作為福建省內(nèi)最大的河流，也是福州市的母親河[11]。受較高陸源污染物通量輸出的影響，閩江口近岸海域水環(huán)境存在超標(biāo)現(xiàn)象[12]。

目前，關(guān)于流域水質(zhì)響應(yīng)與時(shí)空變化趨勢的分析多采用數(shù)值模擬方法[13-15]。方藝輝[16]通過建立閩江下游二維淺水水動(dòng)力水質(zhì)模型，計(jì)算了河床演變引發(fā)的水位、流速等水動(dòng)力和水質(zhì)變化特征。戴君等[17]利用構(gòu)建的EFDC(the environmental fluid dynamics code)水動(dòng)力水質(zhì)模型，結(jié)合情景分析法計(jì)算了松花江哈爾濱段各支流水質(zhì)多情景變化下下游出口斷面水質(zhì)變化趨勢。李添雨等[18]利用MIKE21構(gòu)建沙河水庫二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，計(jì)算分析沙河水庫水量水質(zhì)變化趨勢，結(jié)合庫區(qū)污染源分布情況，模擬了水位調(diào)控方案與水質(zhì)改善方案。當(dāng)前針對(duì)水質(zhì)響應(yīng)的模擬計(jì)算與時(shí)空變化分析多為湖庫和內(nèi)河，針對(duì)河口及近岸海域的研究較少。由于河流下游及河口區(qū)域的特殊位置，水文水質(zhì)條件處于連續(xù)復(fù)雜的變化中，僅對(duì)河口區(qū)域開展水動(dòng)力水質(zhì)模擬并不能系統(tǒng)地了解河口區(qū)域水文水質(zhì)時(shí)空變化趨勢[19]。為探究閩江口水質(zhì)對(duì)不同邊界條件的響應(yīng)關(guān)系，本文構(gòu)建了包括閩江下游感潮河段、閩江河口及毗鄰海域?yàn)橐惑w的二維非穩(wěn)態(tài)水動(dòng)力水質(zhì)模型，旨在揭示不同水文及外源污染負(fù)荷條件下閩江下游及河口區(qū)域水動(dòng)力水質(zhì)變化特征和內(nèi)在響應(yīng)規(guī)律，以期為閩江下游及河口水環(huán)境管理及改善決策提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況與研究方法

2.1 區(qū)域概況

閩江下游水口水庫至河口區(qū)域位于福州市境內(nèi)，全長117 km[20]。下游河段在淮安分為南、北兩支(北港和南港)，北港穿福州城區(qū)，河道相對(duì)窄深；南港繞南臺(tái)島南面而過，中段大樟溪匯入，于羅星塔匯合后向東北方向流經(jīng)閩安，在亭江又分為南北兩支，繞過瑯岐島，分別從長門水道和梅花水道注入東海[21]。研究區(qū)域?qū)賮啛釒ШＱ蠹撅L(fēng)氣候，年平均氣溫16～20 ℃，平均風(fēng)速為2.8 m/s，多年平均降水量為1 617 mm。閩江年內(nèi)豐平枯交替現(xiàn)象明顯，全年徑流量主要集中在汛期，4-9月徑流量占年凈流量的75%左右。閩江口屬山溪性強(qiáng)潮三角洲河口，潮汐呈正規(guī)半日潮型，平均潮差4.1 m(琯頭)，潮汐沿江上溯逐漸衰減。

閩江河口內(nèi)共有3個(gè)國、省控水質(zhì)考核點(diǎn)位，分別位于長門水道入?？?川石島)、梅花水道入海口(梅花東)和閩江口外部海域(閩江口外)。其中，川石島和閩江口外點(diǎn)位需滿足海水二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，梅花東點(diǎn)位需滿足海水一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。閩江下游至河口研究區(qū)域范圍、水下高程、水文/位和考核斷面分布見圖1。

圖1 閩江下游至河口研究區(qū)域范圍、水下高程、水文/位和考核斷面分布

2.2 水動(dòng)力水質(zhì)模型構(gòu)建

2.2.1 水動(dòng)力基本方程 研究區(qū)域?yàn)槭艹毕?、潮流影響的沿海開闊水域，可采用二維非穩(wěn)態(tài)水流連續(xù)及動(dòng)量方程表示[13,22-23]：

(1)

(2)

(3)

2.2.2 水質(zhì)基本方程 污染物在二維非均勻流中的對(duì)流擴(kuò)散基本方程[22,24]：

S+Sk

(4)

2.2.3 模型設(shè)置 根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H地形圖及相關(guān)實(shí)測資料，將模型劃分成53 751個(gè)三角形網(wǎng)格，模型外海區(qū)域最深不超過50 m；閩江河口在白巖潭至琯頭水文站總體水深較大，均在10 m以上，其中在琯頭、金剛腿水文站最深達(dá)到約40 m；同時(shí)南港河道地形存在深坑，局部水深達(dá)到30 m；北港寬深，最深約為12 m，這些地形特征與閩江河道地形特征相符，所構(gòu)建的模型水深能夠較好地反映閩江實(shí)際地形。

模型邊界水動(dòng)力條件采用水口水庫逐日流量數(shù)據(jù)，水質(zhì)邊界采用常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測斷面值確定；開邊界潮位利用俄勒岡州立大學(xué)開發(fā)的全球潮汐模型TPXO 6.2計(jì)算并校正后得到，水質(zhì)邊界采用閩江口外部海域考核點(diǎn)位濃度監(jiān)測值。閩江下游各支流均以概化排污口的形式入江，支流流量根據(jù)水文站、降雨量以及各支流流域面積換算得到，水質(zhì)邊界根據(jù)污染物入江量進(jìn)行合理均勻分配獲取，點(diǎn)源按全年平均分配，面源根據(jù)降雨量按不同水期比例分配。風(fēng)場、氣溫、相對(duì)濕度等大氣邊界條件數(shù)據(jù)來自中國氣象網(wǎng)；日降雨、蒸發(fā)數(shù)據(jù)和水溫來自水文年鑒。模型計(jì)算時(shí)間步長為30 s，初始水位設(shè)為3 m。

長沙市共六區(qū)二縣一市，分別為芙蓉區(qū)、天心區(qū)、岳麓區(qū)、開福區(qū)、雨花區(qū)、望城區(qū)、長沙縣、寧鄉(xiāng)縣及瀏陽市，行政面積、人口分布等社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料來自湖南省統(tǒng)信息網(wǎng)站。

2.2.4 模型率定與驗(yàn)證

(1)水動(dòng)力率定及驗(yàn)證。模型采用2016年1月(枯水期)竹岐、文山里水文站及下浦、峽南、白巖潭、琯頭水位站水文數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，得到區(qū)域模型Smagorinsky系數(shù)為0.28；風(fēng)拖曳系數(shù)模型范圍內(nèi)取0.001 0～0.001 5；底部糙率系數(shù)范圍為0.018～0.035。采用2016年4月(平水期)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證，各水文站流量、潮位和水溫驗(yàn)證結(jié)果及誤差見圖2、3和表1。為使構(gòu)建的水環(huán)境模型能夠更好地反映研究時(shí)段閩江口水文變化規(guī)律，采用2019年11月(枯水期)閩江口琯頭點(diǎn)位和閩江口川石島點(diǎn)位的逐時(shí)潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證，其結(jié)果見圖4。

圖2 2016年4月閩江下游水文站流量驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比圖

圖3 2016年4月閩江下游水文站水溫驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比圖

圖4 2019年11月閩江下游至河口水文/水位站潮位補(bǔ)充驗(yàn)證結(jié)果

表1 各水文/水位站流量、潮位和水溫驗(yàn)證誤差結(jié)果

由表1和圖2可知，各點(diǎn)位流量平均相對(duì)誤差最大的為14.16%，各點(diǎn)位潮位平均絕對(duì)誤差最大值為25 cm，表明各站點(diǎn)模擬水文要素與實(shí)測值吻合較好，所構(gòu)建的水動(dòng)力模型能夠較好地反演閩江下游及河口區(qū)域的水動(dòng)力情況。

水溫影響河口溫躍層和生物降解，是模擬水動(dòng)力和水質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)。由表1和圖3可知，各斷面水溫相對(duì)誤差均在2.93%以內(nèi)，表明各站點(diǎn)模擬水溫與實(shí)測值吻合較好，模型非常準(zhǔn)確地模擬了水口至閩江口水溫的時(shí)空變化過程。

(2)水質(zhì)參數(shù)率定及驗(yàn)證。在水動(dòng)力模型模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證。率定采用2019年閩江口5月份(豐水期)川石島(F17)、梅花東(F18)和閩江口外(F19)3個(gè)考核點(diǎn)位的監(jiān)測濃度值。選取CODMn、無機(jī)氮和活性磷酸鹽作為水質(zhì)模擬污染物指標(biāo)，率定得到各污染因子的降解系數(shù)為：CODMn為0.06～0.18 d-1；無機(jī)氮為0.07～0.15 d-1；活性磷酸鹽為0.03～0.1 d-1。采用2019年8月水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證，驗(yàn)證誤差結(jié)果見表2。由表2可知，閩江口3個(gè)考核點(diǎn)位平均相對(duì)誤差均小于20%，表明所構(gòu)建的水質(zhì)模型適用于該地區(qū)的水質(zhì)模擬。

表2 水質(zhì)因子驗(yàn)證相對(duì)誤差結(jié)果 %

3 結(jié)果與分析

3.1 下泄徑流量對(duì)閩江口水質(zhì)的影響

為探究閩江河口與上游流量的響應(yīng)關(guān)系，選取閩江2019年5月(豐水期)水口水庫不同下泄流量條件模擬閩江河口水質(zhì)變化及分布規(guī)律，方案1設(shè)置年內(nèi)豐水期(5月)水口水庫下泄流量月均值為2 981 m3/s，方案2設(shè)置枯水期(11月)流量月均值為392 m3/s，兩方案具體設(shè)置見表3。兩方案下河口3個(gè)點(diǎn)位各水質(zhì)因子濃度預(yù)測結(jié)果見表4，閩江口各水質(zhì)因子濃度場分布見圖5。

表3 不同水文水質(zhì)條件的設(shè)置方案

表4 年內(nèi)水口水庫不同下泄流量方案下河口點(diǎn)位各水質(zhì)因子濃度預(yù)測結(jié)果 mg/L

圖5 方案1和方案2條件下閩江口CODMn、無機(jī)氮和活性磷酸鹽濃度場分布

對(duì)比表4及圖5中兩種方案的模擬結(jié)果可知，方案1由于入海河流量較大，單位時(shí)間內(nèi)隨徑流進(jìn)入河口區(qū)的污染物通量增多，影響的水域面積大，河口整體污染情況高于外部海域，污染帶自徑流呈現(xiàn)明顯濃度梯度向外海擴(kuò)散[25]。其中，3個(gè)水質(zhì)點(diǎn)位無機(jī)氮水質(zhì)均超標(biāo)，F(xiàn)18活性磷酸鹽水質(zhì)超標(biāo)。方案2由于河口區(qū)受徑流影響較小，河口區(qū)域受上游污染物通量的影響不及方案1，閩江口CODMn、無機(jī)氮和活性磷酸鹽的水質(zhì)改善比分別為26.14%、29.98%和14.19%，而活性磷酸鹽濃度幾乎無變化，各點(diǎn)位水質(zhì)改善程度依次為F17>F18>F19，受較好外海水質(zhì)的影響，閩江口水質(zhì)整體提升明顯，但三點(diǎn)位無機(jī)氮水質(zhì)依然超標(biāo)。

3.2 外海潮汐對(duì)閩江口水質(zhì)的影響

為探究閩江河口與潮汐潮流的響應(yīng)關(guān)系，模擬選取2019年5月大、小潮漲落不同時(shí)期條件下，河口各點(diǎn)位水質(zhì)因子濃度變化及濃度場分布，結(jié)果見圖6、7。受潮汐潮流的影響，閩江口大潮F17點(diǎn)位潮差為6.01 m，小潮期為4.81m，漲潮期受海水上溯的影響，污染則多回溯至閩江下游河段，閩江口水質(zhì)整體較好，而落潮期水流湍急，受上游水質(zhì)及陸源和徑流等影響較大，閩江口水質(zhì)對(duì)比漲潮期好于落潮期，大潮期好于小潮期。

圖6 2019 年5月閩江口各點(diǎn)位CODMn、無機(jī)氮及活性磷酸鹽濃度變化

圖7 2019 年5月閩江口CODMn、無機(jī)氮及活性磷酸鹽濃度場分布

3.3 下泄水質(zhì)對(duì)閩江口水質(zhì)的影響

為探究閩江口不同水質(zhì)與水口水庫下泄水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系，在2019年11月水文條件下，水口下泄水分別選用年內(nèi)水質(zhì)最差時(shí)段(枯水期)和水質(zhì)最好時(shí)段(豐水期)濃度(表3中方案3和4)，模型輸入設(shè)置方案3枯水期水質(zhì)CODMn濃度為2.80 mg/L，總氮濃度為1.72 mg/L，總磷濃度為0.106 mg/L；設(shè)置方案4 CODMn濃度為1.75 mg/L，總氮濃度為0.90 mg/L，總磷濃度為0.077 mg/L，對(duì)比分析兩種方案對(duì)閩江河口水質(zhì)變化的影響，兩種方案河口各點(diǎn)位水質(zhì)因子濃度變化及方案3閩江口各水質(zhì)因子濃度場分布分別見圖8、9。由圖8、9中的模擬結(jié)果可知，較好的上游水質(zhì)對(duì)閩江口F17和F18點(diǎn)位的水質(zhì)有提升作用，而F19點(diǎn)位水質(zhì)提升不明顯，是由于F17和F18點(diǎn)位鄰近閩江長門水道和梅花水道兩個(gè)主要出水口，水質(zhì)受徑流影響較大，而F19點(diǎn)位離岸較遠(yuǎn)，主要受外海水質(zhì)的影響；無機(jī)氮、CODMn和活性磷酸鹽對(duì)水質(zhì)的改善比分別為22.34%、9.37%和4.02%，各水質(zhì)因子中，無機(jī)氮提升最為明顯。

3.4 下游污染物削減對(duì)閩江口水質(zhì)的影響

為探究閩江口不同水質(zhì)與下游污染物排放的響應(yīng)關(guān)系，設(shè)置兩種模擬方案(表3中方案5和6)：設(shè)置方案5為現(xiàn)狀污染源條件，其范圍包括上游水口水庫以上河段、水口至閩安段和閩江口區(qū)域內(nèi)；對(duì)于方案6，根據(jù)福建省近岸海域環(huán)境功能規(guī)劃和福州市地表水環(huán)境功能區(qū)劃的要求，結(jié)合閩江下游城鎮(zhèn)生活污染物的處理情況，假定在水口水庫至閩安和閩江河口區(qū)域計(jì)算的污染源等比例削減30%的條件下，計(jì)算1年的結(jié)果，然后對(duì)比分析兩種方案對(duì)閩江口水質(zhì)的影響，其中豐水期(5月)、平水期(8月)、枯水期(11月)閩江口各點(diǎn)位的各水質(zhì)因子預(yù)測結(jié)果見表5。

圖8 2019年11月方案3、4條件下CODMn、無機(jī)氮和活性磷酸鹽濃度變化

圖9 方案4條件下閩江口CODMn、無機(jī)氮及活性磷酸鹽濃度場分布

表5 閩江口在方案5、6條件下年內(nèi)不同時(shí)期各水質(zhì)因子預(yù)測結(jié)果 mg/L

分析表5可知，污染物等比例削減30%后，閩江口水質(zhì)在豐水期、平水期和枯水期的改善比例分別為6.24%、5.25%和5.48%；各水質(zhì)因子中活性磷酸鹽提升最大，為6.76%，無機(jī)氮最小，為5.06%。污染物削減后，年內(nèi)各點(diǎn)位CODMn月均濃度值均能滿足水質(zhì)目標(biāo)，活性磷酸鹽僅在平水期和枯水期的F18點(diǎn)位超標(biāo)，而無機(jī)氮除平水期F19點(diǎn)位不超標(biāo)外，其他點(diǎn)位在年內(nèi)不同時(shí)期均超標(biāo)。

4 討 論

(1)水口水庫下泄水對(duì)河口區(qū)CODMn和無機(jī)氮影響最大，與王軍等[22]的研究結(jié)果一致。由此可見，改善入海河流水質(zhì)對(duì)河口水質(zhì)提升具有明顯的促進(jìn)作用[9,27]。

(2)閩江口為強(qiáng)潮三角洲河口，大潮潮差比小潮潮差大1.2 m，不同潮期對(duì)河口水質(zhì)的影響不同，大潮期海面漲落的幅度大，河口水質(zhì)受外海海水上溯的影響，濃度較低、稀釋程度高，因而整體水質(zhì)相比落潮期好。

(3)水口水庫至閩安和閩江口區(qū)域所占污染權(quán)重并不大[22]，設(shè)置的污染物削減30%條件并不能有效保障閩江口水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。這是由于河流、湖庫的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不銜接所引起的[22,28-29]，建議統(tǒng)籌閩江全流域總氮和總磷控制管理[26]，根據(jù)河口區(qū)年內(nèi)水質(zhì)變化趨勢，分季節(jié)分區(qū)域重點(diǎn)管控[25]，同時(shí)進(jìn)一步針對(duì)閩江下游開展行業(yè)排污口管控以及小流域綜合治理[12]，以改善河口區(qū)水質(zhì)。

5 結(jié) 論

(1)本文以閩江河口水質(zhì)超標(biāo)為背景，構(gòu)建了閩江下游至河口區(qū)域的二維非穩(wěn)態(tài)水動(dòng)力水質(zhì)模型，率定和驗(yàn)證的水位絕對(duì)誤差均在0.25 m內(nèi)，流量平均相對(duì)誤差均在15%內(nèi)，水溫平均相對(duì)誤差均小于3%，各水質(zhì)因子參數(shù)平均相對(duì)誤差均在20%內(nèi)，所構(gòu)建的模型能夠較好地反演閩江下游至河口的水動(dòng)力水質(zhì)情況。

(2)閩江口水質(zhì)對(duì)不同水文的響應(yīng)存在顯著的時(shí)空差異性。閩江口CODMn和無機(jī)氮水質(zhì)受上游影響較大，而活性磷酸鹽所受影響相對(duì)較小。閩江口水質(zhì)在漲潮期優(yōu)于落潮期，漲潮期大潮優(yōu)于小潮。

(3)外源負(fù)荷對(duì)閩江口水質(zhì)變化具有不可忽視的影響。即使在閩江水口水庫下泄水質(zhì)年內(nèi)最好或下游污染物削減30%的條件下，年內(nèi)各水質(zhì)因子濃度雖均有所降低，但無機(jī)氮和活性磷酸鹽依然時(shí)有超標(biāo)。因此，建議在全流域?qū)嵤┧h(huán)境綜合整治，尤其是提出總氮和總磷的總量控制要求，以改善閩江口及其近岸海域水質(zhì)。