基于數(shù)值模擬的鹽灶河口污染物治理方案

游孟陶

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092)

引言

河口地區(qū)交通發(fā)達(dá)，資源種類繁多，是現(xiàn)代生產(chǎn)生活、旅游消遣的主要地區(qū)，也是人口密度最大、開發(fā)程度最高的區(qū)域。河口處于海陸相交地區(qū)，自然條件復(fù)雜，污染物來源及種類很多。例如，三亞市崖州區(qū)鹽灶河位于三亞市崖州區(qū)中部，南通南海。河口處由于受到養(yǎng)殖污染物面源影響，水質(zhì)污染越發(fā)嚴(yán)重。根據(jù)自然資源部發(fā)布的《中國海洋環(huán)境狀況公報(bào)》，2016 年南海區(qū)域達(dá)到第二類海水水質(zhì)的面積比 2015 年減小了586 km2，達(dá)到海水第三類水質(zhì)的面積減小了1 223 km2，達(dá)到海水第四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的面積增加了757 km2，劣于海水第四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的面積增加了289 km2。整個(gè)南海海域的水質(zhì)指標(biāo)有變差趨勢。因此對河口的動力條件和污染物擴(kuò)散規(guī)律及治理研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。

早期，對河口附近的研究主要集中在水流運(yùn)動規(guī)律以及水動力特性方面[1-3]，對污染物擴(kuò)散的研究較少且主要使用計(jì)算水體交換量的一維模型[4]。隨著將對流擴(kuò)散方程引入到污染物擴(kuò)散求解[5]，并耦合水動力模型，可以實(shí)現(xiàn)對河口復(fù)雜動力條件下的污染物擴(kuò)散模擬。梁書秀等[6]對潮汐影響下的水域中排污口附近污染物擴(kuò)散進(jìn)行了模擬，總結(jié)了在排污區(qū)污染物的流動特性；蔡惠文等[7]對寧波舟山海域的COD/無機(jī)氮等污染物分別進(jìn)行了擴(kuò)散模擬；王昆[8]建立了遼東灣內(nèi)污染物擴(kuò)散運(yùn)動模型，并對遼東灣內(nèi)多種鹽濃度的分布情況進(jìn)行模擬。

本文基于商業(yè)軟件MIKE21 的FM 模塊，建立平面二維潮流模型并耦合污染物對流擴(kuò)散模型。利用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，對三亞市崖州區(qū)鹽灶河口及近岸海域污染物擴(kuò)散現(xiàn)狀進(jìn)行模擬，并對擬采取工程措施治理后的污染物擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬，對治理工程具有一定的指導(dǎo)意義。

1 模型介紹

1.1 潮流數(shù)學(xué)模型

潮流計(jì)算采用由丹麥水工所開發(fā)的Mike21 中的FM 模塊，可應(yīng)用于河口及海岸區(qū)域的水動力條件模擬。FM 模塊（Flexible Mesh）采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)物邊界、潮流開邊界和實(shí)際地形等方面具有強(qiáng)大的功能，且計(jì)算穩(wěn)定性良好。

控制方程采用垂向積分的二維淺水方程組，并將紊流作用以渦粘系數(shù)的形式參數(shù)化。基本方程形式見式(1)至式(3)。

其中，η為自由水位高度；d為靜水水面高度，h=η+d為總水深；分別為兩個(gè)方向的平均速度；g為重力加速度，f為科氏力加速度；ρ為水體密度；ρ0為基準(zhǔn)密度；S為所加源項(xiàng)流量；us與vs為所加源項(xiàng)速度；Tij為包括粘性應(yīng)力、湍流應(yīng)力的應(yīng)力項(xiàng)，與流速梯度有關(guān)。

其中，cf為根據(jù)據(jù)謝才系數(shù)C 或曼寧系數(shù)M 計(jì)算的拖曳力系數(shù)，其表達(dá)式如(5)和(6)所示：

采用亞網(wǎng)格尺度Smagorinsky 模型求解水平渦粘系數(shù)，此方法用于?；∮诰W(wǎng)格尺度的渦。渦粘系數(shù)計(jì)算公式為：

其中，Cs為Smagorinsky 系數(shù)，可取為0.28；Sij為與速度梯度相關(guān)的變形速率，即：

控制方程采用有限體積法顯式求解，并采用干濕網(wǎng)格判斷法對露灘現(xiàn)象進(jìn)行模擬。

1.2 污染物擴(kuò)散模型

在水體中，污染物的運(yùn)動主要分為以下三種形式：推移運(yùn)動，擴(kuò)散運(yùn)動和自身衰減。在這三種運(yùn)動的作用下，相應(yīng)位置處污染物濃度降低，這個(gè)過程稱為水體自凈。

污染物擴(kuò)散控制方程如下：

式中：

h-水深(m)；

c-污染物濃度；

u，v-兩個(gè)方向的速度分量(m/s)；

Dx，Dy-兩個(gè)方向的擴(kuò)散系數(shù)(m2/s);

F-衰減系數(shù)(s-1)；

S-Qs×（cs-c）;

Qs-源或匯流量(m3/s/m2) ;

Cs-源處污染物濃度。

2 水動力模型驗(yàn)證

為充分反映工程局部海域受北部灣潮流的影響，采用大、小兩重模型以嵌套方式計(jì)算潮流場。選取北部灣區(qū)域?yàn)榇竽Ｐ?，在工程區(qū)域附近選取小地形并進(jìn)行了網(wǎng)格局部加密。圖1 和圖2 分別為大模型和小模型的計(jì)算網(wǎng)格圖。工程位置處小模型計(jì)算的最小網(wǎng)格尺度為10 m，潮流計(jì)算的時(shí)間步為10 s。在計(jì)算模型二維潮流場時(shí)，大模型邊界水位由MIKE 潮汐預(yù)報(bào)提供，并根據(jù)潮汐預(yù)報(bào)表和實(shí)測水位進(jìn)行調(diào)整。

圖1 大模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖2 小模型網(wǎng)格劃分示意圖

為了驗(yàn)證潮流模型的準(zhǔn)確性，2014 年11 月13日4 時(shí)～14 日14 時(shí)（大潮期）、2014 年11 月19日11 時(shí)～2014 年11 月20 日12 時(shí)（小潮期）、2014 年10 月1 日11 時(shí)～2 日12 時(shí)（大潮期）的水文實(shí)測資料與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。2014 年實(shí)測資料包括了大小潮南山港潮位站一年的潮位資料和ND20、ND22 兩處流速測站的流速流向資料。2014 年的南山港潮位站和ND20、ND22 測站坐標(biāo)如圖3 所示。

圖3 2014 年測站大范圍坐標(biāo)位置

圖4 給出了南山港潮位站的大潮、小潮潮位計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較情況。圖5、圖6 分別給出了ND20、ND22 流速測站大潮期流速、流向計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較情況。

圖4 2014 年11 月南山港潮位站實(shí)測與計(jì)算潮位比較

圖5 2014 年10 月大潮實(shí)測與計(jì)算流速比較

圖6 2014 年10 月大潮實(shí)測與計(jì)算流向比較

3 現(xiàn)狀分析

根據(jù)鹽灶河流域水質(zhì)檢測實(shí)測數(shù)據(jù)，以污染物濃度嚴(yán)重超標(biāo)的活性磷酸鹽為例，2019 年9 月鹽灶大橋水質(zhì)監(jiān)測斷面活性磷酸鹽為0.231 mg/L，超出海水第四類標(biāo)準(zhǔn)（活性磷酸鹽濃度不高于0.045 mg/L），屬于劣四類水體。鹽灶河口區(qū)，根據(jù)其監(jiān)測的活性磷酸鹽濃度平均值設(shè)置河口區(qū)初始濃度場，濃度為0.075 mg/L；根據(jù)研究區(qū)域的外海的測站，根據(jù)其監(jiān)測的活性磷酸鹽濃度設(shè)置外海污染物初始濃度為0.01 mg/L。參考2019 年9 月水質(zhì)檢測點(diǎn)，在鹽灶河流域布置了27 個(gè)污染源（圖 7），設(shè)置其排放的活性磷酸鹽濃度為0.25 mg/L。選取2019 年9 月10 日00:00 至2019年9 月28 日00:00 進(jìn)行模擬。模型參數(shù)設(shè)置如表1所示，初始污染物濃度如圖8 所示。

表1 參數(shù)設(shè)置表

圖7 污染源分布圖

圖8 初始污染物濃度場

模擬時(shí)間18 天時(shí)，污染物濃度如圖9 所示，鹽灶河河口處在漲潮時(shí)活性磷酸鹽濃度達(dá)標(biāo)，但鹽灶河干流（鹽灶大橋斷面）和支流中的活性磷酸鹽濃度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.045 mg/L，屬于海水劣四類水質(zhì)，鹽灶河流域污染物無法通過現(xiàn)有的水動力條件擴(kuò)散出去，水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。

圖9 模擬結(jié)束時(shí)污染物濃度場

4 治理方案

由于鹽灶河河口處泥沙淤積情況較為嚴(yán)重，因此擬對河口區(qū)進(jìn)行疏浚，并修建隔堤封堵支流和干流的交匯處，減少支流污染物對干流的影響。引外海低污染物濃度海水流量1 m3/s 至鹽灶大橋斷面上游，且在干流入?？谧蟀缎藿ù怪庇诎毒€的導(dǎo)堤，阻擋來自海中的泥沙。設(shè)定干流養(yǎng)殖排放的污染物收集后集中處理，并持續(xù)向干流排放污染物濃度為0 mg/L，干流上游河流治理后排放污染物濃度為0.045 mg/L。整體參數(shù)設(shè)置如表2 所示，初始濃度場如圖10 所示。

表2 參數(shù)設(shè)置表

圖10 治理方案初始濃度場

如圖11 所示，由于引入的海水流量為1 m3/s，在降低鹽灶河干流污染物濃度的同時(shí)又增加了干流的水動力條件，加速了污染物的擴(kuò)散。因此，模擬時(shí)間18 天時(shí)，鹽灶河干流（鹽灶大橋斷面）的活性磷酸鹽濃度低于0.045 mg/L，符合海水第四類水質(zhì)。

圖11 治理方案模擬結(jié)束時(shí)污染物濃度場

5 結(jié)語

在對工程區(qū)域水動力和污染物擴(kuò)散分析的基礎(chǔ)上，對鹽灶大橋水質(zhì)監(jiān)測斷面遵循海水第四類水質(zhì)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)需滿足的約束條件。本次三亞鹽灶河水環(huán)境提升方案研究將鹽灶河干流、支流與河口區(qū)以及部分外海區(qū)域作為主要研究區(qū)域。在對鹽灶河現(xiàn)狀的水動力及污染物擴(kuò)散情況模擬后，提出了四種治理方案。采用經(jīng)驗(yàn)證的潮流數(shù)學(xué)模型模擬了工程海域的潮流場，并對此潮流場下提出的不同治理方案的污染物擴(kuò)散情況進(jìn)行預(yù)測分析。根據(jù)不同方案不同時(shí)刻的濃度場圖對方案進(jìn)行比選。通過當(dāng)?shù)貙?shí)測資料以及數(shù)學(xué)模型研究，得到以下結(jié)論：

1）對現(xiàn)狀的模擬結(jié)果進(jìn)行分析可以得到鹽灶河內(nèi)污染物超標(biāo)的主要原因?yàn)椋蝴}灶河水動力條件差，外海水體漲潮進(jìn)入河口區(qū)水量較小，漲落潮過程水體交換不充分；鹽灶河干流和支流的日均徑流量??；鹽灶河干流和支流持續(xù)輸入超過四類海水指標(biāo)的污染物水體。

2）對治理方案的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，在增大河流納潮量、河流徑流量以及控制上游污染物來源和阻斷支流污染物匯入后，通過引入外海低污染物濃度海水可以在短期顯著改善現(xiàn)狀污染物濃度超標(biāo)的情況，達(dá)到海水第四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。