第24卷第2期海洋學(xué)研究Vol 24 No. 22006年6月JOURNAL OF MARINE SCIENCESune文章編號(hào):1001-909X(2006)02-0039-10養(yǎng)殖污水對(duì)水環(huán)境的影響預(yù)測(cè)駱曉明(浙江省錢塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江杭州310016)摘要:浙江三門灣寧海下洋涂圍墾工程投入養(yǎng)殖后排放的養(yǎng)殖污水將對(duì)周邊水環(huán)境產(chǎn)生的影響預(yù)測(cè)是該項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。在海灣潮流動(dòng)力模擬的基礎(chǔ)上,建立了污染物對(duì)流擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型,用以預(yù)測(cè)養(yǎng)殖污水排放后的擴(kuò)散范圍及強(qiáng)度大小,為環(huán)境評(píng)價(jià)提供科學(xué)依椐關(guān)鍵詞:海涂圍墾;養(yǎng)殖污水;污染物質(zhì)量濃度;水質(zhì);對(duì)流-擴(kuò)散方程;數(shù)值計(jì)箅中圖分類號(hào):X830.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0引言浙江沿海在理論深度基準(zhǔn)面以上的海涂資源總面積約為28.9萬hm2。海涂圍墾已經(jīng)給浙江省帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益,但也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了一些負(fù)面的影響,圍墾使局部水域的水動(dòng)力條件改變,出現(xiàn)海床的沖淤變化外,圍墾區(qū)養(yǎng)殖污水對(duì)周邊水環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生一定的影響門。為此,本文從水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型出發(fā),預(yù)測(cè)圍墾工程投入養(yǎng)殖后排放的污水對(duì)周邊水環(huán)境的影響情況。污染物擴(kuò)散的模擬計(jì)算,在河流中的應(yīng)用較早也較多,建立江河中污染物的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,能較好地模擬污染物的散擴(kuò)過程-η對(duì)海洋中污染物質(zhì)遷移模式的研究也已有報(bào)道,一般都是用有限水體劃分方法,建立具有統(tǒng)計(jì)學(xué)特征的污染物混合遷移模式·。水污染的計(jì)算機(jī)模擬適用于源或匯,對(duì)河道和海灣中污染物擴(kuò)散的情況進(jìn)行數(shù)值模擬,為環(huán)境的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)本文以浙江三門灣寧海下洋涂圍墾工程投入養(yǎng)殖后排放的養(yǎng)殖污水對(duì)周邊水環(huán)境的影響為例,進(jìn)行數(shù)值模擬,在海灣潮流動(dòng)力模擬旳基礎(chǔ)上,建立污染物擴(kuò)散旳數(shù)學(xué)模型,以便預(yù)測(cè)養(yǎng)殖污水排放后的擴(kuò)散范圍及強(qiáng)度大小。1數(shù)學(xué)模型浙江三門灣是一個(gè)支港多、潮差大、垂直混合良好的海灣,在潮汐、徑流作用下,其40海洋學(xué)研究24卷2期潮流表現(xiàn)為非恒定的流動(dòng)。控制方程采用經(jīng)垂線積分含水平渦動(dòng)粘滯項(xiàng)的淺水潮波方1.1模型控制方程潮流的計(jì)算方程如下:az a(Hu)a(Hv)(1)Or tu ay tg arf乙)+(e,(2)+a如+by++8CH=a()×、3。(3)式中:ξ為水位;h為海底高程;H為總水位,H=h+;a,v分別為x,y方向上的垂線平均流速分量,m/s;g為重力加速度;∫為柯氏力參量(∫=2 CUsing,ω為地球自轉(zhuǎn)角速率);C為謝才系數(shù),取C=1H,n為糙率系數(shù);,,分別為x,y方向的水平渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù);W:,Wy為x,y方向的風(fēng)應(yīng)力分量,不考慮風(fēng)應(yīng)力作用時(shí),取W=0,W,=0;t為時(shí)間式(1)為潮流連續(xù)方程,式(2)和(3)分別為x,y方向的動(dòng)量守恒方程。考慮到三門灣邊界及周邊地形形狀較為復(fù)雜,為了較好地模擬地形,對(duì)上述方程組的求解采用正交曲線坐標(biāo)。1.2微分方程的離散格式計(jì)算模型采用平面二維曲線正交網(wǎng)格的有限差分模式。正交曲線坐標(biāo)系下的控制方程與原方程相比,除了增加了一些系數(shù)之外,形式上是類似的1。對(duì)于上述方程,利用傳統(tǒng)的ADⅠ法求解,其離散格式與矩形網(wǎng)格下的格式基本一致。2計(jì)算條件2.1計(jì)算范圍為了便于給定邊界條件,本模型南邊界取殼塘山,東邊界取石浦作為研究區(qū)域(圖1)全水域面積約775km2。采用曲線網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行剖分,與一般的矩形網(wǎng)格剖分相比,曲線網(wǎng)格可以更好地貼近邊界,從而可以較好地模擬邊界處的流態(tài),減小邊界所造成的計(jì)算影響。計(jì)箅域內(nèi)剖分成300×30、總共有9000個(gè)網(wǎng)格,最大的網(wǎng)格邊長(zhǎng)取150m左右,圍墾工程區(qū)附近的網(wǎng)格尺度控制在30m之內(nèi),計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為4min。模型計(jì)算網(wǎng)格見圖1駱曉明:養(yǎng)殖污水對(duì)水環(huán)境的影響預(yù)測(cè)41121°2342.4122742.|"E29°2151.3石浦南H金28°4319.1圖1數(shù)模計(jì)算網(wǎng)格圖Fig. 1 Computational grid of the numerical model2.2參數(shù)的選取在數(shù)值模型中選取的參數(shù)分別為柯氏參量∫、粘滯系數(shù)A、水容重ρ和糙率系數(shù)n。其中: Coriolis參量∫=2 asing,φ為29.1°、a為7.29×10s-;A為50~60m2/s;P為1020kg/m3;n為0.028。2.3計(jì)算條件2.3.1初始條件初始條件取為(4)lu(x. y, t)lr=o=v(x, y, t)l=o=02.3.2邊界條件開邊界采用水位控制,即用潮位預(yù)報(bào)的方法得到開邊界條件。計(jì)算區(qū)開邊界采用潮位預(yù)報(bào)邊界條件(圖1)S=A+2H F cos[, t-(vo+u)+gI(5)式中:A為平均海面;F和(τ+a)為天文要素;H和g為調(diào)和常數(shù)。調(diào)和常數(shù)選取11個(gè)分潮計(jì)算,其中日分潮為4個(gè)(Q1、O1、P1和K1),半日分潮為4個(gè)(N2、M2、S2和K2),淺水分潮為3個(gè)(M1、MS4和M)。海洋學(xué)研究24卷2期3模型驗(yàn)證據(jù)本區(qū)域的潮位和潮流的大、小潮現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料,對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,從而評(píng)估模型的可靠性3.1潮位驗(yàn)證選擇2003年4~5月水文測(cè)驗(yàn)期間,用獲取的核電廠址、南田島、牛山、花岙島、巡檢司、白玉灣島臨時(shí)潮位站同步的潮位觀測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)測(cè)潮位與模擬計(jì)算的潮位之間擬合得較好,最高、最低潮位的模擬誤差一般在10cm以內(nèi)3.2潮流驗(yàn)證對(duì)工程區(qū)流速流向的驗(yàn)證采用2003年國(guó)家海洋局第二海洋研究所收集的有關(guān)資料,選取其中6個(gè)測(cè)點(diǎn)的潮流資料加以驗(yàn)證比較。單站實(shí)測(cè)結(jié)果與摸擬結(jié)果相比:大潮漲急、落急流向一般相差在10以內(nèi);大潮漲急、落急和漲潮平均、落潮平均流速相差在10%以內(nèi)。總體而言,單站流向和流速的模擬結(jié)果令人滿意。該模型可以用來預(yù)測(cè)工程投入養(yǎng)殖后排放污染物的擴(kuò)散分布等。3.3潮流場(chǎng)分析大量研究表明,三門灣是一個(gè)強(qiáng)潮海灣,潮流及外海泥沙運(yùn)動(dòng)是海灣地貌發(fā)育的主導(dǎo)121°317.8121°54′6.3"E2915′19]納潮下洋涂1000m2990′35.1圖2工程實(shí)施后大潮漲急流場(chǎng)駱曉明:養(yǎng)殖污水對(duì)水環(huán)境的影響預(yù)測(cè)動(dòng)力因素及環(huán)境糸件。計(jì)算域內(nèi)單站潮流模擬驗(yàn)證的計(jì)算結(jié)果較好,基本反映了工程區(qū)海域潮流的實(shí)際變化。為進(jìn)一步了解計(jì)算域內(nèi)總體流場(chǎng)的分布,繪岀了計(jì)算域內(nèi)漲急、落急的流矢分布示意圖(圖2和圖3)。由圖2和圖3可見:(1)漲潮時(shí),石浦港和珠門港兩水道的潮流,主要影響三門灣內(nèi)下涂洋一帶的灘地和白礁水道。進(jìn)入三門灣口的漲潮流,右側(cè)要強(qiáng)于左側(cè),換言之,右側(cè)滿山水道的漲潮流要強(qiáng)于左側(cè)的貓頭水道。此外,滿山水道的部分漲潮水通過青山門北側(cè)深溝進(jìn)入貓頭水道。但通過貓頭水道的落潮流泄出的潮量要比滿山水道多些。(2)落潮時(shí),各水道流速較大的特點(diǎn)都得到了很好地模擬。工程區(qū)臨近水域的漲落潮流主要有貓頭水道、滿山水道、蛇盤水道和白礁水道4股。工程區(qū)被滿山水道和白礁水道包圍,以往復(fù)流為主。(3)三門灣內(nèi)落潮流流速普遍要大于漲潮流流速,最大流速出現(xiàn)在口門,并往里有逐漸減小的趨勢(shì)總之,計(jì)算域內(nèi)流場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果基本反映了該海堿潮流和潮波的實(shí)際變化,基本反映了三門灣潮流埸的總體特征。121037821°5463"E29°15′19.1m下洋涂子二石圖3工程實(shí)施后大潮落急流場(chǎng)Fig 3 Flow field at ebb torrent time for spring tide under Scheme4養(yǎng)殖污水對(duì)水環(huán)境的影響預(yù)測(cè)4.1污染物質(zhì)量濃度的對(duì)流-擴(kuò)散計(jì)算模式在潮流計(jì)算的基礎(chǔ)上,用二維非定態(tài)對(duì)流-擴(kuò)散方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,預(yù)測(cè)污染物分布及海洋學(xué)研究24卷2期式中:c為污染物的質(zhì)量濃度;K,K3分別為x,ν方向的湍流擴(kuò)散系數(shù);∫。為污染源的污染強(qiáng)度,∫=QC/△x△yH,Q為排水閘流量,C為質(zhì)量濃度增量。(6)式的初始條件為c(x,y)|=0=c0(x,y)。該方程的邊界條件:閉邊界上,由于沒有a c物質(zhì)通量,取其質(zhì)量濃度值為0;開邊界上,當(dāng)流向向外時(shí),要求滿足0…,當(dāng)流向內(nèi)流時(shí),取邊界上的質(zhì)量濃度值為0。4.2污染物的源強(qiáng)4.2.1進(jìn)、排水方式及排放口位置下洋涂圍涂養(yǎng)殖區(qū)在漲潮時(shí)納潮進(jìn)水,海水通過西堤上的納潮閘進(jìn)入養(yǎng)殖區(qū)(圖2);落潮時(shí)養(yǎng)殖污水通過東堤南端的排水閘排到圍堤外的海域(圖3)根據(jù)下洋涂圍墾工程圍區(qū)規(guī)劃,圍區(qū)養(yǎng)殖的估算面積為2082hm2,養(yǎng)殖凈面積按估算面積的70%計(jì)算,約為1461.6hm2,養(yǎng)殖時(shí)日換水量為811萬m3。工程投入養(yǎng)殖后養(yǎng)殖污水的排放口位于東堤排水閘處(圖3)4.2.2污染物排放量氮、磷排放量圍區(qū)內(nèi)海水養(yǎng)殖基地是一個(gè)半人工控制的生態(tài)系,人工投餌是養(yǎng)殖動(dòng)物的主要能量來源。投放的餌料一部分被養(yǎng)殖動(dòng)物食用;另一部分沉入池底,池底殘餌和動(dòng)物排泄物等有機(jī)物經(jīng)微生物分解后可產(chǎn)生氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),其中小部分被其它低等生物攝取,而大部分則在養(yǎng)殖池塘換水時(shí)流失進(jìn)入周邊海域。氮、磷排放量可由下式計(jì)算排放量一養(yǎng)殖凈面積×餌料投放量×餌料中氮、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ⅹ(1-魚蝦貝對(duì)餌料的利用率)×流失率(7)式中:養(yǎng)殖凈面積按估箅面積的70%計(jì)算,投餌量為33.3~53.3kg/hm2·a),按保守量計(jì),取為53.3kg/hm2·a)。不同餌料中氮、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1表1不同餌料中氮、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab. 1 Mass ratio of n and P in different baits元素人工配合餌料活餌料0.015根據(jù)調(diào)査統(tǒng)計(jì),養(yǎng)殖飼料中人工配合餌料一般占13%,鮮活餌料占87%,本評(píng)價(jià)以保守估算,全部按鮮活餌料計(jì)算。魚蝦貝對(duì)餌料的利用率一般在20%~35%1。本評(píng)價(jià)按30%計(jì)算,氮、磷的流失率分別以30%和5%計(jì)算按(7)式計(jì)算,可得本工程養(yǎng)殖區(qū)污水中氮的估算排放量為21924×800×2.8%×(1-30%)×30%kg/a,即10.31萬kg/a;磷的估箅排放量為21924×800×1.2%1-30%)×5%kg/a,即0.74萬kg/a本項(xiàng)目建成后圍區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖塘日換水量為811萬m3,每年養(yǎng)殖天數(shù)按300d計(jì),由此可以估算岀養(yǎng)殖區(qū)因過剩餌料和動(dòng)物糞便的分解而產(chǎn)生的養(yǎng)殖污水中氮的質(zhì)量濃度增量為駱曉明:養(yǎng)殖污水對(duì)水環(huán)境的影響預(yù)測(cè)10.31×104×103×103/(81×104×103×300)mg/L,即0.042mg/L;磷的質(zhì)量濃度增量為0.74×104×103×103/(811×104×103×300)mg/L,即0.003mg/L?；瘜W(xué)需氧量(CODM)的排放量本工程按養(yǎng)殖污水最大排放量計(jì),養(yǎng)殖區(qū)CODM的排放量為55.96萬kg/a。根據(jù)以往對(duì)浙江省不同地域養(yǎng)殖池塘水質(zhì)CODM的監(jiān)測(cè)結(jié)果,養(yǎng)殖污水中CODλn的質(zhì)量濃度平均增量約為0.23mg/L4.3水質(zhì)模型的計(jì)算條件養(yǎng)殖污水經(jīng)排水干渠匯集后由東堤排水閘排放入海,水閘最大排水量為188m3/s。養(yǎng)殖污水排放為非連續(xù)排放,只是當(dāng)潮位處于毎個(gè)潮周期的平均潮位以下時(shí)才排放,時(shí)間約6h,其余時(shí)間水閘被關(guān)閉養(yǎng)殖污水中氮、磷的存在形態(tài)比較復(fù)雜,本評(píng)價(jià)近似地將所有流失的氮、磷分別視為無機(jī)氮和活性磷酸鹽。無杋機(jī)氮、活性磷酸鹽和O等因子的排放量、質(zhì)量濃度、污染源強(qiáng)以及水質(zhì)現(xiàn)狀如表2所示。表2養(yǎng)殖污水中污染物的排放特征Tab 2 Pollutant discharging characteristic in cultivation wastewater項(xiàng)自水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)因子無機(jī)活性磷酸鹽COD排放量/萬kg·a-1)質(zhì)量濃度增量(mg·.-1)0.003水質(zhì)質(zhì)量濃度/大潮0.5741.840.310控制質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)(二類海水)/0.030充分考慮污染物在水體中長(zhǎng)期排放的累積效應(yīng),在水質(zhì)預(yù)測(cè)計(jì)算中,水流模型的設(shè)計(jì)潮型選取大、小潮連續(xù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)該工程污染源的特點(diǎn)和水環(huán)境污染的現(xiàn)狀,水質(zhì)影響的評(píng)價(jià)因子確定為:無機(jī)氮、活性磷酸鹽和COD。由于圍墾區(qū)附近海域無機(jī)氮和活性磷酸鹽的質(zhì)量濃度均超過二類海水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),水質(zhì)已受到一定程度的污染(表2)。因此對(duì)水質(zhì)影響的預(yù)測(cè)只計(jì)算養(yǎng)殖污水在圍墾區(qū)附近水體中污染物的質(zhì)量濃度增量,并以此來分析養(yǎng)殖污水對(duì)圍墾區(qū)附近海域水環(huán)境的影響。4.4養(yǎng)殖污水對(duì)水環(huán)境影響的預(yù)測(cè)結(jié)果及分析應(yīng)用水質(zhì)模型模擬得到該圍墾工程投入養(yǎng)殖后養(yǎng)殖污水排放的各污染因子質(zhì)量濃度増量的分布。受文章篇幅所限,本文僅繪出COD質(zhì)量濃度增量分布圖(圖4、圖5)。從圖4和圖5可以清楚看見,在養(yǎng)殖污水的排放過程中,污染物主要集中在排水口附4.4.1COD質(zhì)量濃度增量的分布大潮期間,養(yǎng)殖污水中COD的最大質(zhì)量濃度增量為θ.10~0.15mg/,小潮期間為海洋學(xué)研究24卷2期120°35′20.8H2.3日:88排水閘納潮閘納潮閘納潮閘圖4大潮時(shí)養(yǎng)殖污水中COD質(zhì)量濃度增量(mg/)分布Fig 4 COD distribution during spring tide120°3520.8121°508.6"E29°1319.3”納潮閘排水綱納潮閘納潮閘納潮閘圖5小潮時(shí)養(yǎng)殖污水中COD質(zhì)量濃度增量(mg/L)分布駱曉明:養(yǎng)殖污水對(duì)水環(huán)境的影響預(yù)測(cè)47污水中COD質(zhì)量濃度的最大增量?jī)H為本底值的8.2%,小潮期間為本底值的9.2%(表2、圖4和圖5)4.4.2無機(jī)氮、活性磷酸鹽質(zhì)量濃度增量的分布大潮期間,養(yǎng)殖污水中無杋氮的最大質(zhì)量濃度增量為θ.020~0.030mg/L-,小潮期間為.020~0.026mg/L,分布范圍均局限于東堤排水口附近。與環(huán)境本底值相比,大潮期間養(yǎng)殖污水中無機(jī)氮量濃度的最大增量?jī)H為本底值的5.2%,小潮期間僅為本底值的大潮期間,養(yǎng)殖污水中活性磷酸鹽的最大質(zhì)量濃度增量為O.0012~0.0023mg/,小潮期間為0.o010~0.0015mg/Lλ,分布范圍均局限于東堤排水口附近。與環(huán)境本底值相比大潮期間養(yǎng)殖污水中活性磷酸鹽質(zhì)量濃度的最大增量?jī)H為本底值的6.4%,小潮期間僅為本底值的6.3%。4.4.3預(yù)測(cè)結(jié)果的分析以上計(jì)算結(jié)果可知,由于養(yǎng)殖污水的污染物質(zhì)量濃度較低,與海域水質(zhì)的本底值相比對(duì)水環(huán)境的“貢獻(xiàn)”較小。因此,對(duì)海域水環(huán)境質(zhì)量的影響也較小,養(yǎng)殖污水的排放不會(huì)改變鄰近海域的水質(zhì)類別;在養(yǎng)殖污水停止排放后,隨著水體的流動(dòng)及污染物質(zhì)的擴(kuò)散,污染物的質(zhì)量濃度值將有所減小。5結(jié)語(yǔ)(1)在潮差大、垂直混合良好的海灣對(duì)潮流的模擬,采用含水平渦動(dòng)粘滯項(xiàng)的經(jīng)垂線積分的淺水潮波方程求解是合適的。(2)本文以三門灣下洋涂圍涂工程投入養(yǎng)殖后排放的養(yǎng)殖污水對(duì)周邊水環(huán)境的影響進(jìn)行數(shù)值模擬。污染物的對(duì)流-擴(kuò)散模型是建立在潮流模擬基礎(chǔ)上的,并用二維非定態(tài)垂直平均擴(kuò)散方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,計(jì)算污染物的質(zhì)量濃度分布、預(yù)測(cè)養(yǎng)殖污水排放后的擴(kuò)散范圍及強(qiáng)度大小,可為環(huán)境保護(hù)研究提供依據(jù)。(3)本文以養(yǎng)殖污水中的無機(jī)氮、活性磷酸鹽、COD污染物的源強(qiáng)和養(yǎng)殖進(jìn)、排水方式的分折結(jié)果,作為污染物擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型的輸入條件,計(jì)算結(jié)果表明,該工程投入養(yǎng)殖后排放的養(yǎng)殖污水的質(zhì)量濃度較低,與海域水質(zhì)的本底值相比,對(duì)水環(huán)境的“貢獻(xiàn)”不大,因此,對(duì)海域水環(huán)境質(zhì)量的影響也較小,養(yǎng)殖污水的排放不會(huì)改變海域的水質(zhì)類別。參考文獻(xiàn)Ⅰ]高愛根,楊俊毅,曾江寧,等.玉環(huán)坎門排污口鄰近巖相潮間帶生物分布特征[J.東海海洋,2004,22(4):24~30.2]胡礁星.黃浦江表層沉積物中有機(jī)氯農(nóng)藥的分布特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)「冂].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2005,26(3):44~48.3]Kinκ 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of impact of breeding wastewater dischargingon water environmenLUO Xiao-ming(Qiantang River Administration of Zhejiang Province, Hangzhou 310016, China)Abstract: When Xiayangtu Reclamation in Sanmenwan Bay, Ninghai County, Zhejianggoes into operation, the wastewater from animal breeding in the Reclamation Area will affect the water environment around. The prediction of the impact is very important part forenvironmental impact assessment. Based on the simulation of current in the bay, this paper establishes advection-diffusion equations for the pollutant, and then the model is applied to predict the areal distribution of pollutant due to the discharging of wastewaterfrom animal breeding, which provides scientific evident for environmental impact assessmentKey words reclamation; breeding wastewater; wastewater mass concentration; water quality; advection-diffusion equations numerical calculation