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:1001-909X(2006)02-0039-10養(yǎng)殖污水對水環(huán)境的影響預(yù)測駱曉明(浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院,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)殖污水將對周邊水環(huán)境產(chǎn)生的影響預(yù)測是該項目環(huán)境評價的重要內(nèi)容。在海灣潮流動力模擬的基礎(chǔ)上,建立了污染物對流擴散的數(shù)學(xué)模型,用以預(yù)測養(yǎng)殖污水排放后的擴散范圍及強度大小,為環(huán)境評價提供科學(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);對流-擴散方程;數(shù)值計箅中圖分類號:X830.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼: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)濟效益,但也對環(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)殖污水對周邊水環(huán)境也會產(chǎn)生一定的影響門。為此,本文從水動力數(shù)學(xué)模型出發(fā),預(yù)測圍墾工程投入養(yǎng)殖后排放的污水對周邊水環(huán)境的影響情況。污染物擴散的模擬計算,在河流中的應(yīng)用較早也較多,建立江河中污染物的動態(tài)數(shù)學(xué)模型,能較好地模擬污染物的散擴過程-η對海洋中污染物質(zhì)遷移模式的研究也已有報道,一般都是用有限水體劃分方法,建立具有統(tǒng)計學(xué)特征的污染物混合遷移模式·。水污染的計算機模擬適用于源或匯,對河道和海灣中污染物擴散的情況進(jìn)行數(shù)值模擬,為環(huán)境的預(yù)測和評價提供科學(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,在海灣潮流動力模擬旳基礎(chǔ)上,建立污染物擴散旳數(shù)學(xué)模型,以便預(yù)測養(yǎng)殖污水排放后的擴散范圍及強度大小。1數(shù)學(xué)模型浙江三門灣是一個支港多、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?？刂品匠滩捎媒?jīng)垂線積分含水平渦動粘滯項的淺水潮波方1.1模型控制方程潮流的計算方程如下: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方向的水平渦動擴散系數(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,取W=0,W,=0;t為時間式(1)為潮流連續(xù)方程,式(2)和(3)分別為x,y方向的動量守恒方程?？紤]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計算條件2.1計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)格對計算域進(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算影響。計箅域內(nèi)剖分成300×30、總共有9000個網(wǎng)格,最大的網(wǎng)格邊長取150m左右,圍墾工程區(qū)附近的網(wǎng)格尺度控制在30m之內(nèi),計算時間步長為4min。模型計算網(wǎng)格見圖1駱曉明:養(yǎng)殖污水對水環(huán)境的影響預(yù)測41121°2342.4122742.|"E29°2151.3石浦南H金28°4319.1圖1數(shù)模計算網(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)報的方法得到開邊界條件。計算區(qū)開邊界采用潮位預(yù)報邊界條件(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個分潮計算,其中日分潮為4個(Q1、O1、P1和K1),半日分潮為4個(N2、M2、S2和K2),淺水分潮為3個(M1、MS4和M)。海洋學(xué)研究24卷2期3模型驗證據(jù)本區(qū)域的潮位和潮流的大、小潮現(xiàn)場觀測資料,對模型進(jìn)行驗證,從而評估模型的可靠性3.1潮位驗證選擇2003年4~5月水文測驗期間,用獲取的核電廠址、南田島、牛山、花岙島、巡檢司、白玉灣島臨時潮位站同步的潮位觀測資料進(jìn)行驗證,實測潮位與模擬計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潮流驗證對工程區(qū)流速流向的驗證采用2003年國家海洋局第二海洋研究所收集的有關(guān)資料,選取其中6個測點的潮流資料加以驗證比較。單站實測結(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)測工程投入養(yǎng)殖后排放污染物的擴散分布等。3.3潮流場分析大量研究表明,三門灣是一個強潮海灣,潮流及外海泥沙運動是海灣地貌發(fā)育的主導(dǎo)121°317.8121°54′6.3"E2915′19]納潮下洋涂1000m2990′35.1圖2工程實施后大潮漲急流場駱曉明:養(yǎng)殖污水對水環(huán)境的影響預(yù)測動力因素及環(huán)境糸件。計算域內(nèi)單站潮流模擬驗證的計算結(jié)果較好,基本反映了工程區(qū)海域潮流的實際變化。為進(jìn)一步了解計算域內(nèi)總體流場的分布,繪岀了計算域內(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,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)要強于左側(cè),換言之,右側(cè)滿山水道的漲潮流要強于左側(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,各水道流速較大的特點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總之,計算域內(nèi)流場模擬計算結(jié)果基本反映了該海堿潮流和潮波的實際變化,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工程實施后大潮落急流場Fig 3 Flow field at ebb torrent time for spring tide under Scheme4養(yǎng)殖污水對水環(huán)境的影響預(yù)測4.1污染物質(zhì)量濃度的對流-擴散計算模式在潮流計算的基礎(chǔ)上,用二維非定態(tài)對流-擴散方程進(jìn)行數(shù)值計算,預(yù)測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方向的湍流擴散系數(shù);∫。為污染源的污染強度,∫=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,要求滿足0…,當(dāng)流向內(nèi)流時,取邊界上的質(zhì)量濃度值為0。4.2污染物的源強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%計算,約為1461.6hm2,養(yǎng)殖時日換水量為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)殖基地是一個半人工控制的生態(tài)系,人工投餌是養(yǎng)殖動物的主要能量來源。投放的餌料一部分被養(yǎng)殖動物食用;另一部分沉入池底,池底殘餌和動物排泄物等有機物經(jīng)微生物分解后可產(chǎn)生氮、磷等營養(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)殖池塘換水時流失進(jìn)入周邊海域。氮、磷排放量可由下式計算排放量一養(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%計算,投餌量為33.3~53.3kg/hm2·a),按保守量計,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,養(yǎng)殖飼料中人工配合餌料一般占13%,鮮活餌料占87%,本評價以保守估算,全部按鮮活餌料計算。魚蝦貝對餌料的利用率一般在20%~35%1。本評價按30%計算,氮、磷的流失率分別以30%和5%計算按(7)式計算,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,由此可以估算岀養(yǎng)殖區(qū)因過剩餌料和動物糞便的分解而產(chǎn)生的養(yǎng)殖污水中氮的質(zhì)量濃度增量為駱曉明:養(yǎng)殖污水對水環(huán)境的影響預(yù)測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,養(yǎng)殖區(qū)CODM的排放量為55.96萬kg/a。根據(jù)以往對浙江省不同地域養(yǎng)殖池塘水質(zhì)CODM的監(jiān)測結(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)潮位處于毎個潮周期的平均潮位以下時才排放,時間約6h,其余時間水閘被關(guān)閉養(yǎng)殖污水中氮、磷的存在形態(tài)比較復(fù)雜,本評價近似地將所有流失的氮、磷分別視為無機氮和活性磷酸鹽。無杋機氮、活性磷酸鹽和O等因子的排放量、質(zhì)量濃度、污染源強以及水質(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項自水質(zhì)預(yù)測評價因子無機活性磷酸鹽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期排放的累積效應(yīng),在水質(zhì)預(yù)測計算中,水流模型的設(shè)計潮型選取大、小潮連續(xù)進(jìn)行計算。根據(jù)該工程污染源的特點和水環(huán)境污染的現(xiàn)狀,水質(zhì)影響的評價因子確定為:無機氮、活性磷酸鹽和COD。由于圍墾區(qū)附近海域無機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)。因此對水質(zhì)影響的預(yù)測只計算養(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)殖污水對圍墾區(qū)附近海域水環(huán)境的影響。4.4養(yǎng)殖污水對水環(huán)境影響的預(yù)測結(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)殖污水對水環(huán)境的影響預(yù)測47污水中COD質(zhì)量濃度的最大增量僅為本底值的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)殖污水中無機氮量濃度的最大增量僅為本底值的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)量濃度的最大增量僅為本底值的6.4%,小潮期間僅為本底值的6.3%。4.4.3預(yù)測結(jié)果的分析以上計算結(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)的本底值相比對水環(huán)境的“貢獻(xiàn)”較小。因此,對海域水環(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,隨著水體的流動及污染物質(zhì)的擴散,污染物的質(zhì)量濃度值將有所減小。5結(jié)語(1)在潮差大、垂直混合良好的海灣對潮流的模擬,采用含水平渦動粘滯項的經(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)殖污水對周邊水環(huán)境的影響進(jìn)行數(shù)值模擬。污染物的對流-擴散模型是建立在潮流模擬基礎(chǔ)上的,并用二維非定態(tài)垂直平均擴散方程進(jìn)行數(shù)值計算,計算污染物的質(zhì)量濃度分布、預(yù)測養(yǎng)殖污水排放后的擴散范圍及強度大小,可為環(huán)境保護(hù)研究提供依據(jù)。(3)本文以養(yǎng)殖污水中的無機氮、活性磷酸鹽、COD污染物的源強和養(yǎng)殖進(jìn)、排水方式的分折結(jié)果,作為污染物擴散數(shù)學(xué)模型的輸入條件,計算結(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,對水環(huán)境的“貢獻(xiàn)”不大,因此,對海域水環(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氯農(nóng)藥的分布特征及風(fēng)險評價「冂].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2005,26(3):44~48.3]Kinκ elbach w,候然杰,李患眀.河流中BOD-DO動態(tài)的數(shù)學(xué)模擬方法[J.環(huán)境科學(xué)學(xué)報,1981,1(2):166海洋學(xué)研究24卷2期[6]郭震運,王華東,劉培桐.鉛山河金屬污染物(Cu、Fe)遷移規(guī)律及污染預(yù)測研究[冂].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,1983⑦]林玉環(huán),汞污染河流底質(zhì)遷移模式研究匚J.環(huán)境科學(xué)學(xué)報,1985,5(3):2768〗曾健業(yè),吳瑜端.納污港灣降解污染物質(zhì)的有限水體混合遷移模式—廈門港污染物質(zhì)的單純混合模式匚J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,1985,5(4):395~403.]曾健業(yè),吳瑜端,納污港灣降解污染物質(zhì)旳有限水體混合遷移模式∏廈門港Cn、φ遷移模式探討匚冂.環(huán)境科學(xué)學(xué)報,1987,7(1):49~59,10]宋林松.水污染旳計算機模擬「J.環(huán)境科學(xué)學(xué)報,1983,3(2):141~-147[11]王益鳴,雪曉華,胡顥琰,等.浙江沿海產(chǎn)品中有機農(nóng)的殘留水平[J.東海海洋,2005,23(1):54~-64.12]楊曉蘭,張鍵,葉新榮,等.南麂列島自然保護(hù)區(qū)潮間帶環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價J].東海海洋,1994.12(2):70[13]陳增奇,陳飛星,李占玲,等.濱海濕地生態(tài)經(jīng)濟的綜合評價模型[J.海洋學(xué)研究,2005,23(3):47~-514]馮士笮,孫文心.物理海洋數(shù)值計箅[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社,1990[15]許衛(wèi)憶.實際海域的赤潮生消過程數(shù)值模擬[J].海洋與湖沼,2001,32(6):598~60416]胡方西,曹沛錱.三門灣潮波運動特征及其與地貌發(fā)育的關(guān)系匚J.海洋與湖沼,1981,12(3):225~234[17]中國海灣志編纂委員會.中國海灣志第五分冊[M].北京:海洋出版社,1992[18]謝忠明,魚蝦貝高產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,199Prediction 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