張靜，劉玉，馬志華，孫省利

（1.廣東海洋大學 水產(chǎn)學院，廣東 湛江 524025；2.天津科技大學 海洋科學與工程學院，天津 300457；3.國家海洋信息中心，天津 300171；4.廣東海洋大學 海洋資源與環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 湛江 524025）

隨著近岸海域的開發(fā)、沿岸經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量的生活污水及工農(nóng)業(yè)廢水排入近岸海域，使近岸海洋環(huán)境遭受越來越大的壓力。廣東省作為我國的海洋大省，具有豐富的海洋資源，海洋經(jīng)濟總量已穩(wěn)居全國首位。但由于長期采取粗放式的海洋經(jīng)濟發(fā)展模式，廣東省海洋資源開發(fā)利用在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟和社會效益的同時，對海洋生態(tài)環(huán)境也帶來了極為嚴重的負面影響，導(dǎo)致了近岸生態(tài)環(huán)境不斷惡化、功能不斷退化，局部水域出現(xiàn)生態(tài)荒漠化趨勢，水域生產(chǎn)力急劇下降，近岸海域水生動植物瀕危程度加劇。地處粵西的流沙灣是廣東省珍珠貝的主要養(yǎng)殖區(qū)，近年來珍珠出現(xiàn)母貝生長慢、死亡率高、珠層薄、珠粒小、次珠多、產(chǎn)珠量低等現(xiàn)象，珍珠質(zhì)量明顯下降①資料來源：http://www.0755zb.com/Texts/2006/8/19/141428.html。除了珍珠近親繁殖、種質(zhì)退化等內(nèi)在原因外，超負荷、高密度的養(yǎng)殖模式也會使海域環(huán)境發(fā)生變化。為了詳細了解流沙灣的環(huán)境質(zhì)量狀況，本課題組于2008年對流沙灣開展了一年四季4個航次的水文、水質(zhì)、底質(zhì)及生態(tài)調(diào)查。本文試圖從環(huán)境容量的角度來分析流沙灣的環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。由于COD是節(jié)能減排的目標污染物之一，代表了水體的有機污染狀況；而氮、磷營養(yǎng)鹽又是中國近岸海域主要超標因子，與海域初級生產(chǎn)力和富營養(yǎng)化關(guān)系密切，因此本文選取COD、無機氮和活性磷酸鹽作為流沙灣環(huán)境容量計算的環(huán)境因子，開展流沙灣環(huán)境容量研究，確定流沙灣對特定污染物的環(huán)境容量，對于合理開發(fā)利用流沙灣的海洋生物和海灣資源，促進流沙灣海洋產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展具有重要的意義。

環(huán)境容量主要包括物理自凈容量、化學自凈容量和生物自凈容量3個方面，主要是物理自凈容量。而研究海域的水動力情況決定了整個海域的物理自凈容量。近年來，數(shù)值模擬的方法以其經(jīng)濟、快捷、方便的特點被廣泛地用于研究近岸海域潮流、污染物輸移擴散等問題。本研究就是利用數(shù)值模擬的方法來分析流沙灣的三維水動力場特征，研究不同污染物在水體中的污染擴散規(guī)律，計算流沙灣主要污染物的環(huán)境容量。

研究海域概況

流沙灣位于雷州半島西南部，東經(jīng)109°47′-110°1′，北緯 20°21′-20°31′，曾名翁家港、謝家港，是廣東省在海洋經(jīng)濟中發(fā)揮核心作用的綜合開發(fā)十大示范重點海域之一。整個海灣面積約69km2。港灣的形狀呈北西向葫形海灣，腰部有南北向沙嘴將港灣分成內(nèi)港與外港。內(nèi)港是個瀉湖，港口寬750 m（流沙角至石馬角），樹枝狀港汊呈一個很長尖形的峽灣狀，水深10～20m的溺谷狀深槽長8km。周圍無大河注入，底質(zhì)多為礫石和砂。內(nèi)港的流沙角沿岸現(xiàn)設(shè)漁港，大井角有海軍碼頭，灣頭有珍珠養(yǎng)殖場和星羅棋布的私人養(yǎng)珠戶。外港叫流沙灣，水域廣，水深達5-20 m，底質(zhì)為淤泥。而據(jù)有關(guān)史料和氣象資料所記載：1951-1972年徐聞及附近登陸的臺風有9次，來自各個方位的臺風引起流沙角處的風浪都不大，是一個天造地設(shè)的天然港灣，不可多得的天然避風深水良港。流沙灣地底蘊藏著豐富的石油和天然氣資源，漁產(chǎn)豐富，同時還是中國最大的南珠產(chǎn)地和加工地，并且將是國家級海草保護區(qū)。因此協(xié)調(diào)該地區(qū)資源的開發(fā)利用和環(huán)境保護尤為重要②資料來源：http://zjphoto.yinsha.com/file/200807/2008073113100678.htm。

流沙灣海域潮汐的類型，可根據(jù)潮汐系數(shù)F=（Hk1+HO1）/HM2的大小來判斷。由于缺乏足夠的海洋監(jiān)測資料，本文根據(jù)2008版潮汐表的一個月高低潮資料經(jīng)調(diào)和分析得到流沙灣的F＝4.55?？梢姡魃碁车某毕珜僬?guī)日潮，其特點是每日出現(xiàn)一次高潮和一次低潮。

站位布設(shè)

根據(jù)海洋監(jiān)測規(guī)范（GB 17378-2007），于2008年2月（冬）、5月（春）、8月（夏）和11月（秋）4個航次采集了流沙灣近岸海域14個站位水樣和沉積物樣以及4個站位海流數(shù)據(jù)，站位布設(shè)如圖1所示。

圖1 流沙灣新舊坐標系及站位、地形圖

1 計算模式

1.1 三維潮流場數(shù)值模型

本研究的水動力模型采用美國普林斯頓大學Blumberg和Mellor開發(fā)的原始方程海洋環(huán)流模式，簡稱POM（Princeton Ocean Model）（Mellor，2004）。在像流沙灣這樣具有寬闊潮間帶的近岸海域，不斷變化的水陸邊界和計算區(qū)域給潮流場的模擬帶來了很大的困難。目前國內(nèi)外較廣泛使用的流場模擬模型如POM、ECOMSED、HANSOM、COHERENS等，這些模型大多本身并不能處理這種“干濕”現(xiàn)象，于是近年來，很多學者采用多種方法將“干濕技術(shù)”引用到上述模型中，較好地解決了海灣、河口等近岸海域的“干濕”問題（Shietal，1997；孫英蘭 等，2001；Li et al，2004；Liu et al，2005；申霞等，2006）。孫建等對國內(nèi)外動邊界技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用情況做了較為詳細的分析和介紹（Balzano，1998；孫健等，2007），其中“干濕網(wǎng)格”方法以其明確的物理意義和簡單的處理方法得到了廣泛的接受和使用。其基本思想是預(yù)先設(shè)定一個臨界水深，如果單元水深（水位和流速）小于臨界水深，則判斷該單元為干，將其從計算域中去除，反之為濕。但存在的主要問題是由于大多數(shù)模型采用的是C網(wǎng)格，也就是說水位結(jié)點和流速結(jié)點并不是定義在同一個位置，導(dǎo)致在干濕判斷過程中可能出現(xiàn)虛假的通量；并且模型僅考慮了二維外模態(tài)的水動力干濕變化過程，這對三維斜壓流動模擬是不夠的，還應(yīng)該附加考慮干濕變化處溫鹽通量的守恒。另外，模型固有的水深計算方法是基于絕對陸岸邊界的，因此雖然可以模擬潮間帶的干濕變化，但對于風暴潮漫灘模擬卻無能為力。基于上述原因，本文根據(jù)Oey（2005）的思想，重新定義模型水深，將改進后的干濕網(wǎng)格技術(shù)引入到POM模型中，模擬了流沙灣海域潮汐漲落的干濕變化。

1.1.1 基本方程

本文采用三維模式來描述流沙灣的潮流運動。垂直方向采用坐標，變量空間配置為Arakawa-C格式，2.5階湍流閉合模型求解垂向混合系數(shù)和擴散系數(shù)；水平湍流粘滯和擴散系數(shù)基于Smagorinsky公式。具體公式詳見文獻POM手冊（Mellor，2004）。

1.1.2 干濕網(wǎng)格技術(shù)

1.1.2.1 變量定義

傳統(tǒng)水深的處理方法是以海圖水深加上水位變化后訂正到平均海面來表示的。處理的都是陸岸邊界以內(nèi)的海域的水深變化。在這里，我們重新考慮對陸岸邊界的定義。

在海洋模型中，通常定義總水深

其中，msl為平均海面或海圖深度基準面；Hmsl為從海底到平均海面的高度，即海圖水深或訂正到平均海面的水深，當在msl以下（上）時取正（負）?，F(xiàn)在，我們將基準面msl上移至一個新的基準面，記為datum，datum以上的陸岸邊界記為絕對陸邊界（ALB），此邊界永遠不會被海水淹沒，因此FSM＝0；從msl至ALB有一個最大的水位，記為Hhi＞0，其值可以通過多年觀測的最大水位再加上一個合適的值（如1m）來確保ALB以上區(qū)域FSM恒為零。其余所有的變量都以新的基準面datum來定義。于是得到新的地形水深為

當H＞0時FSM=1，為計算域；當H≤0時FSM=0，為ALB。新的水位從datum算起為

則（1）式的總水深變?yōu)?/p>

顯然，在任何時刻當D≤0時為干，反之為濕。因此，可以通過計算每個網(wǎng)格的總水深D來判斷各個網(wǎng)格的干濕情況。

圖2 干濕網(wǎng)格的變量定義

1.1.2.2 外模式條件

POM模型是基于原始方程組的三維斜壓海洋模式，由于使用了內(nèi)外模態(tài)分離的技術(shù)，POM可以用來方便地進行二維（外模態(tài)）正壓和三維（內(nèi)模態(tài)）斜壓的模擬。在ALB以及向陸一側(cè)，F(xiàn)SM=0；向海一側(cè)FSM=1。為了模擬潮間帶地區(qū)以及風暴潮漫灘地區(qū)的干濕現(xiàn)象，在FSM=1的區(qū)域新定義一個變量，由于算法的限制，水深不能取為0，而是事先取一個小量（如5 cm），或者可以認為此處具有很薄的一層水層，則

在每一個外模時間步Δte，當更新完（η，U，V）之后，應(yīng)用式（5），條件是在一個干網(wǎng)格界面沒有通量交換。在如圖3所示的C網(wǎng)格上，除了水深點的判斷之外（注意：水位η在干網(wǎng)格處保持上一時刻的水位值），還必須單獨檢查U和V所在的網(wǎng)格界面。于是定義變量Du和Dv，令

圖3 C網(wǎng)格變量安排

條件（5）和（7）對所有理想的干濕情況都是適用的，也是多數(shù)干濕網(wǎng)格技術(shù)所采納的。在更多的普通情況下（如真實的海底地形和風況），附加下述條件可以增加模型的生命力。當和所在的網(wǎng)格界面處非干時（也就是說不滿足條件（7）），但至少有一個鄰近網(wǎng)格為干且有從干網(wǎng)格流出的通量，那么就設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)格界面速度為0。這種情況之所以發(fā)生是因為在C網(wǎng)格上，變量D和并非定義在同一位置，從干網(wǎng)格有通量流出這種不現(xiàn)實的情況必須被關(guān)閉。因此有

這種反常的出流通量純粹是數(shù)值上的，當連續(xù)方程中的壓力梯度項不存在時也不存在。

1.1.2.3 內(nèi)模式條件

對三維斜壓流動來說，僅僅有上述的外模式條件是不夠的，還需要附加兩個補充條件。第一個條件是在干網(wǎng)格處上述的Hdry這一薄層水層的溫鹽應(yīng)回歸于它們的氣候式溫鹽值，即：

鹽度方程類似，其中α=2 day-1。第二個條件是在斜壓流動時通過一個干網(wǎng)格界面不應(yīng)有垂向的速度結(jié)構(gòu)變化。即

也就是說，為了防止當網(wǎng)格由干變濕過程中有虛假剪切力的產(chǎn)生，條件（10）要比條件（7）更為嚴格。

1.1.3 坐標變換

為了方便矩形網(wǎng)格的安排，減少計算區(qū)域，將圖1原來的經(jīng)緯度坐標系x′o′y′以原點O′為頂點逆時針旋轉(zhuǎn)θ角度后，向下平移|O′O|，得到新的坐標系（單位m）xoy，在新的坐標系下，流沙灣外海的陸地連線構(gòu)成計算區(qū)域矩形網(wǎng)格的西邊界。具體轉(zhuǎn)換公式如下：

式中，θ=16°，逆時針為正。至此，模式輸出的u、v值是在新坐標系下的計算結(jié)果，與實際值相差了一個θ角。如果沒有特別說明，以后的闡述都是針對新坐標系而言的。

1.1.4 邊界條件

在海岸邊界上，POM模式可以根據(jù)水深點的位置自動封閉陸地邊界，其法向流速為零。

式中：fi是交點因子；vi，ui分別是格林威治初始相位和交點訂正角；ωi為分潮的角頻率；Hi，gi分別是分潮的振幅和遲角；下標i表示分潮，本研究取M2、S2、K1、O14個分潮。使用這種形式的流速邊界條件可以將內(nèi)部的計算誤差通過開邊界傳出，保證了計算的穩(wěn)定性。

前文提到，流沙港是一個天然避風深水良港，而流沙灣所處的雷州半島年平均風速約為3 m/s①，風力僅為2級，因此，風對本海域的影響不大，本次模擬忽略了風的影響。

1.1.5 初始條件

經(jīng)驗及算例分析表明，在近海流體動力學中，初始場形成的初始能量將隨著時間增加而不斷衰減，直至全部耗盡（孫文心等，2004）。因此本研究采用零初始場，即取u=v=η=0。

1.1.6 模式安排

計算采用矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為71×85，空間步長Δx=Δy=240 m，垂直方向取4個sigma層。站位示意圖如圖1所示，其中S1-S7站位位于外灣；S8-S14站位位于內(nèi)灣；水位及流速驗證站位LS1、LS2位于外灣；LS3、LS4位于內(nèi)灣。

模型運行的初始溫度場和鹽度場均取實測平均值。以M2、S2、K1、O14個分潮從西邊界驅(qū)動模式的運行，調(diào)和常數(shù)由灣內(nèi)驗潮站的潮汐表資料經(jīng)調(diào)和分析后，再進行調(diào)試獲得。計算的起始時間為2008年5月1日0時，設(shè)置模型運行時間為32天，其中5月8日的模擬結(jié)果被用來和海流調(diào)查站位上的實測數(shù)據(jù)進行比較。

1.2 水質(zhì)模型

調(diào)查結(jié)果顯示各站點污染物沒有明顯的垂直方向的濃度分層，因此，本研究采用垂向平均的水平二維對流擴散方程來計算流沙灣的污染物濃度。控制方程如下：

式中：Ci為污染物濃度，下標i依次代表COD、無機氮和活性磷酸鹽；u，v分別為x，y方向的速度分量；Dx，Dy分別為x，y方向的渦動擴散系數(shù)，由上述的Smagorinsky公式給出，在實際計算中由POM模型實時地更新對流擴散模式中的垂向平均流速和渦動擴散系數(shù)；S0為源強，由下式給出：

其中：Cs0為污染物的點源強，在數(shù)值計算中作為邊界條件給出；Csi為非保守物質(zhì)的衰減項，k為衰減系數(shù)，對于保守物質(zhì)而言其值為零。

1.3 污染源分布及源強估算

海水通過物理、化學和生物化學等作用對排入其中的污染物質(zhì)進行凈化，其中水動力輸運的物理自凈能力十分巨大。一般環(huán)境容量的計算是基于上述水動力和水質(zhì)模型，求得各點源的響應(yīng)系數(shù)場和分擔率場，再根據(jù)水質(zhì)目標及現(xiàn)狀濃度求得主要污染源和控制單元入海污染物（COD、無機氮、活性磷酸鹽等）的環(huán)境容量（朱靜等，2009）。但流沙灣情況不同，前文敘述過，流沙灣周圍是沒有大河注入的，也沒有工業(yè)區(qū)和大型生活聚集區(qū)，居民主要以村落的方式散布于沿岸，以捕魚、海灣養(yǎng)殖為生，而非以農(nóng)耕為生，因此灣內(nèi)污染源主要是居民的生活污水排入和養(yǎng)殖自身污染。本次研究設(shè)計的排污處如圖1所示。

生活污染源：將分布流沙灣的3個主要鎮(zhèn)（流沙鎮(zhèn)、西連鎮(zhèn)和邁陳鎮(zhèn)）居民排放的生活污水通過合適的入?？谧魑廴驹矗蝗丝跀?shù)據(jù)來自第五次人口普查數(shù)據(jù)（流沙鎮(zhèn)：18 173人；西連鎮(zhèn)：34 560人；邁陳鎮(zhèn)：46 897人）；根據(jù)2010年《湛江統(tǒng)計年鑒》中統(tǒng)計的2009年湛江生活用水總量和湛江人口總數(shù)，算得的湛江人均用水量約為180 L/d（湛江市統(tǒng)計局等，2010），人均污水量按人均用水量乘以0.8的系數(shù)即144 L/d來計算（張偉，2010）；污水濃度按一般污水處理廠的進水濃度的上限值（COD：150 mg/L；無機氮：25 mg/L；活性磷酸鹽：2.5 mg/L）給定①。

根據(jù)本課題組的調(diào)查成果，流沙灣水域養(yǎng)殖總面積達到13.6 km2，其中貝類養(yǎng)殖面積為12.5 km2，占流沙灣水域養(yǎng)殖面積的92%。因海域自然條件好，天然餌料豐富，養(yǎng)殖基本上是不投餌的，但貝類排泄形成的自身污染可以作為海水中氮、磷營養(yǎng)鹽的一個來源。由于缺乏貝類磷代謝的數(shù)據(jù)，本次模擬僅考慮氮的代謝。流沙灣主要養(yǎng)殖的貝類為馬氏珠母貝，根據(jù)王慶恒等（王慶恒等，2009）的結(jié)果，取馬氏珠母貝的排氨率為0.025 mg/g·h，取近3年（2005-2007年）貝類養(yǎng)殖產(chǎn)量的平均值為22 238 t，近似算得流沙灣海域貝類養(yǎng)殖排氨量約為194.8 t/a。將流沙灣養(yǎng)殖海域劃分為6個海區(qū)，分別是流沙－覃斗海域、下海－英良海域、北街－龍譚海域、大井－英產(chǎn)海域、那宋－邁陳海域、石馬－海尾海域。以調(diào)查得到的養(yǎng)殖面積和養(yǎng)殖區(qū)中心區(qū)域作為污染源得到各污染源的源強。各污染源所在位置如圖1所示。

根據(jù)《關(guān)于對湛江市近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃意見的函》中的規(guī)定，整個流沙灣分為兩個區(qū)，一是流沙港四類區(qū)，包括2個碼頭和1個漁碼頭，執(zhí)行海水水質(zhì)Ⅲ類標準；一是流沙二類區(qū)，執(zhí)行海水水質(zhì)Ⅱ類標準。因環(huán)境容量通常是指由水質(zhì)標準所確定的特定海域所能容納污染物的最大量，因此從養(yǎng)殖安全角度考慮，整個海域按Ⅱ類水質(zhì)標準來計算，即執(zhí)行《海水水質(zhì)標準》（GB 3097-1997）中的Ⅱ類水質(zhì)標準。各指標的限值為：COD：≤3mg/L；無機氮：≤0.30 mg/L；活性磷酸鹽：≤0.030 mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 潮流場計算結(jié)果的檢驗和分析

2.1.1 潮位驗證

由圖4顯示的4個站位5月8日的水位預(yù)測值與實測值的對比情況來看，本模式所模擬的水位變化基本與實測一致；進一步進行誤差分析發(fā)現(xiàn)，4個站點上預(yù)測值與實測值的均方根誤差分別為0.258 m、0.397 m、0.364 m和0.511 m；最大偏差分別為5.8%、5.1%、4.1%和9.2%，符合預(yù)報精度的要求?？偟膩碚f，外港的水位驗證效果要較內(nèi)港好，由于內(nèi)港是流沙港、漁碼頭和軍用碼頭，主航道窄而深，船舶往來頻繁，因此實測的水位誤差較大。但是考慮到在實際測量時海面風應(yīng)力、船舶航行因素可能引起的水位變化以及對實測數(shù)據(jù)處理時可能帶來的誤差，上述誤差值是偏保守的。由圖中還可見，流沙灣的漲潮歷時要大于落潮歷時，經(jīng)模型計算流沙灣的平均潮差約為2.4 m，最大潮差可達5.0 m。

圖4 4個站位上預(yù)測水深與實測水深的比較（5月8日）

2.1.2 流速驗證

由于下文中所有的污染源都集中在內(nèi)港，因此，文中只給出5月8日LS3和LS4兩個站位的表、中、底層流速和流向預(yù)測值與實測值的比較情況，如圖5所示。兩個站位流速和流向的預(yù)測值與實測值基本吻合，流速表層>中層>底層。其中LS3站位預(yù)測流速的最大值與實測值相比偏低，可能因為LS3站位處在內(nèi)、外港的銜接處，此處口門窄、水深、岸線變化劇烈、影響因素復(fù)雜，因此實測流速在此明顯增大。而處于內(nèi)港的LS4站位的實測流速尤其是實測的最大流速與預(yù)測值相比均偏低，可能因為港內(nèi)遍布珍珠貝養(yǎng)殖，而養(yǎng)殖多以吊樁為主，從而減緩了潮流的流速，導(dǎo)致實測值普遍偏低。從預(yù)測和實測的流速來看，流沙灣的最高流速可達140 cm/s，這在中國沿海的小海灣中并不多見，也表明了流沙灣良好的水動力環(huán)境。結(jié)合水位驗證結(jié)果看，整體上流沙灣的漲潮流速要小于落潮流速；其中外港的兩個站位漲、落潮的流速差較大（文中未給出），內(nèi)港的兩個站位漲、落潮的流速差較小。從兩個站位各層的流向可以看出，預(yù)測值與實測值基本上是吻合的，由于站位布設(shè)多在主航道附近，受風、船舶行駛等多種因素的影響，在實測流速和流向上可能存在很多不確定的因素，因此部分時刻流向有較大偏差。漲潮流向在104-164°之間，落潮流向在284-344°之間（均為旋轉(zhuǎn)坐標系前的流向），流向基本呈西北－東南走向，與水道走向較為一致。從流向的變化特征看，呈現(xiàn)出明顯的往復(fù)流特征。

圖5 LS3、LS4站位預(yù)測流速、流向與實測流速、流向的比較（5月8日）

2.1.3 流場特征

為了說明潮灘淹沒干出的現(xiàn)象，文中僅給出了一個潮周期4個特征時刻（即漲潮：FLOOD；高平潮：HWS；落潮：EBB；低平潮：LWS）垂向平均的潮流矢量圖（圖6）?？梢钥闯觯簼q潮時，海水從外港向內(nèi)港流動，淹沒整個海域，且流速較大；到了高潮時，海水流速降低，且以航道處流速最大；落潮時，沿岸的灘涂開始干出，流速逐漸加大，仍以航道處流速最大；當落潮到低潮時，大片潮灘干出，且流速達到最小，尤其在內(nèi)港，除航道處保持很小的流速外，其余大部分地區(qū)的潮灘都干出。整體流向為東－西向，到了內(nèi)港，潮流受地形約束，方向發(fā)生局部變化。整個流沙灣潮流表現(xiàn)出較明顯的往復(fù)流的性質(zhì)，與前面的分析結(jié)果相一致。

圖6 垂向平均的潮流流速在一個潮周期4個特征時刻的水平矢量圖（注：繪圖間距為兩個網(wǎng)格間距）

2.1.4 Euler余流

對空間給定點上的流速作潮周期平均，導(dǎo)出了Euler平均流速，即Euler余流，它表示了海水的潮周期平均遷移趨勢。圖7給出了流沙灣模擬的4個主要分潮垂向平均的Euler余流結(jié)構(gòu)。由圖7結(jié)果可知，整個流沙灣的余流場較強，余流方向基本指向外港，且存在3個環(huán)流：外港中心處存在一個明顯的逆時針環(huán)流，且環(huán)流速度較大；內(nèi)港與外港鄰接航道處存在一個不太明顯的逆時針環(huán)流，此處受地形及航道分岔影響，流向較亂；在內(nèi)港的另一個航道分岔處存在一個很弱的大體呈逆時針方向的環(huán)流。整個主航道上流速都較大?？梢?，整個流沙灣的潮流運動是帶有旋轉(zhuǎn)流的往復(fù)流運動，與黃小平等（黃小平等，2007）的調(diào)查結(jié)果一致。余流場同時說明了流沙灣水動力條件好，水交換能力強。

圖7 流沙灣垂向平均的余流場

2.2 環(huán)境容量計算結(jié)果與分析

2.2.1 水質(zhì)模型模擬結(jié)果驗證

根據(jù)本實驗室的調(diào)查結(jié)果，流沙灣海域除了冬季COD值（平均值2.43 mg/L）稍高外，其余三季COD值（春、夏、秋季平均值分別為0.71 mg/L、0.78 mg/L和0.87 mg/L）季節(jié)差別均不大。由于流沙灣周圍無大型河流輸入，也無固定的大型污染源，COD來源單一，基本為生活排污；加之研究區(qū)域降水量偏少（黃小平等，2007），平均風速較小，對本海域影響均不大，因此模型不考慮季節(jié)風和降水的影響，采用COD濃度場來驗證水質(zhì)模型的模擬結(jié)果。以5月調(diào)查的水質(zhì)實測值為背景濃度，同時開放各污染源，模型計算三個月，8月的COD實測濃度場與模擬濃度場對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 實測濃度場與模擬濃度場的對比（8月）

從圖8可以看出，COD的實測濃度場與模擬濃度場較為一致，都呈現(xiàn)出從灣內(nèi)向灣外遞減的趨勢，且相同海域濃度等值線相差不大；除灣口等值線走向略有差異外，其余海域等值線走向基本一致。

2.2.2 環(huán)境容量計算結(jié)果

通常的環(huán)境容量計算方法多采用響應(yīng)系數(shù)、分擔率、混合區(qū)的方法，該方法主要是針對有固定陸源輸入的海域，便于計算各個污染源的允許排放容量，從而實現(xiàn)對各個陸源污染源的減排計劃。而在本次模擬中，因?qū)嶋H上生活污水是分散分布的，養(yǎng)殖排污也是分散分布的，模擬中并無大型固定的污染源，因此針對污染源的響應(yīng)系數(shù)計算方法并不適于流沙灣。由于環(huán)境容量反映的是某水體對特定污染物的容納能力，并不是某一瞬時或者短時間內(nèi)的水體特征，因此文中在模型運行穩(wěn)定后，用整個海域特定水質(zhì)標準下所能容納的污染物的最大量（簡稱標準容納量）減去污染物排放一年后海域中污染物的現(xiàn)有量（簡稱現(xiàn)有量），所得結(jié)果即為該海域的剩余容量即環(huán)境容量。以此環(huán)境容量來研究整個流沙灣污染物排放有沒有超標（環(huán)境容量為正，不超標；為負，超標）；間接求出海域?qū)τ谔囟ㄎ廴疚锏膬艋芰Γòㄎ锢碜詢艉蜕镒詢簦?。其中?/p>

表1列出了三種污染物的年排放量、環(huán)境容量和水體凈化率的計算結(jié)果，其中無機氮的結(jié)果以生活污染源和生活污染源＋養(yǎng)殖污染源兩種計算結(jié)果表示。COD按保守物質(zhì)處理；無機氮和活性磷酸鹽按非保守物質(zhì)處理，其衰減系數(shù)分別取本實驗室獲得值0.5514 d-1和0.1987 d-1。

表1 流沙灣污染物環(huán)境容量計算結(jié)果

由表1可見，流沙灣目前估算的COD年排放量約為785 t，背景量約為281 t，模型運行一年后模擬的海域COD現(xiàn)有量約為239 t，按照流沙灣的二類水質(zhì)保護目標算得的流沙灣對污染物COD的標準容納量約為1145 t，因此，海灣尚有COD環(huán)境容量（即殘余容量）約為906 t；COD在流沙灣水體中的自凈率達到78%，因為是把COD看作保守物質(zhì)處理的，故主要指物理自凈，可見流沙灣的水動力狀況很好，水體的交換能力較強。從表中可以看出，流沙灣目前估算的生活來源無機氮比養(yǎng)殖來源無機氮的年排放量要小，生活來源約為養(yǎng)殖來源的67%左右；其中僅考慮生活污染排放估算的無機氮年排放量約為131 t；同時考慮生活和養(yǎng)殖污染排放估算的無機氮年排放量約為326 t；整個海域無機氮的背景量約為26 t，在僅考慮生活污染和同時考慮生活和養(yǎng)殖污染的情況下模型運行一年后模擬的海域無機氮現(xiàn)有量分別約為6 t和9 t，按照流沙灣的二類水質(zhì)保護目標算得的流沙灣對無機氮的標準容納量約為115 t，海灣尚有無機氮環(huán)境容量（即殘余容量）均大于100 t；可見，整個海域?qū)o機氮的凈化能力很大，無機氮在流沙灣水體中的自凈率達到96%以上，因為是把無機氮看作非保守物質(zhì)處理的，故同時指物理自凈和生物降解作用自凈。流沙灣目前估算的活性磷酸鹽年排放量約為13 t，背景量約為2 t，模型運行一年后模擬的海域活性磷酸鹽現(xiàn)有量不足0.5 t，按照流沙灣的二類水質(zhì)保護目標算得的流沙灣對活性磷酸鹽的標準容納量約為11 t，因此，海灣尚有活性磷酸鹽環(huán)境容量（即殘余容量）約為11 t；活性磷酸鹽在流沙灣水體中的自凈率達到97%，因為是把活性磷酸鹽看作非保守物質(zhì)處理的，故同時指物理自凈和生物降解作用自凈，可見與氮營養(yǎng)鹽相似，磷營養(yǎng)鹽在流沙灣中的濃度也較低。3種物質(zhì)的容量計算結(jié)果表明了流沙灣目前COD及氮、磷營養(yǎng)鹽含量均較低；因為是以二類海水水質(zhì)為保護目標算得的容量，因此流沙灣海域甚至在一定程度上可能出現(xiàn)營養(yǎng)鹽不足的情況。

2.3 討論

近年來，我國積極調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，不斷推進經(jīng)濟增長方式由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，沿海各級地方政府嚴格落實節(jié)能減排政策。其中，COD是節(jié)能減排的目標污染物之一。另外，根據(jù)《2008年中國海洋環(huán)境質(zhì)量公報》，海水中主要污染物是無機氮、活性磷酸鹽和石油類。因此本文選取COD、無機氮和活性磷酸鹽作為流沙灣環(huán)境容量計算的污染因子，由于缺乏石油類污染源的調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，文中暫沒有考慮石油類的環(huán)境容量。

已有的研究表明，在中國近岸海域，陸源輸入是海域污染物的主要來源（孫丕喜等，2005；姜勝等，2006）。從文中環(huán)境容量的計算結(jié)果來看，以Ⅱ類國家海水水質(zhì)標準為目標，流沙灣對各種污染物的剩余環(huán)境容量較大，表明流沙灣海域海水COD和營養(yǎng)鹽含量較低，可以滿足相應(yīng)的水質(zhì)保護目標；從海域?qū)ΡＪ匚镔|(zhì)COD和非保守物質(zhì)營養(yǎng)鹽的交換率計算結(jié)果來看，海域的自凈能力較強，對污染物的交換率至少可以達到78%，而實測和模擬結(jié)果也表明，流沙灣潮差大、流速快，灣內(nèi)外水流交換通暢。因此，流沙灣COD和營養(yǎng)鹽的含量較低可以歸結(jié)為以下原因：其一，流沙灣周圍無大型河流輸入，地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展較為落后，無工業(yè)污染，生活污染排入較少；其二，流沙灣水動力條件較好，灣內(nèi)污染可以很快被帶到灣外稀釋擴散掉，有效降低了灣內(nèi)周邊居民生活排污和養(yǎng)殖活動帶來的污染；其三，流沙灣內(nèi)灣為大規(guī)模貝類養(yǎng)殖區(qū)，貝類養(yǎng)殖面積占總養(yǎng)殖面積的92%，且基本為無投餌養(yǎng)殖，大面積高密度的貝類養(yǎng)殖濾食了大量的浮游植物和有機顆粒，加速了浮游植物對營養(yǎng)鹽的吸收過程，同時產(chǎn)生顆粒生物沉降，促使營養(yǎng)鹽從水體向海底沉積物輸送，降低了水體中的營養(yǎng)負荷（Hatcher et al，1994）；其四，流沙灣灣內(nèi)存在著大面積的海草場，海草可作為飼料、肥料，又可入藥、編制工藝品，更重要的是它既可凈化水質(zhì)，吸收水中易導(dǎo)致赤潮的營養(yǎng)鹽、改善環(huán)境，又可固定泥沙，防止海岸線的侵蝕，因此，海草床生態(tài)系統(tǒng)對灣內(nèi)水質(zhì)的改善起到了重大作用。

根據(jù)本實驗室的調(diào)查結(jié)果，流沙灣海域無機氮和活性磷酸鹽的年平均值分別為5.2 μmol/L和0.3 μmol/L。而Justic等（1995）通過對營養(yǎng)鹽吸收動力學研究提出無機氮1.0 μmol/L、活性磷酸鹽0.1 μmol/L為浮游植物生長所需最低閾值。可見，流沙灣氮、磷營養(yǎng)鹽的絕對含量還是較低的。本實驗室謝群等在研究流沙灣海域表觀耗氧量和營養(yǎng)鹽相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)，流沙灣海域的營養(yǎng)鹽與表觀耗氧量的比值低于Redfield理論比值，流沙灣海域?qū)儇殸I養(yǎng)類型（謝群等，2012）；王大鵬等在研究流沙灣珍珠養(yǎng)殖區(qū)營養(yǎng)鹽的分布中發(fā)現(xiàn)，流沙灣珍珠養(yǎng)殖區(qū)（即內(nèi)灣）各季節(jié)無機氮的標準指數(shù)基本小于0.40，活性磷酸鹽的標準指數(shù)基本小于0.30，同樣也表明流沙灣的氮、磷營養(yǎng)鹽含量較低（王大鵬等，2010）。因此，可以認為，流沙灣海域水質(zhì)屬較貧營養(yǎng)類型。在不考慮養(yǎng)殖污染的情況下，無機氮的年排放量約為131 t；考慮養(yǎng)殖污染后，年排放量約為326 t，在增大排放量約1.5倍的情況下，海域的剩余環(huán)境容量和對無機氮的交換率變化均不大，表明海域?qū)o機氮等營養(yǎng)鹽的消耗很大。

從環(huán)境容量的角度看，流沙灣海域COD及氮、磷營養(yǎng)鹽的剩余環(huán)境容量均很大，這是環(huán)境管理者所希望達到的目標；而從海域使用功能來看，流沙灣海域水質(zhì)雖然能夠滿足增養(yǎng)殖區(qū)二類海水的水質(zhì)保護目標，但由于養(yǎng)殖品種單一，養(yǎng)殖對象主要為貝類，因此海域低含量的氮、磷營養(yǎng)鹽反而在一定程度上制約了流沙灣養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。由此可見，環(huán)境管理不僅要考慮環(huán)境容量，還應(yīng)結(jié)合具體海域使用特點進行合理規(guī)劃，以促進海域生態(tài)健康發(fā)展。

4 總結(jié)

本研究的水動力模型采用POM模型，將改進的干濕網(wǎng)格技術(shù)嵌于其中，通過坐標旋轉(zhuǎn)，合理劃分計算區(qū)域，成功模擬了流沙灣的潮汐潮流特征。模擬結(jié)果表明：流沙灣海域?qū)僬?guī)日潮，潮流運動是帶有旋轉(zhuǎn)流的往復(fù)流運動，主要呈西北—東南走向；漲潮歷時大于落潮歷時；落潮流速大于漲潮流速；一個全日潮潮周期的模擬較好地再現(xiàn)了流沙灣潮灘漲潮淹沒、落潮干出的干濕變化過程；余流較強，基本指向外港。整個流沙灣水動力條件好，水交換能力強。

在上述建立的流沙灣海域潮流模型的基礎(chǔ)上，采用垂向平均的水平二維對流擴散方程來模擬流沙灣污染物的濃度變化。水質(zhì)模型中考慮了水動力過程和生物降解對污染物的影響。濃度模擬結(jié)果與實測值吻合較好。以此模型為基礎(chǔ)，在Ⅱ類國家海水水質(zhì)標準的要求下，計算了流沙灣COD（保守物質(zhì)）和無機氮、活性磷酸鹽（非保守物質(zhì)）的環(huán)境容量。計算結(jié)果表明，目前整個流沙灣COD的環(huán)境容量約為906 t/a，海域?qū)OD的交換率達78%；無機氮的環(huán)境容量約為105 t/a，海域?qū)o機氮的交換率達97%；活性磷酸鹽的環(huán)境容量約為11 t/a，海域?qū)钚粤姿猁}的交換率達97%?？梢?，整個流沙灣海域水環(huán)境質(zhì)量很好，海水自凈能力強，對各種污染物的交換能力強。

水質(zhì)調(diào)查結(jié)果、水動力模擬結(jié)果和環(huán)境容量計算結(jié)果表明，流沙灣海域水質(zhì)屬較貧營養(yǎng)類型，雖然較大的剩余環(huán)境容量是我們所希望的，然而結(jié)合具體養(yǎng)殖對象看，流沙灣海域低含量的氮、磷營養(yǎng)鹽反而在一定程度上制約了流沙灣養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展。因此，環(huán)境管理不僅要考慮環(huán)境容量，還應(yīng)結(jié)合具體海域使用特點進行合理規(guī)劃，以促進海域生態(tài)健康發(fā)展。

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