顧 杰, 胡成飛, 李正堯, 匡翠萍, 張永豐

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秦皇島河流-海岸水動(dòng)力和水質(zhì)耦合模擬分析

顧 杰1, 胡成飛2, 李正堯3, 匡翠萍3, 張永豐4

(1. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306; 2. 浙江省水利河口研究所, 浙江杭州 310020; 3. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院水利工程系, 上海200092; 4. 河北省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心, 河北秦皇島 066002)

基于MIKE FLOOD建立秦皇島入海河流及其近岸海域一維、二維耦合河流-海岸水動(dòng)力和水質(zhì)模型, 研究了秦皇島海域和入海河流的水動(dòng)力和污染物分布規(guī)律。結(jié)果表明: (1)海域潮流為半日潮, 其中石河口南北支入海口流速變化過(guò)程差別較大, 但水位變化過(guò)程基本一致; (2)整體上河流入?？诨瘜W(xué)需氧量(COD)與流速呈正相關(guān)關(guān)系; (3)COD在近岸海域的擴(kuò)散方向與漲落潮潮流方向一致, 各入海河口海域落潮流期間的COD高于漲潮流。如上結(jié)論為赤潮爆發(fā)機(jī)理和應(yīng)急處置研究提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

秦皇島; 一二維耦合模型; 水動(dòng)力; 化學(xué)需氧量(COD)

秦皇島市是我國(guó)著名的濱海旅游勝地, 以豐富的海產(chǎn)養(yǎng)殖資源和獨(dú)特的區(qū)位優(yōu)勢(shì)逐漸成為京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)的重要部分[1]。然而近年來(lái)秦皇島近岸海域承受的環(huán)境壓力不斷加大, 入海污染物總量持續(xù)增加, 生態(tài)環(huán)境趨劣, 海洋赤潮等生態(tài)災(zāi)害頻發(fā)[2-3]。2009年秦皇島沿岸海域爆發(fā)大面積赤潮, 2010年秦皇島昌黎沿海海域發(fā)生大面積赤潮[4-6]。持續(xù)不斷地赤潮災(zāi)害對(duì)秦皇島海域生態(tài)平衡、水產(chǎn)資源等構(gòu)成了長(zhǎng)期潛在的危害, 同時(shí)給濱海旅游業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了極大威脅[7]。因此, 有效地控制污染物排?？偭? 是減少赤潮暴發(fā)、抑制海洋環(huán)境污染、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一、保證海洋生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種水域的水環(huán)境已做過(guò)大量研究。在水動(dòng)力方面, 陳景秋等[8]建立了重慶兩江匯流水動(dòng)力模型, 模擬分析了匯流比及濱江路建設(shè)對(duì)流場(chǎng)的影響。陳祖軍等[9]建立了長(zhǎng)江口水域三維非線性斜壓淺海與陸架模型能較好地反映了長(zhǎng)江口水域的三維水動(dòng)力狀況。李?等[10]開(kāi)發(fā)了潮汐河網(wǎng)水動(dòng)力模型, 模擬了珠江三角洲市橋河上雁洲水閘建閘前后不同調(diào)度方案對(duì)市橋河水動(dòng)力過(guò)程的影響。張?jiān)矫篮蛯O英蘭等[11]建立了渤海灣三維變動(dòng)邊界潮流模型, 分析了潮流場(chǎng)的時(shí)空分布特點(diǎn)。魏澤勛等[12]建立了海洋環(huán)流診斷模型來(lái)研究渤海夏季環(huán)流。Fossati等[13]建立了三維水動(dòng)力模型計(jì)算近岸海域復(fù)雜的環(huán)流模式。De Marchis等[14]建立了三維水動(dòng)力模型用以模擬Augusta灣的水動(dòng)力現(xiàn)狀。在水質(zhì)方面, 楊家寬等[15]利用WASP6水質(zhì)模型對(duì)漢江襄樊段水質(zhì)進(jìn)行模擬研究。Li等[16]采用模糊算法建立了二維模糊水質(zhì)模型, 并用其計(jì)算突發(fā)性污染事件。Tang等[17]基于MIKE 11建立了一維水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散模型, 用以計(jì)算南水北調(diào)工程的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。Bedri等[18]建立了三維水動(dòng)力和水質(zhì)模型, 用來(lái)研究電廠關(guān)閉后對(duì)都柏林灣浴場(chǎng)水質(zhì)的影響。Zhao等[19]建立了三維水動(dòng)力和水質(zhì)模型, 來(lái)模擬異龍湖水動(dòng)力、污染物擴(kuò)散和富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心[20]開(kāi)發(fā)了三維溢油漂移預(yù)測(cè)模型以模擬水下溢油三維運(yùn)動(dòng), 掌握溢油油污的軌跡及濃度分布等信息。

將一維模型與二維或三維模型耦合嵌套, 發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì), 來(lái)解決河流-海岸和河流-湖泊等地區(qū)水動(dòng)力或污染物擴(kuò)散問(wèn)題是必要和有意義的[21]?，F(xiàn)如今, 多維模型的耦合計(jì)算應(yīng)用越來(lái)越廣泛, 大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。徐祖信和尹海龍[22]構(gòu)建了平原感潮河網(wǎng)地區(qū)一維、二維水動(dòng)力耦合模型。盧吉和余錫平[23]建立了河流海岸綜合水動(dòng)力學(xué)模型, 將其應(yīng)用于研究長(zhǎng)江口及口內(nèi)感潮河道內(nèi)徑流與潮流的相互作用。王佳等[24]運(yùn)用一、二維耦合模型, 對(duì)開(kāi)鑿膠萊運(yùn)河改善渤海水質(zhì)的效果進(jìn)行了初步研究。Zhou等[25]耦合了珠江三角洲河網(wǎng)的一維水動(dòng)力、水質(zhì)模型和珠江三角洲河口的三維水動(dòng)力、水質(zhì)模型。Lai等[26]在耦合了一維非恒定流模型和二維水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上建立了耦合水動(dòng)力分析模型(CHAM), 研究了長(zhǎng)江流域的水動(dòng)力狀況。Chen等[27]基于MIKE FLOOD耦合了一維(MIKE 11)和二維(MIKE 21)水動(dòng)力及擴(kuò)散模型來(lái)模擬河流和沼澤的水文水質(zhì)狀況。本文基于秦皇島近岸海域的研究, 建立秦皇島河流-海岸一二維耦合水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型, 將入海河流-河口-近岸海域三者作為一個(gè)系統(tǒng)整體研究河口海岸地區(qū)水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散規(guī)律, 分析污染物從河流到海域的分布規(guī)律。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 區(qū)域概述

秦皇島市位于河北省東北部, 東與遼寧省接壤, 西與唐山市相鄰, 北鄰承德, 南瀕渤海。地處中緯度地帶, 屬暖溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)性氣候, 受我國(guó)東部沿海季風(fēng)環(huán)流的影響, 氣候四季分明, 氣溫年差較大, 年降水量多寡變化顯著。秦皇島市夏暖冬寒的氣候特征十分明顯, 年平均日照時(shí)間2 700~ 2 850 h; 年平均氣溫10.5~11.3℃[28]。秦皇島年平均降水量650~750 mm, 降水集中在7~9三個(gè)月, 占全年的70%~80%, 年平均蒸發(fā)量1 468.7 mm。

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

MIKE軟件包是由河口海岸與海洋模擬軟件、城市水模擬軟件和水資源綜合管理模擬軟件構(gòu)成。軟件包數(shù)學(xué)模型的科學(xué)性與合理性已得到世界公認(rèn), 在丹麥、希臘、印度及中國(guó)香港等國(guó)家和地區(qū)都得到了成功的應(yīng)用。本文利用MIKE FLOOD將秦皇島入海河流一維(MIKE 11)水動(dòng)力和水質(zhì)模型與秦皇島近岸海域二維(MIKE 21)水動(dòng)力和水質(zhì)模型進(jìn)行耦合, 發(fā)揮各自的計(jì)算優(yōu)勢(shì), 研究分析秦皇島“入海河流-河口-近岸海域”的水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散分布規(guī)律。

1.2.1 一維模型

MIKE 11模型主要應(yīng)用于河口、河流、灌溉系統(tǒng)和其他內(nèi)陸水域的水文學(xué)、水力學(xué)、水質(zhì)和泥沙輸運(yùn)模擬。

1.2.1.1 水動(dòng)力模型

應(yīng)用有限差分法求解一維Saint-Venant方程組來(lái)模擬河流水位和流量隨時(shí)間和一維空間的變化, 方程如下:

(2)

式中:表示河流斷面徑流量;表示沿水流方向的距離;表示時(shí)間;表示過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;表示旁側(cè)入流量; g表示重力加速度;表示水深;表示曼寧系數(shù);為過(guò)水?dāng)嗝娴乃Π霃?為動(dòng)量校正系數(shù)[29]。

1.2.1.2 水質(zhì)模型

一維水質(zhì)模型的輸運(yùn)過(guò)程主要表現(xiàn)為縱向擴(kuò)散作用。污染物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程主要由污染物質(zhì)自身特性決定, 包括化學(xué)和生化反應(yīng)等過(guò)程[30]。對(duì)流擴(kuò)散(AD)模塊使用隱式有限差分格式對(duì)一維對(duì)流擴(kuò)散方程進(jìn)行求解, 一維對(duì)流擴(kuò)散方程如下:

(3)

式中:表示物質(zhì)濃度;表示擴(kuò)散系數(shù);表示污染物線性衰減系數(shù);2表示污染物源/匯濃度。

1.2.2 二維模型

MIKE 21模型主要應(yīng)用于河流、湖泊、河口、海灣、海岸和海洋等水域的水流、波浪、泥沙及環(huán)境。

1.2.2.1 水動(dòng)力模型

在笛卡爾坐標(biāo)系下, 在Navier-Stokes方程的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)三維動(dòng)量方程和連續(xù)方程沿深度進(jìn)行積分, 得到二維淺水方程, 如下:

連續(xù)方程:

動(dòng)量方程:

(6)

式中:是源匯項(xiàng)流量;表示水位;=+,為總水深;為靜止水深;與表示和方向上的沿水深平均流速;為柯氏力系數(shù)(為地球自轉(zhuǎn)角速率,為地理緯度);為水體密度;sx和sy表示和方向上的風(fēng)應(yīng)力;bx和by表示和方向上的底部摩擦力; 側(cè)應(yīng)力包括黏性摩擦和紊動(dòng)摩擦等。通過(guò)對(duì)渦黏方程沿水深平均流速梯度方向計(jì)算如下(式中表示水平渦黏系數(shù)):

1.2.2.2 水質(zhì)模型

MIKE 21水質(zhì)模型是在對(duì)流擴(kuò)散計(jì)算的基礎(chǔ)上, 加載ECOLab模塊中的狀態(tài)變量變化過(guò)程。水質(zhì)模型基本控制方程如下:

式中p表示污染物的衰減率, 在本研究中, 化學(xué)需氧量(COD)的衰減變化方程與MIKE 11水質(zhì)模型中一致;C為水平擴(kuò)散項(xiàng):

(9)

式中h為水平擴(kuò)散系數(shù)。

1.2.3 一二維耦合模型

MIKE FLOOD是一個(gè)把一維模型和二維模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合的建模系統(tǒng)。利用這種耦合方式, 計(jì)算模型能夠拓展模擬的水環(huán)境規(guī)模, 發(fā)揮各模塊優(yōu)勢(shì)的同時(shí), 形成互補(bǔ)。在本研究中, 通過(guò)MIKE FLOOD的標(biāo)準(zhǔn)鏈接, 將MIKE 11一維河網(wǎng)模型與MIKE 21近岸海域二維模型進(jìn)行耦合, 進(jìn)而完整模擬秦皇島河流-海岸水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散過(guò)程。

在MIKE FLOOD標(biāo)準(zhǔn)鏈接中, MIKE 11和MIKE 21采用顯式連接進(jìn)行水動(dòng)力耦合計(jì)算。MIKE 11需要MIKE 21第+1步的計(jì)算水深作為其從步到+1步的水位邊界條件, 因此MIKE 21水動(dòng)力計(jì)算總是領(lǐng)先MIKE 11一步。水動(dòng)力耦合計(jì)算過(guò)程中, MIKE 11和MIKE 21的鏈接斷面被映射到MIKE 21中一個(gè)或多個(gè)單元, 其即作為MIKE 21計(jì)算的邊界條件。當(dāng)MIKE 21第+1步計(jì)算完成后, 返回其一個(gè)或多個(gè)單元的平均水位作為MIKE 11第+1步計(jì)算的水位邊界條件。如此反復(fù), 完成一、二維水動(dòng)力耦合計(jì)算。

在污染物擴(kuò)散模型計(jì)算中, 連接處污染物的濃度計(jì)算取決于MIKE 11和MIKE 21(式中分別簡(jiǎn)寫(xiě)M11、M21)間的水流方向。當(dāng)水流從MIKE 11流向MIKE 21時(shí), 污染物作為MIKE 21的源輸入:

當(dāng)水流從MIKE 21流向MIKE 11時(shí), MIKE 21中擴(kuò)散方程修正為:

(11)

1.2.4 模型范圍和計(jì)算網(wǎng)格

秦皇島近岸海域數(shù)學(xué)模型研究范圍北起石河口以北約20 km處, 南至灤河口以南約17 km處, 陸域岸線約197 km, 外海延伸至離岸約50 km的海域。模型包含秦皇島9大主要入海河口和10條入海河流(湯河和小湯河均由湯河口入海), 沿岸線從北向南河口依次為: 石河口、湯河口、新河口、戴河口、洋河口、人造河口、東沙河口、大蒲河口和灤河口。各條河流的研究范圍為其潮流界上游至入海河口。計(jì)算網(wǎng)格為無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格(如圖1所示), 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共計(jì)2 942個(gè), 三角形單元共計(jì)5 418個(gè)。網(wǎng)格分辨率按研究需求進(jìn)行控制, 河口海岸地區(qū)網(wǎng)格較密, 分辨率可達(dá)15 m, 外海網(wǎng)格較為稀疏, 邊界處分辨率約為6 600 m。

1.2.5 邊界條件、初始條件和參數(shù)設(shè)置

1.2.5.1 邊界條件、初始條件

秦皇島河流-海岸一二維耦合水動(dòng)力和水質(zhì)數(shù)學(xué)模型共有10個(gè)入海河流上游開(kāi)邊界和3個(gè)外海開(kāi)邊界。入海河流上游開(kāi)邊界由河流實(shí)測(cè)流量和COD過(guò)程控制。水質(zhì)模型COD初始0取各河流6月實(shí)測(cè)平均值, 為56~84 mg/L。3個(gè)外海開(kāi)邊界水動(dòng)力設(shè)定采用流速和水位條件控制其潮位和流速過(guò)程由渤海潮流模型(邊界為大連到煙臺(tái))[3]提供。污染物設(shè)定由本底污染物濃度控制, 模型初始COD設(shè)為本底值1.3 mg/L, 外海SW和SE邊界COD取1.2 mg/L, NE邊界COD取1.3 mg/L。

1.2.5.2 相關(guān)參數(shù)設(shè)置

計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)變化范圍為0.001~2 s。河道內(nèi), 曼寧系數(shù)由河流底床泥沙粒徑和水深綜合確定, 取0.02~0.05 s/m1/3; 擴(kuò)散系數(shù)、COD在20℃時(shí)的降解系數(shù)20和COD的Arrhenius溫度系數(shù)COD通過(guò)水質(zhì)模型率定, 分別取10~100 m2/s, 0.05~0.4 d–1和1.02。近岸海域內(nèi), 曼寧系數(shù)由該海域海床泥沙中值粒徑和水深綜合確定, 取平均值74 m1/3/s。h通過(guò)污染物擴(kuò)散模型率定, 取常值120 m2/s。20為0.001~0.038 4 d–1,COD通過(guò)模型率定取1.02。

1.3 模型驗(yàn)證

選擇有實(shí)測(cè)資料的時(shí)段(即赤潮高發(fā)期夏季)分別進(jìn)行水動(dòng)力及水質(zhì)驗(yàn)證。實(shí)測(cè)水文資料包括2013年5月大小潮潮位、流速和流向, COD采用由河北省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供的8月秦皇島近岸海域水質(zhì)站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。水動(dòng)力及水質(zhì)測(cè)站站點(diǎn)位置如圖2、圖3所示。數(shù)學(xué)模型的計(jì)算時(shí)間為2013年5月1日至8月31日, 選擇與實(shí)測(cè)資料相同時(shí)間段的計(jì)算值與對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值比較來(lái)驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型。

1.3.1 水動(dòng)力模型驗(yàn)證

1.3.1.1 潮位驗(yàn)證

水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型大小潮潮位驗(yàn)證如圖4所示, 驗(yàn)證點(diǎn)位置如圖2所示。潮位計(jì)算值在相位和趨勢(shì)上與實(shí)測(cè)值基本吻合, 潮位大小略有偏差, 主要是由于秦皇島潮位站位置靠近海岸線, 近岸海域地形復(fù)雜, 且站點(diǎn)處于無(wú)潮點(diǎn)影響范圍內(nèi), 潮波變形較大等原因。

1.3.1.2 潮流驗(yàn)證

水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型大小潮流速流向驗(yàn)證如圖5、圖6所示, 典型站點(diǎn)SDL08驗(yàn)證點(diǎn)位置如圖2所示。模型在大小潮期間的漲落潮流速和流向過(guò)程的計(jì)算值在相位和數(shù)值上與實(shí)測(cè)值均較為吻合, 計(jì)算流速和流向在數(shù)值上與實(shí)測(cè)值存在一定誤差, 這主要是由于水動(dòng)力模型中部分物理參數(shù)采用了平均值, 且秦皇島近岸海域位于渤海無(wú)潮點(diǎn)附近, 潮波變化復(fù)雜。總體上, 水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型較好地模擬了秦皇島近岸海域水動(dòng)力變化特征。

1.3.2 污染物輸移模型驗(yàn)證

入海河流污染輸入是近岸海域的主要污染源, 因此需對(duì)秦皇島河流-海岸一二維耦合數(shù)學(xué)模型中的近岸海域污染物擴(kuò)散模型進(jìn)行驗(yàn)證。COD驗(yàn)證如圖7所示, COD計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差小于20%的站點(diǎn)占總數(shù)的100%, 相對(duì)誤差小于10%的站點(diǎn)達(dá)到站點(diǎn)總數(shù)的67.9%, 模型總體驗(yàn)證良好, 能較好地模擬了秦皇島近岸海域污染物擴(kuò)散分布特征。

本文采用百分比偏差(PBIAS, 式中用指代)對(duì)秦皇島河流-海岸一二維耦合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中是實(shí)測(cè)值;是計(jì)算值;是實(shí)測(cè)值個(gè)數(shù)。當(dāng)<10時(shí), 模型效率評(píng)價(jià)為極好; 當(dāng)10≤<20時(shí), 模型效率評(píng)價(jià)為很好; 當(dāng) 20≤<40時(shí), 模型效率評(píng)價(jià)為好; 當(dāng)≥40時(shí), 模型效率評(píng)價(jià)為差[31]。計(jì)算可得=2.30~38.57, 評(píng)價(jià)為極好~好。整體上, 秦皇島河流-海岸一二維耦合數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證良好, 可反映秦皇島河流-海岸水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散分布特征。

圖7 近岸海域COD驗(yàn)證

Fig. 7 Verification of chemical oxygen demand (COD) in coastal waters

2 模擬結(jié)果分析

河流-海岸地區(qū)的水動(dòng)力和污染物輸運(yùn)規(guī)律在河流上游以河流特性為主, 口外海濱以海洋特性為主, 河口段則受河流和海洋特性強(qiáng)弱交替的相互作用, 有其獨(dú)特的性質(zhì)。選取2013年8月18~19日大潮期間分析秦皇島河流-海岸地區(qū)污染物擴(kuò)散分布特征。

2.1 入海河流污染物分布規(guī)律

石河口三角洲將石河入?？诜譃槟媳眱芍牒? 具有獨(dú)特的動(dòng)力和污染物擴(kuò)散分布特性, 選取石河為代表河流, 研究秦皇島入海河流的污染物分布規(guī)律。石河入?？贜1(北支, 距分流點(diǎn)600 m)和S1(南支, 距分流點(diǎn)500 m)點(diǎn)處的水位、流速和COD分別如圖8和圖9所示, 其中流向從上游指向下游為正。從水位、流速過(guò)程曲線可以看出, 石河北支入?？谠?013年8月18日02: 00~12: 00為漲潮落潮流, 12: 00~17: 00為漲潮漲潮流, 17: 00~18: 00為落潮漲潮流, 00: 00~ 02: 00和18: 00~23: 00為落潮落潮流; 南支入?？谠?013年8月18日02: 00~07: 00和11: 00~ 17: 00為漲潮落潮流, 07: 00~11: 00為漲潮漲潮流, 00: 00~02: 00和17: 00~23: 00為落潮落潮流, 無(wú)落潮漲潮流階段。南北支入?？谒蛔兓^(guò)程基本一致, 而流速變化過(guò)程差別較大, 這主要受石河徑流量在南北支入?？诘姆至鞅?、南北支入?？诩{潮量及其斷面地形等因素影響。南、北支入海口流速在8月18日均經(jīng)歷了2次增減變化, 并且海域的潮流判別系數(shù)小于0.5, 為半日潮。無(wú)論在南支還是北支, 在8月18日大潮期間漲潮漲潮流和落潮漲潮流的歷時(shí)之和均小于漲潮落潮流和落潮落潮流的歷時(shí)之和, 南支入海口甚至無(wú)落潮漲潮流階段, 說(shuō)明石河口為弱潮性河口, 徑流占主導(dǎo)作用。

從COD過(guò)程曲線可以看出, 整體上南北支入海口COD變化過(guò)程隨流速變化而變化, 流向指向入?？跁r(shí), 南北支入?？贑OD與流速大小呈正相關(guān)關(guān)系, 流速增大, COD增大, 流速減小, 單位時(shí)間里河流COD入海通量相對(duì)減小, 導(dǎo)致COD減小; 流向從入?？谥赶蛏嫌螘r(shí), 南北支入?？贑OD受海水的影響較大, 均呈下降趨勢(shì)。

2013年8月18日高低潮位時(shí)刻, 石河COD分布如圖10所示, 其中軸坐標(biāo)零點(diǎn)為河口口門(mén), 指向河流上游為正。在潮流界下游, COD受海水影響顯著下降, 且潮流界在高潮位時(shí)距入?？谳^低潮位時(shí)刻更遠(yuǎn)。高潮位時(shí)刻, 從石河入?？诜至鼽c(diǎn)到近岸海域, 南支COD呈下降趨勢(shì), 北支COD則呈先下降后上升趨勢(shì)。低潮位時(shí)刻, 從分流點(diǎn)到近岸海域, 南北支入?？贑OD均呈下降趨勢(shì), 且北支COD高于南支COD。

秦皇島近岸海域COD分布如圖11所示, 漲落潮典型時(shí)刻的選取與上節(jié)一致。秦皇島近岸海域潮流總體特征為順岸往復(fù)流?？傮w上, 各入海河口海域落潮流期間COD高于漲潮流, COD在近岸海域的擴(kuò)散方向與漲落潮潮流方向一致。河口海域COD受徑流和潮流的共同作用, 在漲急至落急期間, 近岸海域COD逐漸增大, 這是由于秦皇島近岸海域潮流較弱, 多數(shù)入海河流在漲急至漲憩期間, 河流指向近岸海域, 且隨著漲潮流流速的減小, 河流入海流速逐漸增大, 從而導(dǎo)致近岸海域COD亦逐漸增大。同理在落急至漲急期間, 隨著落潮流流速的減小和漲潮流增強(qiáng), 河流入海流速亦逐漸減小, 從而導(dǎo)致近岸海域COD略有降低。

石河口與洋河口海域轉(zhuǎn)流時(shí)間不同步, 石河口附近海域在相位上領(lǐng)先洋河口附近海域。在洋河口海域落憩時(shí)刻, 石河口海域已為漲潮階段, 海域COD相對(duì)較小。對(duì)于石河口海域, 除漲急時(shí)刻外, 其余典型時(shí)刻, 北支入?？诤Ｓ駽OD均高于南支入?？诤Ｓ驖舛?。

3 結(jié)論

1) 海域潮流為半日潮, 整個(gè)海域轉(zhuǎn)流時(shí)間略微有差異。其中石河有南、北二個(gè)分支入海, 受南、北支分流比、南北支入?？诩{潮量及其斷面地形等因素的影響, 南、北支的入海口流速變化過(guò)程差別較大, 但水位變化過(guò)程基本一致, 由海域潮汐決定。

2) 整體上河流入?？诨瘜W(xué)需氧量(COD)與流速呈正相關(guān)關(guān)系。高潮位時(shí)刻, 從石河入?？诜至鼽c(diǎn)到近岸海域, 南支COD呈下降趨勢(shì), 而北支COD則呈先下降后上升趨勢(shì)。低潮位時(shí)刻, 從分流點(diǎn)到近岸海域, 南、北支入?？贑OD均呈下降趨勢(shì), 且北支COD高于南支。

3) COD在近岸海域的擴(kuò)散方向與漲落潮流流向一致。各入海河口海域落潮流期間COD高于漲潮流期間。漲急至落急期間, 近岸海域COD逐漸增大, 而落急至漲急期間則略有降低。

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Coupling simulation and analysis of hydrodynamics and water quality in Qinhuangdao rivers and coastal waters

GU Jie1, HU Cheng-fei2, LI Zheng-yao3, KUANG Cui-ping3, ZHANG Yong-feng4

(1. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary, Hangzhou 310020, China; 3. Department of Hydraulic Engineering, College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 4. Marine Environment Monitoring Center of Hebei, Qinhuangdao 066002, China)

By coupling a one-dimensional model of river with a two-dimensional model for coastal waters in Qinhuangdao, a model of hydrodynamics and water quality was established based on the MIKE FLOOD. The characteristics of flow currents and distribution of pollutants in Qinhuangdao estuaries and coastal waters were subsequently analyzed. Numerical results show that 1) the tidal current in coastal water is semidiurnal, and although there is considerable change in the current speeds of the north and south branches of the Shihe River estuary, the water level is basically the same. 2) There is a positive correlation between chemical oxygen demand (COD) concentrations and current speeds in Qinhuangdao estuaries. 3)The direction of COD transport in coastal waters corresponds to the direction of the tidal current, and the COD concentration is higher in the ebb period than that in the flood period. The above results provide a scientific basis and technical support for research into the red-tide outbreak mechanism and emergency treatment thereof.

Qinhuangdao; one- and two-dimensional coupled model; hydrodynamics; chemical oxygen demand

X55

A

1000-3096(2017)02-0001-11

10.11759/hykx20160815001

2016-08-15;

2016-12-12

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201305003-5)

顧杰(1961-), 男, 江蘇興化人, 教授, 博士, 主要研究環(huán)境水力學(xué)和海岸工程等, 電話: 15692166507, E-mail: jgu@shou.edu.cn;李正堯, 通信作者, 碩士研究生, 主要研究河口、海岸及近海工程, lemon_yao@yahoo.com

Aug. 15, 2016

[Special Scientific Research of Marine Public Welfare Industry, No. 201305003-5]

(本文編輯: 劉珊珊)