張亞

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，沿海地區(qū)污水排放量增加，近岸海水水質(zhì)污染日趨嚴重，需要更合理的排放方式以最大限度利地用水體的環(huán)境容量。本文運用環(huán)境動力學(xué)模型EFDC模擬唐島灣污水排海及污染物擴散過程，結(jié)合實際情況，對灣內(nèi)排污口進行位置調(diào)整后得出優(yōu)化方案。通過前后兩種方案污染物擴散過程的對比，確定了優(yōu)化方案具有更高的擴散效率，為排?？谖恢眉芭欧拍Ｊ降倪x擇提供參考。

關(guān)鍵詞：唐島灣 EFDC 污水排放

中圖分類號：X143 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（b）-0079-04

人類活動對海洋尤其是近岸海灣地區(qū)造成了越來越嚴重的影響，由于這一領(lǐng)域相對缺乏科學(xué)技術(shù)方法的支持，使得相應(yīng)的管理手段產(chǎn)生的效果未能達到預(yù)期。預(yù)防環(huán)境污染比治理污染更為重要，沿海城市建設(shè)發(fā)展帶來的污染物排放是一個不容忽視的事實。近年來污水排放的數(shù)量以及污染物的種類都呈顯著增加趨勢。在客觀上，對于污水排放以及對近海區(qū)域的環(huán)境污染必須進行科學(xué)的規(guī)范和指引，從而使其對環(huán)境的影響降低至環(huán)境可承受范圍之內(nèi)，達到經(jīng)濟和環(huán)保雙贏的目的。

EFDC（Environmental Fluid Dynamics Code）環(huán)境流體動力學(xué)模型最早由美國佛吉尼亞海洋科學(xué)研究所基于Fortran語言編制而成。這年來，國內(nèi)關(guān)于EFDC模型對水質(zhì)的研究正逐漸發(fā)展，EFDC模型被大量應(yīng)用到水環(huán)境二維、三維模擬研究中。由于EFDC具有功能齊全、代碼開源、操作靈活等優(yōu)點，越來越為環(huán)境工作者青睞，已經(jīng)成為水動力和水質(zhì)研究領(lǐng)域的權(quán)威性軟件，所以在本研究中選用EFDC模型對唐島灣水體中的污染物擴散過程進行模擬和預(yù)測。

1 唐島灣地理資料及排污口布置

唐島灣位于海西半島西南岸，為倒“U”型構(gòu)造原生海灣，三面環(huán)山，東和北部為薛家島，西接膠南的靈山衛(wèi)鎮(zhèn)，南與黃海靈山灣相接。海灣開口西南方向，東起薛家島的魚鳴嘴，西至靈山衛(wèi)鎮(zhèn)的炮臺嘴，開口寬2.5km左右，總面積約17km2。潮汐類型屬于正規(guī)半日潮，平均潮差2.59m，最大潮差4.57m。潮流速度約60cm/s，東南向為強浪向。海灣中間有一寬約200m，長約5km的狹長潮汐通道，其水深最深處有10m左右，淺處約4m，牛島附近等深線5m左右。由于唐島和遠處靈山島的遮掩，灣內(nèi)波高較低，當(dāng)風(fēng)力達到7級時，灣內(nèi)波高不超過1.2m，目前入灣的集中排污口如圖1所示。

2 模型的建立

2.1 網(wǎng)格劃分

考慮灣內(nèi)水深較淺，沒有垂向分層，建立垂向平均的平面二維網(wǎng)格，開邊界取在唐島灣外側(cè)水域。為擬合不規(guī)則岸線，應(yīng)用曲線正交網(wǎng)格對灣內(nèi)水域進行剖分，得到如圖2所示的網(wǎng)格劃分圖。

2.2 邊界條件

唐島灣灣內(nèi)潮汐類型為正規(guī)半日潮，因此開邊界水位條件可采用公式（1）所示調(diào)和方程：

（1）

上式中：為水位，單位m；t為時間，單位s；為M2分潮的圓頻率；為M2分潮的調(diào)和常數(shù)。不考慮波浪影響，其他為固壁邊界，因退潮時會露灘，設(shè)置了干濕網(wǎng)格判斷。

唐島灣沿岸初步估計共分布有大大小小十多個排污口，為了方便模擬，小排量排污口不加以考慮，對位置鄰近的排污口進行合并后共得到如圖1所示的6個排污口。各排污口流量信息見表1。

為了使模擬過程簡化，取COD為單獨指標，只考慮一級降解，取降解系數(shù)k為常數(shù)。COD濃度變化式：

（2）

其中：kc為COD的降解系數(shù)，d-1；c0為初始時刻COD的濃度，mg/L；ct為污染物在t時刻的濃度，mg/L；t為作用時間，d[6]。

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 流場模擬結(jié)果

圖3所示為漲潮流場。從灣口流入的潮流繞過唐島后直接流入灣內(nèi)。到達灣中心后，繞過牛島并最終抵達灣頂。從圖3中可以看出，灣頂?shù)牧鲌鰩缀醪皇苋霝吵绷鞯挠绊?，灣頂水體與外界交換作用緩慢。圖4為唐島灣落潮流場。由圖4可知，在落潮情況下，灣頂水域仍然受到很小影響，主要活動區(qū)域位于灣口水域，這是由于唐島灣的狹長地形所致。

2.3.2 排污口位置的優(yōu)選

對唐島灣污水排放口優(yōu)選的原則是：在最短的時間內(nèi)，使污水得到外輸和稀釋降解。根據(jù)流場情況分析排污口的布置可知存在選址不當(dāng)，比如1、3號排污口，這些排污口所處位置流場強度較小，不便于污水的擴散，尤其是1號排污口位于岸邊的凹陷區(qū)域，3號排污口位于灣頂處潮流最小的區(qū)域。通過改變1、3號排放點的位置，模擬其擴散效果，進行排污口位置的優(yōu)選。

（1）1號排污口的優(yōu)化。

1號點的原始地理位置十分不利于污水的擴散，為了取得更為理想的排污效果，可將其從凹口內(nèi)移出。

圖5和圖6為1號點位于凹口內(nèi)以及移出后在相同排量下進行排放2天后的擴散圖。從這兩個圖中可以看出移出凹口后，污水可以更快地擴散到灣口，從而起到更好的凈化效果。

（2）3號排污口的優(yōu)化。

3號排污口位于灣內(nèi)最頂部。其地理位置使得經(jīng)此處排出的污水很難通過灣內(nèi)的流場排出灣口，即使采用離岸排污，所取得的效果也十分有限，而且也不經(jīng)濟。對于這種情況，只能適當(dāng)?shù)馗淖冄匕杜欧诺攸c，盡可能利用到潮流作用。

圖7、圖8所示為3號排污口原始位置以及沿岸向西移1000m之后6天擴散情況。從這兩個圖中可以看出，對于灣頂?shù)呐盼劭?，?jīng)過移動后，可以開始有效地利用潮流向灣外輸移。相對于灣頂排污導(dǎo)致污染物大量聚集在灣頂海域，移動排污口后灣頂受到的影響顯著較小。尤其是對于難降解的物質(zhì)，通過這種調(diào)整可以很好地避免其在灣內(nèi)長期聚集。

（3）優(yōu)化后的排污擴散對比。

綜合到實際地理因素和經(jīng)濟情況，對6個排污口可做以下調(diào)整：1號點從凹口內(nèi)移出，3號點由灣頂沿岸外移一段距離；其他排污口基本不變。最終各排污口重建位置如圖9所示。

在排放量不變的條件下，進行了兩種排污方案的對比，圖10～圖13分別是優(yōu)化后與原始排污方案下3、12天灣內(nèi)污水?dāng)U散情況。對比后可看出，優(yōu)化后方案比原始方案更有效率。

3 結(jié)論

本文研究對象為山東省青島市黃島開發(fā)區(qū)唐島灣，應(yīng)用EFDC水質(zhì)模型對污水在灣內(nèi)擴散過程進行模擬，并對排污口進行優(yōu)化。

（1）對灣內(nèi)流場分析可知灣口處流速最大，灣內(nèi)流速小于灣口處，流速隨著流場的傳播有逐漸降低的趨勢。其中潮流流向與唐島灣走向基本一致，具有一般半封閉海灣流場特征。

（2）污水在灣內(nèi)的擴散過程歸根到底是受到灣內(nèi)潮汐動力的影響。當(dāng)漲急時候，海水從灣口大量涌入，污染物在隨著潮流向灣內(nèi)流動的同時也得到了很好的稀釋；當(dāng)落急時候，污染物隨著潮流向灣口方向流動，灣口附近的污染物被迅速帶出海灣，可以通過調(diào)整排污口位置來使污水更好的利用灣內(nèi)潮流進行擴散稀釋。

（3）結(jié)合實際情況，對灣內(nèi)排污口進行位置調(diào)整后得出優(yōu)化方案。通過前后兩種方案污染物擴散過程地對比，確定了優(yōu)化方案具有更高的擴散效率。

參考文獻

[1] Wu G， Xu Z. Prediction of algal blooming using EFDC model： Case study in the Daoxiang Lake[J]. Ecological Modelling，2011，222（6）：1245-1252.

[2] 龔艷君.威海灣污染物擴散數(shù)值模擬與環(huán)境容量研究 [D].中國海洋大學(xué)，2008.

[3] 王翠，孫英蘭，張學(xué)慶.基于EFDC模型的膠州灣三維潮流數(shù)值模擬[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，38

（5）：833-840.

[4] 樸香花，周集體，張玉，等.藻類在大連灣的水環(huán)境行為數(shù)值模擬研究[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2007，25（4）：52-54.

[5] 國峰，張海平，李陽，等.金山污水排海對納污海域水質(zhì)影響的數(shù)學(xué)模擬[J].海洋學(xué)研究，2008，25（4）：81-85.

[6] Ji Z G.Hydrodynamics and water quality：modeling rivers， lakes， and estuaries[M]. John Wiley & Sons， 2008.

[7] 張曦，夏星輝，楊志峰.水體中有機污染物自然降解研究進展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2004，27（B8）：136-139.

[8] 劉夏明，李俊清，豆小敏，等.EFDC模型在河口水環(huán)境模擬中的應(yīng)用及進展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，34（6）： 136-140.