摘要:基于MIKE3三維數(shù)值模型，本文將水動(dòng)力模塊與水質(zhì)模塊耦合，模擬了遼東灣海域無機(jī)氮DIN的濃度分布，并探討了遼河徑流變化對(duì)無機(jī)氮濃度分布的影響。模擬結(jié)果表明:遼東灣無機(jī)氮DIN經(jīng)歷了秋、冬季積累，春、夏季消耗的過程，濃度從東北至西南方向呈遞減趨勢，東北區(qū)域遼河口和大遼河口處為無機(jī)氮高濃度區(qū);在河流輸入無機(jī)氮濃度不變的情況下，遼河強(qiáng)水動(dòng)力條件會(huì)使整個(gè)灣內(nèi)污染物濃度增加，加劇水體污染，弱水動(dòng)力條件在一定程度上可以改善海域水質(zhì)狀況。

　　關(guān)鍵詞:遼東灣;無機(jī)氮(DIN);濃度;徑流

　　渤海，地處太平洋西部，通過渤海海峽與黃海相連，是中國最大的內(nèi)海。遼東灣位于渤海東北部，西起六股河口，東至遼東半島西側(cè)長興島，海域面積約1.4萬km2，平均水深只有20m，其三面環(huán)陸，一面臨海，屬于半封閉式海灣[1-2]。作為渤海重要的三大海灣之一，由于其獨(dú)特的地理位置和持續(xù)增長的環(huán)境問題，遼東灣已引起了很多海洋學(xué)者的研究興趣。

　　近年來，隨著沿海城市的快速發(fā)展，排入海中的陸源污染物不斷增加，其中大量的污染物質(zhì)來自入海河流的輸入，使得遼東灣地區(qū)的海洋環(huán)境污染加劇[3]。目前，遼東灣的污染程度已嚴(yán)重影響了周圍地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)該海域污染物輸移規(guī)律進(jìn)行研究，可為海洋環(huán)境治理提供一定的參考依據(jù)。在污染物輸運(yùn)數(shù)值模擬方面，許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。

　　張學(xué)慶[4]等建立三維污染物平流—擴(kuò)散模型，模擬了膠州灣污染物濃度分布。RuiLiu[5]等基于水齡概念，應(yīng)用FVCOM數(shù)值模型研究了水動(dòng)力因素對(duì)輸運(yùn)過程的影響。顧杰[6]等通過建立潮流、污染物輸運(yùn)數(shù)學(xué)模型，模擬了洪枯季曹妃甸海域化學(xué)需氧量變化規(guī)律。王昆[7]等應(yīng)用POM數(shù)值模型對(duì)遼東灣海域污染物時(shí)空分布進(jìn)行了模擬。

　　李明昌[8]將海域生態(tài)模型(ODEM模型)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型理論相結(jié)合建立了海域內(nèi)部污染物濃度和模型參數(shù)之間的關(guān)系。李曰嵩[9]等利用FVCOM水質(zhì)模型模擬了上海市四大排污口的污染物質(zhì)在長江口的擴(kuò)散分布。本文基于MIKE3數(shù)值模型對(duì)遼東灣海域水動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上耦合ECOLab水質(zhì)模塊模擬遼東灣無機(jī)氮濃度分布特征，并重點(diǎn)分析遼河口徑流對(duì)遼東灣水質(zhì)的影響。

　　1材料與方法

　　1.1模型簡介

　　本文采用由丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)開發(fā)的三維數(shù)值模型MIKE3中的水動(dòng)力模塊和ECOLab水質(zhì)模塊建立潮流、污染物輸運(yùn)數(shù)學(xué)模型。水動(dòng)力模塊是整個(gè)MIKE3FlowModel的計(jì)算基礎(chǔ)，該模塊從三維不可壓縮的雷諾平均的Navier-Stokes方程出發(fā)，采用流體靜力學(xué)和Boussinesq近似假定，包含連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、溫度方程、鹽度方程和密度方程[10]。該模塊采用單元中心有限體積法和非重疊的三角形網(wǎng)格，能較好地進(jìn)行對(duì)海域復(fù)雜地形的模擬計(jì)算。ECOLab水質(zhì)模塊與對(duì)流、擴(kuò)散模塊相結(jié)合描述污染物的輸運(yùn)過程。

　　1.2模型設(shè)置

　　為了準(zhǔn)確得到遼東灣開邊界處的潮位、溫度和鹽度，采用大、小模型嵌套的模擬方法。大尺度模型包含整個(gè)渤海及部分黃海區(qū)域，范圍大致為117.5°E～122.5°E、37°N～41°N。計(jì)算區(qū)域三角形網(wǎng)格總數(shù)為5806，節(jié)點(diǎn)數(shù)為3137，垂向均分為10個(gè)sigma層，模型計(jì)算網(wǎng)格、研究區(qū)域及測站分布。小尺度模型計(jì)算范圍大致為120.3°E～122.5°E、39.9°N～41°N，計(jì)算區(qū)域三角形網(wǎng)格總數(shù)為2856，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1536，在固邊界處進(jìn)行局部加密以更好地?cái)M合復(fù)雜的地形岸線條件。

　　1.3模型驗(yàn)證結(jié)果

　　1.3.1水動(dòng)力驗(yàn)證結(jié)果

　　選取2009年8月的模擬結(jié)果，與9個(gè)代表性潮位測站的潮汐表值和4個(gè)代表性潮流測站的實(shí)測資料進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的有效性。總體來看，模型能準(zhǔn)確地反映大模型的水動(dòng)力特性，可用于為小模型的數(shù)值計(jì)算提供水動(dòng)力邊界條件。

　　1.3.2溫度、鹽度驗(yàn)證結(jié)果

　　總體來看:模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)[16]吻合較好，且隨時(shí)間變化趨勢基本一致;表層溫度隨季節(jié)變化顯著，且驗(yàn)證效果較表層鹽度好;鹽度隨季節(jié)變化較小，7月、8月受到徑流和降水影響鹽度降低，之后鹽度又逐漸升高。從表層溫度分布圖可以看出:渤海海域冬季呈三灣(渤海灣、遼東灣和萊州灣)溫度低于中部海域的分布特點(diǎn)，最低溫度出現(xiàn)在遼東灣地區(qū);夏季分布特點(diǎn)為三灣溫度高于中部海域。從表層鹽度分布圖可以看出:冬季鹽度與夏季鹽度差別不大，夏季鹽度稍低于冬季鹽度，導(dǎo)致以上現(xiàn)象的原因主要是夏季降水增多、入海河流徑流增大;受黃河徑流影響，萊州灣鹽度處于最低水平。總體來看，模型模擬結(jié)果與實(shí)際觀測結(jié)果基本一致[17]。

　　2結(jié)果與討論

　　為研究徑流量變化對(duì)遼東灣水質(zhì)的影響，在計(jì)算參數(shù)不變的條件下改變遼河徑流數(shù)據(jù)，分析不同徑流下表層無機(jī)氮濃度的分布特征。流量數(shù)據(jù)采用2009年流量、洪水年流量和枯水年流量[18]，遼東灣DIN濃度在空間上呈現(xiàn)從東北處至西南處遞減、遼河口和大遼河口周圍有濃度高值區(qū)的分布特征，海域水質(zhì)狀況較好，無機(jī)氮濃度低于河口周圍無機(jī)氮濃度;在時(shí)間上秋季和冬季DIN濃度較高，冬季達(dá)到最大值，春季和夏季DIN濃度較低，且夏季達(dá)到最低值，即經(jīng)歷了春夏季消耗、秋冬季積累的過程。導(dǎo)致以上空間分布特征的原因是模型中主要考慮4條河流的DIN輸入，且絕大部分通過遼河和大遼河排放，海域處潮汐運(yùn)動(dòng)劇烈、水體交換能力較強(qiáng)，有較強(qiáng)的凈化能力。

　　導(dǎo)致以上時(shí)間分布特征原因是秋季以后，海水溫度和光強(qiáng)逐漸降低，限制浮游植物和細(xì)菌生長，有利于DIN積累，冬季過后，太陽輻射增強(qiáng)、氣溫回升，有利于浮游植物和細(xì)菌生長，使得冬季積累的DIN被大量消耗。

　　此外，相比于2月、5月和10月，8月份遼河口周圍無機(jī)氮濃度較海域處無機(jī)氮濃度增加明顯，水質(zhì)受到的影響較海域處大，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是8月份徑流增大促進(jìn)淡水鋒面向外海擴(kuò)展，鋒面形成后，在沒有外力的情況下，跨鋒面方向的海水運(yùn)動(dòng)遵循雙圈環(huán)流軌跡而無穿越鋒面的凈通量存在，阻礙無機(jī)氮向外海擴(kuò)散。當(dāng)遼河水動(dòng)力較強(qiáng)時(shí)，遼東灣超出二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(0.3mg/L)的區(qū)域增大。因此，保持無機(jī)氮濃度不變的情況下，增大遼河徑流量會(huì)使遼東灣海域的水質(zhì)下降，加劇環(huán)境污染。

　　由于遼河徑流明顯減少，遼河輸入遼東灣無機(jī)氮總量減少，整體上2月、5月、8月和10月4個(gè)月份無機(jī)氮濃度有所降低。由于河流徑流減少引起淡水鋒面的削弱有利于無機(jī)氮向海中擴(kuò)散，遼河口附近DNI濃度降低較海域明顯。當(dāng)遼河水動(dòng)力較弱時(shí)，遼東灣超出二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(0.3mg/L)的區(qū)域減小。因此，保持無機(jī)氮濃度不變的情況下，遼河徑流量減少，一定程度上會(huì)改善遼東灣海域的水質(zhì)狀況，減小環(huán)境污染。

　　3結(jié)論

　　(1)遼東灣無機(jī)氮濃度在空間上呈河口處高、外海低，由東北向西南方向遞減的分布特征;在時(shí)間上呈秋、冬季高于春、夏季的分布趨勢。

　　(2)在相同無機(jī)氮濃度下，遼河口徑流量增大，河流入海污染物增多，整體上遼東灣無機(jī)氮濃度增加，與海域相比，遼河口附近濃度增加明顯，水體污染加劇，水質(zhì)狀況下降，遼河口徑流量減少在一定程度上可改善水質(zhì)狀況。

　　(3)從粒子輸運(yùn)過程來看，較多粒子聚集在河口周圍，粒子數(shù)目由東北向西南方向遞減，污染物粒子濃度不變，增加或減小遼河口徑流量，整體粒子數(shù)會(huì)增加或減少，且河口周圍粒子數(shù)變化較海域處明顯。

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　　相關(guān)刊物推薦：海洋環(huán)境科學(xué)(雙月刊)創(chuàng)刊于1982年，由國家海洋局海洋環(huán)境保護(hù)研究所暨國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心和中國海洋環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)主辦。