秦皇岛近岸水环境及对径流变化响应的数值模拟分析

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近岸海域的重要性不言而喻,不仅是居住人口最多的地区之一,也是国民经济快速发展的主要区域之一。人口迁移和沿海经济快速发展给近岸海域环境带来巨大的影响,工厂生产废水、城镇生活污水以及入海径流携带的营养盐和污染物汇入海洋,导致近岸海域水环境恶化、营养盐比例失衡、海洋自然灾害频发。即便环境恶化,各个国家仍然十分重视海洋资源的开发,我国在这样的国际环境下,海洋强国战略地位日渐提高,着重强调海洋资源的开发和保护的重要性。秦皇岛市作为渤海沿岸重要的经济、文化、交通枢纽,城市快速发展,海域污染变得愈发严重,海洋环境治理压力日益增加。其特殊的地理位置条件和海洋产业对近岸海域过度依赖,海岸线的变化、人工岛的建设、陆源污染物输入、工业废水的排放给近岸环境承载力带来了巨大的压力。秦皇岛近岸海域污染主要以陆源污染物输入为主,入海径流会携带大量污染物汇入海洋,使得秦皇岛近岸海域严重富营养化,赤潮、褐潮等现象频发,在经济上和环境上都带来了巨大的损失。因此研究和掌握秦皇岛近岸海域污染物输移和水质变化规律,摸清污染物和水质因子的动态变化过程,开展径流变化对近岸海域污染物输移和水质变化的研究具有很重要的现实意义,对近岸环境管理和海洋资源可持续利用具有重要现实价值。本文应用改进的ECOMSED水动力模型和RCA水质模型建立秦皇岛近岸环境水动力模型,对秦皇岛近岸污染物在长时段和短时段内的输运过程及水质浓度变化进行模拟分析,并分析典型径流变化对秦皇岛近岸海域水环境的影响,主要工作内容及成果如下:(1)根据秦皇岛近岸海域水动力模型对流速、流向、潮位进行模拟,并且将模拟结果与实测结果进行比较,经比较计算值和实测值较为符合,模型可用于后续研究。根据秦皇岛近岸海域实际情况,构建秦皇岛近岸环境水动力数值模型,模拟分析水质变量DO、TN、TP和Chl-a的浓度与监测点水质变量浓度值进行验证,模拟值与实测值较为相符。(2)将秦皇岛近岸水动力模型模拟出的计算结果水质模拟的环境和载体,应用ECOMSED模型中的粒子示踪技术和RCA水质模型研究秦皇岛近岸海域长时段污染物输移情况,并对其输移特性及扩散范围的变化展开研究。结果表明:秦皇岛近岸海域污染物输移扩散主要靠潮流驱动,顺时针方向向研究区域西南方向扩散,扩散范围随时间推移逐渐变大;各类水质因子呈现明显的时空分布特性,水质因子浓度季节性变化明显,近岸处水质因子浓度高于离岸处水质因子的浓度。(3)根据耦合模型构建短期秦皇岛近岸海域环境水动力模型,并修改水动力模型中入海径流的平均瞬时径流量和水质模型初始文件中河口处水质变量浓度值,对径流变化前后的环境水动力模型进行模拟,研究径流变化对秦皇岛近岸海域环境水动力的影响。结果表明:径流变化后河流入海口处水流流速和污染物浓度明显增大,对近岸海域污染物的冲刷力度显著增加,粒子扩散范围有所扩大,并且在径流变化的最后一日达到极值;径流量的持续变化导致河流入海口处各类水质浓度持续增加,并于径流量变化的最后一日达到峰值,随后各水质因子逐渐扩散且浓度逐渐减小。
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