養殖污水對水環(huán)境的影響預測

第24卷第2期海洋學(xué)研究Vol 24 No. 22006年6月JOURNAL OF MARINE SCIENCESune文章編號:1001-909X(2006)02-0039-10養殖污水對水環(huán)境的影響預測駱曉明(浙江省錢(qián)塘江管理局勘測設計院,浙江杭州310016)摘要:浙江三門(mén)灣寧海下洋涂圍墾工程投入養殖后排放的養殖污水將對周邊水環(huán)境產(chǎn)生的影響預測是該項目環(huán)境評價(jià)的重要內容。在海灣潮流動(dòng)力模擬的基礎上,建立了污染物對流擴散的數學(xué)模型,用以預測養殖污水排放后的擴散范圍及強度大小,為環(huán)境評價(jià)提供科學(xué)依椐關(guān)鍵詞:海涂圍墾;養殖污水;污染物質(zhì)量濃度;水質(zhì);對流-擴散方程;數值計箅中圖分類(lèi)號:X830.3文獻標識碼:A0引言浙江沿海在理論深度基準面以上的海涂資源總面積約為28.9萬(wàn)hm2。海涂圍墾已經(jīng)給浙江省帶來(lái)了可觀(guān)的經(jīng)濟效益,但也對環(huán)境產(chǎn)生了一些負面的影響,圍墾使局部水域的水動(dòng)力條件改變,出現海床的沖淤變化外,圍墾區養殖污水對周邊水環(huán)境也會(huì )產(chǎn)生一定的影響門(mén)。為此,本文從水動(dòng)力數學(xué)模型出發(fā),預測圍墾工程投入養殖后排放的污水對周邊水環(huán)境的影響情況。污染物擴散的模擬計算,在河流中的應用較早也較多,建立江河中污染物的動(dòng)態(tài)數學(xué)模型,能較好地模擬污染物的散擴過(guò)程-η對海洋中污染物質(zhì)遷移模式的研究也已有報道,一般都是用有限水體劃分方法,建立具有統計學(xué)特征的污染物混合遷移模式·。水污染的計算機模擬適用于源或匯,對河道和海灣中污染物擴散的情況進(jìn)行數值模擬,為環(huán)境的預測和評價(jià)提供科學(xué)依據本文以浙江三門(mén)灣寧海下洋涂圍墾工程投入養殖后排放的養殖污水對周邊水環(huán)境的影響為例,進(jìn)行數值模擬,在海灣潮流動(dòng)力模擬旳基礎上,建立污染物擴散旳數學(xué)模型,以便預測養殖污水排放后的擴散范圍及強度大小。1數學(xué)模型浙江三門(mén)灣是一個(gè)支港多、潮差大、垂直混合良好的海灣,在潮汐、徑流作用下,其40海洋學(xué)研究24卷2期潮流表現為非恒定的流動(dòng)?？刂品匠滩捎媒?jīng)垂線(xiàn)積分含水平渦動(dòng)粘滯項的淺水潮波方1.1模型控制方程潮流的計算方程如下:az a(Hu)a(Hv)(1)Or tu ay tg arf乙)+(e,(2)+a如+by++8CH=a()×、3。(3)式中:ξ為水位;h為海底高程;H為總水位,H=h+;a,v分別為x,y方向上的垂線(xiàn)平均流速分量,m/s;g為重力加速度;∫為柯氏力參量(∫=2 CUsing,ω為地球自轉角速率);C為謝才系數,取C=1H,n為糙率系數;,,分別為x,y方向的水平渦動(dòng)擴散系數;W:,Wy為x,y方向的風(fēng)應力分量,不考慮風(fēng)應力作用時(shí),取W=0,W,=0;t為時(shí)間式(1)為潮流連續方程,式(2)和(3)分別為x,y方向的動(dòng)量守恒方程?？紤]到三門(mén)灣邊界及周邊地形形狀較為復雜,為了較好地模擬地形,對上述方程組的求解采用正交曲線(xiàn)坐標。1.2微分方程的離散格式計算模型采用平面二維曲線(xiàn)正交網(wǎng)格的有限差分模式。正交曲線(xiàn)坐標系下的控制方程與原方程相比,除了增加了一些系數之外,形式上是類(lèi)似的1。對于上述方程,利用傳統的ADⅠ法求解,其離散格式與矩形網(wǎng)格下的格式基本一致。2計算條件2.1計算范圍為了便于給定邊界條件,本模型南邊界取殼塘山,東邊界取石浦作為研究區域(圖1)全水域面積約775km2。采用曲線(xiàn)網(wǎng)格對計算域進(jìn)行剖分,與一般的矩形網(wǎng)格剖分相比,曲線(xiàn)網(wǎng)格可以更好地貼近邊界,從而可以較好地模擬邊界處的流態(tài),減小邊界所造成的計算影響。計箅域內剖分成300×30、總共有9000個(gè)網(wǎng)格,最大的網(wǎng)格邊長(cháng)取150m左右,圍墾工程區附近的網(wǎng)格尺度控制在30m之內,計算時(shí)間步長(cháng)為4min。模型計算網(wǎng)格見(jiàn)圖1駱曉明:養殖污水對水環(huán)境的影響預測41121°2342.4122742.|"E29°2151.3石浦南H金28°4319.1圖1數模計算網(wǎng)格圖Fig. 1 Computational grid of the numerical model2.2參數的選取在數值模型中選取的參數分別為柯氏參量∫、粘滯系數A、水容重ρ和糙率系數n。其中: Coriolis參量∫=2 asing,φ為29.1°、a為7.29×10s-;A為50~60m2/s;P為1020kg/m3;n為0.028。2.3計算條件2.3.1初始條件初始條件取為(4)lu(x. y, t)lr=o=v(x, y, t)l=o=02.3.2邊界條件開(kāi)邊界采用水位控制,即用潮位預報的方法得到開(kāi)邊界條件。計算區開(kāi)邊界采用潮位預報邊界條件(圖1)S=A+2H F cos[, t-(vo+u)+gI(5)式中:A為平均海面;F和(τ+a)為天文要素;H和g為調和常數。調和常數選取11個(gè)分潮計算,其中日分潮為4個(gè)(Q1、O1、P1和K1),半日分潮為4個(gè)(N2、M2、S2和K2),淺水分潮為3個(gè)(M1、MS4和M)。海洋學(xué)研究24卷2期3模型驗證據本區域的潮位和潮流的大、小潮現場(chǎng)觀(guān)測資料,對模型進(jìn)行驗證,從而評估模型的可靠性3.1潮位驗證選擇2003年4~5月水文測驗期間,用獲取的核電廠(chǎng)址、南田島、牛山、花岙島、巡檢司、白玉灣島臨時(shí)潮位站同步的潮位觀(guān)測資料進(jìn)行驗證,實(shí)測潮位與模擬計算的潮位之間擬合得較好,最高、最低潮位的模擬誤差一般在10cm以?xún)?.2潮流驗證對工程區流速流向的驗證采用2003年國家海洋局第二海洋研究所收集的有關(guān)資料,選取其中6個(gè)測點(diǎn)的潮流資料加以驗證比較。單站實(shí)測結果與摸擬結果相比:大潮漲急、落急流向一般相差在10以?xún)?大潮漲急、落急和漲潮平均、落潮平均流速相差在10%以?xún)??？傮w而言,單站流向和流速的模擬結果令人滿(mǎn)意。該模型可以用來(lái)預測工程投入養殖后排放污染物的擴散分布等。3.3潮流場(chǎng)分析大量研究表明,三門(mén)灣是一個(gè)強潮海灣,潮流及外海泥沙運動(dòng)是海灣地貌發(fā)育的主導121°317.8121°54′6.3"E2915′19]納潮下洋涂1000m2990′35.1圖2工程實(shí)施后大潮漲急流場(chǎng)駱曉明:養殖污水對水環(huán)境的影響預測動(dòng)力因素及環(huán)境糸件。計算域內單站潮流模擬驗證的計算結果較好,基本反映了工程區海域潮流的實(shí)際變化。為進(jìn)一步了解計算域內總體流場(chǎng)的分布,繪岀了計算域內漲急、落急的流矢分布示意圖(圖2和圖3)。由圖2和圖3可見(jiàn):(1)漲潮時(shí),石浦港和珠門(mén)港兩水道的潮流,主要影響三門(mén)灣內下涂洋一帶的灘地和白礁水道。進(jìn)入三門(mén)灣口的漲潮流,右側要強于左側,換言之,右側滿(mǎn)山水道的漲潮流要強于左側的貓頭水道。此外,滿(mǎn)山水道的部分漲潮水通過(guò)青山門(mén)北側深溝進(jìn)入貓頭水道。但通過(guò)貓頭水道的落潮流泄出的潮量要比滿(mǎn)山水道多些。(2)落潮時(shí),各水道流速較大的特點(diǎn)都得到了很好地模擬。工程區臨近水域的漲落潮流主要有貓頭水道、滿(mǎn)山水道、蛇盤(pán)水道和白礁水道4股。工程區被滿(mǎn)山水道和白礁水道包圍,以往復流為主。(3)三門(mén)灣內落潮流流速普遍要大于漲潮流流速,最大流速出現在口門(mén),并往里有逐漸減小的趨勢總之,計算域內流場(chǎng)模擬計算結果基本反映了該海堿潮流和潮波的實(shí)際變化,基本反映了三門(mén)灣潮流埸的總體特征。121037821°5463"E29°15′19.1m下洋涂子二石圖3工程實(shí)施后大潮落急流場(chǎng)Fig 3 Flow field at ebb torrent time for spring tide under Scheme4養殖污水對水環(huán)境的影響預測4.1污染物質(zhì)量濃度的對流-擴散計算模式在潮流計算的基礎上,用二維非定態(tài)對流-擴散方程進(jìn)行數值計算,預測污染物分布及海洋學(xué)研究24卷2期式中:c為污染物的質(zhì)量濃度;K,K3分別為x,ν方向的湍流擴散系數;∫。為污染源的污染強度,∫=QC/△x△yH,Q為排水閘流量,C為質(zhì)量濃度增量。(6)式的初始條件為c(x,y)|=0=c0(x,y)。該方程的邊界條件:閉邊界上,由于沒(méi)有a c物質(zhì)通量,取其質(zhì)量濃度值為0;開(kāi)邊界上,當流向向外時(shí),要求滿(mǎn)足0…,當流向內流時(shí),取邊界上的質(zhì)量濃度值為0。4.2污染物的源強4.2.1進(jìn)、排水方式及排放口位置下洋涂圍涂養殖區在漲潮時(shí)納潮進(jìn)水,海水通過(guò)西堤上的納潮閘進(jìn)入養殖區(圖2);落潮時(shí)養殖污水通過(guò)東堤南端的排水閘排到圍堤外的海域(圖3)根據下洋涂圍墾工程圍區規劃,圍區養殖的估算面積為2082hm2,養殖凈面積按估算面積的70%計算,約為1461.6hm2,養殖時(shí)日換水量為811萬(wàn)m3。工程投入養殖后養殖污水的排放口位于東堤排水閘處(圖3)4.2.2污染物排放量氮、磷排放量圍區內海水養殖基地是一個(gè)半人工控制的生態(tài)系,人工投餌是養殖動(dòng)物的主要能量來(lái)源。投放的餌料一部分被養殖動(dòng)物食用;另一部分沉入池底,池底殘餌和動(dòng)物排泄物等有機物經(jīng)微生物分解后可產(chǎn)生氮、磷等營(yíng)養物質(zhì),其中小部分被其它低等生物攝取,而大部分則在養殖池塘換水時(shí)流失進(jìn)入周邊海域。氮、磷排放量可由下式計算排放量一養殖凈面積×餌料投放量×餌料中氮、磷的質(zhì)量分數ⅹ(1-魚(yú)蝦貝對餌料的利用率)×流失率(7)式中:養殖凈面積按估箅面積的70%計算,投餌量為33.3~53.3kg/hm2·a),按保守量計,取為53.3kg/hm2·a)。不同餌料中氮、磷的質(zhì)量分數見(jiàn)表1表1不同餌料中氮、磷的質(zhì)量分數Tab. 1 Mass ratio of n and P in different baits元素人工配合餌料活餌料0.015根據調査統計,養殖飼料中人工配合餌料一般占13%,鮮活餌料占87%,本評價(jià)以保守估算,全部按鮮活餌料計算。魚(yú)蝦貝對餌料的利用率一般在20%~35%1。本評價(jià)按30%計算,氮、磷的流失率分別以30%和5%計算按(7)式計算,可得本工程養殖區污水中氮的估算排放量為21924×800×2.8%×(1-30%)×30%kg/a,即10.31萬(wàn)kg/a;磷的估箅排放量為21924×800×1.2%1-30%)×5%kg/a,即0.74萬(wàn)kg/a本項目建成后圍區內養殖塘日換水量為811萬(wàn)m3,每年養殖天數按300d計,由此可以估算岀養殖區因過(guò)剩餌料和動(dòng)物糞便的分解而產(chǎn)生的養殖污水中氮的質(zhì)量濃度增量為駱曉明:養殖污水對水環(huán)境的影響預測10.31×104×103×103/(81×104×103×300)mg/L,即0.042mg/L;磷的質(zhì)量濃度增量為0.74×104×103×103/(811×104×103×300)mg/L,即0.003mg/L?；瘜W(xué)需氧量(CODM)的排放量本工程按養殖污水最大排放量計,養殖區CODM的排放量為55.96萬(wàn)kg/a。根據以往對浙江省不同地域養殖池塘水質(zhì)CODM的監測結果,養殖污水中CODλn的質(zhì)量濃度平均增量約為0.23mg/L4.3水質(zhì)模型的計算條件養殖污水經(jīng)排水干渠匯集后由東堤排水閘排放入海,水閘最大排水量為188m3/s。養殖污水排放為非連續排放,只是當潮位處于毎個(gè)潮周期的平均潮位以下時(shí)才排放,時(shí)間約6h,其余時(shí)間水閘被關(guān)閉養殖污水中氮、磷的存在形態(tài)比較復雜,本評價(jià)近似地將所有流失的氮、磷分別視為無(wú)機氮和活性磷酸鹽。無(wú)杋機氮、活性磷酸鹽和O等因子的排放量、質(zhì)量濃度、污染源強以及水質(zhì)現狀如表2所示。表2養殖污水中污染物的排放特征Tab 2 Pollutant discharging characteristic in cultivation wastewater項自水質(zhì)預測評價(jià)因子無(wú)機活性磷酸鹽COD排放量/萬(wàn)kg·a-1)質(zhì)量濃度增量(mg·.-1)0.003水質(zhì)質(zhì)量濃度/大潮0.5741.840.310控制質(zhì)量濃度標準(二類(lèi)海水)/0.030充分考慮污染物在水體中長(cháng)期排放的累積效應,在水質(zhì)預測計算中,水流模型的設計潮型選取大、小潮連續進(jìn)行計算。根據該工程污染源的特點(diǎn)和水環(huán)境污染的現狀,水質(zhì)影響的評價(jià)因子確定為:無(wú)機氮、活性磷酸鹽和COD。由于圍墾區附近海域無(wú)機氮和活性磷酸鹽的質(zhì)量濃度均超過(guò)二類(lèi)海水的水質(zhì)標準,水質(zhì)已受到一定程度的污染(表2)。因此對水質(zhì)影響的預測只計算養殖污水在圍墾區附近水體中污染物的質(zhì)量濃度增量,并以此來(lái)分析養殖污水對圍墾區附近海域水環(huán)境的影響。4.4養殖污水對水環(huán)境影響的預測結果及分析應用水質(zhì)模型模擬得到該圍墾工程投入養殖后養殖污水排放的各污染因子質(zhì)量濃度増量的分布。受文章篇幅所限,本文僅繪出COD質(zhì)量濃度增量分布圖(圖4、圖5)。從圖4和圖5可以清楚看見(jiàn),在養殖污水的排放過(guò)程中,污染物主要集中在排水口附4.4.1COD質(zhì)量濃度增量的分布大潮期間,養殖污水中COD的最大質(zhì)量濃度增量為θ.10~0.15mg/,小潮期間為海洋學(xué)研究24卷2期120°35′20.8H2.3日:88排水閘納潮閘納潮閘納潮閘圖4大潮時(shí)養殖污水中COD質(zhì)量濃度增量(mg/)分布Fig 4 COD distribution during spring tide120°3520.8121°508.6"E29°1319.3”納潮閘排水綱納潮閘納潮閘納潮閘圖5小潮時(shí)養殖污水中COD質(zhì)量濃度增量(mg/L)分布駱曉明:養殖污水對水環(huán)境的影響預測47污水中COD質(zhì)量濃度的最大增量?jì)H為本底值的8.2%,小潮期間為本底值的9.2%(表2、圖4和圖5)4.4.2無(wú)機氮、活性磷酸鹽質(zhì)量濃度增量的分布大潮期間,養殖污水中無(wú)杋氮的最大質(zhì)量濃度增量為θ.020~0.030mg/L-,小潮期間為.020~0.026mg/L,分布范圍均局限于東堤排水口附近。與環(huán)境本底值相比,大潮期間養殖污水中無(wú)機氮量濃度的最大增量?jì)H為本底值的5.2%,小潮期間僅為本底值的大潮期間,養殖污水中活性磷酸鹽的最大質(zhì)量濃度增量為O.0012~0.0023mg/,小潮期間為0.o010~0.0015mg/Lλ,分布范圍均局限于東堤排水口附近。與環(huán)境本底值相比大潮期間養殖污水中活性磷酸鹽質(zhì)量濃度的最大增量?jì)H為本底值的6.4%,小潮期間僅為本底值的6.3%。4.4.3預測結果的分析以上計算結果可知,由于養殖污水的污染物質(zhì)量濃度較低,與海域水質(zhì)的本底值相比對水環(huán)境的“貢獻”較小。因此,對海域水環(huán)境質(zhì)量的影響也較小,養殖污水的排放不會(huì )改變鄰近海域的水質(zhì)類(lèi)別;在養殖污水停止排放后,隨著(zhù)水體的流動(dòng)及污染物質(zhì)的擴散,污染物的質(zhì)量濃度值將有所減小。5結語(yǔ)(1)在潮差大、垂直混合良好的海灣對潮流的模擬,采用含水平渦動(dòng)粘滯項的經(jīng)垂線(xiàn)積分的淺水潮波方程求解是合適的。(2)本文以三門(mén)灣下洋涂圍涂工程投入養殖后排放的養殖污水對周邊水環(huán)境的影響進(jìn)行數值模擬。污染物的對流-擴散模型是建立在潮流模擬基礎上的,并用二維非定態(tài)垂直平均擴散方程進(jìn)行數值計算,計算污染物的質(zhì)量濃度分布、預測養殖污水排放后的擴散范圍及強度大小,可為環(huán)境保護研究提供依據。(3)本文以養殖污水中的無(wú)機氮、活性磷酸鹽、COD污染物的源強和養殖進(jìn)、排水方式的分折結果,作為污染物擴散數學(xué)模型的輸入條件,計算結果表明,該工程投入養殖后排放的養殖污水的質(zhì)量濃度較低,與海域水質(zhì)的本底值相比,對水環(huán)境的“貢獻”不大,因此,對海域水環(huán)境質(zhì)量的影響也較小,養殖污水的排放不會(huì )改變海域的水質(zhì)類(lèi)別。參考文獻Ⅰ]高愛(ài)根,楊俊毅,曾江寧,等.玉環(huán)坎門(mén)排污口鄰近巖相潮間帶生物分布特征[J.東海海洋,2004,22(4):24~30.2]胡礁星.黃浦江表層沉積物中有機氯農藥的分布特征及風(fēng)險評價(jià)「冂].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2005,26(3):44~48.3]Kinκ elbach 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The prediction of the impact is very important part forenvironmental impact assessment. Based on the simulation of current in the bay, this paper establishes advection-diffusion equations for the pollutant, and then the model is applied to predict the areal distribution of pollutant due to the discharging of wastewaterfrom animal breeding, which provides scientific evident for environmental impact assessmentKey words reclamation; breeding wastewater; wastewater mass concentration; water quality; advection-diffusion equations numerical calculation