养殖污水对水环境的影响预测

第24卷第2期海洋学研Vol.24 No. 22006年6月JOURNAL OF MARINE SCIENCESJune，2006文章编号: 1001-909X(2006)02 - 0039-10养殖污水对水环境的影响预测骆晓明(浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江杭州310016)滴要:浙江三门湾宁海下洋涂围垦工程投入养殖后排放的养殖污水将对周边水环境产生的影响预测是该项目环境评价的重要内容。在海湾潮流动力模拟的基础上,建立了污染物对流扩散的数学模型，用以预测养殖污水排放后的扩散范围及强度大小，为环境评价提供科学依椐。关键词:海涂围垦;养殖污水;污染物质量浓度;水质;对流扩散方程;数值计算中图分类号: X830. 3文献标识码: A0引言浙江沿海在理论深度基准面以上的海涂资源总面积约为28.9万hm2D。海涂围垦已经给浙江省带来了可观的经济效益，但也对环境产生了一些负面的影响，围垦使局部水域的水动力条件改变，出现海床的冲淤变化外，围垦区养殖污水对周边水环境也会产生一定的影响。为此，本文从水动力数学模型出发，预测围垦工程投入养殖后排放的污水对周边水环境的影响情况。污染物扩散的模拟计算，在河流中的应用较早也较多，建立江河中污染物的动态数学模型,能较好地模拟污染物的散扩过程2~7]。对海洋中污染物质迁移模式的研究也已有报道，-般都是用有限水体划分方法，建立具有统计学特征的污染物混合迁移模式(8.9]。水污染的计算机模拟适用于源或汇[10],对河道和海湾中污染物扩散的情况进行数值模拟，为环境的预测和评价提供科学依据11~13]。本文以浙江三门湾宁海下洋涂围垦工程投入养殖后排放的养殖污水对周边水环境的影响为例，进行数值模拟，在海湾潮流动力模拟的基础上，建立污染物扩散的数学模型，以便预测养殖污水排放后的扩散范围及强度大小。中国煤化工1数学模型MYHCNM HG浙江三门湾是一个支港多、潮差大、垂直混合良好的海湾，在潮汐、径流作用下，其收稿日期: 2005-10-13作者简介:骆晓明(1966-)， 男，浙江临安市人，高级工程师，主要从事水利水电和海洋工程研究与设计。①浙江省水利水电勘测设计院.浙江省滩涂围垦总体规划报告，2005.●40●海洋学研究24卷2期潮流表现为非恒定的流动。控制方程采用经垂线积分含水平涡动粘滞项的浅水潮波方程[14.15].1. 1模型控制方程潮流的计算方程如下:aZ」a(Hu)_ a(Hv)=0(1)atTdxdy)uduauxW,√u+v__.d。d、」a。u、Xt:+u十v+gx- fo-H+guC:H==Exax(2)Xxbxdy'h√u2+v2Jua+fu-(3)at「0 dyHC2Hdyey式中: ζ为水位; h为海底高程; H为总水位，H=h+ζ ; u, v分别为x，y方向上的垂线平均流速分量，m/s; g为重力加速度; f为柯氏力参量(f= 2wsing，w为地球自转角速率); C:为谢才系数，取C.=-Ht，n为糙率系数; e,， ey分别为x, y方向的水平涡动扩散系数; W，W,为x，y方向的风应力分量，不考虑风应力作用时，取W.=0, W,=0; t为时间。式(1)为潮流连续方程，式(2)和(3)分别为x,y方向的动量守恒方程。考虑到三门湾边界及周边地形形状较为复杂，为了较好地模拟地形，对上述方程组的求解采用正交曲线坐标。1.2微分 方程的离散格式计算模型采用平面二维曲线正交网格的有限差分模式。正交曲线坐标系下的控制方程与原方程相比，除了增加了一些系数之外，形式上是类似的14.15]。对于上述方程，利用传统的ADI法求解，其离散格式与矩形网格下的格式基本一致。2计算条件2.1计算范围为了便于给定边界条件，本模型南边界取壳塘山，东边界取石浦作为研究区域(图1)。全水域面积约775 km'。采用曲线网格对计算域进行剖分，与中国煤化工，曲线网格可以更好地.贴近边界，从而可以较好地模拟边界处的MYHCNMHG计算影响。计算域内剖分成300X300、总共有90000个网格，最大的网格边长取150m左右，围垦工程区附近的网格尺度控制在30 m之内，计算时间步长为4 min。模型计算网格见图1。骆晓明:养殖污水对水环境的影响预测●41●121"23'42. 4”12297'42.1"E29921'51.3”N石浦灾洋岛南田健跳28° 43'19. 1 "图1数模计算网格图Fig. 1 Computational grid of the numerical model2.2参数的选取在数值模型中选取的参数分别为柯氏参量f、粘滞系数A、水容重ρ和糙率系数n。其中: Coriolis参量f= 2wsinp,φ为29.1°、w为7. 29X10~*s-';A为50~ 60 m2/s;p为1 020kg/m'; n为0.028。2.3计算条件2.3.1 初始条件(5(x，y，t)|2=o=ζ。初始条件取为:lu(x， y, t)|r=o=v(x， y，t)|r=o=0(4)2.3.2 边界条件开边界采用水 位控制，即用潮位预报的方法得到开边界条件。计算区开边界采用潮位预报边界条件(图1):ζ=Ao2rHF;MYH中国煤化工(5)式中: A。为平均海面; F; 和(vo+u);为天C NMH G常数。调和常数选取11个分潮计算，其中日分潮为4个(Q、 O、P1和K)，半日分潮为4个(N2、 M2、Sz和K2)，浅水分潮为3个(M、MS和M;)。闭边界在闭边界， 取法向导数为0，即Vn=0;在潮滩区采用漫滩边界处理。基准面将水深资料的深度基准面统一到平均海平面上。●42●海洋学研究24卷2期3模型验证据本区域的潮位和潮流的大、小潮现场观测资料，对模型进行验证，从而评估模型的可靠性。3.1潮位验证选择2003年4~5月水文测验期间，用获取的核电厂址、南田岛、牛山、花岙岛、巡检司、白玉湾岛临时潮位站同步的潮位观测资料进行验证，实测潮位与模拟计算的潮位之间拟合得较好，最高、最低潮位的模拟误差一般在10 cm以内。3.2潮流验证对工程区流速流向的验证采用2003年国家海洋局第二海洋研究所收集的有关资料,选取其中6个测点的潮流资料加以验证比较。单站实测结果与摸拟结果相比:大潮涨急、落急流向一般相差在10°以内;大潮涨急、落急和涨潮平均、落潮平均流速相差在10%以内。总体而言，单站流向和流速的模拟结果令人满意。该模型可以用来预测工程投入养殖后排放污染物的扩散分布等②。3.3潮流场分析大量研究表明，三门湾是一个强潮海湾，潮流及外海泥沙运动是海湾地貌发育的主导121*31'7.8"12154'6.3"E729*15'19.]"N青山港、纳潮闸纳下洋涂潮闸。以满山乐遭，1.00m/m中国煤化工CHCNM H GiI 290'35.1”图2工程实 施后大潮涨急流场Fig.2 Flow field at flood torrent time for spring tide under Scheme②国家海洋局第二海洋研究所，宁海县下洋涂围垦工程对周边水流及泥沙冲淤影响的研究报告，2005.骆晓明:养殖污水对水环境的影响预测●43●动力因素及环境条件[16.17]。计算域内单站潮流模拟验证的计算结果较好，基本反映了工程区海域潮流的实际变化。为进一步了解计算域内总体流场的分布，绘出了计算域内涨急、落急的流矢分布示意图(图2和图3)。由图2和图3可见: (1)涨潮时，石浦港和珠门港两水道的潮流，主要影响三门湾内下涂洋-带的滩地和白礁水道。进入三门湾口的涨潮流，右侧要强于左侧，换言之，右侧满山水道的涨潮流要强于左侧的猫头水道。此外，满山水道的部分涨潮水通过青山门北侧深沟进入猫头水道。但通过猫头水道的落潮流泄出的潮量要比满山水道多些。(2)落潮时，各水道流速较大的特点都得到了很好地模拟。工程区临近水域的涨落潮流主要有猫头水道、满山水道、蛇盘水道和白礁水道4股。工程区被满山水道和白礁水道包围，以往复流为主。(3) 三门湾内落潮流流速普遍要大于涨潮流流速，最大流速出现在口门，并往里有逐渐减小的趋势。总之，计算域内流场模拟计算结果基本反映了该海域潮流和潮波的实际变化，基本反映了三门湾潮流埸的总体特征。121931'7.8"121954'6.3"E29915' 19.1”N黄山港下洋涂水缩永道遇山水道行强1.000 ws290 0'35.1"图3工程实施后大潮落急流场Fig.3 Flow field at ebb torrent time for spring tide under Scheme4养殖污水对水环境的影响预测中国煤化工,MYHCNMHG4.1污染物质量浓度的对流~扩散计算模式在潮流计算的基础上，用二维非定态对流-扩散方程进行数值计算，预测污染物分布及影响范围。污染物质量浓度的二维非定态的垂直平均对流-扩散方程为an+u)caxdc. _ 1rd(HK.Taadc、二) +:(HK,5)]+f.a(6)dy H-axay"dy●44●海洋学研究24卷2期式中:c为污染物的质量浓度;K;,K,分别为x,y方向的湍流扩散系数;f.为污染源的污染强度，f.=QgCo/Ox△yH, Q。为排水闸流量，C, 为质量浓度增量。(6)式的初始条件为c(x，y)|=o=co(x, y)。该方程的边界条件:闭边界上，由于没有物质通量，取其质量浓度值为0;开边界上，当流向向外时，要求满足Xc+u o+vaac=0，当Xtaa流向内流时，取边界上的质量浓度值为0。4.2污染物的源强4.2.1 进、排水方式及排放口位置.下洋涂围涂养殖区在涨潮时纳潮进水,海水通过西堤上的纳潮闸进入养殖区(图2);落潮时养殖污水通过东堤南端的排水闸排到围堤外的海域(图3)。根据下洋涂围垦工程围区规划，围区养殖的估算面积为2082 hm',养殖净面积按估算面积的70%计算，约为1461.6hm’，养殖时日换水量为811万m°。工程投入养殖后养殖污水的排放口位于东堤排水闸处(图3)。4.2.2 污染物排放量氮、磷排放量围区 内海水养殖基地是一个半人工控制的生态系，人工投饵是养殖动物的主要能量来源。投放的饵料一部分被养殖动物食用，另-部分沉入池底，池底残饵和动物排泄物等有机物经微生物分解后可产生氮、磷等营养物质，其中小部分被其它低等生物摄取，而大部分则在养殖池塘换水时流失进入周边海域[18]。氮、磷排放量可由下式计算:排放量=养殖净面积X饵料投放量X饵料中氮、磷的质量分数X(1一鱼虾贝对饵料的利用率) X流失率(7)式中:养殖净面积按估算面积的70%计算，投饵量为33.3~53.3 kg/(hm2●a),按保守量计，取为53.3 kg/(hm?●a)围。不同饵料中氮、磷的质量分数见表1。表1不同饵料中氮、 磷的质量分数Tab.1Mass ratio of N and P in different baits元素人工配合饵料鲜活饵料0.0150. 028P0.004 .0. 012根据调查统计，养殖饲料中人工配合饵料一般占13 %，鲜活饵料占87 %，本评价以保守估算，全部按鲜活饵料计算。鱼虾贝对饵料的利用率-般在20%~35%[16]。本评价按30%计算，氮、磷的流失率分别以30%和5%计算@。安(7) 式计算，可得本工程养殖区污水中氮的估算排放量为21 924X 800X2.8%X(1-30%) X30% kg/a，即10.31万kg中国煤化工21 924X 800X1.2%x(1-30%) X5% kg/a ，即0.74万kg/al.YHCNMHG本项目建成后围区内养殖塘日换水量为811万m'，每年养殖天数按300d计，由此可以估算出养殖区因过剩饵料和动物粪便的分解而产生的养殖污水中氮的质量浓度增量为③岱山县科协，海水池塘养殖实用技术，2001.④国家海洋局第二海洋研究所.温州龙湾海滨围垦工程环境影响报告书，2004.骆晓明:养殖污水对水环境的影响预测●45.10.31X10*X10*X10*/ (811X10*X10*X300) mg/L，即0. 042 mg/L;磷的质量浓度增量为0.74X10*X10*X10*/ (811X10*X10*X300) mg/L，即0.003 mg/L。化学需氧量(CODmn) 的排放量本工程 按养殖污水最大排放量计，养殖区CODMn的排放量为55.96万kg/a。根据以往对浙江省不同地域养殖池塘水质CODwn的监测结果，养殖污水中CODMn的质量浓度平均增量约为0.23 mg/L⑧。4.3水质模型的计算条件养殖污水经排水干渠汇集后由东堤排水闸排放入海，水闸最大排水量为188m2/s。养殖污水排放为非连续排放，只是当潮位处于每个潮周期的平均潮位以下时才排放，时间约6h，其余时间水闸被关闭。养殖污水中氮、磷的存在形态比较复杂，本评价近似地将所有流失的氮、磷分别视为无机氮和活性磷酸盐。无机氮、活性磷酸盐和COD等因子的排放量、质量浓度、污染源强以及水质现状如表2所示，表2养殖污水中污染物的排放特征Tab.2 Pollutant discharging characteristic in cultivation wastewater水质预测评价因子项目无机氮活性磷酸盐COD排放量/(万kg. a-1)10. 310.7455.96质量浓度增量/(mg. L-1)0.0420.0030. 23水质质量浓度/大潮0. 5740.0361.84.(mg●L-1)小潮0.3100. 0241.42控制质量浓度标准(二类海水)/0. 300.0303.0充分考虑污染物在水体中长期排放的累积效应，在水质预测计算中，水流模型的设计潮型:选取大、小潮连续进行计算。根据该工程污染源的特点和水环境污染的现状，水质影响的评价因子确定为:无机氮、活性磷酸盐和COD。由于围垦区附近海域无机氮和活性磷酸盐的质量浓度均超过二类海水的水质标准，水质已受到一定程度的污染(表2)。因此对水质影响的预测只计算养殖污水在围垦区附近水体中污染物的质量浓度增量，并以此来分析养殖污水对围垦区附近海域水环境的影响。4.4养殖污水对水环境影响的预测结果及分析应用水质模型模拟得到该围垦工程投入养殖后养殖污水排放的各污染因子质量浓度增量的分布。受文章篇幅所限，本文仅绘出COD质量浓度增量分布图(图4、图5)。从图4和图5可以清楚看见，在养殖中国煤化工:物主要集中在排水口附近。YHCNMHG4.4.1 COD质量浓度增量的分布大潮期间，养殖污水中COD的最大质量浓度增量为0. 10~0. 15 mg/L，小潮期间为0.10~0.13mg/L,分布范围均局限于东堤排水口附近。与环境本底值相比，大潮期间养殖●46●海洋学研究24卷2期120*35'20. 8"121*50'8.6" E29*13'19.3"N纳潮闸e是持水闸29*3'45. 5"图4大潮时 养殖污水中COD质量浓度增量(mg/L) 分布Fig. 4 COD distribution during spring tide120"35'20. 8"T 1 29*13'19.3"0.1纳湖闸排水闸中国煤化工)MHCNMHG29"3'45. 5*图5小潮时 养殖污水中COD质量浓度增量(mg/L) 分布Fig.5 COD distribution during neap tide骆晓明:养殖污水对水环境的影响预测●47.污水中COD质量浓度的最大增量仅为本底值的8.2%，小潮期间为本底值的9.2%(表2、图4和图5)。4.4.2无机氮、活性磷酸盐质量浓度增量的分布大潮期间，养殖污水中无机氮的最大质量浓度增量为0.020~0.030mg/L，小潮期间为0.020~0.026 mg/L，分布范围均局限于东堤排水口附近。与环境本底值相比，大潮期间养殖污水中无机氮量浓度的最大增量仅为本底值的5.2%，小潮期间仅为本底值的8.3%。大潮期间，养殖污水中活性磷酸盐的最大质量浓度增量为0.001 2~0. 002 3 mg/L,小潮期间为0.0010~0.0015mg/L,分布范围均局限于东堤排水口附近。与环境本底值相比，大潮期间养殖污水中活性磷酸盐质量浓度的最大增量仅为本底值的6.4%，小潮期间仅为本底值的6.3%。4.4.3预测结果的分析以上计算结果可知，由于养殖污水的污染物质量浓度较低，与海域水质的本底值相比，对水环境的“贡献”较小。因此，对海域水环境质量的影响也较小，养殖污水的排放不会改变邻近海域的水质类别;在养殖污水停止排放后,随着水体的流动及污染物质的扩散,污染物的质量浓度值将有所减小。5结语(1)在潮差大、垂直混合良好的海湾对潮流的模拟，采用含水平涡动粘滞项的经垂线积分的浅水潮波方程求解是合适的。(2)本文以三门湾下洋涂围涂工程投入养殖后排放的养殖污水对周边水环境的影响进行数值模拟。污染物的对流-扩散模型是建立在潮流模拟基础上的，并用二维非定态垂直平均扩散方程进行数值计算，计算污染物的质量浓度分布、预测养殖污水排放后的扩散范围及强度大小，可为环境保护研究提供依据。(3)本文以养殖污水中的无机氮、活性磷酸盐、COD污染物的源强和养殖进、排水方式的分折结果，作为污染物扩散数学模型的输入条件，计算结果表明，该工程投入养殖后排放的养殖污水的质量浓度较低，与海域水质的本底值相比，对水环境的“贡献”不大，因此，对海域水环境质量的影响也较小，养殖污水的排放不会改变海域的水质类别。参考文献:中国煤化工[1] 高爱根，杨俊毅，曾江宁，等.玉环坎门排污C.MHCNMHG东海海洋，2004. 22 (4):24~ 30.[2]胡礁星、黄浦江表层沉积物中有机氯农药的分布特征及风险评价J]. 环境科学学报，2005， 26 (3): 44~48.[3]Kinzelbach W，候然杰，李惠明.河流中BOD DO动态的数学模拟方法[J]. 环境科学学报，1981，1 (2): 166~ 170.[4]候然杰，李惠明.描述北方河流封冻期BOD-DO动态的数学模型[J].环境科学学报，1982, 2 (2): 113~119.[5]雷孝思，邓玉珍，一个适用于中距离范围的湍流扩散模型[J]. 环境科学学报，1984， 4 (4): 376~ 385. .●48●海洋学研究24卷2期[6]郭震运，王华东，刘培桐.铅山河金属污染物(Cu、 Fe)迁移规律及污染预测研究[J]. 环境科学学报，1983.3 (4): 298~ 309.[7]林玉环.汞污染河流底质迁移模式研究[J]. 环境科学学报，1985，5 (3): 276~285. .[8]曾健业，吴瑜端，纳污港湾降解污染物质的有限水体混合迁移模式-厦门港污染物质的单纯混合模式 [J].环境科学学报，1985， 5 (4): 395~ 403.[9]曾健业，吴瑜端.纳污港湾降解污染物质的有限水体混合迁移模式-I1厦门港Cn、Pn迁移模式探讨[J].环境科学学报，1987， 7 (1): 49~59.[10]宋林松、水污染的计算机模拟[J].环境科学学报，1983， 3 (2): 141~147.[11]王益鸣，雪晓华，胡颢琰，等.浙江沿海产品中有机农的残留水平[J]. 东海海洋，2005， 23 (1): 54~64.[12] 杨晓兰，张键，叶新荣，等.南麂列岛自然保护区潮间带环境质量现状评价U].东海海洋，1994，12 (2): 70~ 76.[13]陈增奇，陈飞星，李占玲，等.滨海湿地生态经济的综合评价模型[J]. 海洋学研究，2005， 23 (3): 47~55.[14]冯士笮，孙文心物理海洋数值计算[M]. 郑州:河南科学技术出版社，1990.[15]许卫忆.实际海域的赤潮生消过程数值模拟J]. 海洋与湖沼，2001. 32 (6): 598~604.[16] 胡方西，曹沛奎.三门湾潮波运动特征及其与地貌发育的关系[J]. 海洋与湖沼，1981， 12 (3): 225~234.[17]中国海湾志编纂委员会，中国海湾志第五分册[M]. 北京:海洋出版社，1992.谢忠明，鱼虾贝高产养殖技术[M].北京:农业出版社，1995. .Prediction of impact of breeding wastewater dischargingon water environmentLUO Xiao- ming(Qiantang River Administration of Zhejiang Province, Hangzhou 310016，China)Abstract: When Xiayangtu Reclamation in Sanmenwan Bay, Ninghai County, Zhejiang,goes into operation, the wastewater from animal breeding in the Reclamation Area will af-fect the water environment around. The prediction of the impact is very important part forenvironmental impact assessment. Based on the simulation of current in the bay, this pa-per establishes advection -diffusion equations for the pollutant, and then the model is ap-plied to predict the areal distribution of pollutant due to the discharging of wastewaterfrom animal breeding， which provides scientific evident for environmental impact assess-ment.Key words : reclamation; breeding wastewatey- atenno m.. r-ncentration ; water qual-中国煤化工ity; advection diffusion equations ; numeriTYHCNMHG