閩江口水質對邊界條件的響應關系模擬研究

宋剛福， 范臣臣， 向 波， 張 鵬， 王冰一， 梅書浩， 李明月

(1.華北水利水電大學 環境與市政工程學院， 河南 鄭州 450046； 2.河南省水環境模擬與治理重點實驗室， 河南 鄭州 450046； 3.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司， 北京 100024)

1 研究背景

近年來，河口和近岸海域的水環境問題備受關注[1-4]。河口作為徑流與海洋生態系統的過渡帶，具有流速復雜、水溫分層等特征，是生態環境十分脆弱和敏感的水域[5-6]。河口和海灣地區經濟社會發展程度高，極大地增加了沿海徑流的營養鹽輸入[7]，從而引發水體富營養化、有毒有害赤潮和生物多樣性喪失等一系列水環境問題[8-9]。根據近年來中國海洋環境公報，污染海域分布在河口、海灣等近岸海域，其主要超標因子為無機氮和活性磷酸鹽。河口營養鹽聚集已經成為我國沿海水域的主要環境問題[10]。閩江作為福建省內最大的河流，也是福州市的母親河[11]。受較高陸源污染物通量輸出的影響，閩江口近岸海域水環境存在超標現象[12]。

目前，關于流域水質響應與時空變化趨勢的分析多采用數值模擬方法[13-15]。方藝輝[16]通過建立閩江下游二維淺水水動力水質模型，計算了河床演變引發的水位、流速等水動力和水質變化特征。戴君等[17]利用構建的EFDC(the environmental fluid dynamics code)水動力水質模型，結合情景分析法計算了松花江哈爾濱段各支流水質多情景變化下下游出口斷面水質變化趨勢。李添雨等[18]利用MIKE21構建沙河水庫二維水動力水質模型，計算分析沙河水庫水量水質變化趨勢，結合庫區污染源分布情況，模擬了水位調控方案與水質改善方案。當前針對水質響應的模擬計算與時空變化分析多為湖庫和內河，針對河口及近岸海域的研究較少。由于河流下游及河口區域的特殊位置，水文水質條件處于連續復雜的變化中，僅對河口區域開展水動力水質模擬并不能系統地了解河口區域水文水質時空變化趨勢[19]。為探究閩江口水質對不同邊界條件的響應關系，本文構建了包括閩江下游感潮河段、閩江河口及毗鄰海域為一體的二維非穩態水動力水質模型，旨在揭示不同水文及外源污染負荷條件下閩江下游及河口區域水動力水質變化特征和內在響應規律，以期為閩江下游及河口水環境管理及改善決策提供科學依據。

2 研究區域概況與研究方法

2.1 區域概況

閩江下游水口水庫至河口區域位于福州市境內，全長117 km[20]。下游河段在淮安分為南、北兩支(北港和南港)，北港穿福州城區，河道相對窄深；南港繞南臺島南面而過，中段大樟溪匯入，于羅星塔匯合后向東北方向流經閩安，在亭江又分為南北兩支，繞過瑯岐島，分別從長門水道和梅花水道注入東海[21]。研究區域屬亞熱帶海洋季風氣候，年平均氣溫16～20 ℃，平均風速為2.8 m/s，多年平均降水量為1 617 mm。閩江年內豐平枯交替現象明顯，全年徑流量主要集中在汛期，4-9月徑流量占年凈流量的75%左右。閩江口屬山溪性強潮三角洲河口，潮汐呈正規半日潮型，平均潮差4.1 m(琯頭)，潮汐沿江上溯逐漸衰減。

閩江河口內共有3個國、省控水質考核點位，分別位于長門水道入?？?川石島)、梅花水道入?？?梅花東)和閩江口外部海域(閩江口外)。其中，川石島和閩江口外點位需滿足海水二類水質標準，梅花東點位需滿足海水一類水質標準。閩江下游至河口研究區域范圍、水下高程、水文/位和考核斷面分布見圖1。

圖1 閩江下游至河口研究區域范圍、水下高程、水文/位和考核斷面分布

2.2 水動力水質模型構建

2.2.1 水動力基本方程 研究區域為受潮汐、潮流影響的沿海開闊水域，可采用二維非穩態水流連續及動量方程表示[13,22-23]：

(1)

(2)

(3)

2.2.2 水質基本方程 污染物在二維非均勻流中的對流擴散基本方程[22,24]：

S+Sk

(4)

2.2.3 模型設置 根據研究區域實際地形圖及相關實測資料，將模型劃分成53 751個三角形網格，模型外海區域最深不超過50 m；閩江河口在白巖潭至琯頭水文站總體水深較大，均在10 m以上，其中在琯頭、金剛腿水文站最深達到約40 m；同時南港河道地形存在深坑，局部水深達到30 m；北港寬深，最深約為12 m，這些地形特征與閩江河道地形特征相符，所構建的模型水深能夠較好地反映閩江實際地形。

模型邊界水動力條件采用水口水庫逐日流量數據，水質邊界采用常規水質監測斷面值確定；開邊界潮位利用俄勒岡州立大學開發的全球潮汐模型TPXO 6.2計算并校正后得到，水質邊界采用閩江口外部海域考核點位濃度監測值。閩江下游各支流均以概化排污口的形式入江，支流流量根據水文站、降雨量以及各支流流域面積換算得到，水質邊界根據污染物入江量進行合理均勻分配獲取，點源按全年平均分配，面源根據降雨量按不同水期比例分配。風場、氣溫、相對濕度等大氣邊界條件數據來自中國氣象網；日降雨、蒸發數據和水溫來自水文年鑒。模型計算時間步長為30 s，初始水位設為3 m。

長沙市共六區二縣一市，分別為芙蓉區、天心區、岳麓區、開福區、雨花區、望城區、長沙縣、寧鄉縣及瀏陽市，行政面積、人口分布等社會經濟資料來自湖南省統信息網站。

2.2.4 模型率定與驗證

(1)水動力率定及驗證。模型采用2016年1月(枯水期)竹岐、文山里水文站及下浦、峽南、白巖潭、琯頭水位站水文數據進行參數率定，得到區域模型Smagorinsky系數為0.28；風拖曳系數模型范圍內取0.001 0～0.001 5；底部糙率系數范圍為0.018～0.035。采用2016年4月(平水期)水文數據進行參數驗證，各水文站流量、潮位和水溫驗證結果及誤差見圖2、3和表1。為使構建的水環境模型能夠更好地反映研究時段閩江口水文變化規律，采用2019年11月(枯水期)閩江口琯頭點位和閩江口川石島點位的逐時潮位數據進行補充驗證，其結果見圖4。

圖2 2016年4月閩江下游水文站流量驗證結果對比圖

圖3 2016年4月閩江下游水文站水溫驗證結果對比圖

圖4 2019年11月閩江下游至河口水文/水位站潮位補充驗證結果

表1 各水文/水位站流量、潮位和水溫驗證誤差結果

由表1和圖2可知，各點位流量平均相對誤差最大的為14.16%，各點位潮位平均絕對誤差最大值為25 cm，表明各站點模擬水文要素與實測值吻合較好，所構建的水動力模型能夠較好地反演閩江下游及河口區域的水動力情況。

水溫影響河口溫躍層和生物降解，是模擬水動力和水質的關鍵參數。由表1和圖3可知，各斷面水溫相對誤差均在2.93%以內，表明各站點模擬水溫與實測值吻合較好，模型非常準確地模擬了水口至閩江口水溫的時空變化過程。

(2)水質參數率定及驗證。在水動力模型模擬的基礎上，對水質參數進行率定和驗證。率定采用2019年閩江口5月份(豐水期)川石島(F17)、梅花東(F18)和閩江口外(F19)3個考核點位的監測濃度值。選取CODMn、無機氮和活性磷酸鹽作為水質模擬污染物指標，率定得到各污染因子的降解系數為：CODMn為0.06～0.18 d-1；無機氮為0.07～0.15 d-1；活性磷酸鹽為0.03～0.1 d-1。采用2019年8月水質數據進行參數驗證，驗證誤差結果見表2。由表2可知，閩江口3個考核點位平均相對誤差均小于20%，表明所構建的水質模型適用于該地區的水質模擬。

表2 水質因子驗證相對誤差結果 %

3 結果與分析

3.1 下泄徑流量對閩江口水質的影響

為探究閩江河口與上游流量的響應關系，選取閩江2019年5月(豐水期)水口水庫不同下泄流量條件模擬閩江河口水質變化及分布規律，方案1設置年內豐水期(5月)水口水庫下泄流量月均值為2 981 m3/s，方案2設置枯水期(11月)流量月均值為392 m3/s，兩方案具體設置見表3。兩方案下河口3個點位各水質因子濃度預測結果見表4，閩江口各水質因子濃度場分布見圖5。

表3 不同水文水質條件的設置方案

表4 年內水口水庫不同下泄流量方案下河口點位各水質因子濃度預測結果 mg/L

圖5 方案1和方案2條件下閩江口CODMn、無機氮和活性磷酸鹽濃度場分布

對比表4及圖5中兩種方案的模擬結果可知，方案1由于入海河流量較大，單位時間內隨徑流進入河口區的污染物通量增多，影響的水域面積大，河口整體污染情況高于外部海域，污染帶自徑流呈現明顯濃度梯度向外海擴散[25]。其中，3個水質點位無機氮水質均超標，F18活性磷酸鹽水質超標。方案2由于河口區受徑流影響較小，河口區域受上游污染物通量的影響不及方案1，閩江口CODMn、無機氮和活性磷酸鹽的水質改善比分別為26.14%、29.98%和14.19%，而活性磷酸鹽濃度幾乎無變化，各點位水質改善程度依次為F17>F18>F19，受較好外海水質的影響，閩江口水質整體提升明顯，但三點位無機氮水質依然超標。

3.2 外海潮汐對閩江口水質的影響

為探究閩江河口與潮汐潮流的響應關系，模擬選取2019年5月大、小潮漲落不同時期條件下，河口各點位水質因子濃度變化及濃度場分布，結果見圖6、7。受潮汐潮流的影響，閩江口大潮F17點位潮差為6.01 m，小潮期為4.81m，漲潮期受海水上溯的影響，污染則多回溯至閩江下游河段，閩江口水質整體較好，而落潮期水流湍急，受上游水質及陸源和徑流等影響較大，閩江口水質對比漲潮期好于落潮期，大潮期好于小潮期。

圖6 2019 年5月閩江口各點位CODMn、無機氮及活性磷酸鹽濃度變化

圖7 2019 年5月閩江口CODMn、無機氮及活性磷酸鹽濃度場分布

3.3 下泄水質對閩江口水質的影響

為探究閩江口不同水質與水口水庫下泄水質的響應關系，在2019年11月水文條件下，水口下泄水分別選用年內水質最差時段(枯水期)和水質最好時段(豐水期)濃度(表3中方案3和4)，模型輸入設置方案3枯水期水質CODMn濃度為2.80 mg/L，總氮濃度為1.72 mg/L，總磷濃度為0.106 mg/L；設置方案4 CODMn濃度為1.75 mg/L，總氮濃度為0.90 mg/L，總磷濃度為0.077 mg/L，對比分析兩種方案對閩江河口水質變化的影響，兩種方案河口各點位水質因子濃度變化及方案3閩江口各水質因子濃度場分布分別見圖8、9。由圖8、9中的模擬結果可知，較好的上游水質對閩江口F17和F18點位的水質有提升作用，而F19點位水質提升不明顯，是由于F17和F18點位鄰近閩江長門水道和梅花水道兩個主要出水口，水質受徑流影響較大，而F19點位離岸較遠，主要受外海水質的影響；無機氮、CODMn和活性磷酸鹽對水質的改善比分別為22.34%、9.37%和4.02%，各水質因子中，無機氮提升最為明顯。

3.4 下游污染物削減對閩江口水質的影響

為探究閩江口不同水質與下游污染物排放的響應關系，設置兩種模擬方案(表3中方案5和6)：設置方案5為現狀污染源條件，其范圍包括上游水口水庫以上河段、水口至閩安段和閩江口區域內；對于方案6，根據福建省近岸海域環境功能規劃和福州市地表水環境功能區劃的要求，結合閩江下游城鎮生活污染物的處理情況，假定在水口水庫至閩安和閩江河口區域計算的污染源等比例削減30%的條件下，計算1年的結果，然后對比分析兩種方案對閩江口水質的影響，其中豐水期(5月)、平水期(8月)、枯水期(11月)閩江口各點位的各水質因子預測結果見表5。

圖8 2019年11月方案3、4條件下CODMn、無機氮和活性磷酸鹽濃度變化

圖9 方案4條件下閩江口CODMn、無機氮及活性磷酸鹽濃度場分布

表5 閩江口在方案5、6條件下年內不同時期各水質因子預測結果 mg/L

分析表5可知，污染物等比例削減30%后，閩江口水質在豐水期、平水期和枯水期的改善比例分別為6.24%、5.25%和5.48%；各水質因子中活性磷酸鹽提升最大，為6.76%，無機氮最小，為5.06%。污染物削減后，年內各點位CODMn月均濃度值均能滿足水質目標，活性磷酸鹽僅在平水期和枯水期的F18點位超標，而無機氮除平水期F19點位不超標外，其他點位在年內不同時期均超標。

4 討 論

(1)水口水庫下泄水對河口區CODMn和無機氮影響最大，與王軍等[22]的研究結果一致。由此可見，改善入海河流水質對河口水質提升具有明顯的促進作用[9,27]。

(2)閩江口為強潮三角洲河口，大潮潮差比小潮潮差大1.2 m，不同潮期對河口水質的影響不同，大潮期海面漲落的幅度大，河口水質受外海海水上溯的影響，濃度較低、稀釋程度高，因而整體水質相比落潮期好。

(3)水口水庫至閩安和閩江口區域所占污染權重并不大[22]，設置的污染物削減30%條件并不能有效保障閩江口水質穩定達標。這是由于河流、湖庫的水質標準與海水水質標準不銜接所引起的[22,28-29]，建議統籌閩江全流域總氮和總磷控制管理[26]，根據河口區年內水質變化趨勢，分季節分區域重點管控[25]，同時進一步針對閩江下游開展行業排污口管控以及小流域綜合治理[12]，以改善河口區水質。

5 結 論

(1)本文以閩江河口水質超標為背景，構建了閩江下游至河口區域的二維非穩態水動力水質模型，率定和驗證的水位絕對誤差均在0.25 m內，流量平均相對誤差均在15%內，水溫平均相對誤差均小于3%，各水質因子參數平均相對誤差均在20%內，所構建的模型能夠較好地反演閩江下游至河口的水動力水質情況。

(2)閩江口水質對不同水文的響應存在顯著的時空差異性。閩江口CODMn和無機氮水質受上游影響較大，而活性磷酸鹽所受影響相對較小。閩江口水質在漲潮期優于落潮期，漲潮期大潮優于小潮。

(3)外源負荷對閩江口水質變化具有不可忽視的影響。即使在閩江水口水庫下泄水質年內最好或下游污染物削減30%的條件下，年內各水質因子濃度雖均有所降低，但無機氮和活性磷酸鹽依然時有超標。因此，建議在全流域實施水環境綜合整治，尤其是提出總氮和總磷的總量控制要求，以改善閩江口及其近岸海域水質。