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摘 要：随着社会经济的发展，沿海地区污水排放量增加，近岸海水水质污染日趋严重，需要更合理的排放方式以最大限度利地用水体的环境容量。本文运用环境动力学模型EFDC模拟唐岛湾污水排海及污染物扩散过程，结合实际情况，对湾内排污口进行位置调整后得出优化方案。通过前后两种方案污染物扩散过程的对比，确定了优化方案具有更高的扩散效率，为排海口位置及排放模式的选择提供参考。
关键词：唐岛湾 EFDC 污水排放
中图分类号：X143 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）09（b）-0079-04
人类活动对海洋尤其是近岸海湾地区造成了越来越严重的影响，由于这一领域相对缺乏科学技术方法的支持，使得相应的管理手段产生的效果未能达到预期。预防环境污染比治理污染更为重要，沿海城市建设发展带来的污染物排放是一个不容忽视的事实。近年来污水排放的数量以及污染物的种类都呈显著增加趋势。在客观上，对于污水排放以及对近海区域的环境污染必须进行科学的规范和指引，从而使其对环境的影响降低至环境可承受范围之内，达到经济和环保双赢的目的。
EFDC（Environmental Fluid Dynamics Code）环境流体动力学模型最早由美国佛吉尼亚海洋科学研究所基于Fortran语言编制而成。这年来，国内关于EFDC模型对水质的研究正逐渐发展，EFDC模型被大量应用到水环境二维、三维模拟研究中。由于EFDC具有功能齐全、代码开源、操作灵活等优点，越来越为环境工作者青睐，已经成为水动力和水质研究领域的权威性软件，所以在本研究中选用EFDC模型对唐岛湾水体中的污染物扩散过程进行模拟和预测。
1 唐岛湾地理资料及排污口布置
唐岛湾位于海西半岛西南岸，为倒“U”型构造原生海湾，三面环山，东和北部为薛家岛，西接胶南的灵山卫镇，南与黄海灵山湾相接。海湾开口西南方向，东起薛家岛的鱼鸣嘴，西至灵山卫镇的炮台嘴，开口宽2.5km左右，总面积约17km2。潮汐类型属于正规半日潮，平均潮差2.59m，最大潮差4.57m。潮流速度约60cm/s，东南向为强浪向。海湾中间有一宽约200m，长约5km的狭长潮汐通道，其水深最深处有10m左右，浅处约4m，牛岛附近等深线5m左右。由于唐岛和远处灵山岛的遮掩，湾内波高较低，当风力达到7级时，湾内波高不超过1.2m，目前入湾的集中排污口如图1所示。
2 模型的建立
2.1 网格划分
考虑湾内水深较浅，没有垂向分层，建立垂向平均的平面二维网格，开边界取在唐岛湾外侧水域。为拟合不规则岸线，应用曲线正交网格对湾内水域进行剖分，得到如图2所示的网格划分图。
2.2 边界条件
唐岛湾湾内潮汐类型为正规半日潮，因此開边界水位条件可采用公式（1）所示调和方程：
（1）
上式中：为水位，单位m；t为时间，单位s；为M2分潮的圆频率；为M2分潮的调和常数。不考虑波浪影响，其他为固壁边界，因退潮时会露滩，设置了干湿网格判断。
唐岛湾沿岸初步估计共分布有大大小小十多个排污口，为了方便模拟，小排量排污口不加以考虑，对位置邻近的排污口进行合并后共得到如图1所示的6个排污口。各排污口流量信息见表1。
为了使模拟过程简化，取COD为单独指标，只考虑一级降解，取降解系数k为常数。COD浓度变化式：
（2）
其中：kc为COD的降解系数，d-1；c0为初始时刻COD的浓度，mg/L；ct为污染物在t时刻的浓度，mg/L；t为作用时间，d[6]。
2.3 模拟结果
2.3.1 流场模拟结果
图3所示为涨潮流场。从湾口流入的潮流绕过唐岛后直接流入湾内。到达湾中心后，绕过牛岛并最终抵达湾顶。从图3中可以看出，湾顶的流场几乎不受入湾潮流的影响，湾顶水体与外界交换作用缓慢。图4为唐岛湾落潮流场。由图4可知，在落潮情况下，湾顶水域仍然受到很小影响，主要活动区域位于湾口水域，这是由于唐岛湾的狭长地形所致。
2.3.2 排污口位置的优选
对唐岛湾污水排放口优选的原则是：在最短的时间内，使污水得到外输和稀释降解。根据流场情况分析排污口的布置可知存在选址不当，比如1、3号排污口，这些排污口所处位置流场强度较小，不便于污水的扩散，尤其是1号排污口位于岸边的凹陷区域，3号排污口位于湾顶处潮流最小的区域。通过改变1、3号排放点的位置，模拟其扩散效果，进行排污口位置的优选。
（1）1号排污口的优化。
1号点的原始地理位置十分不利于污水的扩散，为了取得更为理想的排污效果，可将其从凹口内移出。
图5和图6为1号点位于凹口内以及移出后在相同排量下进行排放2天后的扩散图。从这两个图中可以看出移出凹口后，污水可以更快地扩散到湾口，从而起到更好的净化效果。
（2）3号排污口的优化。
3号排污口位于湾内最顶部。其地理位置使得经此处排出的污水很难通过湾内的流场排出湾口，即使采用离岸排污，所取得的效果也十分有限，而且也不经济。对于这种情况，只能适当地改变沿岸排放地点，尽可能利用到潮流作用。
图7、图8所示为3号排污口原始位置以及沿岸向西移1000m之后6天扩散情况。从这两个图中可以看出，对于湾顶的排污口，经过移动后，可以开始有效地利用潮流向湾外输移。相对于湾顶排污导致污染物大量聚集在湾顶海域，移动排污口后湾顶受到的影响显著较小。尤其是对于难降解的物质，通过这种调整可以很好地避免其在湾内长期聚集。
（3）优化后的排污扩散对比。
综合到实际地理因素和经济情况，对6个排污口可做以下调整：1号点从凹口内移出，3号点由湾顶沿岸外移一段距离；其他排污口基本不变。最终各排污口重建位置如图9所示。 在排放量不变的条件下，进行了两种排污方案的对比，图10～图13分别是优化后与原始排污方案下3、12天湾内污水扩散情况。对比后可看出，优化后方案比原始方案更有效率。
3 结论
本文研究对象为山东省青岛市黄岛开发区唐岛湾，应用EFDC水质模型对污水在湾内扩散过程进行模拟，并对排污口进行优化。
（1）对湾内流场分析可知湾口处流速最大，湾内流速小于湾口处，流速随着流场的传播有逐渐降低的趋势。其中潮流流向与唐岛湾走向基本一致，具有一般半封闭海湾流场特征。
（2）污水在湾内的扩散过程归根到底是受到湾内潮汐动力的影响。当涨急时候，海水从湾口大量涌入，污染物在随着潮流向湾内流动的同时也得到了很好的稀释；当落急时候，污染物随着潮流向湾口方向流动，湾口附近的污染物被迅速带出海湾，可以通过调整排污口位置来使污水更好的利用湾内潮流进行扩散稀释。
（3）结合实际情况，对湾内排污口进行位置调整后得出优化方案。通过前后两种方案污染物扩散过程地对比，确定了优化方案具有更高的扩散效率。
参考文献
[1] Wu G， Xu Z. Prediction of algal blooming using EFDC model： Case study in the Daoxiang Lake[J]. Ecological Modelling，2011，222（6）：1245-1252.
[2] 龚艳君.威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 [D].中国海洋大学，2008.
[3] 王翠，孙英兰，张学庆.基于EFDC模型的胶州湾三维潮流数值模拟[J].中国海洋大学学报：自然科学版，2008，38
（5）：833-840.
[4] 朴香花，周集体，张玉，等.藻类在大连湾的水环境行为数值模拟研究[J].海洋环境科学，2007，25（4）：52-54.
[5] 国峰，张海平，李阳，等.金山污水排海对纳污海域水质影响的数学模拟[J].海洋学研究，2008，25（4）：81-85.
[6] Ji Z G.Hydrodynamics and water quality：modeling rivers， lakes， and estuaries[M]. John Wiley & Sons， 2008.
[7] 張曦，夏星辉，杨志峰.水体中有机污染物自然降解研究进展[J].环境科学与技术，2004，27（B8）：136-139.
[8] 刘夏明，李俊清，豆小敏，等.EFDC模型在河口水环境模拟中的应用及进展[J].环境科学与技术，2011，34（6）： 136-140.
关键词：唐岛湾 EFDC 污水排放
中图分类号：X143 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）09（b）-0079-04
人类活动对海洋尤其是近岸海湾地区造成了越来越严重的影响，由于这一领域相对缺乏科学技术方法的支持，使得相应的管理手段产生的效果未能达到预期。预防环境污染比治理污染更为重要，沿海城市建设发展带来的污染物排放是一个不容忽视的事实。近年来污水排放的数量以及污染物的种类都呈显著增加趋势。在客观上，对于污水排放以及对近海区域的环境污染必须进行科学的规范和指引，从而使其对环境的影响降低至环境可承受范围之内，达到经济和环保双赢的目的。
EFDC（Environmental Fluid Dynamics Code）环境流体动力学模型最早由美国佛吉尼亚海洋科学研究所基于Fortran语言编制而成。这年来，国内关于EFDC模型对水质的研究正逐渐发展，EFDC模型被大量应用到水环境二维、三维模拟研究中。由于EFDC具有功能齐全、代码开源、操作灵活等优点，越来越为环境工作者青睐，已经成为水动力和水质研究领域的权威性软件，所以在本研究中选用EFDC模型对唐岛湾水体中的污染物扩散过程进行模拟和预测。
1 唐岛湾地理资料及排污口布置
唐岛湾位于海西半岛西南岸，为倒“U”型构造原生海湾，三面环山，东和北部为薛家岛，西接胶南的灵山卫镇，南与黄海灵山湾相接。海湾开口西南方向，东起薛家岛的鱼鸣嘴，西至灵山卫镇的炮台嘴，开口宽2.5km左右，总面积约17km2。潮汐类型属于正规半日潮，平均潮差2.59m，最大潮差4.57m。潮流速度约60cm/s，东南向为强浪向。海湾中间有一宽约200m，长约5km的狭长潮汐通道，其水深最深处有10m左右，浅处约4m，牛岛附近等深线5m左右。由于唐岛和远处灵山岛的遮掩，湾内波高较低，当风力达到7级时，湾内波高不超过1.2m，目前入湾的集中排污口如图1所示。
2 模型的建立
2.1 网格划分
考虑湾内水深较浅，没有垂向分层，建立垂向平均的平面二维网格，开边界取在唐岛湾外侧水域。为拟合不规则岸线，应用曲线正交网格对湾内水域进行剖分，得到如图2所示的网格划分图。
2.2 边界条件
唐岛湾湾内潮汐类型为正规半日潮，因此開边界水位条件可采用公式（1）所示调和方程：
（1）
上式中：为水位，单位m；t为时间，单位s；为M2分潮的圆频率；为M2分潮的调和常数。不考虑波浪影响，其他为固壁边界，因退潮时会露滩，设置了干湿网格判断。
唐岛湾沿岸初步估计共分布有大大小小十多个排污口，为了方便模拟，小排量排污口不加以考虑，对位置邻近的排污口进行合并后共得到如图1所示的6个排污口。各排污口流量信息见表1。
为了使模拟过程简化，取COD为单独指标，只考虑一级降解，取降解系数k为常数。COD浓度变化式：
（2）
其中：kc为COD的降解系数，d-1；c0为初始时刻COD的浓度，mg/L；ct为污染物在t时刻的浓度，mg/L；t为作用时间，d[6]。
2.3 模拟结果
2.3.1 流场模拟结果
图3所示为涨潮流场。从湾口流入的潮流绕过唐岛后直接流入湾内。到达湾中心后，绕过牛岛并最终抵达湾顶。从图3中可以看出，湾顶的流场几乎不受入湾潮流的影响，湾顶水体与外界交换作用缓慢。图4为唐岛湾落潮流场。由图4可知，在落潮情况下，湾顶水域仍然受到很小影响，主要活动区域位于湾口水域，这是由于唐岛湾的狭长地形所致。
2.3.2 排污口位置的优选
对唐岛湾污水排放口优选的原则是：在最短的时间内，使污水得到外输和稀释降解。根据流场情况分析排污口的布置可知存在选址不当，比如1、3号排污口，这些排污口所处位置流场强度较小，不便于污水的扩散，尤其是1号排污口位于岸边的凹陷区域，3号排污口位于湾顶处潮流最小的区域。通过改变1、3号排放点的位置，模拟其扩散效果，进行排污口位置的优选。
（1）1号排污口的优化。
1号点的原始地理位置十分不利于污水的扩散，为了取得更为理想的排污效果，可将其从凹口内移出。
图5和图6为1号点位于凹口内以及移出后在相同排量下进行排放2天后的扩散图。从这两个图中可以看出移出凹口后，污水可以更快地扩散到湾口，从而起到更好的净化效果。
（2）3号排污口的优化。
3号排污口位于湾内最顶部。其地理位置使得经此处排出的污水很难通过湾内的流场排出湾口，即使采用离岸排污，所取得的效果也十分有限，而且也不经济。对于这种情况，只能适当地改变沿岸排放地点，尽可能利用到潮流作用。
图7、图8所示为3号排污口原始位置以及沿岸向西移1000m之后6天扩散情况。从这两个图中可以看出，对于湾顶的排污口，经过移动后，可以开始有效地利用潮流向湾外输移。相对于湾顶排污导致污染物大量聚集在湾顶海域，移动排污口后湾顶受到的影响显著较小。尤其是对于难降解的物质，通过这种调整可以很好地避免其在湾内长期聚集。
（3）优化后的排污扩散对比。
综合到实际地理因素和经济情况，对6个排污口可做以下调整：1号点从凹口内移出，3号点由湾顶沿岸外移一段距离；其他排污口基本不变。最终各排污口重建位置如图9所示。 在排放量不变的条件下，进行了两种排污方案的对比，图10～图13分别是优化后与原始排污方案下3、12天湾内污水扩散情况。对比后可看出，优化后方案比原始方案更有效率。
3 结论
本文研究对象为山东省青岛市黄岛开发区唐岛湾，应用EFDC水质模型对污水在湾内扩散过程进行模拟，并对排污口进行优化。
（1）对湾内流场分析可知湾口处流速最大，湾内流速小于湾口处，流速随着流场的传播有逐渐降低的趋势。其中潮流流向与唐岛湾走向基本一致，具有一般半封闭海湾流场特征。
（2）污水在湾内的扩散过程归根到底是受到湾内潮汐动力的影响。当涨急时候，海水从湾口大量涌入，污染物在随着潮流向湾内流动的同时也得到了很好的稀释；当落急时候，污染物随着潮流向湾口方向流动，湾口附近的污染物被迅速带出海湾，可以通过调整排污口位置来使污水更好的利用湾内潮流进行扩散稀释。
（3）结合实际情况，对湾内排污口进行位置调整后得出优化方案。通过前后两种方案污染物扩散过程地对比，确定了优化方案具有更高的扩散效率。
参考文献
[1] Wu G， Xu Z. Prediction of algal blooming using EFDC model： Case study in the Daoxiang Lake[J]. Ecological Modelling，2011，222（6）：1245-1252.
[2] 龚艳君.威海湾污染物扩散数值模拟与环境容量研究 [D].中国海洋大学，2008.
[3] 王翠，孙英兰，张学庆.基于EFDC模型的胶州湾三维潮流数值模拟[J].中国海洋大学学报：自然科学版，2008，38
（5）：833-840.
[4] 朴香花，周集体，张玉，等.藻类在大连湾的水环境行为数值模拟研究[J].海洋环境科学，2007，25（4）：52-54.
[5] 国峰，张海平，李阳，等.金山污水排海对纳污海域水质影响的数学模拟[J].海洋学研究，2008，25（4）：81-85.
[6] Ji Z G.Hydrodynamics and water quality：modeling rivers， lakes， and estuaries[M]. John Wiley & Sons， 2008.
[7] 張曦，夏星辉，杨志峰.水体中有机污染物自然降解研究进展[J].环境科学与技术，2004，27（B8）：136-139.
[8] 刘夏明，李俊清，豆小敏，等.EFDC模型在河口水环境模拟中的应用及进展[J].环境科学与技术，2011，34（6）： 136-140.