生态动力学模型及其在长江口及毗邻海域水污染防治规划中的应用邵一平-环境科学年会.pptx

建立长江口及毗邻海域水质模型，模拟控制污染物水质浓度场的时空变化规律，建立陆域污染源与水质浓度场的动态响应关系，为容量计算和总量控制方案的制定提供关键技术依据。建立长江口三维生态动力学模型，模拟并校核二维线性水质模型计算形成的总量分配方案的合理性。主要研究目的主要研究目的研究范围研究范围陆域包括江苏、浙江两省所属陆域包括江苏、浙江两省所属沿海沿江沿海沿江14个地市及上海市全个地市及上海市全市，面积共计市，面积共计10.36万万km2。海域包括三省市近岸海域，即海域包括三省市近岸海域，即长江口、杭州湾及毗邻海域，长江口、杭州湾及毗邻海域，范围为范围为32002930N，123E以西海域，面积约以西海域，面积约3.8万万km2。水动力模型水动力模型1.长江口及其邻近海域三维流场长江口及其邻近海域三维流场计算；计算；2.长江口及其邻近海域三维盐度场长江口及其邻近海域三维盐度场计算；计算；3.长江口及其邻近海域三维温度场长江口及其邻近海域三维温度场计算；计算；4.长江口及其邻近海域三维悬沙场计算；长江口及其邻近海域三维悬沙场计算；水动力基本方程三维温度场和盐度场基本方程三维温度场和盐度场基本方程盐度为保守量，在动力场的作用下求解对流扩散方程 温度考虑表层太阳辐射的作用 三维悬沙场控制方程泥沙考虑底层的沉降和再悬浮以及盐度对沉降速度的影响-模型范围网格数147132，平均格距2km，最小格距在长江口内约300m，最大格距在外海约6km 进行三维计算时，模型垂向采用 坐标，共分14层。初边条件选择水位和流速对外界动力响应较快，初值均取为零；盐度取洪季或枯季的典型分布值；温度初值取当月平均实测值；泥沙的初值取0。外海潮位采用M2、S2、K1、O1、K2、N2和P1 等7个分潮调和常数。风场和温度场采用NOAA提供的NCEP/NCAR再分析风场和气象资料，每6小时一次，本区域精度约2度。对上边界长江径流取大通站的当月平均值，盐度、温度和泥沙的边界采用流入定常，流出无梯度的辐射边界条件。上游边界盐度取0，悬沙浓度取0.5 kg/m3；外海边界盐度取观测的典型值，悬沙浓度较小，取0.02 kg/m3；温度的开边界输入取实测月平均值。水动力模型率定和验证1996年9月长江口区域测站分布 碧海专项监测长江口二维线性水质模型长江口二维线性水质模型基本方程对流扩散方程长江口杭州湾平面二维数学模型范围长江口杭州湾平面二维数学模型范围长江口杭州湾平面二维数学模型范围长江口杭州湾平面二维数学模型范围长江上游边界取在徐六泾；长江上游边界取在徐六泾；海域东边界为东经海域东边界为东经123123；南边界在北纬南边界在北纬29302930；北边界在江苏吕四港以北北北边界在江苏吕四港以北北纬纬32153215模型研究范围模型研究范围网格剖分、模型边界水质边界：水质边界：上游流入边界：（长江和钱塘江）取同步实测浓度过程线。上游流入边界：（长江和钱塘江）取同步实测浓度过程线。外海边界：外海边界：1）不同水期的实测浓度边界（率定验证阶段）不同水期的实测浓度边界（率定验证阶段）2）零浓度梯度边界（方案研究阶段）零浓度梯度边界（方案研究阶段）网格剖分：网格剖分：198170。网格大小：网格大小：1500m*1500m1500m*1500m。模型基面：模型基面：统一采用城建吴淞基面。污染源负荷输入污染源负荷输入 33 33个概化点污染源个概化点污染源 干湿沉降干湿沉降 海水养殖排污海水养殖排污 富营养化控制指标富营养化控制指标（DINDIN，DIPDIP）有机污染物指标有机污染物指标（CODCODMnMn，NHNH3 3-N-N）其他输入条件其他输入条件长江口长江口风速、风向、气温、太阳辐射等风速、风向、气温、太阳辐射等外部输入资料同水动力模型保持一致，外部输入资料同水动力模型保持一致，采用采用NOAANOAA提供的资料。提供的资料。长江口毗邻海域同步水文水质监测站位图长江口毗邻海域同步水文水质监测站位图 COD模拟值与实测值的比较模拟值与实测值的比较误差统计分析误差统计分析-模型系数取值污染物扩散系数污染物扩散系数 K2：0.030.17。本研究取0.1。长江口污染物扩散系数取值范围：0450m2/s。污染物降解系数污染物降解系数各排污源水质浓度响应场的模拟结果各排污源水质浓度响应场的模拟结果CODCOD各排污源水质浓度响应场的模拟结果各排污源水质浓度响应场的模拟结果COD干湿沉降引起的背景浓度场干湿沉降引起的背景浓度场COD 氨氮氨氮 海水养殖产生的背景浓度场海水养殖产生的背景浓度场DIN DIP长江口及毗邻海域三维生态动力学长江口及毗邻海域三维生态动力学模型模型氮、磷营养盐的迁移转化过程氮、磷营养盐的迁移转化过程模型变量模型变量浮游植物（以浮游植物（以C计）计）Phytoplankton carbon(PC)浮游植物（以浮游植物（以N计）计）Phytoplankton nitrogen(PN)浮游植物（以浮游植物（以P计）计）Phytoplankton phosphorus(PP)叶绿素叶绿素-aChlorophyll-a(CH)浮游动物浮游动物Zooplankton(ZC)碎屑碳碎屑碳Detritus carbon(DC)碎屑碎屑氮氮Detritus nitrogen(DN)碎屑碎屑磷磷Detritus phosphorus(DP)无机氮无机氮Inorganic nitrogen(INNO3NH3)无机磷无机磷Inorganic phosphorus(IP)溶解氧溶解氧Dissolved oxygen(DO)底栖植物（以底栖植物（以C计）计）Benthic vegetation carbon(BC)北至北纬北至北纬3242，南，南至北纬至北纬28，东至东经，东至东经124，西起江阴。，西起江阴。共共1641个计算单元个计算单元 垂向分六层，从上到下垂向分六层，从上到下各层相对厚度分别为各层相对厚度分别为0.1H，0.15H，0.15H，0.15H，0.2H，0.25H。DODO模拟结果和实测结果比较模拟结果和实测结果比较DINDIN模拟结果和实测结果比较模拟结果和实测结果比较DIPDIP模拟结果和实测结果比较模拟结果和实测结果比较Chl-a05-11Chl-a05-7关键模型参数率定结果关键模型参数率定结果计算误差分析计算误差分析生态模拟方案生态模拟方案方案编号名称污染负荷水平设计水文条件1现状方案设计水文条件下的污染物现状入海总量径流量、水温，泥沙、潮流、光照：设计频率采用多年平均。模拟时段：112月份；2全海域达标控制方案按全海区功能区达标控制计算得到的最大允许纳污量3赤潮易发区达标控制方案按赤潮易发区功能达标控制计算得到的最大允许纳污量NHNH3 3-N-N三维模型验证结果三维模型验证结果赤潮易发区功能达标方案赤潮易发区功能达标方案全海域功能达标方案全海域功能达标方案-DIN-DIN验证结果验证结果赤潮易发区功能达标方案赤潮易发区功能达标方案全海域功能达标方案全海域功能达标方案-DIP验证结果验证结果赤潮易发区功能达标方案赤潮易发区功能达标方案全海域功能达标方案全海域功能达标方案叶绿素叶绿素a-垂向剖面分布垂向剖面分布断面11断面22东海海洋分局，东海海洋分局，20032006年年赤潮发生次数统计。赤潮发生次数统计。现状方案现状方案现状设计水文条件下，长江口表层水体在东经123附近存在1条南北长约150km，宽约40km的叶绿素高浓度区。该结果与国家海洋局东海分局20032006年赤潮发生次数统计结果基本一致。总量控制方案的chl-a模拟结果比较分析 赤潮易发区功能达标方案赤潮易发区功能达标方案全海域功能达标方案全海域功能达标方案实施赤潮易发区达标控制方案后，该区域叶绿素浓度值显著降低，实施赤潮易发区达标控制方案后，该区域叶绿素浓度值显著降低，5g/L的面积基本消的面积基本消失，失，35g/L的面积也由现状方案约的面积也由现状方案约1万万km2减少减少50%，约，约5000 km2。实施全海区功能区达标控制方案后，该区域叶绿素浓度值显著降低，实施全海区功能区达标控制方案后，该区域叶绿素浓度值显著降低，5g/L的面积消失，的面积消失，35g/L的面积也由现状约的面积也由现状约1万万km2减少减少90%，约，约1000 km2。结论与建议1 1研究建立长江口研究建立长江口CODmnCODmn、NH3NH3、DINDIN、DIPDIP的二维线性水质模型，模型的验证和率的二维线性水质模型，模型的验证和率定结果表明，定结果表明，CODmn 12CODmn 12个站位的相对误差均值为个站位的相对误差均值为2929，NH3NH3为为2727，DIP 19DIP 19，DIN 28DIN 28，模拟精度满足规划研究要求。，模拟精度满足规划研究要求。2 2利用二维线性模型进行设计水文条件下利用二维线性模型进行设计水文条件下3333个概化排污口的高锰酸盐指数等控制个概化排污口的高锰酸盐指数等控制污染物的水质响应系数场的模拟计算，为该海域容量计算和总量分配提供了依据。污染物的水质响应系数场的模拟计算，为该海域容量计算和总量分配提供了依据。3 3建立了长江口三维生态动力学模型，利用建立了长江口三维生态动力学模型，利用0505年夏季和秋季实测水质资料进行了年夏季和秋季实测水质资料进行了模型的验证和率定；结果表明除个别站位误差稍大外，绝大多数站位的模拟值与实测模型的验证和率定；结果表明除个别站位误差稍大外，绝大多数站位的模拟值与实测结果的相对误差均在合理范围之内，秋季叶绿素结果的相对误差均在合理范围之内，秋季叶绿素1212个站位的相对误差均值为个站位的相对误差均值为3131，DODO为为1111，磷酸盐，磷酸盐2323，无机氮，无机氮3030。4 4实施赤潮易发区达标控制方案后，该区域叶绿素浓度值显著降低，实施赤潮易发区达标控制方案后，该区域叶绿素浓度值显著降低，5g/L5g/L的的面积基本消失，面积基本消失，3-5g/L3-5g/L的面积也由现状方案约的面积也由现状方案约1 1万万kmkm2 2减少减少50%50%。实施全海区功能达。实施全海区功能达标控制方案后，原赤潮易发区叶绿素浓度值显著降低，叶绿素高浓度区域面积基本消标控制方案后，原赤潮易发区叶绿素浓度值显著降低，叶绿素高浓度区域面积基本消失，中高浓度区域的面积也比现状方案减少失，中高浓度区域的面积也比现状方案减少90%90%。存在问题存在问题由于各种原因，目前初步所建长江口生态模型还很难在量级、位置和规模上准确模拟和预测长江口赤潮爆发的现象，还需要在更多的赤潮爆发机理研究和实测数据的支持下不断修正和完善