CN107818220A - 基于生态系统动力学综合模型对海湾环境容量的估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于生态系统动力学综合模型对海湾环境容量的估算方法。本发明包括首先采集、收集数据、选定环境容量控制示范点，设置海湾环境容量对应的海洋环境水质标准，以及准备数据、模拟海湾潮流和海水水位、使用海洋生态模型来模拟海湾COD排放分布、通过水动力学模型模拟排放COD的扩散及消亡过程以及最后构建COD海域水质响应场，计算海湾最大允许COD环境容量。本发明顾及海底地形及潮流水动力特征下耦合上COD排放的情况，进行模拟海湾的环境容量。本方法考虑到海湾地形的特殊性以及潮落、潮涨的变化，并根据具体海湾环境监管的需要设定控制阈值进行耦合模拟，该方法更便于应用海湾环境监管及操作。

Description

基于生态系统动力学综合模型对海湾环境容量的估算方法
技术领域
本发明涉及一种基于生态系统动力学综合模型估算海湾环境容量的方法。
背景技术
伴随着生态环境受到人类活动和环境污染的胁迫越来越大，近年来生态系统健康研究得到了越来越多研究人员的关注，已成为生态和环境领域研究的热点之一。生态系统为人类提供了自然资源和生存环境等方面的多种服务，维系地球生命的存在。保证生态系统的健康是人类持续地获得多种服务的前提，也是人类关注生态系统健康的原因之一。
我国自北向南有绵长的海岸线，近海海域资源丰富，但是近年来，由于人类活动对近海海域环境的影响日益严重，实时监测近海海域的生态环境并做出健康评估具有重要意义。而对海洋环境容量的估算在其中是重中之重。
当前针对海洋环境容量估算，有多种估算方法：例如2006年余静等采用线性迭加法对宁波—舟山海域入海污染物的环境容量研究；采用均匀混合法通过海湾潮汐作用造成的环境容量预测模型来估算；采用浓度场分担法来计算出海湾各排污口水污染物的最大允许排污量，以此作为海湾可以利用的环境容量。而这些估算方法大都通过潮汐风场等数值模型来模拟估算。但是由于某些具有特定海底地形地貌例如浅海(水深较低)和海湾型海域所导致的波浪、风场的特殊性，如果继续沿用上述估算方法，最终难以得到相适应的估算结果。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于生态系统动力学综合模型对海湾环境容量的估算方法，顾及特定海湾的海底地形及潮流水动力特征下，构建一种生态系统动力学综合模型模拟海湾的环境容量。
为达到上述目的，本发明采取的具体技术方案为：
一种基于生态系统动力学综合模型对海湾环境容量的估算方法，该方法包括以下步骤：
(1)首先采集、收集数据、选定环境容量控制示范点，设置海湾环境容量对应的海洋环境水质标准，以及准备数据：海湾潮流流速流向、海湾COD排放浓度序列数据、海湾COD年排放量；
(2)考虑海湾海域复杂的海底地形和边界，使用单元格为中心的有限体积法及动力学扩散方程、海水-底质交换动力学方程模拟海湾潮流和海水水位；
(3)使用海湾COD排放浓度序列数据，分析海湾COD分布情况；使用海洋生态模型来模拟海湾COD排放分布，估算COD污染源响应场；
(4)利用海洋生态模型耦合海水动力学模型，通过水动力学模型模拟排放COD的扩散及消亡过程，使用其中，c为COD浓度，u、v和w是流速分量，Dx、Dy和D为扩散/消散色散系数，Sc为输入的源，Pc是过程项，质量传输方程模拟排放COD浓度的分布；
(5)最后构建COD海域水质响应场，计算海湾最大允许COD环境容量。
本发明的有益效果：本发明基于生态系统动力学综合模型针对海湾环境容量提供一种高精度的估算方法，在顾及海底地形及潮流水动力特征下耦合上COD排放的情况，进行模拟海湾的环境容量。本方法考虑到海湾地形的特殊性以及潮落、潮涨的变化，并根据具体海湾环境监管的需要设定控制阈值进行耦合模拟，该方法更便于应用海湾环境监管及操作，弥补了现有技术的不足。
附图说明
图1为实施例中观测与模拟水位比较结果图。
图2为实施例中钦州湾海底水深图。
图3为实施例中钦州湾大潮落急水位与流场。
图4为实施例中钦州湾大潮涨急水位与流场。
图5为实施例中钦州湾海水COD的含量范围在2007～2013年变化情况及空间分布。
图6为实施例中利用本发明模型计算的钦州湾COD浓度分布图(大潮涨急)。
图7为实施例中利用本发明模型计算的钦州湾COD浓度分布(大潮落急)。
图8为本发明针对海湾环境容量的估算方法流程图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明进一步解释和说明。
实施例：
本实施例以钦州湾为例展开实例验证，构建COD环境容量模型，估算出COD环境容量，最终为海域污染物的排放总量控制和海湾行业优化布局提供基础的支撑。
如图8所示，一种基于生态系统动力学综合模型对海湾环境容量的估算方法，该方法包括以下步骤：
(1)首先采集、收集数据、选定环境容量控制示范点，设置海湾环境容量对应的海洋环境水质标准，以及准备数据：海湾潮流流速流向、海湾COD排放浓度序列数据、海湾COD年排放量；
(2)考虑海湾海域复杂的海底地形和边界，使用生态动力学模型来模拟海湾COD排放分布，估算COD污染源响应场；
(3)使用单元格为中心的有限体积法及生态动力学扩散方程、海水-底质交换动力学方程、全面分解过程方程计算海湾潮流和海水水位；
(4)利用生态模型耦合海水动力学模型，通过水动力学模型模拟排放COD的扩散及消亡过程，通过其中，c为COD浓度，u、v和w是流速分量，Dx、Dy和D为扩散/消散色散系数，Sc为输入的源，Pc是过程项，质量传输方程模拟排放COD浓度的分布；
(5)最后构建COD海域水质响应场，计算海湾最大允许COD环境容量。
如图1所示，上部的曲线是观测值，在下的曲线是模拟值。钦州湾外海涨潮流向为西南，进入湾区涨落潮主流向变为NS向，至龙门水道潮流方向渐转为NW-SE向，在茅尾海涨落潮流方向大体呈NS向。无论大、小潮期，钦州湾水域落潮流速均大于涨潮流速，落急潮流约比涨急潮流大15cm/s左右。涨潮流由湾口主要沿3条水道流向北，至青菜头附近折转为西北向，经龙门水道进入茅尾海；落潮流从茅尾海沿相反方向经龙门水道3条水道出湾口。
如图2所示，可以看出钦州湾水深分布具有一定的规律。茅尾海周边及近岸海域水深较浅。较深处为从茅尾海至钦州港至外海的航道。这也为潮流运动及污染物扩散提供了有利的途径。
如图3所示，钦州湾大潮落急水位及流场情况来看，茅尾海内湾湾口流向湾底(茅尾海正北方)，钦州湾外海潮流流向大榄江、及经钦州港流向茅尾海内海。从水位变化的情况来看，茅尾海水位在1～1.5m之间，钦州湾湾口及外湾的水位在-0.5～0m之间。在整个大潮落急期间，钦州湾流场为由外海流向湾口并流向湾底；水位则呈现由湾底至湾口至外海层次递减的分布规律，且变化范围不大。
如图4所示，钦州湾大潮涨急水位及流场情况来看，茅尾海内湾湾底流向湾口(茅尾海正南方)，及经钦州港航道流向钦州湾外海。从水位变化的情况来看，茅尾海内海水位在0.6～1m之间，钦州湾口及外湾水位在1.6～2.2m之间。总之，整个大潮涨急期间钦州港流场为由湾底涌向湾口并流向外海；由湾底至湾口至外海，水位则呈现层次递增的分布规律，且变化范围不大。
从图5化学耗氧量(COD)时空分布图上可知：
2010年在港口工业与城镇用海区海域化学耗氧量(COD)浓度较高在301～90.1mg/L之间。从2010年数据来看，除去港口工业与城镇用海区外，钦州湾的其他海域COD浓度较低。2011年钦州湾COD浓度空间分布图上看，港口工业与城镇用海区浓度最高，其次按照层次递减依次为茅尾海东部农渔业区、休闲娱乐区。钦州湾外海保护区区海域溶解氧(DO)浓度较低为0.80～5.0之间。2012年港口工业与城镇用海区COD浓度最高。次高区域为茅岭江入海口区海域；化学耗氧量(COD)浓度最低区域为休闲娱乐区，其值在0.5～10.0之间。到了2013年，钦州湾化学耗氧量(COD)浓度最高区域变化为港口工业与城镇用海区、钦州湾外湾养殖区。这表明，从2013年开始海水养殖对钦州湾化学耗氧量(COD)浓度的变化起到主导作用，其化学耗氧量(COD)浓度在15.1～31.5mg/L之间。从2010～～2013年钦州湾化学耗氧量(COD)浓度区域空间变化情况来看，化学耗氧量(COD)浓度高海域由港口工业与城镇用海区到钦州湾外湾养殖区，反映出主要污染源从港口工业污染源到海水养殖污染源的第次变化过程。
如图6所示，大潮涨急期间，模型计算的钦州湾COD浓度分布。由图上设置的COD污染源浓度情况来看，钦江入海口海域、茅尾海东部农渔业区部分COD的浓度最高，高值达到30mg/L左右；其次为茅岭江入海口区域，其值为12mg/L左右；并向外扩算，到钦州湾及外海海域则COD浓度减少，大部分值为5mg/L以下。COD分布情况成污染源向外层次递减。
如图7所示，大潮落急期间，模型计算的钦州湾COD浓度分布。由图上设置的COD污染源浓度情况来看，钦江入海口海域、茅尾海东部农渔业区部分COD的浓度最高，高值达到30mg/L左右；其次为茅岭江入海口区域，其值为12mg/L左右；并向外扩算，到钦州湾及外海海域则COD浓度减少，大部分值为5mg/L以下。COD分布情况成污染源向外层次递减。
由上面计算值与实测结果相比，计算结果较为均匀。计算值与实测值极为接近，计算值略高于实测值，但基本上还是吻合的。这不仅表明模型的基本模拟上符合钦州湾的动力条件和化学生物作用的情况，而且说明污染源的统计和估算与实际情况差别不大。
海湾环境容量估算结果，以下为钦州湾COD环境容量计算结果及分析：
由钦州湾COD排放主要污染源及排放量数据可知，2011年COD排放总量为120890.3t/a，由历史数据可知钦州湾COD浓度在10.30～53.50mg/L之间，COD浓度控制浓度阈值均按照2mg/L代入模型中计算。根据水质现场调查结果，外海水中COD背景值为0.8mg/L。本项目取COD增量ΔCOD为1.2mg/L。使用模型计算值为65.7t/d，则COD年排放量可为23980.5t/a，与实测结果相比计算结果较为均匀。由于模型模拟的是平均状态，而实际情况海域内COD含量波动较大，目前的COD含量出现大于2.0mg/L的频率已较高。鉴于钦州湾海域的海湾地形地貌，按照预警预防原理，根据各海区的相对净化能力，适当考虑现状污染源的分布和今后社会经济可能的发展，对海域的纳污量进行模拟，得出较大的纳污容量及其空间分布。钦州湾外湾保护区迁移扩散能力较强，且紧邻外海，今后的发展潜力较大，因此可加大安排较大的污染负荷。钦州湾外湾养殖区，迁移扩散能力较强，且规划有较大的水产增养殖，因此可允许较大的负荷容量。茅尾海东部农渔业区为内湾，迁移扩散能力差，且现有水产养殖源强已很大，不宜再增加水产养殖面源污染负荷，只能依靠加强水产养殖管理提高养殖饲料转化率、削减水产养殖源强。茅岭江入海口区、钦江入海口区位于湾底部，迁移扩散能力极差，现有污染源强已很大，必须削减，以确保内湾的COD含量略低于目前的水平，降低赤潮发生的可能性。

Claims (3)

1.一种基于生态系统动力学综合模型对海湾环境容量的估算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)首先采集、收集数据、选定环境容量控制示范点，设置海湾环境容量对应的海洋环境水质标准，以及准备相应的数据；
(2)模拟海湾潮流和海水水位；
(3)使用海湾COD排放浓度序列数据，分析海湾COD分布情况；使用海洋生态模型来模拟海湾COD排放分布，估算COD污染源响应场；
(4)利用海洋生态模型耦合海水动力学模型，通过水动力学模型模拟排放COD的扩散及消亡过程，使用其中，c为COD浓度，u、v和w是流速分量，Dx、Dy和D为扩散/消散色散系数，Sc为输入的源，Pc是过程项，质量传输方程模拟排放COD浓度的分布；
(5)最后构建COD海域水质响应场，计算海湾最大允许COD环境容量。
2.如权利要求1所述的估算方法，其特征在于，所述步骤(1)中相应的数据为：海湾潮流流速流向、海湾COD排放浓度序列数据、海湾COD年排放量。
3.如权利要求1所述的估算方法，其特征在于，所述步骤(2)中考虑海湾海域复杂的海底地形和边界，使用单元格为中心的有限体积法及动力学扩散方程、海水-底质交换动力学方程模拟海湾潮流和海水水位。
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