匡翠萍，李正尧，顾 杰，胡成飞，张万磊，张永丰（.同济大学土木工程学院水利工程系，上海 200092；2.上海海洋大学海洋科学学院，上海 2006；.河北省海洋环境监测中心，河北 秦皇岛 066002）

洋河-戴河河口海域COD时空分布特征研究

匡翠萍1，李正尧1，顾 杰2*，胡成飞1，张万磊3，张永丰3（1.同济大学土木工程学院水利工程系，上海 200092；2.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；3.河北省海洋环境监测中心，河北 秦皇岛 066002）

首先应用MIKE 21软件建立了洋河-戴河河口海岸水域水动力与污染物输运数学模型，然后采用实测潮流和化学需氧量（COD）浓度对数学模型进行了验证，最后模拟分析了河口海岸水域COD的输运过程.结果表明，洋河-戴河近岸海域潮波为驻波；潮流为顺岸往复流，涨潮流方向为NE向SW，落潮流方向为SW向NE.涨、落急时刻，河口至外海水域潮流流速递增.COD输运方向与涨落潮潮流方向一致.涨憩时刻，COD高浓度区向河道推进，其面积最小；落憩时刻，COD高浓度区向外海推进，其面积最大；葡萄岛周围潮流流速低，在潮周期内小于0.14m/s，对COD的稀释作用较弱.

洋河-戴河；河口；化学需氧量（COD）；稀释

不仅给水产养殖业带来了巨大的经济损失，同时也对海洋生态平衡造成长期的、潜在的影响.渤海面积约有77000km2，海岸线总长3784km，平均水深18m，具有资源丰富和区位独特的优势，对推动京津冀区域经济协调发展起到了不可忽视的作用.然而长期以来，渤海接纳了来自环渤海辽宁、河北、山东、北京和天津三省两市，以及黄河和辽河中、上游流域的陆源排放污染物［1］.同时，由于渤海为半封闭的内海，自身水体交换异常缓慢，纳污净化能力有限［2］，造成污染物的输入量已经远远超出了其饱和环境容量，导致该海域赤潮等生态环境问题频发.2011年6月4日和17日，蓬莱19-3油田先后发生两起溢油事故.事故造成油田周边及其西北部约6200km2的海域海水污染且污染海域的海洋浮游生物种类和多样性明显降低，生物群落结构受到影响［3］.频频发生的海域环境污染问题日益突出，国内专家学者已经展开了诸多研究.在水动力方面，郭良波［4］采用HAMSOM模式模拟了渤海的流场和温盐度场.朱静［5］建立了二维水动力数学模型，对曹妃甸工业区近岸海域潮流场进行模拟预测.刘菲菲［6］采取简化的NPZD模型与三维水动力模型耦合，模拟了渤海表层叶绿素浓度、营养盐浓度的季节变化及空间分布.在水质方面，王修林等［7］建立了渤海石油烃多介质动力学模型并估算了渤海海域石油烃污染物环境容量和剩余环境容量.刘学海［8］在参考海洋环境质量公报的基础上，对渤海的污染状况进行分析.曾庆飞［9］等运用主成分分析法对东太湖水质的空间异质性及主控因素进行研究.李明昌等［10］采用非线性隶属函数集对分析方法分析海域水环境质量.郭洲华等［11］应用富营养状态指数（EI）评价与分析海水水质.张顺峰等［12］对环渤海区域近海污染特征进行分析.尹维翰等［13］对渤海海域污染源结构进行调查，诊断出水体污染状况与海域水动力条件、水体交换速率及化学需氧量（COD）等污染物存在着一定的相关性.

目前渤海海域最明显的一个生态灾害是赤潮灾害.河北省海域自2011年以来年均发生5次赤潮，其中多次发生在秦皇岛海域，其高发期主要集中在夏季，秦皇岛海域已成为赤潮的多发区，造成其赤潮灾害泛滥的主要因素之一便是陆域污染源［14］.洋河-戴河河口水域有著名的度假胜地“北戴河海滨”，每年夏季都吸引了数以万计的游客，对拉动该地区的经济和发展起到了不可忽视的作用.在秦皇岛市主要入海污染物中，陆源污染物占污染物总量的80%以上［12］，其中河流输入是陆源污染入海的主要来源［15］.自1998年以来洋河污染态势日趋严重且每年夏秋季均有大规模水华暴发［16］.其污染源主要来自洋河流域内工业企业、畜禽养殖场、周边村落的农户甘薯淀粉加工、农业生产、村民生活径流排水和畜禽养殖外排水.洋河-戴河陆源污染的排放使得其河口海岸地区水环境面临着巨大的压力［15］.

近年关于河口地区污染物输运的数学模型的研究日渐成熟，且在国内其他河口海域得到了广泛的应用.许丹等［17］基于Boussinnesq本构关系建立相关的物质输运模型，对钱塘江河口发生的污染物扩散输运进行了数值模拟.王杨等［18］模拟了灌河口近岸海域COD浓度的变化情况及污染物的迁移扩散规律.

在专业软件应用方面，Mike 21软件包是由丹麦水环境研究所（DHI）研发的水环境综合模拟软件，可用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境.已广泛应用于国内外研究中并得到了广泛验证，如刘坤等［19］应用软件中的富营养化模块分析和评估了湖泊、河流及海洋水域的富营养化状态；Paliwal等［20］通过MIKE 21水动力和水质模型来模拟研究区域生化需氧量（BOD）和溶解氧（DO）并以此提供更多水质污染预测；Wang等［21］利用MIKE 21来模拟雁鸣湖COD浓度分布.本文采用MIKE 21软件建立洋河-戴河河口海岸水动力与污染物输运数学模型，模拟分析赤潮频发期COD在该河口海岸水域中的输运过程，以期为该河口海岸污染治理及其周边地区的水环境保护提供科学支撑.

1 研究区域

洋河-戴河流域地处暖温带半湿润季风型大陆性气候区，冬季较长，约170d；春季71d，夏季59d，秋季65d，无霜期76d，结冰期120d，最大冻土深85cm.年平均气温12.1℃，最高39.2℃，最低-21.5℃.多年平均水面蒸发量980mm，陆面蒸发量490mm［22］.该流域中主要入海河流为戴河和洋河.

戴河位于河北省秦皇岛市北戴河区的最西部，横跨秦皇岛市的抚宁县和北戴河区.河道全长35km，流域总面积290km2，河床宽度平均约200m.戴河流域北宽南窄，形如纺锤，主河道比降8.68‰；洋河是秦皇岛市境内冀东独流入海各河中的第一大河，水量居于诸河之首.河道全长100km，流域面积为1029km2.洋河与戴河相比，有着河宽大比降小的特点.洋河径流量年际变化较大，多年平均径流量为2.4亿m3.

葡萄岛（图1，图2）坐落于秦皇岛北戴河新区，位于洋河沿岸线西南方向，为填海造岛工程.葡萄岛工程附近海域的潮流具有明显的往复流特征，涨落潮流向顺岸，涨潮流WSW向，落潮流基本为ENE向，主流向与岸线或等深线基本平行.该海域流速较小，涨落潮平均值差异也不明显.

图1 计算网格Fig.1 Computational grid

图2 潮流和水质监测站点Fig.2 Tidal current and water quality monitoring stations

2 数学模型建立

COD是评价水体有机污染程度的综合指标，也是水质监测的一个重要指标.COD超标会造成水质下降，不同程度地威胁水体中生物群落的生存［23］.当COD浓度超过2mg/L时，即可能引发赤潮灾害［24］.本文基于实测资料，利用MIKE 21软件建立和验证了洋河-戴河河口海岸水域水动力和污染物输运模型，对洋河-戴河流域及其河口水域的COD输运进行数值模拟，并分析其时空分布规律.

2.1 控制方程

MIKE 21Flow Model FM子模块（简称:HD FM）从属于MIKE 21软件包，为二维潮流模型，建立在二维浅水方程基础上，应用于模拟潮流场.HD FM采用无结构网格优化计算，适用于针对海洋、近岸和河口环境的模拟研究，另外还可用来计算漫滩.本文的主要研究工作就是基于该模块展开.

2.1.1 水动力模型 在笛卡尔坐标系下，通过对三维连续方程和动量方程沿深度进行积分，得到二维浅水方程，如下:

式中:h为总水深；t为时间，u与v分别为x和y方向上的流速；η为表面高程；g为重力加速度；f为柯氏力系数；ρ为水体密度；τsx和τsy分别为x和y方向上的风应力；τbx和τby分别为x和y方向上的底部摩擦力.侧应力Tij包括黏性摩擦和紊动摩擦等，通过对涡黏方程计算如下（其中A表示水平涡黏系数）:

2.1.2 污染物输运模型 基本方程:

式中:C为COD浓度；Dh为水平扩散系数.

对于污染物，在随流平流、扩散迁移的同时，由于大气挥发作用、微生物降解作用、浮游生物的富集作用以及悬浮颗粒的吸附作用等，其本身的性质和质量也在发生变化.其中的生物化学作用一般与温度、盐度等条件有关，本研究中COD降解采用一阶衰减过程，一阶衰减公式如下:

式中:KCOD为20℃时COD的降解系数，d-1，选取COD降解系数为0.35［25］；θCOD为COD降解的Arrhenius温度系数，取1.02；CCOD为COD浓度标量；T为水温，℃.

2.1.3 数值解法 在控制方程的求解过程中使用单元中心的有限体积法进行离散.它是将连续统一的计算区域细分为不重叠的控制体积（单元），将微分方程对每个控制体积积分，得出一组离散方程.离散方程要求因变量在无限小的控制体积中积分守恒，也就是说因变量的积分守恒对任意控制体积都能满足，对整个计算区域，守恒条件自然也满足.运用黎曼近似解来估计单元界面上的对流通量，通过使用线性梯度重构的方法以满足二阶空间精度.使用Jawahar等［26］的方法估计平均梯度，通过使用带斜率限制因素的二阶TVD格式计算对流项以避免数值震荡.

二维模型中浅水方程可以用低阶方法或高阶方法进行求解，低阶方法即低阶显式欧拉法，高阶方法使用了二阶龙格库坦方法.综合考虑计算精度和计算效率，选用显式欧拉方法，显式算法有较高计算效率，但时间步长受Courant数严格限制.每一个单元水动力的Courant数定义如式（7），每一个单元对流扩散的Courant数定义如式（8）.为保证计算稳定，时间步长需保证Courant数小于1.

式中:Δx、Δy为单元格方向的特征长度； Δt为时间步长.

2.2 计算范围及网格

数学模型的计算范围为戴河、洋河两条河流以及其河口海岸水域，采用SMS软件生成区域网格.由于洋河-戴河河口区地形复杂，入海河道较为狭长，因此整个计算区域采用非结构的三角形网格贴合边界并对河道入海口部分局部加密，最小网格步长约4m.为提高计算效率，外海区域网格较为稀疏，网格单元面积较大，其空间步长最大可达1.8km.研究区域的计算网格共有8013个节点和14088个单元（图1）.图2是研究区域的潮流及水质监测站点分布.

2.3 边界条件

水动力模型的海域开边界条件为潮位过程，其潮位条件由基于MIKE 21模型建立的渤海潮流模型提供.戴河、洋河边界条件则为流量过程，为2013年6～8月洋河和戴河实测流量（表1）.侧向固边界采用不可滑移条件，即流速为0.污染物输运模型的外海开边界条件为本底COD浓度，河流开边界COD浓度为2013年6～8月COD浓度实测值（表1），文中COD浓度均为CODMn.

表1 2013年夏季洋河-戴河各月入海流量及COD浓度Table 1 Monthly river discharges and concentrations of COD of the Yanghe River and the Daihe River in summer，2013

2.4 模型参数设置

水动力模块的参数设置中，计算时间步长为1s，初始水位为0.55m，水平涡粘黏性系数采用Samagorinsky亚网格模型计算，其系数取常数0.28.作为衡量河床表面粗糙程度的一个指标，模型的曼宁系数取平均值0.0179.采用干湿判断控制滩地涨落潮期间的出露和淹没，分别取值hdry= 0.005m、hflood=0.05m和hwet=0.1m.当网格的计算水深小于hdry表示干单元；当网格的计算水深介于hdry与hflood之间表示半干单元；当网格的计算水深介于hflood与hwet之间表示半湿单元；当网格的计算水深大于hwet表示湿单元.污染物输运模型中，COD的扩散系数经率定取常数10m2/s.

2.5 计算流程

首先，绘制岸线并构造网格，利用地形数据进行插值得到各单元节点地形.然后在水动力和污染物输运模型中，确定海域开边界条件、侧向固边界和双河边界条件.其次，在水动力和污染物模块设置中，选择不同的参数和COD扩散系数，验证数学模型.最后输出计算结果进行分析.

3 模型验证

本次模型计算时段为2013年5月1日至8月31日，选择有实测资料的时段（即赤潮高发期夏季）分别进行水动力及污染物输运模型验证.水动力模型验证资料采用2013年5月11日8:00至5月12日8:00国家海洋局秦皇岛海洋环境监测中心在秦皇岛区域监测的流速流向，监测点S4、S5位于洋河-戴河河口海域.COD输运模型验证采用2013年8月11～24日国家海洋局秦皇岛海洋环境监测中心和河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队在洋河-戴河近岸海区（YDH01～04）及8月洋河-戴河道（YH1～4和DH1～8）监测的COD浓度.水动力及水质测站站点位置如图2所示.

3.1 水动力模型验证

水动力模型采用S4、S5点的大潮潮流实测资料进行验证，其验证过程线如图3所示.计算与实测潮流过程比较显示涨潮、落潮流速与流向过程的计算值在相位和数值上都与实测值拟合较好.本文选择Wilmott［27］提出的统计学方法来评价数学模型，其计算公式如下:

式中:M表示模拟值；D表示实测值；D表示实测平均值；Skill值代表了实测值与实测平均值的偏差、模型计算值和实测平均值的偏差这两者的相关程度，其结果范围在0～1之间. Skill值为1时，代表模型计算值和实测值之间完全相符；大于0.65时，结果为极好；在0.65～0.5之间为非常好； 0.5～0.2为好；小于0.2为差；0为完全不符.通过计算得出:S4、S5流速的Skill值分别为0.872和0.782；S4、S5流向的Skill值分别为0.876和0.860；即S4和S5两个站点水动力模型效率系数均大于0.65，结果为极好，表明该水动力模型是可靠的.

图3 S4、S5潮流流速流向验证Fig.3 Verification of tidal current velocity magnitude and direction at station S4 and S5

3.2 污染物输运模型验证

图4 洋河、戴河河道COD验证Fig.4 Verification of COD concentration in the Yanghe River and the Daihe River

图5 近岸海域COD验证Fig.5 Verification of COD concentration in the coastal water

污染物输运模型分别采用洋、戴河河道和近岸海域的2013年8月实测COD浓度进行验证，验证结果如图4和图5所示.从模型计算出的COD浓度值与实测COD浓度比较分析来看:在洋河-戴河河道中除DH1和YH2的相对误差偏大，误差分别为18.33%和13.25%，其他测站误差均低于10%，河道所有站点的平均相对误差为5.92%.近岸海域中4个站点的绝对误差控制在0.12～0.35mg/L之内.造成误差的主要原因如下:由于夏季是旅游旺季从而导致直排到海洋的污染加重；模型模拟出的是COD垂向平均浓度，而测站的实测数据为河流表层COD浓度；站点监测时间不同步；近岸海域可能有其它海上污染源影响.

4 结果分析

基于已验证的数学模型，对2013年6月1日到2013年9月1日洋河-戴河河口近海水域的水动力及COD输运的数值模拟结果分析得到该研究区域的潮流和COD输运特征.

4.1 潮流特征

图6为T1点的潮位和流速过程.涨、落潮最大流速出现在中潮位附近，说明该海域潮波具有驻波性质.图7为一个潮周期内4个典型时刻（落憩11:00、涨急14:00、涨憩18:00和落急21:00）的流场.

图6 T1点潮位与流速过程Fig.6 Time history of tidal level and current velocity magnitude at point T1

落憩时刻（图7a），落潮流转向涨潮流，流速低，从外海向河口递减；金山嘴西侧形成一个弱逆时针环流.涨急时刻（图7b），整个海域为从NE向SW的涨潮流，近岸流速略低，约为0.12m/s；外海流速略高，约为0.30m/s；由于岬角效应，金山嘴前方流速大且流向出现较大偏转.涨憩时刻（图7c），涨潮流转向落潮流，流速低，从河口向外海递减；金山嘴处挑流显著；葡萄岛以东水域水流流速减缓显著，金山嘴东北侧流速显著减缓.落急时刻（图7d），整个海域为从SW向NE的落潮流，近岸潮流流速略低，约为0.10m/s，外海流速略高，约为0.25m/s.葡萄岛两侧潮流流速较低，在潮周期内小于0.14m/s.

洋河-戴河近岸海域潮流总体特征为顺岸往复流，涨潮流的方向为从NE向SW，落潮流方向为从SW向NE；落潮流略弱于涨潮流.

图7 洋河-戴河河口海岸水域典型时刻的潮流场Fig.7 Typical tidal current fields in the coastal water of the Yanghe River and the Daihe River

4.2 COD输运特征

图8为T2点（位置见图2）的流速和COD浓度随时间的变化过程.受到涨潮流的作用，自落憩时刻之后T2点的COD浓度呈下降趋势.而受到落潮流的作用，自涨憩时刻之后T2点的COD浓度呈上升趋势.T2点处COD浓度变化也呈现周期性.选取与潮流分析相同的典型时刻分析COD的输运.由于COD浓度超过2mg/L时易发生赤潮灾害并且COD高浓度区在河流出口近岸海岸，因此也绘出了COD高浓度局部放大图.

图8 T2点流速和COD的时间变化过程Fig.8 Time history of current velocity magnitude and COD concentration at point T2

落憩时刻［图9（a）］，由于潮流由落潮流转为涨潮流，COD高浓度区主要集中在河口段，2mg/L包络线走向为NE，与落潮流方向一致，且面积最大；近岸水域COD浓度等值线呈河口段密外海疏的特点，COD从河道至河口的稀释效果较好，河口段COD浓度分布形似双峰状，戴河口、洋河口各有一个峰值区.涨急时刻［图9（b）］，由于受到NE-SW涨潮流的影响，COD高浓度区沿岸线向西南运移并向外海海域扩展，河口段的浓度降低，COD高浓度主要集中在河道；河流口门处COD浓度要比落憩时刻小很多，外海COD分布的浓度等值线较疏，这是由于涨急时刻流速大、紊动扩散稀释效果好.涨憩时刻［图9（c）］，涨潮流即将转流为落潮流，因此COD高浓度区向西南运移并向河道推进到最远，其面积最小；金山嘴附近的COD浓度值略有下降，为1mg/L.落急时刻［图9（d）］，由于受到SW-NE落潮流的影响，高浓度区随落潮流沿岸线向东北运移；河口段COD浓度等值线变密，金山嘴附近浓度略有升高，而葡萄岛附近COD浓度值则呈下降趋势.

近岸海域COD浓度场随潮流运动也呈周期变化.河道COD排入海域后稀释效果好，高浓度区域集中于河流出口的近岸水域，随涨潮流向西南运移，随落潮流向东北运移，对外海无明显影响.

图9 洋河-戴河河口海岸水域典型时刻的COD分布Fig.9 Typical COD distributions in the coastal water of the Yanghe River and the Daihe River

5 结论

5.1 洋河-戴河近岸海域潮波为驻波，潮流为顺岸往复流，涨潮流方向为NE向SW，落潮流方向为SW向NE.涨、落急时刻，河口至外海海域潮流流速递增，涨潮流略强于落潮流.

5.2 COD输运方向与涨落潮潮流方向一致，随涨潮流向SW运移，随落潮流向NE运移.COD浓度分布由河口向外海递减，河道COD排入海域后稀释高；外海区域浓度场等值梯度较河口近岸海域小.

5.3 涨憩时刻，COD高浓度区向河道推进，近岸海域COD高浓度区面积最小.落憩时刻，COD高浓度区向外海推进，近岸海域COD高浓度区面积最大.

5.4 葡萄岛周围潮流流速低，在潮周期内小于0.14m/s，对COD的稀释作用弱.

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致谢：感谢河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队提供的河道的流量和水质资料！

Study on spatial and temporal characteristics of the COD in estuarine and coastal waters of the Yanghe River and the Daihe River.

KUANG Cui-ping1， LI Zheng-yao1， GU Jie2*， HU Cheng-fei1， ZHANG Wan-lei3， ZHANG Yong-feng3（1.Department of Hydraulic Engineering， College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China；2.College of Marine Sciences， Shanghai Ocean University， Shanghai 201306， China；3.Marine Environment Monitoring Center of Hebei， Qinhuangdao 066002， China）. China Environmental Science， 2015，35（12）：3689～3697

Based on MIKE 21 software， a hydrodynamic and pollutant transport model has firstly been established for the estuarine and coastal waters in the Yanghe River and the Daihe River. Then the model is verified by measured tidal current and concentration of Chemical Oxygen Demand （COD）. Finally， the transport processes of COD in the estuarine and coastal waters are simulated and analyzed. Numerical results show that the tidal current in the coastal water of the Yanghe River and the Daihe River can be characterized as a reciprocating flow along the shore while the tide is a standing wave. The directions of flood and ebb currents are NE to SW and SW to NE， respectively. The tidal current velocities increase from estuaries to the offshore in both flood and ebb periods. The direction of COD transport is consistent with that of the tidal current. The high concentration region of COD is pushed towards rivers at the slack of flood with the smallest area，while towards offshore at the slack of ebb with the largest area. The tidal current velocity is quite small in the region around the Putao Island， generally less than 0.14m/s in a tidal cycle， which leads to weak dilution of COD.

the Yanghe River and the Daihe River；estuary；chemical oxygen demand；dilution近年我国对生态环境建设非常重视，但是近海海域水质污染、富营养化及赤潮事件时有发生，

X834

A

1000-6923（2015）12-3689-09

匡翠萍（1966-），女，江苏邗江人，教授，博士，主要研究方向为河口海岸工程和环境.发表论文170余篇.

2015-05-15

海洋公益性行业科研专项（201305003-5）

* 责任作者， 教授， jgu@shou.edu.cn