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1、珠江口水环境问题和水质模拟 中山大学环境科学研究所,珠江口概况,珠江口位于北回归线以南，面临热带海洋南海，地处南亚热带，属南亚热带海洋性季风气候区，是中国著名的三大河口之一。 西江、北江、东江的径流进入珠江三角洲网河区后经由虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门和崖门八大口门分流进入珠江口海域。 珠江口海域面积广阔，随着涨、落潮运动水质变化明显，加之珠江口及其邻近海域散布有众多岛屿，构成世界上独具特色的生态环境。 珠江口水热条件好，自然资源丰富，历史文化源远流长。 珠江口沿岸城市人口集中，经济发达，湾口两翼毗连港澳地区，地理位置十分重要。,研究背景,珠江口海域已成为华南沿岸海域的第一
2、号严重污染区，在全国仅次于渤海。海域的环境污染和生态破坏势必制约广东和港澳地区海洋经济的发展，环境整治刻不容缓。 要阻止和逆转河口生态环境的恶化首先要掌握珠江口污染物迁移转化的机制，系统地从河口动力、生物地球化学循环和生态学等方面综合研究和认识河口问题。 一种行之有效的方式就是利用数学模型进行模拟研究。数值模拟具有成本小，操作简单，耗时短等特点，能够满足多方面的需求，可为珠江口环境整治提供技术支持。,研究范围,珠江口海水环境质量,2000年中国海洋环境质量公报 2001年中国海洋环境质量公报,珠江口水环境问题,污染物质： 有机物、无机氮、磷酸盐、油类、重金属和悬浮物等。 污染特点： 海域整体污
3、染严重； 有机物和营养盐的含量严重超标； 底层海水季节性缺氧； 赤潮灾害频繁发生； 石油污染和溢油事故后果严重。 发展趋势： 近年工业废水直接排海量比以往有所减少，但生活污水和海上污染物排放量却有增加趋势； 随着沿海经济的发展，污染物排海量近期内不会有明显的减少，特别是新的难降解有机污染物入海量将呈增加趋势。,Next,海域整体污染严重,2001年结束的“中日珠江口海域环境监测治理计划调查”显示，珠江口已成为仅次于渤海湾的全国第二个重点污染海域，珠江海域劣四类水质范围达1800平方公里。,有机物和营养盐的含量严重超标,1985-1991年的海洋污染监测网监测资料表明，珠江水质以氮、磷、石油污染
4、为主，无机氮、磷酸盐、石油类的平均值已超过或接近一类海水标准，部分监测站位的无机氮甚至已经超过三类标准。 黄良民先生（1997）指出：珠江口受到有机物和营养盐的严重污染，伶仃洋的N、P和石油类已经超过二类海水标准。 1999年7月和2000年1月香港科技大学利用海监74在珠江口进行海洋监测的结果表明，珠江口有机污染非常严重，氮、磷含量高，水体区域性富营养化程度高。,底层海水季节性缺氧,海水中溶解氧含量低于3mg/L的现象定义为“缺氧”（Hypoxia）现象，溶解氧含量接近于零定义为“无氧”（Anoxia）现象。 珠江口底层海水季节性的缺氧现象最早于1985年7月进行的广东省海岸带化学调查中得以
5、发现，随后对珠江口进行的多次调查，均证实了这一特殊现象的存在。 珠江口海域海水缺氧有季节性变化，夏季强而秋、冬两季弱，甚至消失，季节性发生的底层海水缺氧现象有缺氧范围不断扩大，缺氧程度在逐年加剧的倾向。,Next,底层海水季节性缺氧,见：林洪瑛, 韩舞鹰. 珠江口底层海水季节性缺氧现象及其引发CTB的潜在威胁J. 湛江海洋大学学报, 2001, 21(Suppl.): 25-29.,Next,底层海水季节性缺氧,1999年7月珠江口表层DO含量 1999年7月珠江口底层DO含量,见：香港科技大学海岸与大气研究中心1999年7月海监74珠江口巡测结果。,赤潮灾害频繁发生,珠江口及其邻近海域是赤潮
6、的多发区之一，近年来珠江口海域赤潮发生有明显上升的趋势。 1981年1992年的12年间，珠江口（不包括香港海域）有记载的赤潮达到53次。 香港海域1975-1984年间共发生了84次赤潮。1980-1991年间发生赤潮致死鱼类事件12次，造成养殖鱼类死亡246吨，直接经济损失1260万港元。 1998年3月下旬至4月中旬粤港海域发生了持续半个多月的密氏裸甲藻赤潮，使粤港两地养殖业损失达3.5亿元之多。 2000年8月17日，深圳坝光至惠阳澳头海域发生赤潮，面积约20km2，导致东升网箱养殖区养殖的卵形鲳参、美国红鱼、红鳍笛鲷、师鱼等大批死亡。,石油污染和溢油事故后果严重,珠江口石油类主要来源
7、于入海径流、船舶含油舱底水以及海上的泄、漏油事故，海域石油类含量长期超标。监测结果显示，1985-1991年间珠江口石油类平均超标率达到53。近年来石油类污染有所减轻。 珠江口海洋运输繁忙，海洋事故时有发生，溢油污染严重。2000年11月，“德航298”油轮在珠江口虎门大桥附近水域被挪威籍“BOW CECIL”轮撞沉，所载的230m3燃料油全部泄漏入珠江口狮子洋、伶仃洋海域，受污染水域面积约390km2。2000年12月，“莞新交机510”油船在珠江口内伶仃岛附近水域被撞沉，所载的柴油全部泄漏入海，造成约40km2海域的油污染。 溢油事故加重珠江口石油类污染，可对水生生态系统产生长期和毁灭性的
8、影响。,珠江口污染物的来源,河口淡水径流 沿岸工农渔业生产直接排污 沿岸面源污染 大气沉降 其中：80%以上的有机物、无机氮和磷酸盐来自河口淡水径流。,河口淡水径流入海通量的研究,COD,河口淡水径流入海通量的研究,TN,河口淡水径流入海通量的研究,TP,COD的入海通量 （1998年不完全统计）,珠江口水质模拟,目的：通过数值模拟的方法再现发生在四维时空尺度的水质状况连续变化的过程，再现珠江口复杂动力过程中污染物的迁移、扩散和转化规律，反映水域的污染变化状况，预测水质发展趋势，为环境综合整治提供主要的理论基础。 内容：针对珠江口环境污染的特点，建立多功能水质数学模型，准确模拟污染物的四维时空
9、分布规律，实现对富营养化效应、溢油漂移和归宿的准确后报和预报。 模型开发：(1)三维单一水质数学模型；(2)三维磷限制准生态模型；(3)三维水动力生态模型；(4)三维溢油模型。,三维单一水质数学模型,三维的移流扩散 沉降 降解 底泥释放及底泥耗氧 大气复氧 单独计算COD、无机氮、有机氮、无机磷和有机磷 耦合计算COD和DO,考虑因素,模型功能,三维磷限制准生态模型,磷是珠江口浮游植物初级生产的限制因子：根据浮游植物生产Stumn公式，无论是淡水生态系统还是海水生态系统，浮游植物按照16:1的摩尔比吸收氮和磷，这个比率是相当固定的。研究表明，珠江口无机氮和无机磷的比值远大于16，可判断为磷限制
10、。 准生态模型：当只考虑营养盐-浮游植物阶段（初级生产）的物质循环时，可将生态模型简化为只考虑无机磷、有机磷、COD及DO四种水质的耦合模型，虽然不直接模拟藻类或叶绿素a，但藻类增殖的生物作用通过参数反映在模型中。 模型建立：对海域的物质循环作出以下简化和假定：只考虑营养盐浮游植物阶段的物质循环，水中溶解氧及有机物量相应初级生产量而增加；水质指标考虑表示有机污染程度的化学耗氧量（COD）、有机磷（OP）、无机磷（IP）以及溶解氧（DO）共4项，磷为限制因子；海域沿水深方向分层，初级生产仅在有光层内发生；以上4项水质指标通过初级生产、分解、沉降、复氧、底泥释放以及底泥上浮等过程而发生变化，并且在
11、潮流作用下在水平与垂直方向输移扩散。,三维磷限制准生态模型概念图,三维水动力生态模型, 叶绿素a浓度浮游植物存在量 碳浓度 浮游动物存在量 无机氮 有机氮 无机磷 有机磷 COD 有机污染指标 DO 溶解氧,代表营养盐存在量,模拟要素,三维水动力生态模型,浮游植物：增殖、死亡、被浮游动物捕食、沉降； 浮游动物：增殖、死亡； 无机氮：浮游植物摄取、浮游动物排泄、有机氮降解、 底泥释放、陆源污染源； 有机氮：浮游植物呼吸、浮游动物死亡、降解、沉降、陆源污染源； 无机磷：浮游植物摄取、有机磷降解、浮游动物排泄、 沉降、底泥释放、陆源污染源； 有机磷：浮游植物呼吸、浮游动物死亡、降解、沉降、陆源污染源
12、； 有机物：降解、增殖引起的增加、沉降、底泥释放、陆源污染源； 溶解氧：化学耗氧、大气复氧、浮游植物光合作用、 浮游植物呼吸作用、底泥耗氧。,考虑因素： 三维水动力移流扩散 + 模拟要素自身的物理、化学和生物作用,三维水动力生态模型概念图,三维溢油模型,图片来源：http:/www.sintef.no/units/chem/environment/OWM.htm,溢油主要的迁移和风化过程,三维溢油模型,模型考虑的迁移和风化过程,模型应用,1999年7月23日珠江口COD、DO、无机磷和有机磷的模拟： 受珠江口温密跃层和水体层化的影响，COD、DO的层化现象明显，落潮时OP也出现层化现象。水体表
13、层COD、IP和OP的含量从口门到外海呈高、低分布趋势，在口门和陆源排放口附近形成高浓度区。表层DO的浓度分布受潮流运动的影响，高潮时从口门到外海呈低、高分布趋势，低潮时在内伶仃东部沿海和内伶仃岛附近形成相对低浓度区。东四口门的COD、IP和OP由北向南偏西迁移和扩散，西四口门的COD、IP和OP向南偏西进入南海浅陆架，进入伶仃洋的数量很少。口门附近和伶仃洋IP的垂直浓度分布随潮流运动的变化较大，外海基本保持表层略小于底层的分布趋势。,表层COD模拟结果,表层DO模拟结果,表层无机磷模拟结果,表层有机磷模拟结果,垂向COD、DO模拟结果,垂向无机磷、有机磷模拟结果,THANK YOU! 2002-04-26,
