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1、珠江口水环境问题和水珠江口水环境问题和水质模拟中山大学课件质模拟中山大学课件珠珠江江口口概概况况vv珠珠江江口口位位于于北北回回归归线线以以南南，面面临临热热带带海海洋洋南南海海，地地处处南南亚亚热热带带，属属南南亚亚热热带带海海洋洋性性季季风风气气候候区区，是是中中国国著著名名的的三三大大河河口口之之一一。vv西西江江、北北江江、东东江江的的径径流流进进入入珠珠江江三三角角洲洲网网河河区区后后经经由由虎虎门门、蕉蕉门门、洪洪奇奇门门、横横门门、磨磨刀刀门门、鸡鸡啼啼门门、虎虎跳跳门门和和崖崖门门八八大大口口门门分分流流进进入入珠珠江江口口海海域域。vv珠珠江江口口海海域域面面积积广广阔阔，随
2、随着着涨涨、落落潮潮运运动动水水质质变变化化明明显显，加加之之珠珠江江口口及及其其邻邻近近海海域域散散布布有有众众多多岛岛屿屿，构构成成世世界界上上独独具具特特色色的的生生态态环环境境。vv珠珠江江口口水水热热条条件件好好，自自然然资资源源丰丰富富，历历史史文文化化源源远远流流长长。vv珠珠江江口口沿沿岸岸城城市市人人口口集集中中，经经济济发发达达，湾湾口口两两翼翼毗毗连连港港澳澳地地区区，地地理理位位置置十十分分重重要要。研研究究背背景景vv珠珠江江口口海海域域已已成成为为华华南南沿沿岸岸海海域域的的第第一一号号严严重重污污染染区区，在在全全国国仅仅次次于于渤渤海海。海海域域的的环环境境污污
3、染染和和生生态态破破坏坏势势必必制制约约广广东东和和港港澳澳地地区区海海洋洋经经济济的的发发展展，环环境境整整治治刻刻不不容容缓缓。 vv要要阻阻止止和和逆逆转转河河口口生生态态环环境境的的恶恶化化首首先先要要掌掌握握珠珠江江口口污污染染物物迁迁移移转转化化的的机机制制，系系统统地地从从河河口口动动力力、生生物物地地球球化化学学循循环环和和生生态态学学等等方方面面综综合合研研究究和和认认识识河河口口问问题题。vv一一种种行行之之有有效效的的方方式式就就是是利利用用数数学学模模型型进进行行模模拟拟研研究究。数数值值模模拟拟具具有有成成本本小小，操操作作简简单单，耗耗时时短短等等特特点点，能能够够
4、满满足足多多方方面面的的需需求求，可可为为珠珠江江口口环环境境整整治治提提供供技技术术支支持持。 研究范围研究范围珠珠江江口口海海水水环环境境质质量量20002000年中国海洋环境质量公报年中国海洋环境质量公报 20012001年中国海洋环境质量公报年中国海洋环境质量公报珠珠江江口口水水环环境境问问题题 vv污染物质污染物质污染物质污染物质： 有机物、无机氮、磷酸盐、油类、重金属和悬浮物等。有机物、无机氮、磷酸盐、油类、重金属和悬浮物等。vv污染特点污染特点污染特点污染特点： 海域整体污染严重；海域整体污染严重； 有机物和营养盐的含量严重超标；有机物和营养盐的含量严重超标； 底层海水季节性缺氧
5、；底层海水季节性缺氧； 赤潮灾害频繁发生；赤潮灾害频繁发生； 石油污染和溢油事故后果严重。石油污染和溢油事故后果严重。vv发展趋势发展趋势发展趋势发展趋势： 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；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。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海海域域整整体体污污染染严严重重 2001 2001年结束的年结束的
6、“ “中日珠江口海域环境监测中日珠江口海域环境监测治理计划调查治理计划调查” ”显示，珠江口已成为仅次显示，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江海域劣四类水质范围达18001800平方公里。平方公里。有有机机物物和和营营养养盐盐的的含含量量严严重重超超标标vv1 19 98 85 5- -1 19 99 91 1年年的的海海洋洋污污染染监监测测网网监监测测资资料料表表明明，珠珠江江水水质质以以氮氮、磷磷、石石油油污污染染为为主主，无无机机氮氮、磷磷酸酸盐盐、石石油油类类的的平平均均值值已已超超过过或或接接近近一一类类海
7、海水水标标准准，部部分分监监测测站站位位的的无无机机氮氮甚甚至至已已经经超超过过三三类类标标准准。vv黄黄良良民民先先生生（1 19 99 97 7）指指出出：珠珠江江口口受受到到有有机机物物和和营营养养盐盐的的严严重重污污染染，伶伶仃仃洋洋的的N N、P P和和石石油油类类已已经经超超过过二二类类海海水水标标准准。vv1 19 99 99 9年年7 7月月和和2 20 00 00 0年年1 1月月香香港港科科技技大大学学利利用用海海监监7 74 4在在珠珠江江口口进进行行海海洋洋监监测测的的结结果果表表明明，珠珠江江口口有有机机污污染染非非常常严严重重，氮氮、磷磷含含量量高高，水水体体区区域
8、域性性富富营营养养化化程程度度高高。 底底层层海海水水季季节节性性缺缺氧氧v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。v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。v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底底层层海海水水季季节节性性缺缺氧氧调查时间缺氧海区DO最低测值( mg/L )最低测值位置1985
9、年7月高栏岛与横琴岛附近水域1.7611318E,2150N1990年7月高栏岛与横琴岛附近水域万山群岛-香港大濠岛附近水域0.9311318E,2155N1992年6月内伶仃附近水域桂山-香港大濠岛附近水域万山群岛东部水域1.7711346.6E2221.5N1996年8月内伶仃附近水域担杆岛以北海域1.171144.57,E228.7N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底底层层海海水水季季节节性性缺缺氧氧1999年7月珠江口表层DO含量 1999年7月珠江口底层DO
10、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。赤赤潮潮灾灾害害频频繁繁发发生生vv珠珠江江口口及及其其邻邻近近海海域域是是赤赤潮潮的的多多发发区区之之一一，近近年年来来珠珠江江口口海海域域赤赤潮潮发发生生有有明明显显上上升升的的趋趋势势。vv1 19 98 81 1年年 1 19 99 92 2年年的的1 12 2年年间间，珠珠江江口口（不不包包括括香香港港海海域域）有有记记载载的的赤赤潮潮达达到到5 53 3次次。vv香香港港海海域域1 19 97 75 5- -1 19 98 84 4年年间间共共发发生生了了8 84 4次次赤赤潮潮。1 19 98 80 0-
11、 -1 19 99 91 1年年间间发发生生赤赤潮潮致致死死鱼鱼类类事事件件1 12 2次次，造造成成养养殖殖鱼鱼类类死死亡亡2 24 46 6吨吨，直直接接经经济济损损失失1 12 26 60 0万万港港元元。vv1 19 99 98 8年年3 3月月下下旬旬至至4 4月月中中旬旬粤粤港港海海域域发发生生了了持持续续半半个个多多月月的的密密氏氏裸裸甲甲藻藻赤赤潮潮，使使粤粤港港两两地地养养殖殖业业损损失失达达3 3. .5 5亿亿元元之之多多。vv2 20 00 00 0年年8 8月月1 17 7日日，深深圳圳坝坝光光至至惠惠阳阳澳澳头头海海域域发发生生赤赤潮潮，面面积积约约2 20 0k
12、kmm2 2，导导致致东东升升网网箱箱养养殖殖区区养养殖殖的的卵卵形形鲳鲳参参、美美国国红红鱼鱼、红红鳍鳍笛笛鲷鲷、师师鱼鱼等等大大批批死死亡亡。石石油油污污染染和和溢溢油油事事故故后后果果严严重重v珠江口石油类主要来源于入海径流、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。v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
13、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。v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影响。珠珠江江口口污污染染物物的的来来源源vv河口淡水径流河口淡水径流vv沿岸工农渔业生产直接排污沿岸工农渔业生产直接排污vv沿岸面源污染沿岸面源污染vv大气沉降大气沉降 其中：其中：80%80%以上的有机物、无机氮以上的有机物、无机氮和磷酸盐来自河口淡水径流。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
14、COD的入海通量（1998年不完全统计）年不完全统计）珠珠江江口口水水质质模模拟拟 vv目的目的目的目的：通过数值模拟的方法再现发生在四维时空尺度的水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，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。预测水质发展趋势，为环境综合整治提供主要的理论基础。vv内容内容内容内容：针对珠江口环境污染的特点，建立多功能水质数学针对珠江口环境污染的特点，建立多功能
15、水质数学模型，准确模拟污染物的四维时空分布规律，实现对富营模型，准确模拟污染物的四维时空分布规律，实现对富营养化效应、溢油漂移和归宿的准确后报和预报。养化效应、溢油漂移和归宿的准确后报和预报。vv模型开发模型开发模型开发模型开发：(1)(1)三维单一水质数学模型；三维单一水质数学模型；(2)(2)三维磷限制准三维磷限制准生态模型；生态模型；(3)(3)三维水动力生态模型；三维水动力生态模型；(4)(4)三维溢油模型。三维溢油模型。三三维维单单一一水水质质数数学学模模型型三维的移流扩散三维的移流扩散三维的移流扩散三维的移流扩散沉降沉降沉降沉降降解降解降解降解底泥释放及底泥耗氧底泥释放及底泥耗氧底
16、泥释放及底泥耗氧底泥释放及底泥耗氧大气复氧大气复氧大气复氧大气复氧单单单单独独独独计计计计算算算算CODCOD、无无无无机机机机氮氮氮氮、有有有有机机机机氮氮氮氮、无机磷和有机磷无机磷和有机磷无机磷和有机磷无机磷和有机磷耦合计算耦合计算耦合计算耦合计算CODCOD和和和和DODO考考虑虑因因素素模模型型功功能能三三维维磷磷限限制制准准生生态态模模型型vv磷磷磷磷是是是是珠珠珠珠江江江江口口口口浮浮浮浮游游游游植植植植物物物物初初初初级级级级生生生生产产产产的的的的限限限限制制制制因因因因子子子子：根根据据浮浮游游植植物物生生产产StumnStumn公公式式，无无论论是是淡淡水水生生态态系系统统
17、还还是是海海水水生生态态系系统统，浮浮游游植植物物按按照照16:116:1的的摩摩尔尔比比吸吸收收氮氮和和磷磷，这这个个比比率率是是相相当当固固定定的的。研研究究表表明明，珠珠江江口口无无机机氮和无机磷的比值远大于氮和无机磷的比值远大于1616，可判断为磷限制。，可判断为磷限制。vv准准准准生生生生态态态态模模模模型型型型：当当只只考考虑虑营营养养盐盐- -浮浮游游植植物物阶阶段段（初初级级生生产产）的的物物质质循循环环时时，可可将将生生态态模模型型简简化化为为只只考考虑虑无无机机磷磷、有有机机磷磷、CODCOD及及DODO四四种种水水质质的的耦耦合合模模型型，虽虽然然不不直直接接模模拟拟藻藻
18、类类或或叶叶绿绿素素a a，但但藻藻类类增增殖殖的的生生物物作用通过参数反映在模型中。作用通过参数反映在模型中。vv模模模模型型型型建建建建立立立立：对对海海域域的的物物质质循循环环作作出出以以下下简简化化和和假假定定：只只考考虑虑营营养养盐盐浮浮游游植植物物阶阶段段的的物物质质循循环环，水水中中溶溶解解氧氧及及有有机机物物量量相相应应初初级级生生产产量量而而增增加加；水水质质指指标标考考虑虑表表示示有有机机污污染染程程度度的的化化学学耗耗氧氧量量（CODCOD）、有有机机磷磷（OPOP）、无无机机磷磷（IPIP）以以及及溶溶解解氧氧（DODO）共共4 4项项，磷磷为为限限制制因因子子；海海域
19、域沿沿水水深深方方向向分分层层，初初级级生生产产仅仅在在有有光光层层内内发发生生；以以上上4 4项项水水质质指指标标通通过过初初级级生生产产、分分解解、沉沉降降、复复氧氧、底底泥泥释释放放以以及及底底泥泥上上浮等过程而发生变化，并且在潮流作用下在水平与垂直方向输移扩散。浮等过程而发生变化，并且在潮流作用下在水平与垂直方向输移扩散。三三维维磷磷限限制制准准生生态态模模型型概概念念图图三三维维水水动动力力生生态态模模型型 叶绿素叶绿素a浓度浓度浮游植物存在量浮游植物存在量 碳浓度碳浓度 浮游动物存在量浮游动物存在量 无机氮无机氮 有机氮有机氮 无机磷无机磷 有机磷有机磷 COD 有机污染指标有机污
20、染指标 DO 溶解氧溶解氧代表营养盐存在量代表营养盐存在量 模模拟拟要要素素三三维维水水动动力力生生态态模模型型浮游植物浮游植物浮游植物浮游植物：增殖、死亡、被浮游动物捕食、沉降；：增殖、死亡、被浮游动物捕食、沉降；浮游动物浮游动物浮游动物浮游动物：增殖、死亡；：增殖、死亡；无机氮无机氮无机氮无机氮：浮游植物摄取、浮游动物排泄、有机氮降解、：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；底泥释放、陆源污染源；有机氮有机氮有机氮有机氮：浮游植物呼吸、浮游动物死亡、降解、沉降、陆源污染源；：浮游植物呼吸、浮游动物死亡、降解、沉降、陆源污染源；无机磷无机磷无机磷无机磷：浮游植物摄取
21、、有机磷降解、浮游动物排泄、：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；沉降、底泥释放、陆源污染源；有机磷有机磷有机磷有机磷：浮游植物呼吸、浮游动物死亡、降解、沉降、陆源污染源；：浮游植物呼吸、浮游动物死亡、降解、沉降、陆源污染源；有机物有机物有机物有机物：降解、增殖引起的增加、沉降、底泥释放、陆源污染源；：降解、增殖引起的增加、沉降、底泥释放、陆源污染源；溶解氧溶解氧溶解氧溶解氧：化学耗氧、大气复氧、浮游植物光合作用、：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。浮游植物呼吸作用、底泥耗氧。考虑因素考虑因素：三维水动力移流扩散三维水动力移流
22、扩散 + + 模拟要素自身的物理、化学和生物作用模拟要素自身的物理、化学和生物作用三三维维水水动动力力生生态态模模型型概概念念图图三维溢油模型三维溢油模型图片来源：http:/www.sintef.no/units/chem/environment/OWM.htm溢溢油油主主要要的的迁迁移移和和风风化化过过程程三维溢油模型三维溢油模型模模型型考考虑虑的的迁迁移移和和风风化化过过程程模模型型应应用用 1999 1999年年年年7 7月月月月2323日珠江口日珠江口日珠江口日珠江口CODCOD、DODO、无机磷和有机磷的模拟：、无机磷和有机磷的模拟：、无机磷和有机磷的模拟：、无机磷和有机磷的模拟：
23、 受珠江口温密跃层和水体层化的影响，受珠江口温密跃层和水体层化的影响，CODCOD、DODO的层的层化现象明显，落潮时化现象明显，落潮时OPOP也出现层化现象。水体表层也出现层化现象。水体表层CODCOD、IPIP和和OPOP的含量从口门到外海呈高、低分布趋势，在口门和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。表层陆源排放口附近形成高浓度区。表层DODO的浓度分布受潮流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。东时在内伶仃东部沿海和内伶仃
24、岛附近形成相对低浓度区。东四口门的四口门的CODCOD、IPIP和和OPOP由北向南偏西迁移和扩散，西四口由北向南偏西迁移和扩散，西四口门的门的CODCOD、IPIP和和OPOP向南偏西进入南海浅陆架，进入伶仃洋向南偏西进入南海浅陆架，进入伶仃洋的数量很少。口门附近和伶仃洋的数量很少。口门附近和伶仃洋IPIP的垂直浓度分布随潮流运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。动的变化较大，外海基本保持表层略小于底层的分布趋势。表层表层COD模拟结果模拟结果表层表层DO模拟结果模拟结果表层无机磷模拟结果表层无机磷模拟结果表层有机磷模拟结果表层有机磷模拟结果垂向垂向COD、DO模拟结果模拟结果垂向无机磷、有机磷模拟结果垂向无机磷、有机磷模拟结果THANK YOU!2002-04-26结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！36
