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河口是海岸带最重要的组成部分,是流域陆源物质入海的必经通道,同时又是人口集中、经济高度发达的区域,其水质与生态系统的变化直接关系到近岸区域人类的生存空间、生存质量和社会的可持续发展。长江流域自然变化和人类活动导致流域水环境发生巨大变化,长江径流输送大量的营养物质进入河口和近海,导致长江口水体富营养化、赤潮频发。本文将长江流域.长江口作为一个完整的物质“源-输移转化-汇”系统,采用数学模拟的方法,定量分析流域污染物输出对河口水质的影响作用。基于排污单元,建立流域污染负荷估算模型,估算流域污染物入海日通量；在长江河口区,建立水动力和水质模型,模拟长江入海污染物的输移扩散及污染物的物理、化学、生物动力反应过程。流域模型提供污染物输出通量过程,水质模型反映河口水质对流域污染物输入的响应特征,在此基础上,讨论流域变化对入海污染物通量及河口水质的影响。
(1)长江流域污染物通量估算模型建立及验证
提出基于排污单元的流域污染物通量估算模型,将长江流域划分为114个排污单元和195个纳污河段,在此基础上利用朱沱、寸滩、宜昌、大通4个站的资料,对模型进行校核。利用2004-2007年长江流域各地区的人口、经济、工业、农业等统计资料,估算流域污染物入海通量,并识别出点源对CODMn入海通量的贡献率较大,占到55.3％,非点源对TN、TP入海通量的贡献率较大,分别达到70％和82％,导致各类污染物的入海通量呈现出不同的年内年际变化规律。估算得到的污染物入海通量可以为水质模型提供计算条件。
(2)长江下游及河口区二维水动力模型建立及验证
基于EFDC模型,建立长江下游及河口区二维水动力模型,利用丰、平、枯3组不同水期的同步观测资料对模型参数进行检验,确定长江下游及河口区水动力模型的参数设置。通过水动力模型模拟及分析长江下游及河口区的水动力特征,包括:长江下游不同水期的潮流界的空间变化,入海断面的净下泄流量过程及河口区潮位和流速流向变化。长江口在南北槽口以上潮流为往复流,在南北槽口以外,潮流均为顺时针方向的旋转流；受到长江径流的影响,潮流都是落潮流历时大于涨潮流历时,这在小潮期间体现最为明显,越往上游这一特点越明显；涨潮时,南、北港流速最大,水流通过南北港进入南支；落潮时,北槽和北港流速最大,水流通过北槽和北港进入近海。水动力体现了长江冲淡水的输送路径和影响范围,为污染物输移扩散提供支持。
(3)长江口三维水质模型建立及验证
基于EFDC模型水质模块(HEM3D),建立长江河口区三维水质模型,利用丰、平水期2组不同时期的同步观测资料对模型参数进行检验,并分析验证期长江口水质要素的平面分布特征。长江口CODMn、DIN、PO4-P分布均呈西高东低,等浓度线由长江口向东扩散。各水质要素的等浓度线平面分布特征与2005年实际调查的平面分布特征完全一致。受沿岸排污影响,在南支南岸形成一比较明显的污染带,丰水期尤其明显,受北支点源排放的影响,丰水期在北支入海口处,PO4-P浓度也出现一高值点。丰水期和平水期各水质要素分布规律基本一致,只是等浓度线的分布范围上有所差别,这一分布特征与2005年调查结果一致。参照《海水水质标准》,对模拟结果进行水质分类,劣Ⅳ类水体向东延伸至东经122°30′,这一特征与2005年国家海洋环境质量公报中的结果完全一致。
(4)模型综合应用
应用流域污染负荷估算模型估算和分析2004-2007年流域入海CODMn、TN、TP通量的年际变化和年内变化规律,研究各类污染源对入海通量贡献率的年内、年际变化规律,识别影响CODMn、TN、TP入海通量的主要因素。城镇生活是CODMn的主要来源,在枯水期最为明显,贡献率达70％,而农业生产则是TN、TP的主要来源,丰水期TN贡献率达到60％以上,TP更是达到80％以上。
应用长江口三维水质模型,模拟2004-2007年丰水期、平水期、枯水期的水质状况,并从空间(平面分布和垂向分布)和时间(年内和年际)上分析河口水质要素浓度分布特征。参照《海水水质标准》,分别针对CODMn、DIN、PO4-P,统计各类水体的分布面积,并分析其与流域径流和污染物入海通量的之间关系。结果表明,河口各类CODMn、DIN、PO4-P的分布与流域径流及CODMn、DIN、PO4-P入海通量之间均有着较好的定量关系。
分别以2004-2007为基准,考虑点源污染削减50％,非点源污染削减20％,估算流域CODMn、DIN、PO4-P入海通量。结合各年份径流输出,模拟流域污染削减后河口水质的分布状况,并与削减前水质分布进行比较。对比结果显示,CODMn明显好转,长江口水质全部达到Ⅱ类以下,DIN、PO4-P的Ⅲ类以上水体面积有所减小,丰水期减小最明显,但水质改善区主要集中在口门以外,口门以内仍为Ⅳ类以上水质,没有明显改观。因此,要完全改善长江口的水质,还需要进一步控制由流域农业生产的引起N、P输出。