珠江口上游水體缺氧的形成機(jī)理-物理—生物地球化學(xué)耦合模式研究.pdf

1、水體缺氧(溶解氧＜2 mg L-1)是目前河口、近海最重要、最迫切需要解決的全球性環(huán)境問題之一。一般認(rèn)為,大量營養(yǎng)鹽輸入引起浮游植物過度繁殖;同時(shí),夏季水體層化阻礙了水體氧氣的有效補(bǔ)充,從而引起近岸海域季節(jié)性底層水體缺氧。也有研究認(rèn)為,大量有機(jī)和氨氮污染物的輸入,直接刺激了水體中異養(yǎng)細(xì)菌的生物活動(dòng),由此引起的有機(jī)物耗氧降解和硝化作用導(dǎo)致了一些混合良好河口的水體缺氧。
　　 珠江是世界上最重要的大河之一。其河口三角洲——珠江三角洲

2、是世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和人口增長速度最快、人類活動(dòng)最頻繁的區(qū)域之一。近年來,已有許多研究報(bào)道了珠江口上游廣州一虎門河段水體缺氧現(xiàn)象,但目前針對該河段水體缺氧的現(xiàn)場研究主要限于定性和半定量研究。為了更好地研究水體缺氧的形成機(jī)制,本論文在集成分析現(xiàn)場研究的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模式手段,擬在系統(tǒng)水平定量研究上述區(qū)域水體缺氧的形成機(jī)理和過程,為控制污染和治理水體缺氧提供一定的科學(xué)依據(jù)。
　　 由此,本論文構(gòu)建了珠江口上游廣州-虎門河段水體的物

3、理-生物地球化學(xué)耦合一維數(shù)值模式;模擬了冬、夏季水體缺氧的不同情況;計(jì)算了冬、夏季溶解氧收支,并比較分析了引起水體缺氧季節(jié)差異的控制因素;設(shè)計(jì)數(shù)值實(shí)驗(yàn),模擬了水體缺氧對不同條件的響應(yīng),特別是對污染物輸入變化的響應(yīng),以便為污染控制和管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。
　　 本模式基于FORTRAN編程語言,以FEMME(Flexible Environment forMathematically Modelling the Environm

4、ent)為模擬和運(yùn)行環(huán)境。以溶解氧(DO)為核心狀態(tài)變量,同時(shí)包括了硝氮(NO3-),氨氮(NH4+),顆粒有機(jī)物(POM),溶解有機(jī)物(DOM),鹽度(S)。模式包括物理模塊和生物地球化學(xué)模塊。物理過程包括平流-擴(kuò)散輸送和水氣交換。生物地球化學(xué)過程包括有機(jī)物耗氧降解,硝化作用,初級(jí)生產(chǎn),反硝化作用。同時(shí)考慮了研究區(qū)域最主要的支流東江(北、中、南三支)的輸入,以便研究東江輸入對該河段的影響。
　　 模式以2005年1月冬季珠江口

5、航次數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,以2005年8月夏季航次數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),模擬結(jié)果能夠較好地再現(xiàn)各狀態(tài)變量的空間分布。模擬結(jié)果表明:該河段DO濃度周年變化主要受控于水溫,同時(shí)與徑流量的變化有關(guān);冬季該河段DO濃度較高(19.5-223.4 mmol m-3(0.62-7.15 mg L-1)),水體缺氧范圍較小(0-33 km,);夏季DO濃度較低(4.7-133.0 mmol m-3(0.15-4.26 mg L-1)),水體缺氧范圍較大(0-60 k

6、m)。
　　 冬、夏季DO收支計(jì)算結(jié)果表明:大氣復(fù)氧是研究區(qū)域DO最主要的補(bǔ)充過程,分別占冬、夏DO總輸入量的74％和76％;而平流一擴(kuò)散輸送和初級(jí)生產(chǎn)對DO的補(bǔ)充相對較小。有機(jī)物降解和硝化作用是DO最主要的消耗過程。其中冬季有機(jī)物降解占生物總耗氧的73％,硝化作用耗氧占27％;而夏季有機(jī)物降解占生物總耗氧的56％,硝化作用耗氧占44％。夏季大氣復(fù)氧、有機(jī)物降解和硝化作用均高于冬季。
　　 對水體缺氧季節(jié)差異的分析表明:

7、溫度是控制冬、夏DO收支差異最主要的因素。單由溫度即可使夏季大氣復(fù)氧比冬季高51％,使夏季生化反應(yīng)耗氧為冬季的5.5倍。鹽度是控制硝化作用季節(jié)變化的另一重要因素。僅由鹽度季節(jié)差異,可使夏季硝化作用耗氧為冬季的2.4倍。徑流量主要影響物理輸送過程:冬季通過物理輸送過程使研究區(qū)域DO有少量凈輸入,夏季則為凈輸出。風(fēng)速對大氣復(fù)氧季節(jié)差異的影響相對較小,僅使夏季氣體交換速率平均比冬季低33％。DO濃度對生化耗氧季節(jié)差異的影響相對較小。夏季較低的

8、DO濃度對耗氧反應(yīng)形成限制,使夏季有機(jī)物降解和硝化作用耗氧平均比冬季低26％。有機(jī)物濃度基本不會(huì)對冬、夏有機(jī)物降解造成限制;而夏季研究區(qū)域下游較低的NH4+濃度可能會(huì)對硝化作用有一定限制。
　　 由于夏季研究區(qū)域水體缺氧程度更大、范圍更廣,因此在2005年8月夏季模擬結(jié)果基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)多個(gè)數(shù)值實(shí)驗(yàn)(敏感性實(shí)驗(yàn)),模擬了水體缺氧對各種變化的響應(yīng)。結(jié)果顯示,增大徑流量,同時(shí)增大DO輸入,可有效增加研究區(qū)域水體DO濃度。增大風(fēng)速同樣可使水

9、體DO有一定增加;而該河段常年較低的風(fēng)速(3-6 m s-1)是導(dǎo)致大氣復(fù)氧較低,維持水體缺氧的一個(gè)重要原因。降低/關(guān)閉東江污染輸入可有效增加其輸入之后河段(獅子洋-虎門)的水體DO濃度,但不會(huì)影響到廣州-黃埔河段。其中,有機(jī)污染物輸入的變化對DO影響更大。降低/關(guān)閉廣州污染輸入可使整個(gè)研究區(qū)域的DO濃度顯著增加,其中有機(jī)污染物對水體缺氧貢獻(xiàn)更大。至少需同時(shí)降低廣州80％的NH4+和有機(jī)物輸入(即每天需減少55.62t NH4+和65.