珠江口上游水體缺氧的形成機理-物理—生物地球化學耦合模式研究.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。一般認為,大量營養(yǎng)鹽輸入引起浮游植物過度繁殖;同時,夏季水體層化阻礙了水體氧氣的有效補充,從而引起近岸海域季節(jié)性底層水體缺氧。也有研究認為,大量有機和氨氮污染物的輸入,直接刺激了水體中異養(yǎng)細菌的生物活動,由此引起的有機物耗氧降解和硝化作用導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、是世界上經濟發(fā)展速度和人口增長速度最快、人類活動最頻繁的區(qū)域之一。近年來,已有許多研究報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制,本論文在集成分析現(xiàn)場研究的基礎上,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理和過程,為控制污染和治理水體缺氧提供一定的科學依據(jù)。
　　 由此,本論文構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;設計數(shù)值實驗,模擬了水體缺氧對不同條件的響應,特別是對污染物輸入變化的響應,以便為污染控制和管理提供一定的科學依據(jù)。
　　 本模式基于FORTRAN編程語言,以FEMME(Flexible Environment forMathematically Modelling the Environm

4、ent)為模擬和運行環(huán)境。以溶解氧(DO)為核心狀態(tài)變量,同時包括了硝氮(NO3-),氨氮(NH4+),顆粒有機物(POM),溶解有機物(DOM),鹽度(S)。模式包括物理模塊和生物地球化學模塊。物理過程包括平流-擴散輸送和水氣交換。生物地球化學過程包括有機物耗氧降解,硝化作用,初級生產,反硝化作用。同時考慮了研究區(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)進行校正,以2005年8月夏季航次數(shù)據(jù)進行檢驗,模擬結果能夠較好地再現(xiàn)各狀態(tài)變量的空間分布。模擬結果表明:該河段DO濃度周年變化主要受控于水溫,同時與徑流量的變化有關;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收支計算結果表明:大氣復氧是研究區(qū)域DO最主要的補充過程,分別占冬、夏DO總輸入量的74％和76％;而平流一擴散輸送和初級生產對DO的補充相對較小。有機物降解和硝化作用是DO最主要的消耗過程。其中冬季有機物降解占生物總耗氧的73％,硝化作用耗氧占27％;而夏季有機物降解占生物總耗氧的56％,硝化作用耗氧占44％。夏季大氣復氧、有機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氧比冬季高51％,使夏季生化反應耗氧為冬季的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。風速對大氣復氧季節(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濃度對耗氧反應形成限制,使夏季有機物降解和硝化作用耗氧平均比冬季低26％。有機物濃度基本不會對冬、夏有機物降解造成限制;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月夏季模擬結果基礎上設計多個數(shù)值實驗(敏感性實驗),模擬了水體缺氧對各種變化的響應。結果顯示,增大徑流量,同時增大DO輸入,可有效增加研究區(qū)域水體DO濃度。增大風速同樣可使水

9、體DO有一定增加;而該河段常年較低的風速(3-6 m s-1)是導致大氣復氧較低,維持水體缺氧的一個重要原因。降低/關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,但不會影響到廣州-黃埔河段。其中,有機污染物輸入的變化對DO影響更大。降低/關閉廣州污染輸入可使整個研究區(qū)域的DO濃度顯著增加,其中有機污染物對水體缺氧貢獻更大。至少需同時降低廣州80％的NH4+和有機物輸入(即每天需減少55.62t NH4+和65.