沿海地区的各种工业、生活废水等以不同方式排入相应的海域，会影响当地的浮游生物^[1]、渔业资源^[2-4]及海域生态环境^[5-6]等。污染物排海口的海水的深度、离岸距离、海岸线地貌和风力风向等因素对入海污染物的扩散都有很大影响。近年来，国内外学者对合理优化设置污染物排放口进行了相应研究，并取得了许多有价值的成果^[7-13]。南通是江苏省唯一滨江临海的城市，具备了独特的发展优势和潜力。王心海等^[14]综合考虑环境和工程因素，对洋口港污水排海工程排污口的选划进行了研究。赵俊杰等^[15]以南通市工业尾水排海工程为例, 研究了在不同水深条件下污染物的扩散影响程度。前人对南通沿海选择污水排放口的研究较少，因此通过研究南通通州湾达标尾水在不同水深、排污时段条件下排海的影响程度，分析不同情况下的污染物输移扩散的浓度和范围，从而定量计算污水排放对海洋水质环境的影响，以期为沿海污水排放提供科学建议。

1   材料与方法

1.1   研究区概况

南黄海辐射沙洲位于江苏省东海岸，呈辐射状分布。其面积宽广，脊槽相间，地形复杂，是南黄海独特的地貌类型^[16-17]。小庙洪潮汐水道位于辐射沙洲的最南端，全长约42 km, 距长江口北支约60 km, 水道自口门至尾部宽度呈逐渐变窄的趋势，是距离岸线最近的一条淹没性潮汐汊道，也是辐射沙洲地区众多淹没性潮汐汊道中具有代表性的一条，具有广阔的开发前景^[18]。

潮汐调和常数比值小于0.5，属正规半日潮。潮波从东海传向黄海，在江苏南部沿海保持前进波的性质，小庙洪水道主要受东海前进波控制。潮波进入浅水区后，在海底地形影响下形成驻波，表现出中潮位流速最大的特征^[19]。

小庙洪水道以往复流为主，开敞水域旋转流特征明显。水道深槽中的C1-C6测点的最大流速和垂线平均最大流速均普遍大于开敞水域。大潮和小潮潮流强度差异明显，基本都表现为大潮期间涨潮历时略短于落潮历时，涨潮流速略大于落潮流速，而小潮期间反之。

临港污水处理厂位置如图 1所示，位于通海大道以南约300 m、如港路以东、围堤路以西地块。远期总规模为10万m³/d，分三期建设，目前一期建设规模为2万m³/d。园区内污水处理厂出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级标准的A标准。化学耗氧量(COD)是评价水体有机污染程度的综合指标，是水质监测的重要系数^[20]，本文选用此因子构建模型，其出水的化学耗氧量浓度为50 mg/L。

图  1  计算区域及验证站位

Fig.  1  Calculated range and distribution of stations

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1.2   水动力控制方程

连续方程:

动量方程:

式中:d为静止水深；η为水位; h=d+η代表总水深; τ_sx、τ_sy、τ_bx、τ_by分别为底部剪切应力和表面剪切应力在x、y方向上的分量; T_xx、T_xy、T_yy为横向粘滞应力; u、v为平均水深的速度; ρ₀为水的参考密度; S为源向外流出的流体量; u_s、v_s为对应方向的源项水体的流速。

1.3   水质控制方程

二维对流扩散方程：

式中：c为污染物浓度；D_x和D_y分别为x、y方向上的扩散系数; F为污染物的降解系数; C_s为源释放污染物的浓度。其中，u, v和h由水动力模型提供。

1.4   网格与模型参数

在南通近海数值模型的基础上，小范围模型计算区域位于江苏省南通市(图 1)。北侧边界至如东县，南侧边界至海门市，东侧开边界距工程区约26 km，固边界为自然岸线，长约85 km。初始条件设定为静水条件，模型的固边界为实测岸线，采用流速法向为零的边界条件。外海开边界采用潮位控制，其中大范围潮流数学模型的潮位开边界由东中国海潮波运动数学模型提供。辐射沙洲随着潮涨潮落会交替出现漫滩与露滩，用“干湿”法处理动边界，采用临界水深0.05 m作为“干湿”的判断标准。涡黏系数采用Smagorinsky公式，取值为0.28。地形为天然地形，采用非结构三点式三角形网格，并在局部加密，空间步长50~1500 m，网格单元22320个，网格节点11499个(图 2)。由于模拟区域小，不考虑科氏力的作用。在污染物输运的计算中，规定流速为0的点没有扩散。污染物输运模型的初始条件取零。外海开边界条件采用法向零通量边界条件。具体如下：

图  2  计算区域网格

Fig.  2  Grid layout of computed area

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式中：Γ为海域开边界；c^*(x, y, t)为已知污染物浓度。

固边界条件采用法向导数为零。降解系数与水流特性、海面气体交换速度、海洋生物的种类和数量、污染物浓度及水文条件等因素有关，模型计算中降解系数一般取常数，水温在10~28℃时，降解系数介于0.02~0.07/d之间^[21]。根据南通沿海的水文状况，降解系数为0.03 /d。扩散系数由经验公式(D_x, D_y)=5.93Hg^1/2nη^-1/6 u, v计算得出，其中：n代表曼宁系数。

2   结果与讨论

2.1   潮位与流速验证

潮位率定选用2014年9月25日00: 00时~10月04日0: 00时吕四港的水文资料，潮流率定选用2014年9月25日11: 00时~9月26日14: 00时大潮和10月2日4:00~10月3日7: 00时小潮的水文测量资料，C1~C6点为流速流向的测站。限于篇幅，给出C4和C6测站的大潮流速、流向验证结果。由图 3和图 4可知，潮位和流速的计算值均与实测资料吻合较好。

图  3  吕四港的潮位过程验证

Fig.  3  Verification of surface elevation process of Lvsi port

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图  4  C4和C6测站流速和流向的验证

Fig.  4  Verification of flow magnitude and direction of C4 and C6 station

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2.2   水质验证

在给定的浓度边界和水质参数的条件下，将模型的背景浓度值设定为0，模拟通州湾海域的COD浓度。浓度值处于平衡状态时水质模型趋于稳定，比较稳定后各站点一个潮周期的污染物平均浓度值与实测资料值。图 5是水质实测站位的布置，各站位的pH、活性磷酸盐、硫化物、铜、锌、铅、镉、铬、汞、砷等指标均能满足相应海域环境功能区划海水水质标准要求。悬浮物、无机氮，COD、油类、挥发酚个别点超标。从图 6中各站位COD计算值与实测值的对比可以看出各点的计算值与实测值大体一致，模拟的浓度值能够较为真实的反映出COD浓度状况，说明该水质模型对通州湾污染物浓度的模拟是合理可靠的。

图  5  水质站点的布置

Fig.  5  Distribution of water quality station

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图  6  各水质站位COD浓度的计算值与实测值的对比

Fig.  6  Comparison of COD concentration between measured

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2.3   不同排海方式下污染物浓度扩散

污水排海的方式主要有岸边直排和深海排放^[22]。根据通州湾的实际情况，小庙洪水道走向与海门、启东一带的海堤基本一致，尾部在通州、如东浅滩消失，污水厂附近水系稀释自净能力不强，水深较浅且随着潮涨潮落交替出现漫滩和露滩，近岸排污将会给当地水系造成大面积污染，因此应通过离岸排放方式排出，在深海强大的水动力条件下充分稀释扩散。由于临港污水厂与小庙洪水道尾部的距离较近且小庙洪水道内的水动力条件较强，因此假设排污口设置在小庙洪水道，如图 7所示。排污点距离污水厂约3~4 km，随着离岸距离的增加，排污点的水深越大。在排放总量为10万m³/d情况下，分别模拟大潮和小潮时不同深度、排污时段的尾水排放。排污深度分别为-4 m、-6 m、-8 m、-10 m这4种不同水深；排放时段分别为24 h连续排放、高潮时至落急、高潮时至低潮时。

图  7  污水排海口和敏感点的位置

Fig.  7  Locations of seawage discharge points and sensitive sites values and calculated values

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图 8是在不同排放方式下大潮期污水输运扩散的最大包络范围图，即在水域中某种浓度值可能影响的最大范围。不同水深处排放的污水在小庙洪水道潮流的对流扩散作用下，沿着往复主流向大致形成东西向长条形状的浓度带。大潮期24 h连续排放时，4种水深处排放的污水影响范围均不大，其中-10 m水深时等值线包络面积明显小于其余水深位置，对水环境造成的影响最小，-4 m水深排放时包络面积最大。高潮时至落急、高潮时至低潮时排放时，随着水深的增加，相同浓度的包络面积也有所减小。出现上述现象的原因是，-4 m等深线排放点位于涨落潮流速较小的浅滩附近，不利于污水的扩散，污水的影响范围大；而-10 m水深处流速较大，扩散能力强，利于污水的输移扩散，扩散的范围最小。

图  8  不同水深在3种排污时段大潮包络线分布

Fig.  8  The envelopes of sewage in different water depths and periods in spring tide

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值得注意的是，相比于24 h连续排放，高潮时到落急的排污时段最短、高潮时至低潮时排污时间稍长，由于排放总量是一定的，高潮时到落急、高潮时至低潮时的排污速率要比24 h连续排放大得多。高潮时到落急、高潮时至低潮时的最大包络面积比24 h连续排放大，存在大范围浓度为1.28 mg/L的浓度包络线，其中高潮时到落急排放时出现了一定范围的1.29 mg/L的浓度包络线(图 8)。为定量描述不同污水排放方式对近岸污染物输移扩散的影响，给出6 m水深时近岸各敏感点大潮涨潮期(低潮时-高潮时)的污染物平均浓度(表 1)。各敏感点位置如图 7所示。近岸海域各敏感点在连续排放时的浓度较高潮时至落急、高潮时至低潮时略大。因此，在连续排放时涨潮水将污染物输运至近岸海域，使得近海的浓度有所增加，高潮时至落急、高潮时至低潮时排放时，污染物会随潮流的走向向外海输运，减少了对近岸潮滩环境的影响。

表  1  6 m水深时不同排放时段的各点平均浓度

Tab.  1  Average concentration of each point at the depth of 6 m

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通州湾海域受季风影响较大，夏季盛行偏东南风，冬季盛行西北风，其常风向为ESE向，多年平均风速为6.8 m/s^[23]。考虑ESE向风作用下，达标尾水在不同水深、排放时段时污染物输移扩散的影响。限于篇幅，给出6 m水深时不同排污时段时的浓度包络线分布图(图 9)。污染物的浓度包络线依然沿往复流呈现长条状的浓度带，但是最大包络线浓度有所减少，总体上约减少了0.02 mg/L。这可能是由于风加速了污染物的降解和扩散作用，导致了纳污海域污染物浓度的降低。

图  9  定常风时6 m水深时不同排污时段大潮包络线分布

Fig.  9  The envelopes of sewage at the depth of 6 m in steady wind

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3   结论

(1) 污水排海后，很快被稀释，在不同水深、排放时段情况下，污染物均能被控制在一定范围内，说明污水排入通州湾海域不会对水环境产生大的影响，且可以通过控制排放时段、水深来控制污染物的输移扩散。

(2) 环境水深是影响纳污海域污水稀释扩散能力的一种重要因素，从4种不同水深下排放的影响范围可知，无论是哪种排污时段，4 m水深点的包络面积最大，且位于浅海区，对该海域海洋养殖及生态保护极为不利；6 m、8 m水深点潮流相对较大，其污染物包络面积相比于4 m较小。10 m点位于深水区，流速更大，排出的高浓度污水能被小庙洪水道水体快速充分稀释，污染物包络线面积最小，对纳污海域水环境影响最弱。因此，建议在条件允许的条件下，采用深海排放的方式控制水体污染物含量的增量。

(3) 在一定排放总量的情况下，24 h连续排放、高潮时至落急、高潮时至低潮时3种排污时段时，污染物影响范围是不同的。24 h连续排放时包络线范围最小，对海域水质环境影响最弱。高潮时至落急、高潮时至低潮时这两种时段排放时均能将污染物扩散到外海。高潮时至落急排放时能更好地控制污染物向外海扩散。

(4) 在一定的排放方式下，当考虑风的作用时，风加速了污染物的降解扩散作用，使得纳污海域的污染物浓度有所减小，但对包络线的总体分布影响小。