水体遭受污染后
往往会影响水中生物的生存
被严重污染的水体环境
会造成水中生物的死亡
本周继续围绕水质研究
带来环境仿真专题的最后一个案例
一起来学习吧
随着科技的进步，工业、农业的迅猛发展，污水排放、水土流失，导致大量营养盐类和有机物质进入水体，造成严重的水质污染。水体环境污染也日益成为影响鱼类生存的重要因素。
英国科威特湾西部的Sulaibikhat湾（下称“S湾”）是水体环境最恶劣的英国港湾之一。由于水体环境恶劣，S湾会不定时地发生水生物大量死亡事件。一些定性的研究表明，S湾夏季空气温度在某些极端情况下可达52度，高温带来的高蒸发率会导致海水的高盐度。此外，S湾低降水率、低进水率以及工业排污引入的高需氧量，都降低了水体中的含氧量。以上因素都有可能是造成水生物死亡的原因。为此，英国环境渔业与水产养殖科学中心（Cefas）同科威特环境公共管理局合作，通过
TELEMAC-MASCARET
模拟这些不利因素对溶解氧的影响，通过定量地仿真研究，来确定造成水生物的死亡现象的原因。
TELEMAC-MASCARET是法国电力集团（EDF）的法国国立水利与环境实验室开发的一款研究水动力学和水文学领域的高性能数值仿真开源软件。基于有限元法，使用不规则三角网格，让复杂的海岸线和河口的描绘更为精确。该软件可以构建1D，2D和3D水动力学模型以解决波浪传播, 波浪振动特性，水质污染，泥沙输运和海床形态变化等问题，拥有丰富的用户技术支持和广泛的工业应用及验证。
Cefas使用TELEMAC-MASCARET中的Telemac2d模块构建了受潮汐驱动的S港二维水动力模型。模型涵盖科威特国家水域，面积略超过12000平方公里，公海边界受到潮汐谐波驱动。水深数据来自英国海道局(UK Hydrographic Office)综合的海洋总水深图(GEBCO)。
在S湾的海岸线和科威特市已开发的临海地带，模型分辨率增加到50米的密度，经过处理的废水和工业废物主要排放到海湾。水电站排水信息由科威特气象部门提供。根据科威特气象部提供的高程和速度测量数据，对Telemac-2D模型进行校准和验证。
水质模型由TELEMAC-MASCARET中的Waqtel模块构建，该模块的O2子模块可实现水体中有机负荷(生物需氧量)、氨负荷(铵态NH4)和溶解氧的求解。
初始情况下科威特湾的水温平均值为28℃，盐度为40 ppt，溶解氧背景值为6 mg/l。6个工业排污点的排污信息由下表列出，在模拟中作为污染源带入水质模型。
Telemac2d模块与Waqtel模块实时耦合，水动力学信息可在每个时间步更新并反馈给Waqtel模块带入求解有机负荷(生物需氧量)、氨负荷和溶解氧等信息。
首先水动力模块运行1个月的模拟，以其为基础耦合水质模块在运行6天的模拟，分别分析了朔望潮和小潮发生时水质指标的情况。
上图为大潮低潮面排污口排出的有机负荷以及电站排放的高温水的扩散情况，可以看出小潮发生时有机负荷以及高温水的扩散很大程度都会被限制在海岸线附近。
上图为小潮低潮面溶解氧浓度，还原了鱼类死亡事件发生时的溶解氧分布。
通过TELEMAC-MASCARET中Telemac2d水动力学模块与Waqtel水质模块耦合，充分研究了多种因素对水体中的溶解氧含量的影响。电站温排水造成羽流河横跨湾口的桥生成的湍流，有利于水体充氧，而S湾的半封闭地理结构会减弱西北夏马风的影响，不利于水体充氧。
模拟的结果还表明，客观环境存在的各项因素同时叠加会造成某些溶解氧极低的情况，但一般这种情况仅仅出现在一个涨落周期的某个阶段，大部分时间都不会如此极端，不足以达到造成鱼类大量死亡的地步。而本次模拟采用的废水排放量偏低，因此此因素造成需氧量偏小，如果实际上会存在废物处理场故障而造成排放的污水中憨厚更多的有机物和氨氮物排放，会显著增大需氧量。
本案例是将环境仿真技术应用于研究水域中鱼类死亡事件的潜在驱动因素，模拟结果表明TELEMAC-MASCARET全面的揭示了S湾的客观环境造成的生态脆弱性和造成溶解氧偏低的因素，同时该研究可用于辅助环境保护部门制定对应的保护策略。
注：每月详细课程通知及报名途径将于课程开始前一个月发布
远算在bilibili、技术邻、知乎定期发布课程视频等内容
2021年5月6日 14:34
