珠江口上游水体缺氧的形成机理:物理—生物地球化学耦合模式研究

摘要

水体缺氧(溶解氧＜2 mg L-1)是目前河口、近海最重要、最迫切需要解决的全球性环境问题之一。一般认为,大量营养盐输入引起浮游植物过度繁殖;同时,夏季水体层化阻碍了水体氧气的有效补充,从而引起近岸海域季节性底层水体缺氧。也有研究认为,大量有机和氨氮污染物的输入,直接刺激了水体中异养细菌的生物活动,由此引起的有机物耗氧降解和硝化作用导致了一些混合良好河口的水体缺氧。
　　 珠江是世界上最重要的大河之一。其河口三角洲——珠江三角洲是世界上经济发展速度和人口增长速度最快、人类活动最频繁的区域之一。近年来,已有许多研究报道了珠江口上游广州一虎门河段水体缺氧现象,但目前针对该河段水体缺氧的现场研究主要限于定性和半定量研究。为了更好地研究水体缺氧的形成机制,本论文在集成分析现场研究的基础上,采用数值模式手段,拟在系统水平定量研究上述区域水体缺氧的形成机理和过程,为控制污染和治理水体缺氧提供一定的科学依据。
　　 由此,本论文构建了珠江口上游广州-虎门河段水体的物理-生物地球化学耦合一维数值模式;模拟了冬、夏季水体缺氧的不同情况;计算了冬、夏季溶解氧收支,并比较分析了引起水体缺氧季节差异的控制因素;设计数值实验,模拟了水体缺氧对不同条件的响应,特别是对污染物输入变化的响应,以便为污染控制和管理提供一定的科学依据。
　　 本模式基于FORTRAN编程语言,以FEMME(Flexible Environment forMathematically Modelling the Environment)为模拟和运行环境。以溶解氧(DO)为核心状态变量,同时包括了硝氮(NO3-),氨氮(NH4+),颗粒有机物(POM),溶解有机物(DOM),盐度(S)。模式包括物理模块和生物地球化学模块。物理过程包括平流-扩散输送和水气交换。生物地球化学过程包括有机物耗氧降解,硝化作用,初级生产,反硝化作用。同时考虑了研究区域最主要的支流东江(北、中、南三支)的输入,以便研究东江输入对该河段的影响。
　　 模式以2005年1月冬季珠江口航次数据进行校正,以2005年8月夏季航次数据进行检验,模拟结果能够较好地再现各状态变量的空间分布。模拟结果表明:该河段DO浓度周年变化主要受控于水温,同时与径流量的变化有关;冬季该河段DO浓度较高(19.5-223.4 mmol m-3(0.62-7.15 mg L-1)),水体缺氧范围较小(0-33 km,);夏季DO浓度较低(4.7-133.0 mmol m-3(0.15-4.26 mg L-1)),水体缺氧范围较大(0-60 km)。
　　 冬、夏季DO收支计算结果表明:大气复氧是研究区域DO最主要的补充过程,分别占冬、夏DO总输入量的74％和76％;而平流一扩散输送和初级生产对DO的补充相对较小。有机物降解和硝化作用是DO最主要的消耗过程。其中冬季有机物降解占生物总耗氧的73％,硝化作用耗氧占27％;而夏季有机物降解占生物总耗氧的56％,硝化作用耗氧占44％。夏季大气复氧、有机物降解和硝化作用均高于冬季。
　　 对水体缺氧季节差异的分析表明:温度是控制冬、夏DO收支差异最主要的因素。单由温度即可使夏季大气复氧比冬季高51％,使夏季生化反应耗氧为冬季的5.5倍。盐度是控制硝化作用季节变化的另一重要因素。仅由盐度季节差异,可使夏季硝化作用耗氧为冬季的2.4倍。径流量主要影响物理输送过程:冬季通过物理输送过程使研究区域DO有少量净输入,夏季则为净输出。风速对大气复氧季节差异的影响相对较小,仅使夏季气体交换速率平均比冬季低33％。DO浓度对生化耗氧季节差异的影响相对较小。夏季较低的DO浓度对耗氧反应形成限制,使夏季有机物降解和硝化作用耗氧平均比冬季低26％。有机物浓度基本不会对冬、夏有机物降解造成限制;而夏季研究区域下游较低的NH4+浓度可能会对硝化作用有一定限制。
　　 由于夏季研究区域水体缺氧程度更大、范围更广,因此在2005年8月夏季模拟结果基础上设计多个数值实验(敏感性实验),模拟了水体缺氧对各种变化的响应。结果显示,增大径流量,同时增大DO输入,可有效增加研究区域水体DO浓度。增大风速同样可使水体DO有一定增加;而该河段常年较低的风速(3-6 m s-1)是导致大气复氧较低,维持水体缺氧的一个重要原因。降低/关闭东江污染输入可有效增加其输入之后河段(狮子洋-虎门)的水体DO浓度,但不会影响到广州-黄埔河段。其中,有机污染物输入的变化对DO影响更大。降低/关闭广州污染输入可使整个研究区域的DO浓度显著增加,其中有机污染物对水体缺氧贡献更大。至少需同时降低广州80％的NH4+和有机物输入(即每天需减少55.62t NH4+和65.30 t有机物),才能使研究区域DO浓度至少增加1.0 mg L-1。广州污染物输入变化对该河段水体DO的影响为东江的3倍。本模式中,反硝化作用对NO3-的影响相对较小。鉴于缺乏实测数据的支持和验证,对该过程的模拟还有待于进一步完善。