【环境仿真专题第七讲】使用TELEMAC-MASCARET研究英国普尔港不同排污情况对水体营养物分布的影响

工农业的迅速发展带来了水生态环境的破坏

水体富营养化现象尤为严重

其防治也是水污染处理中最为复杂和困难的问题

本周继续围绕水质研究

带来环境仿真专题的第七个案例

一起来学习吧

水体富营养化会导致水生态系统物种分布失衡，单一物种疯长，破坏了系统的物质与能量的流动，使整个水生态系统逐渐走向灭亡。

• 《环境仿真专题》第七讲

• 使用TELEMAC-MASCARET研究英国普尔港不同排污情况对水体营养物分布的影响

01

研究背景

普尔港（Poole Harbour）位于英国南部海岸，在其附近的Wareham、Lytchett和HolesBay的污水处理厂都会进行污水排放。污水中含有的营养物沿着河流进入港口，导致港口水体富营养化，从而导致了大量的浮游藻类沿着海岸线和海岸附近的滩涂生长。

大面积的藻类生长覆盖了滩涂，减少了鸟类栖息的空间面积，对该区域的生物多样性造成了负面影响。此外，由于海面被藻类覆盖，降低了水体中能够透入的阳光，使得水体中的植物无法进行光合作用，水体中溶解氧浓度降低，进一步导致海床底栖生物群落缺氧，最终使得水体中氮含量超标，形成一个负面的循环。

在过去的几十年里，相关部门已经采取了一些减少营养物浓度和改善水质的缓解措施，例如通过减少来自点源（point source）的营养物排放，来达到初步控制水质的目标。然而，地下水中的营养物扩散量依然在增加，使得水体仍有富营养化的特征。

因此本次研究的目的是测试不同的污水排放场景导致的浓度分布状况，为后续减少营养物浓度含量以及采取控制水质的相关措施服务。

02

软件介绍

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。

03

模型建立

• 水动力学模型

使用Telemac-2D针对普尔港及其附近区域建立一个高精度的平均深度的2D模型，网格采用非结构化的三角形网格。模型涵盖的经纬度范围1.646°W –2.239°W 和50.362°N–50.737°N。开放边界处的网格的分辨率在200m到5km之间，海岸线的精度则提高到100m。在普尔港内，分辨率进一步提高到30米。地形高程数据由英国相关部门提供。

水动力模型建立好后，首先模拟了2012年5月30天内大小潮的水动力情况，并且将结果于英国海洋数据中心的实测数据进行验证对比，确保模型的准确性。Telemac2D模型网格细节如下图所示：

网格以及地形高程视图

水动力模型验证之后，因为本项研究主要研究对象为溶解无机氮（Dissolved Inorganic Nitrogen，下文中简称为DIN），故本次将其作为单一的被动示踪物（passive tracer）引入水动力模型中。

研究区域中的营养物来源可以分为两种：一种是河流输入，另一种是污水处理厂（Sewage Treatment Works即STW）排放，下图中展示了营养物排放的几个源头的所在位置：

营养物排放点源

本次研究一共模拟了五个不同的水质治理场景：

• 场景一：减少20%的地下水通过河流输入的营养物年度总量；

• 场景二：去除普尔港东部的污水处理厂（Poole East STW）的排放量；

• 场景三：去除Wareham和Lytchett污水处理厂的排放量；

• 场景四：同时减少河流输入以及污水处理厂的排放量，使得藻类密度小于1 kg/m3;

• 场景五：同时减少河流输入以及污水处理厂的排放量，使得藻类密度小于0.5 kg/m3。

上述场景中对应的DIN初始浓度均都使用MATLAB软件根据实测数据进行计算。场景四和五还需要在MATLAB中引入藻类生长速率和DIN之间的关系式来确定初始浓度。每个场景对应的浓度计算完成后，作为初始条件输入TELEMAC-MASCARET的水动力模型中。

 为了保证模型尽快达到充分发展的状态，先用水动力模型模拟了为期5天的水动力流场分布，再引入被动示踪物，模拟其30天内的浓度变化情况。

（注：如果不考虑化学反应，只研究营养物的浓度分布状况，可采用本案例中使用的方法，将营养物作为被动示踪物加入水动力模型中；如需考虑化学反应对营养物的消耗等，则需使用TELEMAC-MASCARET软件中的WAQTEL模块建立水质模型。）

04

模拟结果

仿真模拟结果如下图所示。仿真结果表明普尔港内水域的营养物浓度主要受到Piddle河输入和Wareham污水厂排放量的影响。

30天运行周期后五个场景对应的平均DIN浓度

05

研究结论

本案例针对英国普尔港建立了一个二维水动力模型，测试实施不同的水质治理策略来降低水域内的营养物含量的情况下，普尔港水域内的水质变化。此外，可以再通过TELEMAC-MASCARET中计算的冲洗率对DIN的浓度在扩散的过程中实时进行调整，以确保最大程度地还原实际场景。

小结

本案例是将环境仿真技术应用于测试不同的污水排放场景导致的浓度分布状况，模拟结果表示TELEMAC-MASCARET构建的模型不仅可以深入了解进入水体的营养物质的主要来源，还可以科学的判断减少水域内的营养物含量的最有效解决方案。

END

今天的案例分享就到这里啦

下周继续新专栏的分享

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