水體遭受污染后
往往會影響水中生物的生存
被嚴重污染的水體環境
會造成水中生物的死亡
本周繼續圍繞水質研究
帶來環境仿真專題的最后一個案例
一起來學習吧
隨著科技的進步，工業、農業的迅猛發展，污水排放、水土流失，導致大量營養鹽類和有機物質進入水體，造成嚴重的水質污染。水體環境污染也日益成為影響魚類生存的重要因素。
英國科威特灣西部的Sulaibikhat灣（下稱“S灣”）是水體環境最惡劣的英國港灣之一。由于水體環境惡劣，S灣會不定時地發生水生物大量死亡事件。一些定性的研究表明，S灣夏季空氣溫度在某些極端情況下可達52度，高溫帶來的高蒸發率會導致海水的高鹽度。此外，S灣低降水率、低進水率以及工業排污引入的高需氧量，都降低了水體中的含氧量。以上因素都有可能是造成水生物死亡的原因。為此，英國環境漁業與水產養殖科學中心（Cefas）同科威特環境公共管理局合作，通過
TELEMAC-MASCARET
模擬這些不利因素對溶解氧的影響，通過定量地仿真研究，來確定造成水生物的死亡現象的原因。
TELEMAC-MASCARET是法國電力集團（EDF）的法國國立水利與環境實驗室開發的一款研究水動力學和水文學領域的高性能數值仿真開源軟件。基于有限元法，使用不規則三角網格，讓復雜的海岸線和河口的描繪更為精確。該軟件可以構建1D，2D和3D水動力學模型以解決波浪傳播, 波浪振動特性，水質污染，泥沙輸運和海床形態變化等問題，擁有豐富的用戶技術支持和廣泛的工業應用及驗證。
Cefas使用TELEMAC-MASCARET中的Telemac2d模塊構建了受潮汐驅動的S港二維水動力模型。模型涵蓋科威特國家水域，面積略超過12000平方公里，公海邊界受到潮汐諧波驅動。水深數據來自英國海道局(UK Hydrographic Office)綜合的海洋總水深圖(GEBCO)。
在S灣的海岸線和科威特市已開發的臨海地帶，模型分辨率增加到50米的密度，經過處理的廢水和工業廢物主要排放到海灣。水電站排水信息由科威特氣象部門提供。根據科威特氣象部提供的高程和速度測量數據，對Telemac-2D模型進行校準和驗證。
水質模型由TELEMAC-MASCARET中的Waqtel模塊構建，該模塊的O2子模塊可實現水體中有機負荷(生物需氧量)、氨負荷(銨態NH4)和溶解氧的求解。
初始情況下科威特灣的水溫平均值為28℃，鹽度為40 ppt，溶解氧背景值為6 mg/l。6個工業排污點的排污信息由下表列出，在模擬中作為污染源帶入水質模型。
Telemac2d模塊與Waqtel模塊實時耦合，水動力學信息可在每個時間步更新并反饋給Waqtel模塊帶入求解有機負荷(生物需氧量)、氨負荷和溶解氧等信息。
首先水動力模塊運行1個月的模擬，以其為基礎耦合水質模塊在運行6天的模擬，分別分析了朔望潮和小潮發生時水質指標的情況。
上圖為大潮低潮面排污口排出的有機負荷以及電站排放的高溫水的擴散情況，可以看出小潮發生時有機負荷以及高溫水的擴散很大程度都會被限制在海岸線附近。
上圖為小潮低潮面溶解氧濃度，還原了魚類死亡事件發生時的溶解氧分布。
通過TELEMAC-MASCARET中Telemac2d水動力學模塊與Waqtel水質模塊耦合，充分研究了多種因素對水體中的溶解氧含量的影響。電站溫排水造成羽流河橫跨灣口的橋生成的湍流，有利于水體充氧，而S灣的半封閉地理結構會減弱西北夏馬風的影響，不利于水體充氧。
模擬的結果還表明，客觀環境存在的各項因素同時疊加會造成某些溶解氧極低的情況，但一般這種情況僅僅出現在一個漲落周期的某個階段，大部分時間都不會如此極端，不足以達到造成魚類大量死亡的地步。而本次模擬采用的廢水排放量偏低，因此此因素造成需氧量偏小，如果實際上會存在廢物處理場故障而造成排放的污水中憨厚更多的有機物和氨氮物排放，會顯著增大需氧量。
本案例是將環境仿真技術應用于研究水域中魚類死亡事件的潛在驅動因素，模擬結果表明TELEMAC-MASCARET全面的揭示了S灣的客觀環境造成的生態脆弱性和造成溶解氧偏低的因素，同時該研究可用于輔助環境保護部門制定對應的保護策略。
注：每月詳細課程通知及報名途徑將于課程開始前一個月發布
遠算在bilibili、技術鄰、知乎定期發布課程視頻等內容
