模拟金特罗湾（Quintero Bay）及其周边海岸水域和沉积物中的铜分布情况

《Marine Pollution Bulletin》：Simulating the copper distribution in coastal waters and sediments in Quintero Bay and adjacent shores

3D水动力耦合铜输运模拟揭示Quintero Bay污染扩散规律，采用MIKE 3模型结合数据同化方法改进风场模拟，分析两个点源铜迁移特征，发现表层水流向北部导致浓度超标，底层水流向南部，与实地监测数据一致，为环境风险管控提供依据。

　　

Gillian K. Ord | Mario A. Caceres

智利瓦尔帕莱索大学与瓦尔帕莱索天主教大学联合举办的海洋学硕士项目

摘要

本研究对瓦尔帕莱索地区昆特罗湾（Quintero Bay）的沿海环流进行了三维水动力模拟，并分析了从中释放的铜物质。该海湾内有一个重要的工业综合体，由于北部存在铜冶炼厂，历史上曾遭受过重金属污染。本研究旨在模拟污染物的分布情况，并识别与水中和沉积物中铜暴露相关的潜在风险情景。为此开发了一种简单的数据同化方法，以捕捉现有风场模型未能充分表示的沿海风速信息。模拟时段为南半球夏季，通过外部强迫作用识别出多种环流模式。研究考虑了两种不同的点源：一种位于海湾内部（源1），另一种位于海湾南侧外部（源2）。模拟结果显示，两种来源的铜物质均以微量浓度向海湾北部地区扩散，在某些位置甚至超过了慢性及急性暴露的推荐阈值。源1主要通过表层水将铜物质输送到海湾北部，而源2则通过底层水周期性地将铜物质输送到海湾南部。这些结果与当地关于水体和沉积物中铜含量的研究结果一致。

引言

昆特罗湾位于智利中部的瓦尔帕莱索地区（图1），是该国最大的工业化区域之一，拥有多个热电厂、天然气储存与分配设施以及石油和铜精炼厂等。该地区最早的工业设施之一是1964年由智利国家矿业公司（ENAMI）建立的铜冶炼厂和精炼厂，后来该厂成为智利国家铜业公司（CODELCO）的Ventanas部门（Cordero Quinzacara, 2011）。早在1968年，农业部就收到了关于工业活动的投诉，指出冶炼厂的排放物对农作物造成了危害。不过直到20世纪90年代才实施了相应的缓解措施（Folchi Donoso, 2006）。根据智利国家海洋领土管理局（MSA）的环境敏感性地图（链接：https://www.directemar.cl/），该海湾设有多个用于排放生活污水和工业废水的排放口。金属污染在水生环境中是一个环境问题，因其具有毒性、持久性、能在海洋生物体内积累以及在各个营养级中放大，从而对海洋生态系统构成潜在威胁。液态工业废物可能是海洋环境中重金属排放的来源之一。在智利，根据最高法令第90号（D.S. N°90），根据排放口是否位于海岸保护区（CPZ）内，制定了允许的金属浓度阈值。生活污水为海洋环境带来了有机物（OM）。Pastene等人（2019）发现昆特罗湾中的大部分有机物源自人为活动，特别是工业和生活污水。水柱中悬浮颗粒物（SPM）中所含的有机物与溶解金属的吸附能力直接相关，这又影响了SPM及其所含金属的传输和沉积过程（Millward and Turner, 2001）。在昆特罗湾及其周边沿海地区进行的多项研究表明，水体和沉积物中的铜浓度超过了美国环境保护署（EPA）规定的急性及慢性暴露标准（Gaete Olivares et al., 2016; Oyarzo-Miranda et al., 2020; Parra et al., 2015; US EPA, O., 2015）。近年来，通过实施废水处理和环境监测控制系统（即POAL计划），海洋污染得到了显著减少。2023年6月，在持续60年的二氧化硫空气污染（铜冶炼的副产品）对当地居民健康造成危害后，Ventanas冶炼厂被CODELCO关闭。不过CODELCO仍继续在Ventanas运营其电解铜精炼厂，并承诺使精炼过程更加环保。提高对潜在风险情景的认识有助于制定有效的缓解措施。

昆特罗湾（图1）是一个浅水湾，最大深度接近60米，湾口宽约4公里，朝向西北方向。湾口两侧的岩石峭壁与海湾的地理位置相结合，为海湾提供了一定程度的波浪防护。然而，海湾南部的低海拔地形使得南风能够影响海湾内的水流，而西北风也会对其水动力产生影响（IFOP, 2016）。智利海岸处于纳斯卡板块（Nazca Plate）与南美大陆板块之间的俯冲带，因此地形陡峭，形成了复杂的洋流和逆流系统。18°S至35°S之间的沿海表层水流主要由风力驱动。在100米以内的表层水中，观测到向北流动的水流（Strub et al., 1998）。底层和中间层的水流则以地转流形式存在。本研究关注的海域特征水体包括赤道底层水（ESSW）、南极中层水（AAIW）和太平洋深层水（PDW）（Fuenzalida et al., 2007）。

在研究区域（图1）内，沿着大陆架边缘（约200米等深线），以及近海区域，沿海表层水流的平均方向为向北或东北方向。在瓦尔帕莱索湾及其邻近的大陆架水域，实地观测和验证过的模拟结果均显示近岸区域以向南循环为主。这种现象归因于海岸地形形成的气旋环流（Aiken et al., 2008; Arroyo, 2023）。关于昆特罗湾的环流模式的研究（未发表文献）表明，风力是主要驱动力。安装在湾口南北两端的声学多普勒流速仪（ADCP）数据显示，平均水流主要通过北部底层进入海湾，而表层水流则向西流出。在南部海域，整个水柱均呈现向西流动的特征。电流测量的功率谱显示，24小时周期内的能量占主导地位，12小时和72小时周期内的能量次之，表明海风是推动海湾内水流的关键因素（Greig and P., 2025）。

昆特罗湾的工业污染分布受到沿海水动力条件的影响。然而，通用环流模型并不总能准确捕捉到存在暴露风险的特定情景。基于此，本研究旨在模拟海湾内部及周围海岸的小尺度环流模式，以了解水体和沉积物中的污染物分布情况以及重金属暴露的风险区域，从而有助于制定更有效的监测计划。研究假设，在风的作用下，颗粒物和溶解金属主要向北扩散；同时，每日气温变化也会影响海风和空气-海水界面的热量传递，进而改变海湾内的扩散模式。具体而言，预计在一天中的某些时段，主导的环流模式会发生变化，使得部分溶解金属和颗粒物从外部点源进入海湾。

水动力模型

本研究使用DHI公司的MIKE 3 Flow Model FM进行水动力模拟。该模型的控制方程采用布辛涅斯克近似（Boussinesq approximation）下的雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）三维解。模拟时段设定为南半球夏季（2016年1月12日至2月13日），与该时期的ADCP流速数据相匹配。

模型验证

模型验证通过多种方法进行，包括分析整体环流模式、24小时周期内的平均流速、不同深度和时间的平均流速，以及观测到的风速和潮汐数据与模型输出之间的相关性。模型模拟结果准确再现了文献中记录的向北流动的表层海流现象。

讨论

本研究对昆特罗湾的沿海环流进行了三维水动力模拟，并分析了其中的铜物质扩散过程。提供了整个模拟期间的两个动画视频：动画1展示了图6中的表层流速分量（u和v）以及使用源1产生的总铜物质（溶解态和吸附态铜）的分布；动画2类似于图14，展示了不同深度下的总铜物质分布情况。

结论

通过将CFSv2模型与气象观测数据相结合，改进了对沿海风速的表征，从而更准确地捕捉到了日变化尺度上的环流模式，这些模式影响了水柱和沉积物中铜物质和悬浮颗粒物的分布。模拟结果显示，铜物质可以在海湾北部地区（如Horcón和Cachagua）达到微量浓度（0.04至0.06 μg?l^?1

CRediT作者贡献声明

Gillian K. Ord： 负责撰写初稿、可视化处理、模型验证、数据分析、概念构建。Mario A. Caceres： 负责审稿与编辑、监督工作。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

MIKE 3模型的学术许可由DHI公司提供。昆特罗湾内的实时数据由渔业发展研究所（IFOP）提供。