廣西防城港灣水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀與石油烴環(huán)境容量的初步研究

李小維，黃子眉，方龍駒

（1. 中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266003；2. 國家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西 北海 536000；3. 廣西水文水資源局，廣西 南寧 530023）

廣西防城港灣水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀與石油烴環(huán)境容量的初步研究

李小維1,2，黃子眉1,2，方龍駒3

（1. 中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266003；2. 國家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西 北海 536000；3. 廣西水文水資源局，廣西 南寧 530023）

環(huán)境容量是評估海域污染物最高容納量的一個重要指標(biāo)，污染物排放量控制指標(biāo)的合理性取決于項目所在海域的環(huán)境容量的正確估算。本文首先根據(jù)近年來對防城港灣海水環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)場調(diào)查資料，采用單因子指數(shù)法對防城港灣的水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行評價和分析，然后，通過模型和模擬對城港灣的水交換周期進(jìn)行了計算，最后選取水質(zhì)評價中出現(xiàn)超標(biāo)的石油烴作為分析因子，采用改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)濃度法估算了防城港灣石油烴的環(huán)境容量。結(jié)果表明，防城港灣的水環(huán)境質(zhì)量狀況良好，石油烴環(huán)境容量在一、三、四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下分別為2023 t/a、51334 t/a、92896 t/a。

防城港灣；水環(huán)境質(zhì)量；石油烴；環(huán)境容量

1 概 述

1.1 研究的目的和意義

環(huán)境容量是評估海域污染物最高容納量的一個重要指標(biāo)，通過對防城港灣水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價，找出海域污染的主要因子，然后對石油烴環(huán)境容量進(jìn)行定量研究，了解該灣水動力情況，探求該灣海水交換率及交換周期，估算該灣石油烴環(huán)境容量，提出該灣石油烴污染物總量控制目標(biāo)，為今后防城港市臨海工業(yè)項目污染物的排放，特別是石油烴污染物排放總量指標(biāo)的確定提供理論依據(jù)，促進(jìn)海洋環(huán)境保護(hù)與社會經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者相繼開展了水環(huán)境質(zhì)量和石油烴環(huán)境容量的研究。Graham Copeland、Teofilo Monteiro等 (2003) 采用水動力模型和擴(kuò)散模型對巴西Sepetiba 灣的水質(zhì)進(jìn)行了研究[1]；Gennadi Lessin、Urmas Raudsepp (2006) 采用模擬與實測相結(jié)合的方法對芬蘭的波斯灣水質(zhì)進(jìn)行了研究[2]；任敘合 (1994)分析了現(xiàn)有的計算污染物環(huán)境容量的三種方法的不足，提出改進(jìn)方法，能夠較好地計算出石油烴的環(huán)境容量[3]；郭良波等 (2005) 采用總量最優(yōu)化法對渤海的COD和石油烴環(huán)境容量進(jìn)行了計算[4]等等。

目前，海灣水環(huán)境質(zhì)量評價研究基本上均是采用單因子指數(shù)法結(jié)合海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，根據(jù)評價指數(shù)可以得出該海灣的主要污染物種類和污染物的超標(biāo)率。環(huán)境容量的理論研究工作處于由定性描述向定量計算發(fā)展的階段。我國在海洋環(huán)境容量研究方面也做了大量工作，例如，通過水動力輸運研究自凈能力[5]；應(yīng)用模擬試驗方法研究化學(xué)自凈過程[6]；根據(jù)環(huán)境治理目標(biāo)濃度與海水本底濃度之差計算靜態(tài)環(huán)境容量[7]。對廣西沿海重點港灣主要污染物環(huán)境容量的研究還處于空白階段。

2 水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價

2.1 監(jiān)測與采樣

本節(jié)資料主要來自2006年2－3月（枯水期）和8月（豐水期）期間防城港灣海域水環(huán)境調(diào)查資料。本調(diào)查在防城港灣共設(shè)站位25個，其中有13個底質(zhì)監(jiān)測站位（圖1）。水質(zhì)監(jiān)測項目包括pH、DO、COD、石油類、DIN、DIP、總Hg、Zn、Cd、Pb、Cu和硫化物共12項；底質(zhì)監(jiān)測項目包括有機(jī)碳、硫化物、總Hg、總Cr、Zn、Cd、Pb、Cu和油類共9項，僅進(jìn)行了枯水期監(jiān)測。各項監(jiān)測因子的采集和分析均按照《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB12763-1991）進(jìn)行。水質(zhì)和底質(zhì)監(jiān)測結(jié)果分別見表1、表2。

圖1 水環(huán)境質(zhì)量調(diào)查站位Fig. 1 Water quality survey stations

表1 水質(zhì)要素監(jiān)測結(jié)果Tab. 1 Elements of the monitored results of water quality

表2 底質(zhì)要素監(jiān)測結(jié)果表Tab. 2 Elements of the monitored results of sediment

表3 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Tab. 3 Results of water quality standards index

由表3可以看出，防城港灣的水質(zhì)狀況較好，按二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，除石油類外，各評價因子的評價指數(shù)均小于1。而石油類有29%的站位超標(biāo)，超標(biāo)原因可能與海上船舶頻繁活動等有關(guān)。

2.2 底質(zhì)現(xiàn)狀評價

底質(zhì)選用的評價因子有有機(jī)碳、硫化物、總Hg、總Cr、Zn、Cd、Pb、Cu和油類共9項。調(diào)查海區(qū)水質(zhì)評價采用《海洋沉積物質(zhì)量》（GB18668-2002）中的第二類底質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。評價方法同樣采用單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法。調(diào)查海區(qū)沉積物的評價結(jié)果見表4。

表4 沉積物標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Tab. 4 Results of sediment standard index

由上表4可以看出，防城港灣的底質(zhì)狀況良好，按海洋沉積物二類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，調(diào)查海區(qū)的各項因子均未超標(biāo)。只有4號站硫化物和石油類的單項指數(shù)稍高，分別為0.41和0.49，其它評價因子在各測站的單項指數(shù)均小于0.40。事實上，所有評價因子的單項指數(shù)均符合第一類標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 防城港灣流場模擬

潮流是防城港灣污染物擴(kuò)散的主要動力因素，為了計算防城港灣漲落潮水量和海水交換率，需要對防城港灣的潮流場進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1 基本方程及求解方法

對于海底地形不復(fù)雜或密度分層不太顯著的淺海，一般采用二維淺水環(huán)流模型進(jìn)行流場模擬，即可滿足技術(shù)要求。二維模型是基于深度平均二維化的連續(xù)方程和動量方程，結(jié)合海區(qū)的實際初邊值條件，通過數(shù)值方法求解而形成的。模型計算區(qū)域為21°30′～21°42′N，108°16′～108°28′E。

3.1.1 基本方程

式中，ζ為水位，h為水深，u，v分別為東向和北向深度平均的水平流速分量，c為謝才系數(shù)，f為科氏力參數(shù)。

邊界條件為：岸邊界vn=0，n為岸邊界外法線方向；水邊界，給出水位值ζ。

3.1.2 求解方法 求解方法采用ADI方法，在前半步長，即t∈｛n⊿t，（n+1/2）⊿t｝上，首先顯式計算v分量，然后沿x方向?qū)λ沪坪土魉俚膗分量作隱式運算。在后半步長，即t∈｛（n+1/2）⊿t，（n+1）⊿t｝上，首先顯式計算流速u分量，然后沿y方向?qū)λ沪坪土魉俚膙分量作隱式運算。為了提高流場的計算精度，對潮灘區(qū)進(jìn)行動邊界處理。采用矩形網(wǎng)格逼近計算區(qū)域，其中x軸為正東方向，y軸為正北方向。網(wǎng)格間距：⊿x=0.1′，⊿y=0.1′，水深從海圖上讀取并訂正到平均海平面。開邊界的水位值根據(jù)附近驗潮站的調(diào)和常數(shù)給定。閉邊界法線向量流速為0。計算域剖分見圖2。

圖2 防城港灣潮流場模擬區(qū)域Fig. 2 Moist flow field breadboard area of the Fangchenggang Bay

3.2 模擬結(jié)果驗證

模擬結(jié)果驗證包括水位和潮流兩個方面，潮位驗證采用防城港海洋環(huán)境監(jiān)測站（108o20′E，21o37′N）實測潮位作驗證，時段取2004年3－4月，實測潮位與模擬潮位的潮位過程比較曲線見圖3。

由圖3可見，大潮期間潮位模擬誤差相對較小，誤差主要出現(xiàn)在小潮期，以及低高潮與高低潮之間，潮位模擬平均誤差為0.21 m。

圖3 實測與模擬潮位過程曲線圖Fig. 3 Chart of actual and simulated tide level process

潮流驗證采用2005年1月15～16日實測流速流向（測流站見圖2）和模型計算結(jié)果進(jìn)行比較如圖4和圖5，從圖上可以看到本次計算的潮流場與實際觀測結(jié)果基本上吻合，說明本次模擬具有良好的重現(xiàn)性，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖4 實測與模擬流速對比圖Fig. 4 Actual and simulation flow on speed to the contrast chart

圖5 實測與模擬流向?qū)Ρ葓DFig. 5 Contrast chart of the directions of actual and simulated flows

3.3 海流特征分析

圖6和圖7是流場模擬結(jié)果。模擬表明：在漲潮過程中，外海潮波傳入防城港灣，流向都指向口門，在潮波傳播過程中，受地形約束強(qiáng)度較大，到達(dá)漁萬島南端分為兩支，一支沿牛頭嶺向西北方向流去，另一支沿暗埠口江向東北方向流去。流速在牛頭嶺深槽附近流到最大，過了牛頭嶺和企沙半島后，潮流進(jìn)入東、西灣內(nèi)灣，由于水深變淺，水流阻力增大，流速逐漸減小。無論在外灣還是內(nèi)灣，潮流都受岸線和深槽的影響，流向有順著深槽的趨勢。落潮是漲潮的逆過程，流場情況類似。在低潮時，漁萬島東北和西北面海域流速較小，較大面積的灘涂露出。這些模擬情況與防城港灣的長期水文觀測結(jié)果相符。

圖6 大潮漲急流場圖Fig. 6 Flood tide rises in the jet stream field pattern

圖7 大潮落急流場圖Fig. 7 Flood tide ebbs in the jet stream field pattern

4 防城港灣石油烴環(huán)境容量

4.1 防城港灣的海水交換率

4.1.1 海水交換率公式 海水交換率的計算方法采用匡國瑞學(xué)者進(jìn)行的相關(guān)研究成果[8]進(jìn)行計算。

（1）柏井法

柏井法是把 Parker的海水交換率擴(kuò)展, 提出外海水與灣內(nèi)水直接交換, 其交換率定義為：

式中，C0為外海水平均濃度；CB為灣內(nèi)水平均濃度；CE為落潮時流出水的平均濃度；CF為漲潮流入水的平均濃度; γE為漲潮流入量中流入灣內(nèi)的濃度為C0的外海水所占的比率；γF為落潮流出量中流出灣外的濃度為CB的灣內(nèi)水所占的比率。γE和 γF的計算公式為：

（2）中村武弘法

中村武弘法是根據(jù)Parker和柏井的提法，提出灣內(nèi)水對灣外海水的交換率（γ）和外海水對灣內(nèi)水的交換率（β）分別為：

式中，α= QF/QE，QF為漲潮流入灣內(nèi)的水量， QE為落潮流出的灣內(nèi)水量。

4.1.2 計算結(jié)果 以鹽度作為指標(biāo)物質(zhì)，根據(jù)2006年2～3月水環(huán)境調(diào)查中的鹽度同步監(jiān)測資料進(jìn)行γE和γF值的計算。鹽度監(jiān)測站位共30個，其中灣內(nèi)25個，灣外5個，取調(diào)查區(qū)域內(nèi)各個站位鹽度的平均值作為計算參數(shù)，則C0為33.077，CB為32.459，CF為32.924，CE為32.846。由①、②式得出，γE= 0.338，γF=0.168。

式中 ζ（x，y）、ζ′（x，y）分別為最高潮時、最低潮時的水位值，h（x，y）為修正后的海圖水深，經(jīng)過計算，求得QF= 2.788 1×109m3，QE= 2.899 4×109m3，從而 α = QF/QE= 0.9616。再由③、④式求得，γ=0.1359，β=0.1505。

4.2 防城港灣的半交換周期

半交換周期是指灣內(nèi)海水更新一半所需的時間，是衡量海域自凈能力的重要因子，海灣的平均半交換周期可由水質(zhì)模型求出，港灣的零維水質(zhì)預(yù)測模型[9]為：

式中，V為灣內(nèi)平均海平面下水體體積；T為潮周期數(shù)；D為一個潮周期內(nèi)所有污染源向灣內(nèi)的排放總量。求解上式，得到水質(zhì)預(yù)測公式：

式中，CB為指標(biāo)物質(zhì)的初始濃度。在計算防城港灣的水交換周期時，假定指標(biāo)物質(zhì)排放總量為零，指標(biāo)物質(zhì)的平均濃度C0為零，于是上式可以簡化為：

由此，便得到了指標(biāo)物質(zhì)的濃度CB隨交換周期T的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)半交換周期的定義，當(dāng)CB=CB′/2，便可求出T1/2=0.693V/（γQE）

防城港灣的海水體積V為3.6642×109m3， QE為2.8994×109m3，γ值為0.1359，從而求出T1/2為6.4個潮周期，防城港灣潮汐為正規(guī)全日潮，潮周期約為24.5 h，因此，T1/2為6.5 d。

4.3 石油烴的環(huán)境容量

石油烴環(huán)境容量的計算方法有多種，目前國內(nèi)學(xué)者普遍采用的為數(shù)值模擬法，該方法的優(yōu)點是準(zhǔn)確度較好，但需要海洋水文、氣象、理化、生物等各個方面的詳細(xì)資料，工作量大且開發(fā)周期長。本文對防城港灣石油烴當(dāng)前環(huán)境容量的計算方法采用改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)濃度法[11]，其計算公式如下：

式中：M為評價海域當(dāng)前環(huán)境容量，t/a；T為評價海域海水半交換周期，a；Ci為海水本底石油烴濃度，mg/L；q0為評價海域石油烴同化速率，參照文獻(xiàn)[10]取180 t/a。

CS的取值一般可根據(jù)評價海域的環(huán)境功能要求采用該類別的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的濃度，也可采用漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度。

根據(jù)前面對防城港灣海水體積、海水半交換周期的計算值，通過上式進(jìn)行估算，防城港灣的石油烴環(huán)境容量在第一類、三類、四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下，其值見表5。

表5 不同水質(zhì)要求下石油烴環(huán)境容量值Tab. 5 Petroleum hydrocarbon environmental capacity value under different water quality requests

從表5中可以看出，防城港灣石油烴在第一、三、四類水質(zhì)要求下，其環(huán)境容量分別為2 023 t/a、51 334 t/a、92 896 t/a。

5 結(jié) 論

防城港灣為半封閉性港灣，灣口開闊，水交換條件較好，由于海洋資源開發(fā)利用起步較晚，因此目前防城港灣的水環(huán)境質(zhì)量狀況較好，按二類水質(zhì)和底質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，僅有石油類一項因子在水質(zhì)中超標(biāo)，但目前的水質(zhì)狀況完全能夠滿足整個海灣的海洋功能區(qū)劃管理要求。通過對防城港灣潮流場的數(shù)值模擬，得出防城港灣水體總量和漲落潮水量，進(jìn)而求得水交換率及半交換周期，為石油烴環(huán)境容量計算中參數(shù)的選擇提供了依據(jù)。采用改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)濃度法進(jìn)行計算，得出防城港灣石油烴環(huán)境容量在第一、三、四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下分別為2 023 t/a、51 334 t/a、92 896 t/a。

[1] Graham Copeland, Teofilo Monteiro. Water quality in Sepetiba Bay,Brazil References [J]. Marine Environmental Research, 2003, 55(5):385-408.

[2] Gennadi Lessin, Urmas Raudsepp. Water quality assessment using integrated modeling and monitoring in Narva Bay, Gulf of Finland，Environmental Modeling & Assessment [J]. 2006, 11(4): 258-263.

[3] 任敘合. 石油烴環(huán)境容量估算方法淺探 [J]. 中國海上油氣（工程）, 1994, 6(1): 41-44.

[4] 郭良波. 渤海COD與石油烴環(huán)境容量計算 [J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報, 2007, 37(2): 310-316.

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[8] 匡國瑞. 海灣水交換的研究——海水交換率的計算方法 [J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 1986, 5 (3): 45-48.

[9] 匡國瑞, 楊殿榮, 喻祖祥, 等. 海灣水交換的研究——乳山東灣環(huán)境容量初步探討 [J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 1987, 6 (1): 13-23.

[10] 李克強(qiáng), 王修林, 閻菊, 等. 膠州灣石油烴污染物環(huán)境容量計算[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 2003, 22(4): 13-17.

A preliminary study on water environment quality status and petroleum hydrocarbons environment capacity in the Guangxi Fanchenggang Bay

LI Xiao-wei1,2, HUANG Zi-mei1,2, FANG Long-ju3
（1. Ocean University of China, Qingdao 266003, China; 2. Beihai Ocean Environment Monitors Center Station of SOA, Beihai 536000, China;3. Guangxi Hydrology and Water Resources Bureau, Nanning 530023, China）

Environment capacity is an important index to assess the capacity of a given pollution. The limiting size of the given pollution to be released is based on the estimation of the environment capacity. In this study, the worst factor judgment method was used to analyze and evaluate the environment quality of the Fangchenggang Bay, based on the history observations. Simulation of the water exchange period was carried out. At last, by selecting the Petroleum hydrocarbons whose concentration exceeded the limiting size when evaluating the water quality, the environment capacity of Petroleum hydrocarbons in the Fangchenggang Bay was estimated by the improved standard concentration method. The results indicate that the water quality of the Fangchenggang Bay is good, and the capacity of Petroleum hydrocarbons is 2023 t/a, 51334 t/a and 92896 t/a under the first, third, and forth water quality standards, respectively.Keywords: Fangchenggang Bay; water environment quality; petroleum hydrocarbons; environment capacity

X145; X82

A

1001-6932(2010)03-0310-06

2009-07-06；

2009-10-25

國家海洋局南海分局局長基金 ( 0850)

李小維( 1981－)，男，湖北荊門人，工程師，在職研究生，主要從事海域使用論證和海洋環(huán)境影響評價工作，電子郵箱：leashoway@163.com