渤海灣主要污染物環(huán)境容量的估算

劉浩，戴明新，彭士濤，許文珊

（1. 上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306；2. 交通部天津水運工程研究院，天津 300455）

渤海灣主要污染物環(huán)境容量的估算

劉浩1，戴明新2，彭士濤2，許文珊1

（1. 上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306；2. 交通部天津水運工程研究院，天津 300455）

運用一個三維水動力模型模擬了渤海灣潮汐潮流的主要特征，計算與實測結(jié)果吻合較好。在此基礎(chǔ)上采用保守物質(zhì)為示蹤物估算了渤海灣的水交換特性，結(jié)果顯示：渤海灣一年的水交換率大約為62%。最后以海水的二類水質(zhì)為標準，估算了COD，無機氮和活性磷酸鹽三種主要污染物在渤海灣的靜態(tài)容量，分別為3.999×105t，3.999×104t和3.999×103t；進而得到在過程控制情況下三種污染物總的環(huán)境容量分別為6.478×105t，6.478×104t和6.478 t，以及在結(jié)果控制情況下3種污染物的年環(huán)境容量分別為1.052×106t，1.052×105t和 1.052×104t。

渤海灣；環(huán)境容量；數(shù)值模型；水交換率

環(huán)境容量是指在適合人類生存以及自然生態(tài)系統(tǒng)不受破壞的前提下，某一環(huán)境所能容納的污染物的最大負荷量，常用年容量來量度，即某一環(huán)境在污染物的積累濃度不超過環(huán)境標準規(guī)定的最大容許值的情況下，每年所能容納的某污染物的最大負荷量[1]。對于任一環(huán)境，它的環(huán)境容量越大，可接納的污染物就越多，反之則越少。污染物的排放必須與環(huán)境容量相適應，如果超出環(huán)境容量就要采取措施，如降低排放濃度，減少排放量，或者增加環(huán)境保護設(shè)施等。在實際的環(huán)境質(zhì)量管理過程中一般采用總量控制法，即把各個污染源排進入某一環(huán)境的污染物總量限制在一定的數(shù)值之內(nèi)。而要采用總量控制法，就必須首先弄清楚環(huán)境容量的大小。

中國學者針對不同污染物的環(huán)境容量問題也做了很多相關(guān)的研究，如王萱等在廈門同安灣的研究[2]，張靜等在深圳灣的研究等[3]。本文關(guān)注的是渤海灣的環(huán)境容量問題。如圖1所示，渤海灣位于渤海的最西端，處于河北、天津和山東3省市的環(huán)繞之中。進入新世紀以來，隨著環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)的快速發(fā)展以及天津濱海新區(qū)的開發(fā)和建設(shè)，人類用?；顒拥囊?guī)模和頻率都顯著增加，從而對渤海灣的環(huán)境質(zhì)量造成了嚴重的考驗。在全社會都在倡導節(jié)能減排的大環(huán)境下，深入了解渤海灣主要污染物的環(huán)境容量問題，無疑會對相關(guān)部門進行污染物排放的總量控制提供理論依據(jù)。

圖 1（a） 渤海灣的位置和范圍；（b）渤海灣內(nèi)的4個驗潮站A、B、C、D和6個測量潮流的船舶站位1、5、9、z3、z5、z9Fig. 1 (a) Location and scope of the Bohai Bay, (b)A, B, C, D are four tidal gages, and 1, 5, 9, z3, z5, z9 indicate six ship moorings

1 研究方案

與其它海域的環(huán)境容量問題相似，渤海灣的環(huán)境容量除了污染物在海水水質(zhì)標準下的靜態(tài)容量外，還包括由于水交換所攜帶出灣外的污染物的質(zhì)量。第一部分容量只需知道渤海灣的容積即可確定，而第二部分容量則需要首先了解渤海灣與外部海域的水交換特性。研究水交換特性的方法很多，如示蹤物法[4]、ADCP斷面監(jiān)測法[5]，數(shù)值模擬法[6,7]等。其中數(shù)值模擬法由于運行成本低廉，并且能夠模擬長期的水交換過程，因此得到越來越多的應用。本文采用的是一個基于sigma坐標變換的三維海洋動力模型，即所謂的POM模型。關(guān)于該模型的特點以及在渤海的應用，之前已經(jīng)有很多文獻進行了相關(guān)的介紹，本文就不再重復。本文通過所設(shè)計的數(shù)值試驗來定量描述渤海灣內(nèi)保守示蹤物的濃度（質(zhì)量）隨時間的變化規(guī)律，進而了解渤海灣的水交換特性。之所以選定保守示蹤物目的在于忽略由于物質(zhì)性質(zhì)變化而引起的質(zhì)量的改變。該方法已經(jīng)在深滬灣得到較好的應用[6]，具體做法就是以圖 1a中的虛線作為渤海灣與外部海域的分界線，在模型運轉(zhuǎn)之初假定渤海灣內(nèi)的示蹤物的初始濃度為1 g/m3（對應的示蹤物總質(zhì)量約為1.333×105t ）；同時假定渤海灣以外海域的示蹤物的初始濃度為0。示蹤物的對流擴散過程在真實外力作用下進行1年，觀察灣內(nèi)示蹤物濃度（質(zhì)量）的改變，進而得出渤海灣海水的交換率。

研究渤海灣的水交換特性需要以整個渤海作為計算區(qū)域（圖1a），水平方向采用2′×2′的正交網(wǎng)格，垂向分10個sigma層。8個主要分潮疊加在渤海的側(cè)開邊界處模擬潮波的傳播過程，多年的月平均風場作用在海水表面。模型運轉(zhuǎn)一年，可以得到灣內(nèi)的示蹤物質(zhì)量隨時間的變化過程曲線。渤海灣潮汐潮流特征的計算是在圖 1b所示的小區(qū)域內(nèi)進行的，水平方向采用 0.5′×0.5′的精細化網(wǎng)格，垂向同樣采用10個sigma層。小區(qū)域側(cè)開邊界處主要分潮的調(diào)和常數(shù)是由渤海大區(qū)的計算結(jié)果插值得到。模型針對不同的觀測時間段分別運轉(zhuǎn)一個月，所得結(jié)果進行潮汐潮流的驗證和分析

2 潮汐潮流模擬結(jié)果的分析

表1列出了環(huán)渤海灣4個驗潮站上主要半日潮M2和主要全日潮K1調(diào)和常數(shù)的模擬值和實測值的計算誤差。誤差分析顯示：K1分潮的振幅和遲角的均方根誤差分別為2.18 cm 和 2.98 o；M2分潮的振幅和遲角的均方根誤差分別為3.64 cm 和 3.16 o。說明本文的計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻和較好。另外，從表1還可以看到：兩個分潮調(diào)和常數(shù)的計算值有的大于實測值，有的小于實測值，即二者的差值有正有負，說明計算結(jié)果不存在系統(tǒng)誤差。

表 1 M2和K1分潮振幅和遲角計算和實測結(jié)果的比較誤差Tab. 1 Errors of computed and observed harmonic constants of M2 and K1

圖 2 給出了M2和 K12個主要分潮在渤海灣的同潮圖，可以看到：渤海灣的 M2分潮的振幅更為顯著，其在天津近岸海域的振幅超過1 m；K1分潮相對較弱，說明渤海灣的潮汐以半日潮為主，這種情況越靠近天津近岸海域越為顯著。由于 M2分潮在老黃河口水域存在振幅接近0的無潮點[8]，因此那里具有全日潮的特征。而本文模型的側(cè)開邊界正好選在由老黃河口的全日潮向天津近岸海域正規(guī)半日潮的過度區(qū)域，呈現(xiàn)混合潮的特征，存在明顯的日潮不等現(xiàn)象，即每天的2個高潮或2個低潮潮高可能差別較大。

圖 2 渤海灣主要半日潮M2和主要全日潮K1的同潮圖：實線為等振幅線（cm），虛線為等遲角線（°）Fig. 2 Co-amplitude (solid lines) and co-phase lag (dashed lines) of M2 and K1 tides in the Bohai Bay

圖 2的計算結(jié)果與文獻[9]的觀測資料基本一致。為了進一步較驗模型，本文選擇了2個時間段的潮流觀測數(shù)據(jù)。觀測時間分別為2006年7月27日至28日以及2007年8月2日至3日，觀測站位基本選在天津近岸海域，每次觀測都選定了9個站點。由于相鄰站位距離較近，潮汐潮流的特征也大體相近，因此只挑選有代表性的6個站點進行模擬結(jié)果的校驗和分析。圖 1b顯示的標號為 1、5、9的站點，對應的測量時間是2006年，而標號為z3、z5、z9的站點，對應的觀測日期是 2007年。圖3給出的是6個站點上垂向平均潮流的計算值和實測值的比較情況?？梢钥吹侥Ｐ秃唾Y料也比較吻合。

圖 3 船舶站位上潮流計算和觀測值的比較Fig. 3 Comparisons between computed currents and observed ones

6個站位的潮流都是典型的半日潮流。對比不同站位的潮流特征可以發(fā)現(xiàn)：向海一側(cè)的9號站位潮流流速明顯大于向岸一側(cè)的1號站位。顯然是水深向岸逐漸變淺，海底對水流的摩擦作用也相應增大。另外，根據(jù)潮流的流向分布還可以看到：處于離岸較遠位置的9號站位的潮流流矢在一個潮周期依次指向各個方向，顯示出較為明顯的旋轉(zhuǎn)流的特征；而1號和5號站位由于受到岸線和航道的影響，其潮流流矢基本就是指向相反的兩個方向，具有典型的往復流性質(zhì)。

與1、5、9號站位的模擬情況相比，模型在z3、z5、z9站位的計算結(jié)果與實測值相比較誤差較大，但是所揭示的流速和流向的變化過程與實際情況基本一致。這里誤差大的原因在排除了天氣、測量儀器以及數(shù)據(jù)處理方面的因素之外，海域周邊頻繁的圍填海項目導致當?shù)匕毒€和水深發(fā)生顯著變化也可能是造成實測與模擬產(chǎn)生誤差的重要原因。根據(jù)計算和觀測結(jié)果，這3個站位的潮流也都呈現(xiàn)典型的半日潮流特征。由于受岸線和地形的顯著影響，除 z5站位外，各個站位的潮流類型基本上都是往復流的性質(zhì)，至于 z5的觀測流向為什么顯示旋轉(zhuǎn)流的特征有待于進一步研究。

圖4進一步給出了渤海灣最大漲潮流和最大落潮流的分布圖，可以看到：最大潮流發(fā)生在開邊界處，超過50 cm/s，天津近岸海域由于水深較淺，潮流受到的海底摩擦作用較強，因此流速較弱。

圖 4 渤海灣垂向平均的潮流分布特征：（a）漲急時，（b）落急時Fig. 4 Depth-mean tidal currents: (a) flooding, (b) ebbing

3 主要污染物環(huán)境容量的估算

圖5顯示了渤海灣的水交換特性，它是以灣內(nèi)污染物的稀釋率隨時間的變化過程來反映的，這里的稀釋率定義為在某一特定時刻灣內(nèi)現(xiàn)存示蹤物的質(zhì)量與初始質(zhì)量（1.333×105t）的比值[6]?？梢钥吹剑簽硟?nèi)示蹤物的質(zhì)量隨時間變化的總趨勢是減小的，而且減小的過程是先快后慢，大約在第 280天左右灣內(nèi)污染物質(zhì)量降為初始質(zhì)量的40%，之后進一步緩慢降低，在第 365 d時降為初始質(zhì)量的38% 左右，從而意味著一年內(nèi)約有62% 的示蹤物通過水交換流出渤海灣。這一結(jié)果與魏皓等人[5]的研究結(jié)果相吻合。

圖 5 渤海灣保守示蹤物稀釋率隨時間變化曲線Fig. 5 Time series of the dilution rate of conservative tracers

本文以海水的二類水質(zhì)為標準，計算主要污染物 COD，無機氮和活性磷酸鹽在渤海灣的環(huán)境容量。上述三種污染物在二類水質(zhì)標準下其濃度上限分別為3，0.3和0.03 gm-3，而根據(jù)文獻[8]可以確定研究海域的容積約為1.333×1011m3，這樣可以計算出渤海灣的固有環(huán)境容量分別為 3.999×105t，3.999×104t和3 999 t，上述數(shù)值是渤海灣的靜態(tài)環(huán)境容量，即不考慮灣內(nèi)外水交換情況下的環(huán)境容量。下面計算考慮水交換情況下三種污染物在渤海灣總的環(huán)境容量。如果用二類水質(zhì)來控制渤海灣的環(huán)境質(zhì)量，那么存在兩種情況：一是過程控制，即在一年的任何時刻都要確保灣內(nèi)污染物始終不會超過二類水質(zhì)，只有交換出去多少，才能允許污染源增加排放以補充因交換所損失的量。因此，補充的污染物質(zhì)量與交換的污染物質(zhì)量大體相當，于是渤海灣一年COD總的環(huán)境容量為

同理可得無機氮和活性磷酸鹽在渤海灣的年環(huán)境容量分別為6.478×104t和6478 t。

二是結(jié)果控制，即保證一年的最終水質(zhì)不超過二類水質(zhì)標準，此時COD總的環(huán)境容量可寫為同理可得在這種情況下無機氮和活性磷酸鹽在渤海灣的年環(huán)境容量分別為1.052×105t和1.052×104t。就污染物總量控制來說，第一種情況更加安全，而更一般的環(huán)境容量可能介于上述兩個數(shù)值之間。

4 討論和結(jié)論

本文借助一個成熟的三維海流模型模擬了渤海灣主要的潮汐潮流特征，并在此基礎(chǔ)上以保守物質(zhì)作為示蹤物估算了渤海灣的水交換特性。選擇保守示蹤物似乎與COD、氮、磷的海水生化屬性不符。而實際上，以上各種物質(zhì)在渤海灣的年度收支大體相等，只不過期間或直接存在于水體中，或富集在生物體內(nèi)，即便富集在生物體內(nèi)最終又會重新釋放到水體中[10]。因此以一年為限，將上述物質(zhì)視為保守的是可行的。渤海灣一年的水交換率約為62%，由此得到 COD環(huán)境容量的變化范圍為 6.478×105～1.052×106t，無機氮環(huán)境容量的變化范圍為6.478×104～1.052×105t，活性磷酸鹽環(huán)境容量的變化范圍為6.478×103～1.052×103t。

還需要指出的是，本文的計算工作是以二類水質(zhì)控制整個渤海灣的水體質(zhì)量，而實際上不同海區(qū)的水質(zhì)標準是以其功能區(qū)劃為依據(jù)的。因此更精確地研究渤海灣的環(huán)境容量需要明確海灣內(nèi)各局部海區(qū)的功能區(qū)劃特征以及局地的水交換特性，這也意味著需要將目前的計算網(wǎng)格進一步細化以適應更小的海區(qū)模擬。

[1] 劉浩, 尹寶樹. 遼東灣氮、磷和 COD 環(huán)境容量的數(shù)值計算 [J].海洋通報, 2006, 25(2): 46-54.

[2] 王萱, 陳偉琪, 江毓武, 等. 基于數(shù)值模擬的海灣環(huán)境容量價值損失的預測評估——以廈門同安灣圍填海為例 [J]. 中國環(huán)境科學, 2010, 30(3): 420-425.

[3] 張靜, 孫省利, 林建國, 等. 深圳灣海域環(huán)境容量及污染總量控制研究—— I. 潮汐、潮流數(shù)值模擬 [J]. 海洋通報, 2010, 29(1):22-28.

[4] 姬厚德, 潘偉然, 張國榮, 等. 筼筜湖納潮量與海水交換時間的計算 [J]. 廈門大學學報(自然科學版), 2006, 45(5): 660-663.

[5] Liu Z, Wei H, Liu G S, et al. Simulation of water exchange in Jiaozhou Bay by average residence time approach [J]. Estuarine,Coastal and Shelf Science, 2004, 61:25-35.

[6] 劉浩, 潘偉然, 駱智斌. 深滬灣水交換特性的研究 [J]. 海洋環(huán)境科學, 2008，27(2): 157-160.

[7] 魏皓, 田恬, 周鋒, 等. 渤海水交換的數(shù)值研究——水質(zhì)模型對半交換時間的模擬 [J]. 青島海洋大學學報, 2002, 34(2):519-525.

[8] Liu H. Annual cycle of stratification and tidal fronts in the Bohai Sea: a model Study [J]. Journal of Oceanography, 2007, 63(1):67-75.

[9] 陳國珍, 鈕國義, 文圣常, 等. 渤海、黃海、東海地圖集—水文分冊 [M]. 北京:海洋出版社, 1992.

[10] Liu H, Yin B S. Numerical investigation of nutrient limitations in the Bohai Sea [J]. Marine Environmental Research, 2010, 70:308-317.

Estimation of the environment capacity of the major pollutants in the Bohai Bay

LIU Hao1, DAI Ming-xin2, PENG Shi-tao2, XU Wen-shan1

(1. College of Marine Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
2. Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, M. O. C., Tianjin 300455, China )

A three-dimensional ocean circulation model is used to simulate the tides and currents in the Bohai Bay, and simulations reasonably agree with observations. On the basis of the validated simulations, the conservative tracers are used to estimate water exchange rate of the Bohai Bay. It is found that about 62% of seawaters are transported out of the bay annually. At last, the concentrations of the second type of seawater are taken as the criteria to estimate the environment capacity of three major pollutants, and it is found that the static capacities of COD, inorganic nitrogen and phosphate are 3.999×105t，3.999×104t and 3.999×103t, respectively, if the water exchange is not considered.Otherwise, their environment capacities can be 6.478×105t，6.478×104t and 6.478 t, respectively, if the process is controlled; those values may be even higher, that is, 1.052×106t，1.052×105t and 1.052×104t, respectively, if only the consequence is controlled.

Bohai Bay; environment capacity; numerical model; water exchange rate

X145

A

1001-6932(2011)04-0451-05

2010-10-11；

2011-03-15

上海市教委海洋環(huán)境工程重點學科資助項目（J50702）；科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項基金（2008EG124218）。

劉浩 ( 1972－)，男，博士，副教授，主要從事近岸海洋動力過程和海洋模型的研究。電子郵箱：haoliu@shou.edu.cn。