大麥嶼港區(qū)規(guī)劃污水排放中化學需氧量對樂清灣海域環(huán)境的影響及環(huán)境容量研究

宋偉華,陳菊芬,陳立紅,謝中宇,徐嬌霞

(1.國家海洋局第二海洋研究所工程海洋學重點實驗室 杭州 310012;2.玉環(huán)縣環(huán)境保護局 玉環(huán) 317600; 3.中國新型建材設計研究院 杭州 310003)

大麥嶼港區(qū)規(guī)劃污水排放中化學需氧量對樂清灣海域環(huán)境的影響及環(huán)境容量研究

宋偉華1,陳菊芬2,陳立紅1,謝中宇1,徐嬌霞3

(1.國家海洋局第二海洋研究所工程海洋學重點實驗室 杭州 310012;2.玉環(huán)縣環(huán)境保護局 玉環(huán) 317600; 3.中國新型建材設計研究院 杭州 310003)

浙江是海洋大省,沿海港口開發(fā)已成為浙江省 “十二五”期間重大戰(zhàn)略,港口開發(fā)中污水排放對海洋環(huán)境的影響亦成為社會重點關注的問題之一。文章采用MIKE 21軟件,在樂清灣已知測點潮流、潮位、水質化學需氧量本底濃度以及大麥嶼港區(qū)規(guī)劃污水排放口、化學需氧量排放源強、環(huán)境目標值等基礎資料的前提下,進行潮流場模擬,采用污染物擴散水質模式預測臺州港大麥嶼港區(qū)規(guī)劃污水排放中化學需氧量對樂清灣海域環(huán)境的影響,并計算污水排放口周邊混合區(qū)范圍內化學需氧量的環(huán)境容量。結果表明,大麥嶼港區(qū)規(guī)劃污水排放中化學需氧量對樂清灣海域影響較小,整個樂清灣內的化學需氧量濃度增量在0.001～0.005 mg/L之間,增量大于0.003 mg/L區(qū)域僅限于排污口附近;海水中化學需氧量環(huán)境容量較大,污水中化學需氧量排放量僅占環(huán)境容量的0.083%。

樂清灣;大麥嶼港區(qū);化學需氧量;環(huán)境容量

1 引言

樂清灣位于浙江省東南部,甌江口外北側,是浙江省三大海灣之一,海灣形似葫蘆,口門寬約21 km,縱深達40 km,中部最窄處約4.5 km。按地形地貌形態(tài)樂清灣分為內灣、中灣和外灣三大部分[1],內灣在分水山-茅埏島-東山頭連線以北海域,中灣在連嶼-大小烏山-打水灣連線和分水山-茅埏島-東山頭連線之間海域,外灣在連嶼-大小烏山-打水灣連線以南海域。內灣分布著大量的海水養(yǎng)殖,以及西門島海洋特別保護區(qū)和樂清灣泥蚶國家級水產種質資源保護區(qū);中灣和外灣主要以發(fā)展臨港產業(yè)為主。

大麥嶼港區(qū)位于樂清灣東岸的玉環(huán)縣境內,是浙江南部海域的重要港口,臺州港的重要組成部分。大麥嶼港區(qū)由五大作業(yè)區(qū)組成,分別為普竹作業(yè)區(qū)、連嶼作業(yè)區(qū)、大麥嶼作業(yè)區(qū)、大巖頭作業(yè)區(qū)和鮮迭作業(yè)區(qū),排污口位于樂清灣外灣牛頭頸外側海域,港區(qū)污水排放量約43.52萬m3/a,化學需氧量排放濃度為30 mg/L(圖1)。

圖1 大麥嶼港區(qū)各作業(yè)區(qū)位置

2 研究方法

2.1 水環(huán)境影響研究方法

海域污染物水質模型是根據質量守恒原理,并考慮物質對流、紊動擴散及衰減等物理、化學過程,針對水域污染物在水體中的輸運和濃度分布狀況進行模擬和預測而建立的[2]。目前,國內外研究者采用多種形式的二維水質模型來計算濃度場的分布,以對流擴散方程為基礎,將其中的衰減項替代水體中各種復雜反應過程的方程式[3]。本研究采用二維水質模型為[4]:

式中:c為污染物濃度,mg/L;h為水深,m;u、v分別為x、y方向的速度分量, m/s;Dx、Dy分別為x、y方向的擴散系數, m2/s;F為衰減系數,d-1;S為污染物源項, m3/(s·m2)。其中u、v和h由水動力模型提供。

2.2 海域環(huán)境容量研究方法

根據 《全國水環(huán)境容量核定技術指南》,水環(huán)境容量是指在給定水域范圍和水文條件,規(guī)定排污方式、水質本底值和水質目標的前提下,單位時間內該水域最大允許納污量。由此可知,水環(huán)境容量主要取決于水資源量、水質本底值、水環(huán)境功能區(qū)劃和排污方式四大因素。

在某一規(guī)定海域范圍內,在確定水質本底值的前提下,利用二維水質模型建立污染物排放和受納水體水質之間的輸入響應關系[5],即不斷加大污染物濃度c值,當規(guī)定海域某一邊界污染物濃度達到相應水環(huán)境功能區(qū)劃水質標準要求時,認為污水排放量與污染物濃度的乘積即為該規(guī)定海域的環(huán)境容量。

3 過程研究

3.1 水質中化學需氧量濃度本底值

2011年4月國家海洋局第二海洋研究所在樂清灣海域進行了20個站位(W01～W20)的水質調查 (圖2)。結果表明,大潮期化學需氧量平均濃度為1.47 mg/L,小潮期為0.97 mg/L(表1),化學需氧量濃度大潮期明顯高于小潮期。

圖2 水質、潮位和潮流調查站位

表1 水質調查化學需氧量濃度統計

3.2 潮位驗證

取用2011年6—7月東山碼頭臨時潮位站和坎門潮位站 (圖2)為期一個月的潮位資料進行驗證,結果表明,模擬所得的潮位與觀測所得的潮位擬合較好,高、低潮位的最大誤差小于0.10 m(圖3)。

3.3 潮流驗證

取用樂清灣內2011年6月S01～S05和2012年7月S06～S08實測的8個水文測量點(圖2)進行潮流驗證,結果表明,8個水文測量點大、小潮流速、流向模擬所得的流場與實測情況擬合較好,計算和實測流速值相對誤差小于15%(圖4和圖5)。

3.4 潮流模擬

3.4.1 控制方程

潮流模擬采用水動力模型HD控制方程:

式中:ζ為水位;h為水深;p、q分別為x、y方向上的垂線平均單寬流量;C為謝才系數,,n為糙率系數,H=h+ζ,n =0.022;g為重力加速度,g=9.81m/s2;f為風應力系數;V、Vx、Vy分別為風速及其在x、y方向的分量;Ω為柯氏力,Ω=2w sinφ, w為地轉角速度,φ為緯度取29.5°;pa為大氣壓力;ρw為海水密度;x、y為直角坐標;t為時間;τxx、τxy、τyy分別為剪切應力分量;u、v為水平流速分量。

圖3 東山碼頭站和坎門站一個月的潮位過程曲線

3.4.2 模擬結果

漲潮時,來自洞頭洋的漲潮流受鹿西島的阻擋分成兩支,一支進入黃大峽水道;另一支穿過橫址山-大巖頭之間海峽進入樂清灣。進入樂清灣后,由于岸線的擴張,兩支漲潮流匯集到一處而呈扇形展開,大部分轉向正北向灣底推進;小部分漲潮流轉向西南,穿過沙頭水道、大門港,進入甌江。落潮流的流路大致類似于漲潮流,流向相反。進出樂清灣的潮流明顯強于進入甌江的漲潮流;玉環(huán)半島西側外至橫址山-大巖頭之間海域的深水槽漲、落潮流明顯強于其他海區(qū)。圖6和圖7分別為大潮和小潮漲、落急流矢圖。

3.5 混合區(qū)面積

《污水海洋處置工程污染控制標準》[6],污水海洋處置工程污染物的混合區(qū)規(guī)定如下:

(1)若污水排往開敞海域或面積不小于600 km2(以理論深度基準面為準)的海灣及廣闊河口,允許混合區(qū)范圍:Aa≤3.0 km2;

(2)若污水排往小于600 km2的海灣,混合區(qū)面積必須小于按以下兩種方法計算所得允許值(Aa)的小者:

式中:L為擴展器長度,取50 m。

式中:A0為計算至灣口位置的海灣面積, m2。

圖4 大潮S01～S08潮流驗證圖

圖5 小潮S01～S08潮流驗證圖

樂清灣岸線以下海灣總面積為463.6 km2,其中灘涂面積 (岸線至理論深度基準面)約為220.8 km2,約占海灣總面積的48%;水域面積(理論深度基準面以下)約為242.8 km2,占海域總面積的52%左右[7]。

計算得到允許混合區(qū)面積Aa為0.6 km2。

3.6 環(huán)境目標值

環(huán)境目標值是計算環(huán)境容量的重要依據,環(huán)境目標值由水環(huán)境功能區(qū)劃確定。根據 《浙江省近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃 (調整)》,臺州港大麥嶼港區(qū)污水排放口位于 《浙江省近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃 (調整)》中的四類海域功能區(qū)(編號為為D25Ⅲ),執(zhí)行 《海水水質標準》(GB3097-1997)中的三類水質標準,化學需氧量的環(huán)境目標值為4 mg/L。

4 結論

4.1 化學需氧量環(huán)境影響研究結論

大潮期72 h內污水中化學需氧量影響區(qū)域大致為北至樂清灣底,西南至甌江北口,南至洞頭峽,東至鹿西島以東15 km海域,整個樂清灣內的化學需氧量濃度增量在0.001～0.005 mg/L之間。其中茅埏島以北海域 (內灣)以及外灣西南部海域化學需氧量濃度增量小于0.002 mg/L;濃度增量大于0.002 2 mg/L的海域基本在北向至江巖島,南至大巖頭作業(yè)區(qū)前沿的區(qū)間內貼岸做南北向往復運動;濃度增量大于0.003 mg/L的海域基本只限于排污口附近 (圖8)。

圖6 大潮漲急(左)、落急(右)流矢圖(單位:km)

圖7 小潮漲急(左)、落急(右)流矢圖(單位:km)

圖8 大潮全潮化學需氧量擴散分布(單位:km)

小潮期72 h內污水中化學需氧量影響區(qū)域大致為北至樂清灣底,西南至甌江北口,南至洞頭島西岸,東至鹿西島以東7 km海域,整個樂清灣內的污水濃度在0.001～0.005 mg/L之間。其中茅埏島以北海域 (內灣)以及外灣西南部海域化學需氧量濃度增量小于0.002 2 mg/L;中灣大部分區(qū)域濃度增量在0.002 2～0.002 4 mg/L之間,濃度增量大于0.002 4 mg/L海域在玉環(huán)半島沿岸北向至江巖島南向至大巖頭的狹長區(qū)域;濃度大于0.003 mg/L的污水基本只限于排污口附近(圖9)。

從預測結果可知,大麥嶼港區(qū)污水中化學需氧量的排放對樂清灣海水水質影響很小。

4.2 化學需氧量環(huán)境容量研究結論

大潮期當污染物濃度c值增加至3.29× 105mg/L時,小潮期當污染物濃度c值增加至4.00×105mg/L時,混合區(qū)邊界化學需氧量濃度達到環(huán)境目標值4 mg/L。經計算,大潮期混合區(qū)內化學需氧量環(huán)境容量為39.23 t/d,小潮期混合區(qū)內化學需氧量環(huán)境容量為47.69 t/d,混合區(qū)內大小潮平均環(huán)境容量為43.46 t/d。

化學需氧量的排放濃度為30 mg/L,平均每天化學需氧量排放量約0.036 t,占混合區(qū)環(huán)境容量的0.083%。

圖9 小潮全潮化學需氧量擴散分布(單位:km)

從計算結果可知,大麥嶼港區(qū)排污口附近混合區(qū)內化學需氧量環(huán)境容量較大。

[1] 黃秀清.樂清灣海洋環(huán)境容量及污染物總量控制研究[M].北京:海洋出版社,2011:16-17.

[2] 國峰,張海平,李陽,等.金山污水排海對納污海域水質影響的數學模擬[J].海洋學研究,2007,25 (4):81-85.

[3] 季民,孫志偉,王澤良,等.納污海水中COD生化降解過程的模擬試驗研究[J].海洋與湖沼,1999, 30(6):731-735.

[4] 謝中宇,李峰.臺州港大麥嶼港區(qū)規(guī)劃沖淤、溢油、污染物擴散數值模擬報告[R].

[5] 鄭洪波,劉素玲,陳郁,等.區(qū)域規(guī)劃中納污海域海洋環(huán)境容量計算方法研究[J].海洋環(huán)境科學, 2010,29(1):145-147.

[6] 國家環(huán)境保護總局,國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB 18486-2001污水海洋處置工程污染控制標準[S].2001.

[7] 中國海灣志編纂委員會.中國海灣志:第六分冊[M].北京:海洋出版社,1993.