近岸水域環(huán)境容量計算及實例應(yīng)用分析研究

摘要：提出了適用于近岸水域的環(huán)境容量計算方法，通過構(gòu)建三維水動力、三維生態(tài)動力模型對近岸水域的水動力、水質(zhì)過程進行了模擬驗證，結(jié)合水質(zhì)功能分區(qū)，將容量計算歸結(jié)為線性規(guī)劃問題，求解在規(guī)劃的水污染控制單元劃分和排污口位置條件下的水環(huán)境容量。以大亞灣水域為實例求解與分析了CODMn環(huán)境容量，驗證了計算方法的適用性和有效性。

關(guān)鍵詞：近岸水域；環(huán)境容量；水動力；生態(tài)動力；線性規(guī)劃

中圖分類號： X26

文獻標識碼： A 文章編號： 16749944（2015）06025104

1 引言

環(huán)境容量概念最早由日本環(huán)境學界在20世紀60年代提出[1]，國內(nèi)外的研究者對水環(huán)境容量提出過多種表述的定義[2～4]，具體可描述為：在一定的排污口位置下，對象水域在水環(huán)境質(zhì)量達到環(huán)境標準的前提下所能容納污染物的最大量。水環(huán)境容量的影響因素除了排污口的位置和環(huán)境標準之外，還有支配污染物輸移、稀釋和擴散的水動力條件以及污染物本身的降解速率等。按照計算條件的不同，環(huán)境容量可區(qū)分為兩類，一是天然環(huán)境容量，就是在假設(shè)各類污染物背景濃度為0時（即假設(shè)水體完全不受污染），所求出的各排污口總排放最大負荷量；二是背景環(huán)境容量，是指在只考慮外海邊界污染物輸入時，所求出的各排污口總排放最大負荷量。水環(huán)境容量評估工作對近岸區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，本研究具體提出了適用于近岸水域環(huán)境容量的評估計算方法，并結(jié)合實例應(yīng)用開展研究分析。

2 計算方法

根據(jù)研究水域的地形、水動力特征，建立起反映研究水域?qū)嶋H動力情況的三維水動力，并根據(jù)觀測數(shù)據(jù)對建立起來的水動力過程進行模擬，然后根據(jù)研究水域的水質(zhì)及生態(tài)現(xiàn)狀，建立起反映水質(zhì)情況的三維生態(tài)動力模型，并根據(jù)觀測數(shù)據(jù)對建立起來的生態(tài)動力模型進行水質(zhì)過程模擬，并驗證模型應(yīng)用于近岸水域的可靠性，最后根據(jù)研究水域現(xiàn)有的水質(zhì)功能分區(qū)，求解在規(guī)劃的水污染控制單元劃分和排污口位置條件下的水環(huán)境容量。

2.1 水動力與生態(tài)動力過程模擬

采用ECOMSED（Estuaries and Coastal Ocean Model with Sediment Module）模型[5]進行水動力過程模擬。ECOMSED為三維數(shù)學模型，模型主要模擬變量包括三維流速、溫度、鹽度、湍動能、湍流長度等。模型的動力方程為非線性的，考慮由于溫、鹽導致流體密度差異所產(chǎn)生的上升和下降流，以及流體的水平對流。在進行水動力模型的構(gòu)建和驗證時，首先根據(jù)近岸水域的地形、水動力特征，建立起反映近岸水域?qū)嶋H動力情況的三維水動力；接著則根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)對建立起來的水動力過程進行模擬，并對結(jié)果進行驗證，以檢驗?zāi)Ｐ偷目煽啃?。模型的雷諾動力方程為：

式中：（U，V）為水平流速矢量，為水平梯度運算符，ρ0為海水密度常數(shù)，ρ是實際密度，g是重力加速度，P是壓力，KM是垂向湍動能混合的渦粘系數(shù)，f是隨緯度變化的科氏力參數(shù)。

采用RCA生態(tài)動力模型（Row-Column Aesop）[6]進行水質(zhì)過程模擬。RCA模型是從Aesop箱式生態(tài)模型及美國環(huán)保署的WASP水質(zhì)模型發(fā)展而來，RCA包括溶解氧、碳循環(huán)（其中包括了浮游植物的生長）等五個相互作用系統(tǒng)。RCA最明顯的特征是耦合了一個底泥營養(yǎng)鹽通量模型，可以根據(jù)每天沉積到底泥中的顆粒態(tài)有機碳等形態(tài)的污染物通量及底泥中原有的顆粒態(tài)有機碳等形態(tài)污染物的含量，動態(tài)地模擬研究區(qū)域污染物底通量及底泥耗氧量的時空變化過程。RCA水質(zhì)模型描述各水質(zhì)因子物理、生化過程的方程的一般形式可用下式表示：

式（4）中：c為水質(zhì)因子濃度（mg/L），t為時間（s），E為由于潮汐、密度或速度梯度所引起的梯度導致的擴散系數(shù)（m2/s），U為對流速度（m/s），S為各水質(zhì)因子內(nèi)部源匯項（mg/（L·s）），W為外部源匯項（mg/（L·s））。

用于構(gòu)建水動力及生態(tài)動力模型的數(shù)據(jù)主要分為四類，分別為模型驗證數(shù)據(jù)、邊界條件數(shù)據(jù)、環(huán)境容量水質(zhì)目標數(shù)據(jù)及地形數(shù)據(jù)。模型驗證數(shù)據(jù)主要是用于水動力模型及水質(zhì)模型中各參數(shù)率定及計算結(jié)果驗證的各類水動力及水質(zhì)數(shù)據(jù)；邊界條件數(shù)據(jù)是用于驅(qū)動水動力模型及生態(tài)動力模型所需的在外海邊界、河流邊界及海表邊界所需要的水位、流量、污染物濃度、氣象條件等數(shù)據(jù)；環(huán)境容量水質(zhì)目標依據(jù)是研究水域執(zhí)行的水環(huán)境質(zhì)量標準的有關(guān)規(guī)定，近岸水域水質(zhì)目標參考《中華人民共和國海水水質(zhì)標準》（GB3097-1997）；地形數(shù)據(jù)是研究水域的水底地形數(shù)據(jù)。

2.2 容量求解

為了使環(huán)境容量的求解更加科學化與合理化，同時為了避免傳統(tǒng)的試算法解環(huán)境容量所帶來的巨大工作量，環(huán)境容量的計算問題可轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題。

根據(jù)定義，水環(huán)境容量問題可表述為：在選定的一組水質(zhì)控制斷面的指標污染物濃度不超過其各自對應(yīng)的環(huán)境標準值的前提下，使各排污口的污染負荷排放量之和最大，即

式中：L為對象水域所有排污口的總排放負荷量；x為某個排污口的排放負荷量；i為水質(zhì)控制斷面編號；m為水質(zhì)控制斷面數(shù)目；j為排污口編號；n為排污口數(shù)目；aij為第j個排污口的單位負荷量對第i個水質(zhì)控制斷面的污染貢獻度系數(shù)；Cbi為水質(zhì)控制斷面處的污染背景濃度；為水質(zhì)控制斷面處的環(huán)境標準值。

式（6）左邊第一項表示個排污口對控制點的水質(zhì)濃度貢獻量的總和，亦即區(qū)域內(nèi)排污引起的控制點處的濃度增值；第二項是該控制點的背景濃度，這是在沒有污染源的條件下，僅僅由邊界水質(zhì)影響而產(chǎn)生的濃度。因此式（6）左邊兩項之和實際上是控制點處的濃度。由于水質(zhì)擴散方程是線性的，濃度有可迭加性，所以用線性迭加的方法來求解某一點的濃度是可行的。因此，求解海域環(huán)境容量問題可歸結(jié)到求解式（5）～式（7）所表達的線性規(guī)劃問題。線性規(guī)劃問題用單純型法（Simplex Method）求解。

對于排污口的設(shè)置，主要按照三個方面進行統(tǒng)籌劃分，這三個方面分別是沿岸排污口調(diào)查結(jié)果、集水區(qū)域分布（面源集污單元）及近岸水域功能區(qū)劃。沿岸排污口調(diào)查主要是指通過對沿岸工廠污水、城鎮(zhèn)居民生活污水、水產(chǎn)養(yǎng)殖及入海河流等直接進入近岸水域的污染源進行野外調(diào)查。排污口設(shè)置還應(yīng)考慮近岸水域功能區(qū)劃，因為本研究環(huán)境容量的計算，不僅要求出現(xiàn)存排污口的環(huán)境容量，還要求出各類未來將設(shè)置的排污口的環(huán)境容量，這樣才能為未來的排污決策提供科學依據(jù)。綜上所述，近岸水域環(huán)境容量計算排污口設(shè)置的原則總結(jié)為以下4點。

（1）現(xiàn)存沿岸排污口的位置應(yīng)設(shè)置排污口；

（2）每一個集水區(qū)域至少要設(shè)置一個排污口，集水區(qū)域的設(shè)置依據(jù)各集水區(qū)域河流入?？谒幬恢枚?；

（3）每一個水質(zhì)功能區(qū)至少要設(shè)有一個排污口；

（4）近岸水域功能區(qū)劃規(guī)劃的排污口應(yīng)考慮設(shè)置排污口；

對于水質(zhì)控制點的選定，根據(jù)《海水水質(zhì)標準》（GB3097-1997）[7]，海水水質(zhì)分為4類，為了控制各功能區(qū)的水質(zhì)達到其對應(yīng)的環(huán)境標準（圖1），對水質(zhì)控制點的選取須滿足以下要求。

（1）對處在采用海水水質(zhì)第三類標準功能區(qū)的排污口，在其周邊設(shè)第三類水質(zhì)標準控制點；

（2）對處在采用海水水質(zhì)第二類標準功能區(qū)的排污口，在其周邊設(shè)第二類水質(zhì)標準控制點；

（3）對處在采用海水水質(zhì)第一類標準功能區(qū)的排污口，在其周邊設(shè)第一類水質(zhì)標準控制點；

（4）在采用第三類與第二類海水水質(zhì)標準的2種水域的交界線上設(shè)第二類水質(zhì)控制點；

（5）在采用第一類與第二類海水水質(zhì)標準的2種水域的交界線上設(shè)第一類水質(zhì)控制點，使這些點的濃度不得超過第一類海水水質(zhì)標準。

對于貢獻度系數(shù)的計算，由于海洋受潮汐影響，一個連續(xù)恒定的污染源對某一控制點的影響是隨時間變化的，所以貢獻度系數(shù)也是時間的函數(shù)。如果將貢獻度系數(shù)的時間變化也加以考慮，就會更加實際，但同時也使得容量計算量劇增。而且如果給出一個潮周期內(nèi)隨時間變化的水環(huán)境容量，在現(xiàn)階段根據(jù)環(huán)境容量變化來實施管理操作也具有難度。因此貢獻度系數(shù)以及環(huán)境容量都取一個月內(nèi)的平均值。

3 計算實例應(yīng)用分析

3.1 水環(huán)境容量計算因子的確定

容量計算因子的選擇考慮以下幾方面的原則：

（1）選擇海洋管理部門監(jiān)測管理和制定海洋污染治理措施一般考慮的控制因子；

（2）選擇符合研究海域環(huán)境污染特征，能夠反映研究海域污染水平，決定水環(huán)境質(zhì)量的主要超標因子或定類因子；

（3）選擇能夠反映水域污染物排放現(xiàn)狀和趨勢，決定水污染特征的主要污染負荷因子；

（4）選擇各行業(yè)污染源主要監(jiān)控的污染因子；

（5）選擇被收入在《海水水質(zhì)標準》（GB3097-1997）和《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）之內(nèi)的因子；

（6）選擇具有可靠的監(jiān)測計量手段和在線監(jiān)控方法的控制因子；

（7）選擇具有切實可行的污染控制和削減措施的控制因子。

根據(jù)上述原則要求，重點考慮海洋管理部門需要、研究水域?qū)嶋H情況和掌握資料的充分性三方面因素，本研究選擇CODMn作為計算因子。

3.2 計算實例與結(jié)果分析

根據(jù)掌握的數(shù)據(jù)資料，以大亞灣水域作為應(yīng)用實例進行分析。大亞灣是廣東省沿岸最大的海灣之一，位于珠江口東側(cè)（114°29′42″～114°49′42″E，22°31′12″～22°50′00″N），正在大力發(fā)展海洋經(jīng)濟，石化等產(chǎn)業(yè)已成為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展支柱，而大亞灣又是國家級海龜自然保護區(qū)和省級水產(chǎn)資源自然保護區(qū)所在地，經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護在并行中博弈。水環(huán)境容量對于大亞灣區(qū)域的發(fā)展至關(guān)重要，而摸清大亞灣水域的環(huán)境容量是大亞灣區(qū)域?qū)嵤┛沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的前提條件。

根據(jù)《大亞灣海洋環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查報告》關(guān)于污染源和水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[8]，結(jié)合大亞灣海域總體規(guī)劃及社會經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的需要，以CODMn為指標，在大亞灣水體功能區(qū)劃的基礎(chǔ)上，運用經(jīng)過驗證的水動力模型和生態(tài)動力模型求出大亞灣沿岸深圳龍崗區(qū)、惠州大亞灣區(qū)及惠東縣在規(guī)劃的水污染控制單元劃分和排污口位置條件下的水環(huán)境容量。用單純性法求解大亞灣水域環(huán)境容量解線性規(guī)劃問題式（1）～式（3），得到總排放負荷量最大時的各排污口允許排放CODMn環(huán)境容量，結(jié)果見表1（排污口對應(yīng)位置見圖2）。計算結(jié)果包括兩種類型的容量，天然容量和背景容量。

從計算結(jié)果可以看出，惠州市惠東縣占了大亞灣沿岸三個主要行政區(qū)天然環(huán)境容量的49%，深圳龍崗區(qū)和惠州市大亞灣區(qū)的CODMn天然環(huán)境容量分別占大亞灣各污染物天然環(huán)境容量的19%和32%。背景環(huán)境容量與天然環(huán)境容量有著類似的空間分布特點。環(huán)境容量的計算結(jié)果與排污口位置、控制點水質(zhì)標準及水體交換能力有關(guān)。由于排污口位置及控制點水質(zhì)標準是確定的，所以使環(huán)境容量存在區(qū)域差異的主導因素應(yīng)該是水體交換能力。

由于惠東的海岸線占據(jù)了整個大亞灣東岸，而大亞灣東岸是大亞灣海域水體交換能力最強的區(qū)域，因此，惠東占有將近50%的天然環(huán)境容量。大亞灣區(qū)及龍崗區(qū)由于所占有的區(qū)域是大亞灣海域中水體交換能力最差的西岸，導致其天然環(huán)境容量相對較小。大亞灣沿岸各排污口的天然和背景環(huán)境容量空間分布基本與水體交換能力強弱相關(guān)。另一方面，結(jié)合大亞灣水域的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，大亞灣北部范和港及大鵬澳等近岸水域多在三類水或差于三類水，而這些區(qū)域的天然環(huán)境容量和背景環(huán)境容量計算結(jié)果都較少，表明本研究對大亞灣環(huán)境容量的計算是合理的。

4 結(jié)語

根據(jù)近岸水域的地形、水動力特征，利用ECOMSED建立起反映近岸水域?qū)嶋H動力情況的三維水動力模型并根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)對建立起來的水動力過程進行模擬，采用RCA三維生態(tài)動力模型對近岸水域的水質(zhì)過程進行模擬，并驗證模型應(yīng)用于近岸水域的可靠性，結(jié)合水域水質(zhì)功能分區(qū)，將容量計算歸結(jié)為線性規(guī)劃問題，從而求解在規(guī)劃的水污染控制單元劃分和排污口位置條件下的水環(huán)境容量。以大亞灣水域為實例研究對象，對大亞灣水域的CODMn環(huán)境容量進行了求解與分析，計算結(jié)果與實際狀況相符合理，表明計算方法具有較強的適用性和有效性，為污染物的總量控制提供科學依據(jù)，也為近岸水域的環(huán)境管理提供決策依據(jù)和技術(shù)指導。

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