渤海灣入海溶解無機氮總量控制研究

張文亮，劉 泓，馮劍豐，朱 琳，劉 玉，馬志華

渤海灣是渤海西部的一個半封閉海灣，位于河北省唐山、天津、河北省滄州和山東省黃河口之間。渤海灣海洋生態(tài)系統(tǒng)是天津濱海新區(qū)經濟與社會賴以生存和發(fā)展的基礎。近年來，隨著人口的增加和經濟的快速發(fā)展，渤海灣海洋生態(tài)系統(tǒng)退化現象嚴重，特別是氮、磷、化學耗氧量(COD)等污染物排放量的增加，對生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能造成了巨大的影響［1-4］。

海洋環(huán)境容量是在充分利用海洋的自凈能力和不造成污染損害的前提下，某一特定海域所能容納的污染物質的最大負荷量?；鶞屎Ｑ蟓h(huán)境容量指整個目標海域海水中化學污染物平均濃度符合一定等級國家海水水質標準條件下的海洋環(huán)境容量［5］。容量的大小即為特定海域自凈能力強弱的指標，環(huán)境容量越大，可接納的污染物就越多;環(huán)境容量越小，可接納的污染物就越少。只有采取總量控制的辦法，才能有效地消除或減少污染的危害。排入某一海域的污染物如果只規(guī)定各個污染源容許排放污染物的濃度，而不考慮環(huán)境的最大負荷量，則有可能各個排放點污染物的排放量雖然符合標準，但特定海域的污染物總量卻可能超過標準，造成污染損害。倘若將流入某一海域的污染物總量限制在允許容納量之內，并在此總量下限制來自各種排放源的污染物負荷量，就可以使海域環(huán)境質量維持良好狀態(tài)。

多介質的海洋動力學模型已經用于對膠州灣、遼東灣和渤海營養(yǎng)鹽的環(huán)境容量的評價［5-8］。而實際的海水通過物理、化學和生物的方法對污染物進行分解和凈化。因此在評估特定區(qū)域某種污染物的環(huán)境容量時，應該同時考慮這3 種過程的自凈能力。生態(tài)物理耦合模型則考慮了這3 種過程，可以更加真實地反映污染物的遷移、轉化過程。該文采取生態(tài)物理耦合模型，對渤海灣的主要污染物-溶解無機氮(DIN)的基準環(huán)境容量進行了計算，在此基礎上，對渤海灣的DIN 入?？偭刻岢隽丝刂平ㄗh。

1 研究區(qū)域與方法

選擇遭受嚴重污染的渤海灣作為研究對象，研究區(qū)域如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域

海洋生態(tài)動力學模型自20世紀40年代產生以來，一直被認為是除了現場調查和模擬實驗(包括實驗室模擬和現場模擬)之外研究海洋生態(tài)系統(tǒng)的另一種有效的研究方法。建立評估海洋生態(tài)狀況和預測海洋生態(tài)平衡和演變的生態(tài)動力學模型，已成為國內外海洋研究工作者的關注熱點［9］。模型研究從早期的種間競爭、捕食的關系模型發(fā)展到生態(tài)過程、食物鏈模型。尤其是近年來計算速度大幅提高，應用數學的理論與方法也在不斷完善，使得生態(tài)動力學模型能夠科學地模擬生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)過程［10］。

生物物理耦合模型的控制方程可以表示為

式中:Ci是各生物變量的濃度;下標i 分別指代營養(yǎng)鹽(硝酸鹽、銨鹽和磷酸鹽)、浮游植物、浮游動物和生物碎屑，i=1，…，7。

PHYSICS(Ci)代表物理過程(主要是對流和擴散)引起的各生物變量濃度的變化，在本研究中采用與POM 模型中溫度和鹽度相同的對流擴散形式:

對于營養(yǎng)鹽而言，Si≠0 表示營養(yǎng)鹽能夠通過河流徑流、大氣沉降或沉積物涌起進入海洋;對于其他生態(tài)變量，Si= 0 表明浮游生物和碎屑的生物量沒有來自水體生態(tài)系統(tǒng)以外的補充。式中的x、y 為直角坐標系的水平方向坐標，σ 為sigma坐標系的垂向坐標，U、V、ω 分別為x、y、σ 方向的速度分量，L 為實際水深，AH、KH分別為水平與垂直擴散系數［7，11-12］。

BIOLOGY(Ci)代表食物鏈中生物過程引起的各生源要素濃度的變化，反映了包括浮游植物、浮游動物、營養(yǎng)鹽及碎屑的構成的典型營養(yǎng)物-浮游植物-浮游動物-碎屑(NPZD)模型［11］。其中主要的生物過程包括浮游植物的初級生產過程、藻類呼吸過程、藻類被捕食過程、藻類死亡過程、浮游動物死亡及排泄過程以及碎屑的礦化過程。

該生物物理模型在NPZD 生態(tài)模型的基礎上，耦合了經過潮流場驗證的三維水動力學模型［12］，以國家海水無機氮的I～Ⅳ類水質標準為目標，對渤海灣的無機氮的基準環(huán)境容量進行了計算分析。

2 模型的邊界條件及驗證

海面邊界條件:

海底邊界條件:

式中，N、A、P 分別代表硝酸鹽、銨鹽和磷酸鹽的濃度，P1、P2代表浮游植物密度，Z 代表浮游動物生物量，D 代表碎屑的濃度，Fn、Fa、Fp為硝酸鹽、銨鹽和磷酸鹽在海底沉積物與水體之間的交換通量。以上垂直邊界條件說明各生源要素的海表通量為0，而且除了3 種營養(yǎng)鹽外，其他生源要素的海底通量也為0。

側開邊界條件:開邊界處的硝營養(yǎng)鹽根據渤海大區(qū)的計算結果并結合多年的觀測數據插值確定的［7，12］。浮游植物、浮游動物和碎屑的開邊界條件采用一階迎風對流格式。

模型安排:生物模型的對流擴散過程由水動力模型計算，生物化學過程則采用4 階龍格—庫塔法求解。生物模塊的網格劃分與水動力模型相同，即水平方向0.5'×0.5'，垂直方向11 個sigma 層。

3 結果與討論

天津近岸臨港工業(yè)區(qū)臨近水域2 個船舶站位實測的垂向平均潮流和計算結果的比較情況如圖2所示。從圖2可以看出，浮游植物、浮游動物、營養(yǎng)鹽及碎屑的典型NPZD 模型的模擬結果和資料還是比較吻合的。

圖2 渤海灣臨港工業(yè)區(qū)臨近水域站點潮流的計算和觀測值的比較

采用浮游植物、浮游動物、營養(yǎng)鹽及碎屑的典型NPZD 模型，對渤海灣典型營養(yǎng)鹽進行模擬分析，結果如圖3所示。

圖3 營養(yǎng)鹽濃度隨時間變化趨勢

由于冬季生物生長受到溫度的限制，硝酸鹽和磷酸鹽在外界輸入的影響下，呈現逐漸升高的趨勢。到了春季和夏季，浮游生物在較高的溫度下開始生長，這時候，硝酸鹽和磷酸鹽的濃度由于生物生長吸收的作用而降低。到了秋季，隨著水溫的逐漸降低，浮游生物的生長受到溫度的限制，營養(yǎng)鹽濃度有所增加。該NPZD 模型的模擬結果基本上反映了渤海灣近海域營養(yǎng)鹽的季節(jié)變化趨勢［13-15］。

在該生態(tài)模型的基礎上，耦合經過潮流場驗證的三維水動力學模型，采用海洋環(huán)境中生物物理耦合模型的標準自凈容量法，在國家I～Ⅳ類海水水質標準條件下，計算得到渤海灣DIN(N +A)基準海洋環(huán)境容量大約為7.4 × 104、9.5 ×104、12.5 ×104、15.8 ×104t/a。

自20世紀50年代以來，特別是70年代末以來，海河徑流量從80年代到90年代呈下降趨勢，2000年后逐級回升。20世紀50年代的平均入海徑流量為144 億m3，到60年代降至82 億m3，70年代為45 億m3，80年代的平均水量僅為9.85億m3，90年代平均入海徑流量為24 億m3。結合渤海灣海河流域DIN 排海通量的變化趨勢［16-17］，可以得到渤海灣DIN 的基準剩余海洋環(huán)境容量變化趨勢如圖4所示。

圖4 在國家I類海水水質標準下渤海灣海水DIN 基準剩余海洋環(huán)境容量歷史變化趨勢

目前，渤海灣海河流域DIN 的排海通量與實際蓄存量大約為9 萬t/a，基于渤海灣DIN 極小海洋環(huán)境容量的計算結果，可以得到渤海灣DIN 的極小剩余海洋環(huán)境容量。在國家I類海水水質標準下，渤海灣DIN 的極小剩余海洋環(huán)境容量大約為-3 萬t/a;在Ⅱ類水質標準下，渤海灣DIN 的極小剩余海洋環(huán)境容量大約為-1 萬t/a。結合實際的水質管理目標(海水功能區(qū))，應該嚴格控制DIN 的入海總量。渤海灣入海污染物中，非點源污染排放約占總量的一半。點源污染中，上游攜帶入境的約占總量的1/4，濱海新區(qū)工業(yè)排放和生活源排放的各約占排放總量的1/8。因此，對于超標的DIN，需要重點控制非點源的排放，同時應加強上游攜帶入境污染物的處理［18］，從總量上控制DIN 入海污染通量，改善渤海灣水質。

4 結論

基于渤海灣近岸海域的實際調查結果，通過對天津渤海灣海洋典型污染物溶解無機氮的基準環(huán)境容量及入?？偭康挠嬎惚砻?在國家I～Ⅳ類海水水質標準條件下，渤海灣DIN 基準海洋環(huán)境容量大約為7.4 ×104、9.5 ×104、12.5 ×104、15.8 ×104t/a;在國家I類海水水質標準下，渤海灣DIN 的極小剩余海洋環(huán)境容量大約為-3 萬t/a;在Ⅱ類水質標準下，渤海灣DIN 的極小剩余海洋環(huán)境容量大約為-1萬t/a。渤海灣DIN 的極小剩余海洋環(huán)境容量在I類和Ⅱ類水質標準下均為負值，說明渤海灣的DIN 已經超標。為改善渤海灣水質，需要重點控制非點源的排放及上游攜帶入境污染物的處理，從總量上控制DIN 入海污染通量。

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