自凈作用下渤海海域COD環(huán)境容量研究

郁斢蘭，王 諾，劉忠波，李 慧 （大連海事大學交通運輸管理學院，遼寧 大連 116026）

自凈作用下渤海海域COD環(huán)境容量研究

郁斢蘭，王 諾*，劉忠波，李 慧 （大連海事大學交通運輸管理學院，遼寧 大連 116026）

為測算自凈作用下我國渤海COD環(huán)境容量，按地理特征將渤海水域劃分為萊州灣、渤海灣、遼東灣以及渤海中部4個分區(qū)，從水動力交換擴散和化學降解兩個方面入手，一方面利用各分區(qū)水半交換周期分別求得COD的擴散能力，另一方面利用COD衰減規(guī)律得到其降解能力，綜合后得到各分區(qū)在不同水質(zhì)標準下COD的環(huán)境容量.研究表明，渤海各灣水域COD濃度和環(huán)境容量各不相同，其中，萊州灣水質(zhì)屬于較清潔，在此區(qū)間內(nèi)還有26%的環(huán)境余量；渤海灣水質(zhì)屬于輕度污染，在此區(qū)間內(nèi)還有5%的環(huán)境余量，遼東灣水質(zhì)屬于較清潔，在此區(qū)間內(nèi)還有88%的環(huán)境余量.

海洋；環(huán)境；容量；COD；渤海

海洋對污染物本身具有巨大的自凈能力，這一能力主要來自兩個方面，一是水體會持續(xù)不斷從沿岸向遠海流動交換，使得水中污染物得以擴散，濃度逐漸被稀釋；再是大自然具有生物化學降解作用，部分污染物隨著時間推移會逐漸自行降解.海洋的這種自凈能力，使得其使所接納的污染物濃度始終處于動態(tài)變化中.

目前，關(guān)于海域水交換問題已有一些研究成果，如引入半交換時間的概念，采用類似于放射性同位素的半衰期來研究海域通過對流擴散作用稀釋為初始濃度一半時所需的時間［1］；采用不同水交換數(shù)值模擬的計算方法［2-5］；研究不同海域水交換能力和特性等［6-8］.關(guān)于COD生物化學降解問題，邱巍等［9］通過大量實驗研究了長江口竹園排污口的COD在各種條件下的化學降解過程，得出降解系數(shù)主要跟COD濃度和水體溫度有關(guān)；郭棟鵬［10］通過實驗發(fā)現(xiàn)COD降解規(guī)律符合一級反應(yīng)動力學過程.在海洋環(huán)境容量方面，Zhao等［11］利用三維對流擴散模型并結(jié)合降解過程模擬了渤海COD濃度分布，推算了渤海水域的COD環(huán)境容量.綜上分析發(fā)現(xiàn)，因不同海域在地理位置、水域面積、水交換能力以及岸線與地形復(fù)雜程度上的差異，對面積較大水域僅以平均指標描述水交換過程及降解效率并不能有效反映各局部水域的水質(zhì)情況，整體上水質(zhì)標準清潔，其局部水域的污染可能已到了相當嚴重的程度.因此， 對于大范圍海域的研究， 對于大范圍海域的研究，只有具體分析各局部水域的污染狀況和環(huán)境容量，才能夠有針對性的對海洋環(huán)境進行管理.

渤海是我國水域面積最大的半封閉內(nèi)海，水域面積約75600km2，平均水深18m，東面以寬59n mile的渤海海峽與黃海相通.近幾十年來，隨著渤海沿海地區(qū)經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，海洋污染情況日益嚴重，降低陸源污染投資代價巨大.為了有效制定環(huán)境保護政策，避免水質(zhì)污染狀況繼續(xù)惡化，結(jié)合自凈能力分析計算渤海中各海灣在不同污染標準下COD環(huán)境容量，已成為當務(wù)之急. 文中按地理特征將渤海水域劃分為萊州灣、渤海灣、遼東灣以及渤海中部4個分區(qū)，從水動力交換擴散和化學降解兩個方面入手，研究各分區(qū)在不同水質(zhì)標準下COD的環(huán)境容量.

1 計算模型

1.1 水動力與水質(zhì)模型

海洋水交換的能力主要取決于水半交換的時間.根據(jù)水流形成機理，構(gòu)建渤海水半交換時間的數(shù)值模型由兩部分組成:即在風、潮汐和熱鹽作用下瞬時流動的水動力模型和計算保守物質(zhì)濃度輸運的水質(zhì)模型.前一模型的分析結(jié)果可為后一模型提供對流輸運場和湍流擴散系數(shù)，通過對水質(zhì)點的追蹤以及考慮風、潮汐和水密度梯度的作用，便可計算出水半交換模型的特征值.

本文采用斜壓模型作為水動力模型，該模型已多次用于渤海海域的水動力分析［8］.設(shè)岸界水質(zhì)點的法向流速為零，利用渤海海峽水文站大長山島水文站（39°16'N，122°35'E）和雞鳴島水文站（37°7'N，122°29'E）實測結(jié)果，采用HAMSOM三維斜壓分層模型，以5'×5'水平網(wǎng)格，垂直分10層建立水動力模型.水質(zhì)變量的質(zhì)量守恒控制方程為:

式中:C表示水質(zhì)狀態(tài)變量濃度；u、v和w分別為x、y和z方向的速度；Ax、Ay和Az分別為x、y和z方向的擴散系數(shù)；Sc為單位體積源匯項.

由于式（1）包含了物理輸運、平流擴散和動力學過程，因而在求解時，需將動力學項與物理輸運項脫耦.若對物理輸運的質(zhì)量守恒方程與鹽度方程采用相同形式，則對流擴散輸運方程為:

當C表示保守物質(zhì)的濃度時，則只考慮物理輸運，可用式（2）計算，其數(shù)值解法和水動力模型中鹽度的質(zhì)量守恒方程相同.岸界和垂直邊界采用無通量條件，初始濃度假定北黃海（渤海的邊界）濃度為0.5單位，渤海全海區(qū)為1單位分布，水質(zhì)模型與水動力模型設(shè)置網(wǎng)格相同，時間步長為900s.

1.2 水交換作用下COD累積量計算模型

排入海中污染物會通過水體對流產(chǎn)生輸運和稀釋擴散，進而不斷與外部海域進行交換，其間不斷有剩余的污染物累積下來.如果污染物排海量逐年減少，那么這一累積量便會減少，反之，則會逐年增加.

對于渤海，水交換是由沿岸向中部水域進行的（圖1），根據(jù)水半交換時間的定義，可構(gòu)建出污染物累積量數(shù)學模型.由水交換的遞進過程，該模型包含兩個部分:一部分是陸源污染物進入渤海沿岸水域的累積量，見式（3）；另一部分是污染物經(jīng)渤海中部與渤海外部實現(xiàn)水交換的累積量，見式（4）.

式中:i=1，2，…，N-1表示渤海沿岸水域分區(qū)；Ai，n表示沿岸水域分區(qū)i第n個單位時間的污染物累積量；ai，n表示沿岸水域分區(qū)i第n個單位時間污染物排放量；Hi表示沿岸水域分區(qū)i的水半交換時間；t表示積分變量.

式中: AN，n表示渤海中部（即分區(qū)N）第n個時間單位的污染物累積量；HN表示渤海中部水半交換時間.

1.3 COD降解計算模型

根據(jù)渤海灣模擬實驗研究成果［12］，COD的降解過程基本符合一級反應(yīng)動力學規(guī)律，其衰減速率方程為:

式中:C表示t時刻COD濃度，mg/L；t表示反應(yīng)時間，d；C0表示最初時刻COD濃度，mg/L； k表示衰減速率，d-1，即單位生物量在單位時間內(nèi)完成降解的污染量.

1.4 水交換和降解過程共同作用下COD殘余量計算

結(jié)合式（3）、式（4）和式（5），可推導(dǎo)出渤海各分區(qū)水交換和降解共同作用下COD殘余量計算公式.設(shè)有:

式中:Ei，n表示分區(qū)i第n個單位時間在水交換作用下COD經(jīng)交換減少的量；Di，n表示分區(qū)i第n個單位時間在生化作用下COD降解的量；Si，n表示分區(qū)i第n個單位時間水交換和降解共同作用下COD殘余量；ai，n表示分區(qū)i第n個單位時間污染物排放量；Hi表示分區(qū)i半交換時間；t表示積分變量.

將式（12）～（13）累加后，即得到渤海COD的殘余量

式中:Sn表示渤海COD殘余量.計算時，可以假定開始COD排放量為零，這樣處理，在經(jīng)過多個半交換周期以后，對最終殘余量的計算結(jié)果并無較大影響.

2 模型求解

2.1 水半交換時間

根據(jù)渤海岸線的輪廓、地形和水域的氣候條件及其獨特的水流循環(huán)結(jié)構(gòu)，將渤海劃分為萊州灣、渤海灣、遼東灣和渤海中部4個分區(qū)，應(yīng)用計算機軟件MIKE21進行深海潮汐及海流的模擬，并與實測的潮汐和潮流資料作比較后，得到渤海水域的流場見圖1.自圖1可知，渤海4個分區(qū)水交換過程是先由萊州灣、渤海灣和遼東灣交換到渤海中部，然后再由渤海中部交換到黃海（圖2）.各分區(qū)水體參數(shù)見表1.

根據(jù)魏浩［8］的結(jié)果，以平均氣象條件和協(xié)振潮、外部流驅(qū)動得到的環(huán)流場輸入水質(zhì)模型，同時考慮風、潮汐和水密度梯度的作用，積分3年分別計算出各灣水域平均濃度為初始濃度一半的時間，即萊州灣水體完成一次半交換的時間需0.52a；渤海灣需0.83a；遼東灣需2.26a；渤海中部需1.38a.

2.2 衰減速率求解

為得到渤海COD衰減速率，先根據(jù)渤海近10年COD的排放量的統(tǒng)計值，利用式（8）～（14）試算出不同k值下渤海整體的累積濃度，將計算結(jié)果與渤海實測的COD平均濃度進行對比，其誤差最小時的k值即為所求.

圖1 渤海海區(qū)流場模擬Fig.1 Simulation of tidal flow field in the Yellow Sea and Bohai Sea

圖2 渤海水域分區(qū)及水交換方向Fig.2 Partitions of Bohai Sea and the illusion of the water exchange

表1 渤海水域各分區(qū)參數(shù)Table 1 Parameters of the zones of the Bohai Sea

（1） 渤海各分區(qū)COD排放量統(tǒng)計

按照地理劃分，萊州灣沿岸有山東省的東營、煙臺、濰坊和濱州4個城市；渤海灣沿岸有滄州、天津和唐山3個城市；遼東灣沿岸有葫蘆島、錦州、盤錦、營口、大連和秦皇島6個城市.設(shè)排入海域污染物主要以陸源污染統(tǒng)計為基礎(chǔ)，2004～2013年統(tǒng)計值數(shù)據(jù)來源于我國環(huán)境統(tǒng)計公報和海洋統(tǒng)計年鑒，當個別數(shù)據(jù)缺失時，采用內(nèi)插值或以多年平均值補齊［13-15］.由于自2011年開始，我國環(huán)境保護部對統(tǒng)計方法及相關(guān)技術(shù)規(guī)定等進行了修訂，COD的統(tǒng)計范圍擴展為工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源和城鎮(zhèn)生活源.為便于分析，將2004～2013年的COD排放統(tǒng)計值按新的口徑統(tǒng)一進行換算，結(jié)果見表2.

（2） 渤海COD濃度實際觀測

目前，我國在渤海共設(shè)環(huán)境觀測站160個，其中，國家環(huán)保局140個，國家海洋局有20個，根據(jù)我國海洋統(tǒng)計年鑒統(tǒng)計，2004～2007年以及2009年渤海COD的實測平均濃度依次為1.04、1.18、1.21、1.50、1.36mg/L.

（3） 渤海COD衰減速率計算

利用COD殘余量計算結(jié)果與實測COD濃度進行比較，便可確定渤海水域COD衰減速率k值.經(jīng)試算，當衰減速率k取為0.061時，兩者誤差為4.86%，此點為誤差最小值（表3）.因此，本文選取k=0.061作為渤海各分區(qū)COD濃度分析的計算參數(shù).不同k值下COD濃度實測值與計算值的平均相對誤差見圖3.

表2 2004～2013年渤海各水域COD排放量（×104t）Table 2 COD emissions of the bays in the Bohai Sea from 2004 to 2013 （×104t）

表3 渤海COD濃度實測值與計算值比較（k=0.061）Table 3 The comparison between the calculated value and the measured COD concentrations （k=0.061）

圖3 不同k值下COD濃度實測值與計算值的相對誤差Fig.3 Relative error between the computed COD concentration and the measured data for different degradation coefficient

2.3 COD濃度計算

根據(jù)渤海近岸各灣COD排放量（表2），當k=0.061時，由式（8）～（14）可得到2004～2013年渤海各分區(qū)COD濃度（表4）.

表4 2004～2013年渤海各水域COD累計濃度（mg/L）Table 4 Accumulated COD concentrations of the bays in the Bohai Sea from 2004 to 2013 （mg/L）

3 不同水質(zhì)標準下各灣的COD容納余量

3.1 COD污染狀況

根據(jù)我國國家海水水質(zhì)標準（GB3097-1997），COD含量小于等于2mg/L屬于清潔水質(zhì)；大于2mg/L，小于等于3mg/L屬于較清潔水質(zhì)；大于3mg/L，小于等于4mg/L屬于輕度污染水質(zhì)；大于4mg/L，小于等于5mg/L屬于中度污染水質(zhì)；大于5mg/L屬于重度污染水質(zhì).對比表3，可以判斷出在2004年至2013年間，萊州灣COD污染程度屬于較清潔，但呈上升趨勢；渤海灣COD濃度由較清潔一度上升為中度污染，后又降到輕度污染，總體上升幅度較大；遼東灣COD濃度由清潔上升為較清潔，呈直線上升趨勢，詳見圖4.

3.2 COD環(huán)境容納余量

環(huán)境容納余量是指在一定標準下，某一環(huán)境容納污染物后還剩余的負荷容量，反映了環(huán)境容納污染物的能力.根據(jù)定義，不同海水水質(zhì)標準下渤海各分區(qū)COD環(huán)境容納余量計算公式為:

式中:i=1，2，3分別表示萊州灣、渤海灣和遼東灣；j=1，2，3，4分別表示清潔、較清潔、輕度污染和中度污染；Qi是分區(qū)i的COD環(huán)境余量是水質(zhì)標準j下的COD濃度上限，如=2.00，以此類推；是分區(qū)i的COD濃度值.

圖4 渤海各分區(qū)COD濃度的年度變化Fig.4 Annual COD concentrations evolution process for different bays in the Bohai Sea

利用式（15），可得到2013年萊州灣、渤海灣和遼東灣在相應(yīng)水質(zhì)標準區(qū)間內(nèi)COD的環(huán)境容納余量，即在較清潔區(qū)間內(nèi)萊州灣環(huán)境容納余量為26%；在輕度污染區(qū)間內(nèi)渤海灣的環(huán)境容納余量為5%；在較清潔區(qū)間內(nèi)遼東灣的環(huán)境容納余量為88%.

4 結(jié)語

以渤海沿岸的萊州灣、渤海灣和遼東灣以及渤海中部為不同水域分區(qū)，以水動力交換和降解作用兩個方面分別分析計算，即利用不同水域分區(qū)水半交換周期構(gòu)建出COD累積量計算模型，計算出COD的擴散能力；同時，利用COD衰減速率方程計算渤海水域的COD降解能力，綜合后得到渤海沿岸各分區(qū)在不同水質(zhì)標準下COD的環(huán)境容納余量.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管萊州灣、渤海灣及遼東灣同屬渤海，但COD污染情況卻相差較大.到2013年，萊州灣水質(zhì)的COD污染程度屬于較清潔，在此標準下還剩余26%的環(huán)境余量；渤海灣屬于輕度污染，在此標準下還剩余5%的環(huán)境余量；遼東灣屬于較清潔，在此標準下還剩余88%的環(huán)境余量.

上述分析結(jié)果對于有效制定環(huán)境保護措施具有重要參考價值.在治理渤海水域COD污染時，對萊州灣、渤海灣和遼東灣應(yīng)實行區(qū)別對待，尤其是近期應(yīng)嚴格控制渤海灣的COD排放量.分析中還發(fā)現(xiàn)，由于渤海水域面積較大，對沿岸海域僅按3個分區(qū)開展污染容量研究還顯不夠，尤其是遼東灣面積過大，所以對水質(zhì)污染程度的分析結(jié)果相對該灣北部營口一帶水域的實際污染狀況過于樂觀.因此，還可以按本文思路將研究水域范圍進一步縮小，以便得到更貼近實際污染狀況的結(jié)果，這可作為下一步深入研究的內(nèi)容.

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［15］渤海環(huán)境保護總體規(guī)劃（2008-2020） ［Z］.

COD environmental capacity of different zones of the Bohai Sea with the consideration of self-purification.

YU Tiao-lan， WANG Nuo*， LIU Zhong-bo， LI Hui （College of Transportation Management， Dalian Maritime University，Dalian 116026， China）. China Environmental Science， 2015，35（5）：1579～1585

To determine the partial water quality， it is essential to divide large water area into smaller partitions according to the geographical structure. In present paper， China's Bohai Sea was divided into four zones （i.e.， Laizhou Bay， Bohai Bay， Liaodong Bay and the center of Bohai Sea）. The hydrodynamic induced mass convection and diffusion and the chemical degradation were considered， the former was used to compute the diffusion capability of cumulative chemical oxygen demand （COD） in different zones， and the latter was applied to solve COD decreasing property， thus the degradation ability could be estimated. After the comprehensive consideration of these two parts， the COD environmental capacity was obtained with different water quality standards considered. The result shows that COD capacity is different in these four areas. For Laizhou Bay， the COD concentrations could satisfy the standard of “relatively clean”， and the environmental capacity has additional 26% to reach the standard； For Laizhou Bay， the COD concentrations was very close to the standard of “l(fā)ight pollution”， and the environmental capacity only has 5% left. For Liaodong Bay， COD concentrations met the standard of “relatively clean”， and the environmental capacity remained 88%.

sea；environment；capacity；COD；Bohai Sea

X145

A

100-6923（2015）05-1579-07

郁斢蘭（1988-），女，江西吉安人，大連海事大學博士研究生，主要研究方向為交通工程與環(huán)境.

2014-10-05

教育部人文社會科學研究規(guī)劃基金項目（12YJA630128）

* 責任作者， 教授， wangnuodl@126.com