基于GIS的近海剩余環(huán)境容量計(jì)算模型

柯麗娜, 王權(quán)明, 徐麗雯, 姜 昕, 楊山力

(1. 遼寧省自然地理與空間信息科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116029; 2. 國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心, 遼寧 大連116023; 大連理工大學(xué), 遼寧 大連 116024 )

為改善水和大氣環(huán)境的質(zhì)量, 日本學(xué)者吉川博將環(huán)境容量的概念引入到環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域, 并定義為“環(huán)境容量是由自然還原能力、人工處理設(shè)施和人們對(duì)環(huán)境的意見等所規(guī)定的整個(gè)生物圈內(nèi)所容許的活動(dòng)容量”[1]。1986年聯(lián)合國(guó)海洋污染專家小組將水環(huán)境容量定義為: 水環(huán)境容量是指在不影響水的正常用途的情況下, 水體所能容納的污染物的量或自身調(diào)節(jié)凈化并保持生態(tài)平衡的能力[2]。目前海域水環(huán)境容量的計(jì)算多是在對(duì)污染物輸移、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化規(guī)律研究的基礎(chǔ)上, 建立多維水質(zhì)方程、水動(dòng)力學(xué)方程, 確定研究區(qū)平衡濃度場(chǎng), 從而與監(jiān)測(cè)區(qū)水質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行比較, 最終確定研究區(qū)水環(huán)境容量[3-6]。李適宇等[7]提出基于二維擴(kuò)散的分區(qū)達(dá)標(biāo)控制法, 并將分區(qū)達(dá)標(biāo)控制法用于求解海域環(huán)境容量。鮑琨等[8]綜合考慮水文、水體污染來源等因素, 建立了控制斷面水質(zhì)與污染源的響應(yīng)關(guān)系, 進(jìn)而進(jìn)行控制單元水環(huán)境容量的計(jì)算。謝蓉蓉等[9]以江蘇省沿海區(qū)域作為研究對(duì)象, 根據(jù)人海排污口排污方式的不同建立了兩種水環(huán)境容量計(jì)算方法——沿岸排污區(qū)域水環(huán)境容量計(jì)算方法和離岸區(qū)域水環(huán)境容量計(jì)算方法。蔡惠文等[10]提出考慮風(fēng)向風(fēng)速聯(lián)合頻率訂正及污染帶控制的水環(huán)境容量計(jì)算方法、王華等[11]提出了基于非均勻分布系數(shù)的水環(huán)境容量計(jì)算方法?？梢钥闯鏊h(huán)境容量的計(jì)算方法繁多, 對(duì)水環(huán)境科學(xué)管理有著重要意義。但是這些研究方法雖然擁有較強(qiáng)的機(jī)理性, 能體現(xiàn)出研究區(qū)局部的水質(zhì)變化信息, 由于污染物在實(shí)際環(huán)境的變化非常復(fù)雜[12], 研究區(qū)污染物的擴(kuò)散與衰減機(jī)理性的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行, 且在近海開發(fā)利用區(qū)的環(huán)境管理中, 要更關(guān)心海域現(xiàn)狀條件下的剩余環(huán)境容量。因此, 探討如何能夠針對(duì)不同的研究目標(biāo)和區(qū)域情況, 結(jié)合不同的資料條件,用不同的模型方法建立可行的海洋剩余環(huán)境容量的計(jì)算方法, 為控制水環(huán)境污染決策服務(wù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此, 本文將以錦州灣海域?yàn)檠芯繉?duì)象,探討一種新的水環(huán)境容量計(jì)算方法, 通過地理信息系統(tǒng)(GIS)地統(tǒng)計(jì)分析插值模型對(duì)研究區(qū)污染物濃度和水深數(shù)據(jù)進(jìn)行離散插值, 從而與控制水質(zhì)目標(biāo)比較, 估算錦州灣海域的剩余環(huán)境容量, 以期為資料匱乏條件下水環(huán)境容量的估算提供一種參考。

1 基于GIS的水環(huán)境容量計(jì)算模型

GIS在水文水資源、氣象領(lǐng)域等多個(gè)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用, 尤其適合于將點(diǎn)源數(shù)據(jù)插值成連續(xù)空間表面數(shù)據(jù), GIS表現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢(shì), 例如數(shù)字高程模型插值分析、降雨信息插值、氣溫空間分布插值、氣象要素信息插值等, 這些插值分析方法為水環(huán)境容量的計(jì)算提供了一種新的解決方案: 把水環(huán)境容量計(jì)算模型中的污染物濃度和水深作為空間插值模型中的要素等指標(biāo)進(jìn)行插值模擬計(jì)算, 通過插值模型和參數(shù)優(yōu)化模型建立基于 GIS的水環(huán)境容量計(jì)算模型。

1.1 基于ArcGIS空間插值

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ), 借助變異函數(shù), 研究既具有隨機(jī)性又具有空間相關(guān)性的自然現(xiàn)象的一門學(xué)科[13]。ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊是一個(gè)完整的地理信息系統(tǒng)地統(tǒng)計(jì)分析的工具包, 通過工具條提供地統(tǒng)計(jì)分析向?qū)? 建立在大量隨機(jī)樣本的基礎(chǔ)上, 分析樣本間規(guī)律, 進(jìn)行相關(guān)預(yù)測(cè), 幫助用戶實(shí)現(xiàn)合理的表面插值[14]。ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊提供了兩類插值方法: 確定性內(nèi)插法和克里格插值法。

克里格插值(Kriging)又稱空間局部插值法, 廣泛地應(yīng)用于地下水模擬、土壤制圖等領(lǐng)域, 是一種很有用的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)格網(wǎng)化方法。它通過協(xié)方差函數(shù)和變異函數(shù)確定空間變量隨距離變化的規(guī)律, 以距離為自變量的變異函數(shù), 計(jì)算相鄰變量間的關(guān)系權(quán)值,從而在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)。它是一種光滑的內(nèi)插方法, 在數(shù)據(jù)點(diǎn)較多, 且區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性時(shí), 其內(nèi)插的結(jié)果可信度較高。

克里格方法用公式可表示為:

克里格插值的主要步驟如圖1所示。

圖1 克里格插值主要步驟Fig.1 The main steps of Kriging

1.2 基于 GIS的水環(huán)境容量計(jì)算

海洋環(huán)境容量實(shí)際上是研究目標(biāo)海域在規(guī)定環(huán)境目標(biāo)下容納的污染物的最大負(fù)荷問題, 受到水體環(huán)境要素特征、生物化學(xué)衰減機(jī)理、污染物稀釋方式、污染物擴(kuò)散等多個(gè)因素影響[15-16]。本文將該問題簡(jiǎn)化研究, 將水質(zhì)模擬問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)問題,充分利用水體水質(zhì)、沉積物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 利用克里格插值法對(duì)污染物濃度和水深數(shù)據(jù)進(jìn)行插值, 將研究區(qū)域離散為一個(gè)個(gè)的均勻柵格單元, 同時(shí)柵格單元內(nèi)污染物均勻分布, 那么該柵格單元的剩余環(huán)境容量計(jì)算就可以概化為單個(gè)柵格內(nèi)的剩余水體環(huán)境容量及沉積物環(huán)境容量, 再根據(jù)質(zhì)量守恒原理及文獻(xiàn)[14,17-18]的研究結(jié)果, 該柵格單元的剩余水環(huán)境容量計(jì)算公式應(yīng)為:

式中: w為柵格單元的剩余環(huán)境容量, mg; βs為污染物的控制濃度目標(biāo), mg/L; βi為污染物的插值模擬值濃度, mg/L; α為不均勻系數(shù); A為柵格單元面積,cm2; h為柵格單元水深, cm; k1為單位重量沉積物釋放/吸附量, mg/g, h1為沉積物釋放有效深度, cm; di為當(dāng)前沉積物的污染物濃度, mg/g; ρ為沉積物密度,g/cm3。

該公式?jīng)]有考慮單元格之間的水量與物質(zhì)交換,忽略了污染物的遷移擴(kuò)散及水體的自凈能力, 因此,僅在一些水動(dòng)力條件及水體交換能力較差的滯緩區(qū),在資料匱乏條件下, 該公式可以作為剩余環(huán)境容量的一種初步計(jì)算方法。因滯緩區(qū)與外水體交換較弱,其不均勻系數(shù)參考文獻(xiàn)[17]的湖泊水域納污能力,具體參數(shù)取值見表1。

表1 不同水域面積及不均勻系數(shù)取值Tab.1 The receiving pollution capacity and uneven coefficient of different areas

在計(jì)算出每一個(gè)單元格的剩余環(huán)境容量后, 確定水環(huán)境容量最容易超標(biāo)的區(qū)域, 以最易超標(biāo)區(qū)域的環(huán)境容量為區(qū)域水環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn), 最終計(jì)算出研究海域剩余環(huán)境容量。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)域概況

2.1.1 總體概況

錦州灣位于葫蘆島市和錦州市之間, 三面被陸地包圍, 灣口開敞, 朝向東南, 常年平均氣溫9.4 ℃,多年平均降雨量637.6 mm, 常風(fēng)向?yàn)镹NW, 次風(fēng)向?yàn)?SW, 葫蘆島和錦州市是國(guó)家重要的工業(yè)基地, 擁有錦西煉油廠、葫蘆島鋅廠、錦西化工總廠等, 2009年葫蘆島市工業(yè)企業(yè)總產(chǎn)值684.5億元[18]。作為葫蘆島市和錦州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要支撐的錦州灣海域,同時(shí)承擔(dān)著容納兩市排放污水的重任, 有必要研究錦州灣的環(huán)境容量問題。

2.1.2 水質(zhì)概況

錦州灣監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布如圖 2所示, 共布設(shè)了 20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn), 監(jiān)控海域面積160 km2, 水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)為化學(xué)需氧量、葉綠素、氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、活性磷酸鹽、pH、鹽度、溶解氧、石油類、汞、鎘、鉛、鉻、砷、鋅銅, 沉積物監(jiān)測(cè)指標(biāo)為石油類、有機(jī)碳、硫化物、汞、鎘、鉛、砷、銅、鋅、多氯聯(lián)苯、六六六、滴滴涕, 監(jiān)測(cè)頻率為每年的5月、8月、10月。經(jīng)過對(duì)錦州灣海域水質(zhì)進(jìn)行綜合分析, 發(fā)現(xiàn)無機(jī)氮、化學(xué)需氧量、活性磷酸鹽、鉛、鎘、鋅等幾個(gè)指標(biāo)對(duì)海灣水質(zhì)影響較大[19-21], 本文對(duì)這些指標(biāo)的剩余環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算, 為水環(huán)境的治理與管理提供依據(jù)。

圖2 錦州灣監(jiān)測(cè)及研究區(qū)域圖Fig.2 The monitoring area and research region graph of Jinzhou Bay

2.2 無機(jī)氮等指標(biāo)剩余環(huán)境容量計(jì)算

無機(jī)氮是近岸海域主要的污染物之一, 赤潮、富營(yíng)養(yǎng)化事件都和無機(jī)氮有密切的關(guān)系, 一般 8月份是最容易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的季節(jié)[19-21], 分析監(jiān)測(cè)水質(zhì)資料也說明 8月份的水質(zhì)狀況較差, 因此在本次水環(huán)境容量計(jì)算中, 以2009年8月為基準(zhǔn)計(jì)算該區(qū)域的水環(huán)境容量。

由于研究海域160 km2, 參照表1取不均勻系數(shù)為 0.380, 無機(jī)氮、活性磷酸鹽、化學(xué)需氧量、石油類等指標(biāo)不考慮沉積物的吸附或者釋放, 取 k1為0, 以方便管理人員從不同的需求進(jìn)行環(huán)境管理與控制。

利用2.1節(jié)所述步驟對(duì)水深以及無機(jī)氮、活性磷酸鹽、化學(xué)需氧量、石油類等污染物濃度進(jìn)行插值,輸出水深和無機(jī)氮插值結(jié)果如圖3所示。

圖3 水深與無機(jī)氮插值結(jié)果Fig.3 The interpolation results of water depth (left) and inorganic nitrogen (right)

利用 GIS柵格計(jì)算模塊, 將不均勻系數(shù), 單元格面積, 水深柵格數(shù)據(jù), 污染物濃度插值數(shù)據(jù)代入公式(2), 計(jì)算得到無機(jī)氮、活性磷酸鹽、化學(xué)需氧量、石油類等剩余環(huán)境容量見表2。

2.3 重金屬剩余環(huán)境容量計(jì)算

由于錦州灣海域靠近葫蘆島鋅廠及來自五里河入海口陸源排污, 沉積物中重金屬污染較為嚴(yán)重,其中尤其Cu、Zn、As、Cd元素重金屬含量較高, 超過 50%的站位超出一類沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn), 重金屬大部分以非殘?jiān)鼞B(tài)存在, 易于進(jìn)入水相或被生物所利用再次釋放出來, 造成二次污染[19-24]。

由于進(jìn)入水體的大部分重金屬常常轉(zhuǎn)移至懸浮顆粒物或底層沉積物中, 因此在對(duì)重金屬環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算時(shí)考慮沉積物的吸附作用, 即這里剩余環(huán)境容量計(jì)算既包括海域海水中重金屬的剩余環(huán)境容量又包括沉積物中重金屬的剩余環(huán)境容量。

重金屬剩余環(huán)境容量計(jì)算中不均勻系數(shù)參照表1, 取不均勻系數(shù)為 0.380; 錦州灣屬于港口航運(yùn)區(qū),執(zhí)行Ⅳ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 計(jì)算對(duì)應(yīng)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下重金屬的水環(huán)境容量; 參考文獻(xiàn)[21-25], 不同粒徑的沉積物對(duì)重金屬吸附作用的影響是不同的, 粒徑越小, 沉積物對(duì)重金屬的吸附作用越大, 按粒徑從小到大的最大吸附量分別為 28.760、20.121、15.038、12.579 mg/g, 這里取k1為其平均值為19.12 mg/g; 參考文獻(xiàn)[21-25]確定沉積物濕密度為1.65 g/cm3, 含水量為70%, 由此確定沉積物干密度ρ為0.5 g/cm3。由于沉積物吸附和釋放在表層10 cm內(nèi)的影響最大[23],因此這里沉積物深度取為10 cm, 由此得到重金屬的總環(huán)境容量見表2。

表2 基于GIS的水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果(單位: t)Tab.2 The computing result of water environmental capacity by GIS(unit: t)

3 結(jié)論

以錦州灣海域?yàn)檠芯繉?duì)象, 通過 GIS地統(tǒng)計(jì)分析插值模型對(duì)研究海域污染物濃度和水深進(jìn)行離散插值, 建立基于地理信息系統(tǒng)的近海剩余環(huán)境容量計(jì)算方法, 從而達(dá)到對(duì)海域剩余環(huán)境容量的直接估算。錦州灣海域水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果為無機(jī)氮281a,活性磷酸鹽 31a, 化學(xué)需氧量 3971a, 鋅 527.8a, 鉛46.7a, 鎘 10.34a。由于受來自大興河和連山河的陸源污染影響, 錦州灣海域的溶解無機(jī)氮(DIN)濃度呈現(xiàn)北部高, 南部低的特點(diǎn), 大興河、連山河一帶海域的DIN濃度高于其他區(qū)域。受靠近葫蘆島鋅廠及來自五里河入?？陉懺磁盼鄣挠绊? 錦州灣海域沉積物中重金屬污染較為嚴(yán)重, 尤其 Cu、Zn、As、Cd等元素含量較高。

基于 GIS的水環(huán)境容量計(jì)算方法不依賴于水動(dòng)力擴(kuò)散和污染衰減條件, 將整個(gè)研究區(qū)域看作均勻混合的水體, 較其他水環(huán)境容量計(jì)算方法計(jì)算過程比較簡(jiǎn)單。雖然忽略了各點(diǎn)之間污染物的對(duì)流擴(kuò)散,沒有考慮排污口的影響, 計(jì)算得到的是瞬時(shí)的剩余環(huán)境容量, 但該環(huán)境容量計(jì)算方法對(duì)水環(huán)境管理仍有一定的參考價(jià)值, 可以作為海域水環(huán)境容量的初步調(diào)查分析, 或是資料匱乏條件下作為一種先行的計(jì)算方法。本研究中由于錦州灣剩余環(huán)境容量計(jì)算采用不均勻系數(shù)參考湖泊環(huán)境容量計(jì)算方法, 所以得到的錦州灣的海洋環(huán)境容量的結(jié)果不夠精準(zhǔn), 有待進(jìn)一步完善。

[1] 王華東, 夏青.環(huán)境容量研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),1983, (1): 32-36.

[2] 周密, 王華東.環(huán)境容量[M].長(zhǎng)春: 東北師范大學(xué)出版社, 1987.

[3] 張永良, 劉培哲.水環(huán)境容量綜合手冊(cè)[M].北京清華大學(xué)出版社, 1991.

[4] 陳陽, 施介寬, 陳亮.水質(zhì)管理容量的計(jì)算[J].環(huán)境導(dǎo)報(bào), 1991, (1): 19-21.

[5] 中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì).實(shí)施主要污染物總量控制的理論與實(shí)踐[M].北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 1996.

[6] 國(guó)家環(huán)保局.環(huán)境背景值和環(huán)境容量研究[M].北京:科學(xué)出版社, 1993.

[7] 李適宇, 李耀初, 陳炳祿, 等.分區(qū)達(dá)標(biāo)控制法求解海域環(huán)境容量[J].環(huán)境科學(xué), 1999, 4: 96-99.

[8] 鮑琨, 逄勇, 孫瀚.基于控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水環(huán)境容量計(jì)算方法研究——以殷村港為例[J].資源科學(xué),2011, 33 (2): 249-252.

[9] 謝蓉蓉, 逄勇, 屈健, 等. 江蘇省沿海區(qū)域水環(huán)境容量計(jì)算研究[J]. 海洋通報(bào), 2012, 27(3): 214-222.

[10] 胡開明, 逄勇, 王華, 等.大型淺水湖泊水環(huán)境容量計(jì)算研究[J].水利發(fā)電學(xué)報(bào), 2011, 30(4): 135-141.

[11] 王華, 逄勇, 丁玲.濱江水體水環(huán)境容量計(jì)算研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 27 (12) : 2067-2073.

[12] 關(guān)道明.我國(guó)近岸典型海域環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和環(huán)境容量研究[M].北京: 海洋出版社, 2011.

[13] 牟乃夏, 劉文寶, 王海銀, 等.地理信息系統(tǒng)教程[M].北京: 測(cè)繪出版社, 2012.

[14] 牛志廣.近岸海域水環(huán)境容量的研究[D].武漢: 武漢大學(xué), 2004.

[15] 逄勇.水環(huán)境容量計(jì)算理論及應(yīng)用[M].北京: 科學(xué)出版社, 2010.

[16] 彭泰.大連凌水灣海域環(huán)境容量研究[D].大連: 大連海事大學(xué), 2012.

[17] 郝嘉亮.近岸海域水質(zhì)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)及環(huán)境容量方法研究[D].大連: 大連海事大學(xué), 2013.

[18] 柯麗娜.遼寧省近岸海域環(huán)境問題與承載力分析研究[D].大連: 大連理工大學(xué), 2013.

[19] 錢軼超.淺水湖泊沉積物磷素遷移轉(zhuǎn)化特征與生物作用影響機(jī)制研究[D].浙江大學(xué), 2011.

[20] 張玉鳳, 宋永剛, 王立軍, 等.錦州灣沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].水產(chǎn)科學(xué), 2011, 30(3): 156-159.

[21] 范文宏, 張博, 陳靜生, 等.錦州灣沉積物中重金屬污染的潛在生物毒性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2006, 26 (6): 1000-1005.

[22] 葛成鳳.銅、鎘及磷在海洋沉積物上的吸附、解吸行為研究[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué), 2012.

[23] 武倩倩.渤海近岸海域沉積物對(duì)Cu2+、Pb2+吸附及AVS的研究[D].青島: 中國(guó)海洋大學(xué), 2006.

[24] 李晉昌, 張紅, 石偉.汾河水庫(kù)周邊土壤重金屬含量與空間分布[J].環(huán)境科學(xué), 2013, 25(1): 116 -120.

[25] 朱靜.近岸海域水污染物輸移規(guī)律及環(huán)境容量研究[D]. 南京: 河海大學(xué), 2007.