港口區(qū)建設(shè)對近岸海域環(huán)境容量的影響

郝文彬

摘 要：近岸海域環(huán)境容量是人類社會經(jīng)濟活動重要的資源，港口區(qū)的建設(shè)影響周邊海域的水動力場條件，同時影響其環(huán)境容量。文章以廣東省潮州市柘林灣及其周邊海域為研究對象，建立了平面二維動態(tài)水動力水質(zhì)數(shù)學模型，結(jié)合污染源分布，建立污染源-近岸海域水質(zhì)的響應關(guān)系，并計算環(huán)境容量，再結(jié)合潮州新區(qū)規(guī)劃各港口區(qū)的建設(shè)，計算港口區(qū)建設(shè)后的近岸海域環(huán)境容量，兩者進行對比分析。分析結(jié)果表明：港口區(qū)的建設(shè)改變了海岸線形狀，削弱海灣水動力強度，港口區(qū)附近海域環(huán)境容量明顯減小，距離較遠則影響不大。

關(guān)鍵詞：近岸海域；數(shù)學模型；環(huán)境容量；港口區(qū)

中圖分類號：X26 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）08-0064-02

海洋資源是人類賴以生存的自然資源的重要組成部分，除為人類提供海洋生物、海底礦產(chǎn)、油氣等巨大的實物以外，同時其天然龐大的水體亦為人類提供了環(huán)境資源[1]。水環(huán)境容量是指水體在規(guī)定的環(huán)境目標下所能容納的污染物的最大負荷，其大小與水體特征、水質(zhì)目標及污染物特性有關(guān)[2]。近岸海域環(huán)境容量歸根結(jié)底是一種水環(huán)境容量，其大小由所屬海域水動力特征、近岸海域功能區(qū)劃和污染物排放特征等共同決定。

隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，人們對近岸海域的資源利用日益增大，尤其是港口區(qū)的建設(shè)較為普遍，此類建設(shè)往往工程量較大，且涉及到填海造陸，改變了局部近岸海域的天然岸線分布，一定范圍內(nèi)的海水潮汐、波浪等水動力特征將受到影響，進而影響了環(huán)境容量。鑒此，本文以潮州市柘林灣海域為例，討論區(qū)域港口建設(shè)對近岸海域環(huán)境容量的影響。

1 工程概況

為進一步提升潮州市社會經(jīng)濟發(fā)展水平，擬開發(fā)所轄近岸海域建設(shè)港口區(qū)。潮州用海規(guī)劃擬建港口區(qū)共3個，分別為三百門港口區(qū)、西澳港口區(qū)和金獅灣港口區(qū)。

2 近岸海域環(huán)境容量計算方法

2.1 環(huán)境容量計算方法

2.1.1 計算方法

在同一海域的各個排放源位置確定的情況下，在一定的水質(zhì)目標約束下計算該海域的允許排放總量及其在各排放源之間的分配，就是海域的總量控制。

一般來說環(huán)境容量問題可以表述為：在選定的一組水質(zhì)控制點的污染物濃度不超過其各自對應的環(huán)境標準的前提下，使各排污口的污染負荷量之和為最大，即：

目標函數(shù)：maxL=■■j=1■j（1）

約束條件：■■j=1aijxj+c■≤■（i=1，2，...，m）xj≥0（j=1，2...，n）

式中，i為水質(zhì)控制點編號；m為水質(zhì)控制點數(shù)目；j為排污口編號；n為排污口數(shù)目；x為負荷量；L為總負荷量，即環(huán)境容量；aij為第j個排污口的單位負荷量對第i個水質(zhì)控制點的污染貢獻度系數(shù)；cb為水質(zhì)控制點的污染背景濃度； 為水質(zhì)控制點處的環(huán)境標準值。

式2左邊實際上是控制點處的濃度。由于水質(zhì)擴散模型是線性的，濃度有可迭加性，所以用線性迭加的方法來求某一點的濃度是可行的。由此，求解海域環(huán)境容量問題歸結(jié)到求解由式1～3所表達的線性規(guī)劃問題。

其中貢獻度系數(shù)aij（i=1，…，m；j=1，…，n）的求解是以線性規(guī)劃法求解環(huán)境容量的關(guān)鍵，也是工作量最大的部分。根據(jù)定義，可假想在一個排污口給1個單位負荷量，即xj=1，而其它排污口無負荷量排出，即xk=0 （k=1，…，n；k≠j ），然后用二維水質(zhì)模型計算出在這種情況下的濃度分布，確定出m個水質(zhì)控制點的濃度值，即為aij（i=1，…，m）。改變排污口，重復以上步驟，就可以求出每個排污口的aij。在以上所有計算中，均不考慮背景濃度。

對于一般工作而言，由于實際環(huán)境容量的計算僅限于一個排污口（附近污染源對控制點的貢獻通過水質(zhì)模擬計入背景濃度），即j=1，而相應的約束條件為控制排污口稀釋混合區(qū)邊界上的濃度必須滿足水質(zhì)目標，因此可選取排污口在稀釋混合區(qū)邊界上帶來最大濃度增值的點作為控制點，即i=1。相應的，貢獻度系數(shù)aij退化為amax（amax為控制排污口單位負荷量在稀釋混合區(qū)邊上產(chǎn)生的最大濃度值）。因此，上述的容量計算公式可簡化為：

目標函數(shù)：maxL=x

約束條件：amaxx+c■≤■x≥0

由此可推出排污口容量：x≤■

2.1.2 關(guān)鍵計算參數(shù)選取

本文計算因子選取COD；降解系數(shù)根據(jù)查閱相關(guān)研究材料獲取，具體為0.08/d。

2.2 近岸海域二維潮流水質(zhì)數(shù)學模型建立

因各港口區(qū)水深較淺，鹽度、流場、污染物質(zhì)濃度等特征在鉛垂方向差異不大，因此采用二維淺水方程模擬研究范圍水動力水質(zhì)特征，采用垂向平均的二維對流擴散方程描述污染物進入水體后的時空分布特征，以此為基礎(chǔ)計算近岸海域環(huán)境容量。

2.2.1 潮流場計算模式

使用平面二維淺水方程作為潮流場計算模式，表達形式如下：

■+■[（h+z）u]+■[（h+z）v）=0

■+u■+v■-fv+g■+g■-■=εx（■+■）

■+u■+v■-fu+g■+g■-■=εy（■+■）

式中，u，v為垂線平均x、y方向的流速；z為基準面以上的潮位；h為水深（基準面以下）；g為重力加速度；τsx、τsy為風應力分量；εx、εy為水平紊動粘性系數(shù)；ρ為水密度；Cz為海底阻力系數(shù)（謝才系數(shù)）；其中，n為海底Manning系數(shù)。

2.2.2 水質(zhì)計算模式

采用二維對流擴散模式評估近岸海域污染物濃度的時空變化，控制方程如下：

■+ ■+■=h[■（E■■）+■（E■■）]■+S

式中，為水深平均的污染物的濃度，mg/L；為沿x、y方向的流速分量，m/s；為x、y方向的擴散系數(shù)，m2/s；S為源（匯）項，g/m2/s。

2.2.3 計算范圍及網(wǎng)格劃分

建立的潮流水質(zhì)模型計算域劃定范圍為： 南起23 °26′ 36 ″N，北至23 °39 ′03 ″N；西起116 °51 ′59 ″E，東至117 °10 ′11 ″E所圍成的海域，主要包括柘林灣海域。

模型采用三角形無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對研究水域進行劃分，并針對填海三大港口區(qū)進行局部加密，港口區(qū)周邊海域采用100 m*100 m進行劃分，其余海域使用500 m*500 m進行劃分，網(wǎng)格節(jié)點數(shù) 7 486個，網(wǎng)格單元數(shù)14 151個。

2.2.4 關(guān)鍵計算參數(shù)選取

二維潮流水質(zhì)數(shù)學模型計算參數(shù)主要包含邊界條件、水下地形等，選取如下：

對于與海域連接的陸地，取為不可入邊界，法向速度設(shè)置為0；對于模型外海水文開邊界，計算水域共2個開邊界，分別為東邊界和南邊界。本次模型計算時間選取2009年8月16日00：00：00～2009年8月30日23：50：00共15 d作為計算水文條件模擬本項目區(qū)域近岸海域的水動力情況，并以此為基礎(chǔ)加載污染物進行水環(huán)境影響預測評價。開邊界以動邊界上各點的同時段潮位過程的組合序列為水文輸入條件，大洋潮汐同化模式TPXO來獲取邊界潮位過程。

對于水下地形條件，依據(jù)海圖（圖號80105）、2009年新測柘林灣水下地形圖、公用航道水下地形圖等，并在模型中應用插值的方法將地形數(shù)據(jù)賦值到各計算節(jié)點上。

對于計算時間步長、糙率柯氏系數(shù)等參數(shù)，通過借鑒現(xiàn)有成果及模型調(diào)試計算進行選取。

3 工程前后環(huán)境容量變化分析

3.1 工程建設(shè)前后環(huán)境容量對比分析

各計算點的COD環(huán)境容量計算成果，見表1。

由表1可得出以下結(jié)論：①相比港口工程建設(shè)之前，工程建設(shè)后4個計算點的環(huán)境容量均有所下降；②對比各計算點環(huán)境容量下降幅度可知，三百門海域下降最多，相比工程前下降了25.7%，而沒有港口工程建設(shè)的海山島海域，環(huán)境容量則沒有明顯變化，僅下降了3.54%。

3.2 工程建設(shè)對近岸海域環(huán)境容量的影響

由表1的對比結(jié)果分析，可知港口工程的建設(shè)會減弱近岸海域接納污染物的能力，即降低環(huán)境容量，尤其是港口工程建設(shè)地點的附近；而在距離較遠的海域，環(huán)境容量受影響很小。這是因為港口的開發(fā)建設(shè)，占用了海面，對附近海域的潮流動力形成了遮擋作用，流速變緩，污染物擴散和遷移等作用減弱，進而環(huán)境容量較大的削弱；而在遠離港口工程區(qū)的海域，工程建設(shè)對該海域的潮流動力特征影響有限，因此該處環(huán)境容量受影響很小。

4 結(jié) 語

①近岸海域港口工程的建設(shè)，減弱了周邊海域潮流動力條件，污染物擴散和遷移等作用減弱，環(huán)境容量變??；

②越靠近工程建設(shè)地點的海域，潮流動力減弱的效應越強，環(huán)境容量降幅越大；而遠離工程建設(shè)地點的海域，由于工程建設(shè)對該海域的潮流動力特征影響有限，因此該處環(huán)境容量受影響很小。

參考文獻：

[1] 陳偉琪，張珞平.近岸海域環(huán)境容量的價值及其價值量評估初探[J].廈 門大學學報（自然科學版），1999，（6）.

[2] 逄勇，陸桂華.水環(huán)境容量計算理論及應用[M].北京：科學出版社，2010.