入海排污口選址生態(tài)適宜性分析與比選研究
——以深圳近岸海域?yàn)槔?/h1>
2016-07-19 06:25:28翟雅男海熱提
安全與環(huán)境工程 2016年3期 關(guān)鍵詞：方案比選
石 紅，翟雅男,李 媛，海熱提，劉 睿
(1.北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029;2.北京化工大學(xué)北京市水處理環(huán)保材料工程技術(shù)研究中心，北京 100029)
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入海排污口選址生態(tài)適宜性分析與比選研究
——以深圳近岸海域?yàn)槔?/p>
石紅1,2，翟雅男1,2,李媛1,2，海熱提1,2，劉睿1,2
(1.北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029;2.北京化工大學(xué)北京市水處理環(huán)保材料工程技術(shù)研究中心，北京 100029)
摘要：入海排污口選址和方案比選對(duì)保護(hù)海洋環(huán)境資源，維護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)安全起著非常重要的作用。針對(duì)近岸海域的區(qū)域特點(diǎn)，在廣泛咨詢與調(diào)研的基礎(chǔ)上，辨析入海排污口選址的影響要素，從水域納污適宜性和排污口工程建設(shè)可行性兩方面構(gòu)建入海排污口選址的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；通過(guò)專家咨詢與層次分析法相結(jié)合的方式確定單因子的權(quán)重，并采用生態(tài)適宜性方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；最后以深圳固戌污水處理廠為研究對(duì)象，通過(guò)計(jì)算分析確定其最優(yōu)的入海排污口位置。該研究可為入海排污口的選址提供技術(shù)與決策支持，對(duì)于科學(xué)地開展海洋環(huán)境管理具有重大意義。
關(guān)鍵詞：入海排污口選址；決策模型；適宜性分析；方案比選
改革開放以來(lái)，我國(guó)沿海地區(qū)成為了社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和人口不斷積聚的熱點(diǎn)地區(qū)，市政生活污水、水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)廢水、各類工業(yè)廢水及港口交通設(shè)施廢水大量產(chǎn)生，最終都排入附近海域，給近岸海域環(huán)境帶來(lái)巨大壓力。據(jù)《2013年中國(guó)海洋環(huán)境狀況公報(bào)》統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示[1]，2013年我國(guó)符合第二類、第三類和第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的海域面積分別為47 160km2、36 490km2和15 630km2，劣于第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的海域面積為44 340km2，其中入海直排源的貢獻(xiàn)不可小視；2013年實(shí)施監(jiān)測(cè)的431個(gè)陸源入海排污口中，工業(yè)排污口占34%，市政排污口占38%，排污河占23%，其他類排污口占5%；3月、5月、8月和10月入海排污口達(dá)標(biāo)排放比率分別為47%、49%、54%和52%，全年入海排污口的達(dá)標(biāo)排放次數(shù)占監(jiān)測(cè)總次數(shù)的50%。由于排污口設(shè)置論證缺乏統(tǒng)一的科學(xué)方法，審批和監(jiān)管缺乏嚴(yán)格的依據(jù)，導(dǎo)致一些排污口設(shè)置不盡合理，混合區(qū)范圍和入海污染物總量的控制也不夠嚴(yán)格，有的排污口污染物遷移擴(kuò)散不佳，有的距離敏感點(diǎn)太近，正常情況下則會(huì)引起污染問(wèn)題，而一旦發(fā)生事故，更會(huì)釀成嚴(yán)重危害。
目前，我國(guó)在入海排污口選址的問(wèn)題上尚未形成一套完整的技術(shù)方案，眾多學(xué)者對(duì)排污口選址問(wèn)題進(jìn)行的研究也僅僅是針對(duì)某一具體排污工程展開，并不具備區(qū)域的普適性。本文針對(duì)近海域的區(qū)域特點(diǎn)，在廣泛咨詢與調(diào)研的基礎(chǔ)上，辨析入海排污口選址的影響要素，首次構(gòu)建了以水域納污適宜性和入海排污口工程建設(shè)可行性為基礎(chǔ)的入海排污口選址生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并采用層次分析法與生態(tài)適宜性方法相結(jié)合的多目標(biāo)決策模型，綜合考慮了海洋動(dòng)力、擴(kuò)散能力、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、工程造價(jià)與安全等要素的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各預(yù)選方案的優(yōu)劣排序，確定最佳的排污口比選方案。本研究豐富了入海排污口比選的研究思路與方法，可為排污口選址提供技術(shù)與決策支持。
1入海排污口選址的影響要素
1.1水域納污適宜性分析
1.1.1排污混合區(qū)
排污混合區(qū)(也稱污染混合區(qū))，是指污水排放口附近不滿足受納水體功能所要求的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的空間區(qū)域，即環(huán)境管理中認(rèn)可的污水排放口附近的允許超標(biāo)區(qū)，一旦該區(qū)域范圍確定下來(lái)，一個(gè)排放口的污染物最大允許排放量也就確定了。
針對(duì)入海排污口污染混合區(qū)的面積大小和范圍的確定問(wèn)題，目前學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，如周富春等[2]采用二維水質(zhì)模型，基于概化的數(shù)值區(qū)域，對(duì)污染混合區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究重慶主城兩江匯流口污染混合區(qū)變化規(guī)律，結(jié)果表明污染混合區(qū)范圍基本與排污負(fù)荷成正比；陳永燦等[3]采用量綱分析-數(shù)據(jù)擬合方法計(jì)算重慶江段桃花溪排污口的污染混合區(qū)范圍，并對(duì)其特性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示污染混合區(qū)范圍隨排污口排污負(fù)荷增大而增大，彎道外側(cè)、漸縮江段處排污口的污染混合區(qū)范圍比順直河段處排污口要小；王征等[4]采用三維數(shù)值模型EFDC對(duì)研究區(qū)域內(nèi)污染物的超標(biāo)面積進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明支流回水區(qū)內(nèi)排污口的混合區(qū)面積比干流河段處排污口要大，順直江段處的排污口的混合區(qū)面積較彎段內(nèi)側(cè)處排污口要小，排污口應(yīng)選在流速和水深較大的順直河段，避免選擇支流回水區(qū)；劉昭偉等[5]采用斜分層有限元模型計(jì)算了龍寶河和苧溪河排污口附近水域的混合區(qū)范圍，分析了水位流速、蓄水前后排污口的位置等影響因素，結(jié)果表明排污口所處位置不同，即使在排污負(fù)荷相同的情況下，形成污染混合區(qū)的范圍相差仍然很大；江春波等[6]計(jì)算了長(zhǎng)江三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)主要城市排污口與重要支流匯流口附近污染水域的混合區(qū)范圍,結(jié)果表明當(dāng)蓄水后，水面隨著水位上升變寬，流速減小，污染物的輸送擴(kuò)散能力減小，當(dāng)排污負(fù)荷不變時(shí)，水流流速與混合區(qū)大小成反比。
從以上研究中可見，污染混合區(qū)的面積大小和范圍與排污口位置、污水流量、污染物濃度、平均流速、平均水深、橫向擴(kuò)散系數(shù)、背景濃度等因素有著重要的關(guān)系，此外污染混合區(qū)范圍也取決于總量控制目標(biāo)、功能區(qū)敏感目標(biāo)和綜合管理目標(biāo)等條件。污染混合區(qū)范圍隨著排污負(fù)荷增加而逐漸增大，污染混合區(qū)長(zhǎng)度與排污負(fù)荷基本成正比，其寬度與排污負(fù)荷也有著相同的增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此，采用污染混合區(qū)面積大小表征排污口附近水域?qū)ξ廴疚锏臄U(kuò)散降解能力，對(duì)指導(dǎo)岸邊排污口的設(shè)計(jì)、排污負(fù)荷的控制有著重要意義。
1.1.2生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)
近岸海域不僅面臨由傳統(tǒng)污染物引起的水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化和耗氧有機(jī)物污染等問(wèn)題，而且還面臨著近海水環(huán)境毒物污染，尤其是面臨有機(jī)毒物污染的挑戰(zhàn)[7]。因此，研究近岸海域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義，而導(dǎo)致近岸海域生態(tài)系統(tǒng)退化的風(fēng)險(xiǎn)主要為累積性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。
累積性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指自然及人類活動(dòng)中潛在的對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害的行為，通常是指具備持久的富集性的有毒有害污染物，通過(guò)常規(guī)、日常排放進(jìn)入到環(huán)境中，在環(huán)境介質(zhì)或生物介質(zhì)中長(zhǎng)期累積可能造成的對(duì)生態(tài)系統(tǒng)損害的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，累積性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指的是現(xiàn)有狀態(tài)(自然活動(dòng)和人類活動(dòng))對(duì)未來(lái)發(fā)展(人類健康和生態(tài)和諧)所可能產(chǎn)生的不利后果。累積性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)包含的內(nèi)容復(fù)雜，它是構(gòu)成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)，也是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的核心。通過(guò)整理相關(guān)資料可知，累積性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要由敏感/指示種生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、關(guān)鍵生物種群生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)來(lái)表示[8]。
1.2入海排污口工程建設(shè)的可行性分析
在進(jìn)行入海排污口的設(shè)置時(shí)，除了需要考慮水域的納污適宜性之外，排污口的工程建設(shè)可行性也是需要考慮的因素之一。
1.2.1工程可行性
對(duì)于污水的離岸排放問(wèn)題，目前的研究較少，僅有汪晨[9]以江蘇射陽(yáng)海域作為重點(diǎn)研究區(qū)域，研究了開敞海域離岸排污口的選劃技術(shù)與方法,認(rèn)為對(duì)開敞海域最佳離岸排污口的選劃，除了考慮海區(qū)的地形、水文條件外，還要考慮排海設(shè)施的建設(shè)成本、運(yùn)行維護(hù)安全以及污水排放對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境、敏感目標(biāo)的影響，并最終確定影響要素為工程可行性、工程環(huán)境影響兩方面。對(duì)排放管道和污水?dāng)U散器來(lái)說(shuō)，海床越穩(wěn)定，工程越安全；反之，若海床沖淤變化較為強(qiáng)烈，則可能對(duì)排污設(shè)施造成損害。排污設(shè)施在施工、運(yùn)營(yíng)期間存在著各種風(fēng)險(xiǎn)，包括海底地震、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，以及由輪船碰撞排污設(shè)施造成的損害，所以還需考慮污水排放設(shè)施的建設(shè)成本。因此，在工程可行性要素中，選取海床穩(wěn)定性、工程造價(jià)、工程風(fēng)險(xiǎn)作為工程可行性要素的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。
1.2.2工程環(huán)境影響
在排污口選址的生態(tài)環(huán)境要素限制條件中，可以從陸域和海域兩方面進(jìn)行分類。當(dāng)污水從排污口排放進(jìn)入海水之后，海域中的水生動(dòng)植物原有的生長(zhǎng)規(guī)律會(huì)受到一定的影響，當(dāng)排污量與水質(zhì)嚴(yán)重超出水生態(tài)的生存條件時(shí)，則會(huì)對(duì)水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞性的影響，因此在進(jìn)行排污口選址時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮滿足水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求，并對(duì)影響排污口選址的生態(tài)環(huán)境要素展開全面調(diào)查。對(duì)于陸域的生態(tài)環(huán)境影響要素，主要要考慮排污口的選址對(duì)陸域受保護(hù)的生態(tài)敏感區(qū)的影響，包括對(duì)海岸重要保護(hù)區(qū)、旅游風(fēng)景區(qū)以及居民生活區(qū)的影響；對(duì)于海域生態(tài)環(huán)境影響要素，則要考慮排污口的污水排放對(duì)重點(diǎn)漁業(yè)水域、海洋重要保護(hù)區(qū)的影響。因此，在對(duì)入海排污口選址進(jìn)行生態(tài)適宜性分析時(shí)，所構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包含了水域納污適宜性和排污口工程建設(shè)可行性兩個(gè)方面。水域納污適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具體指標(biāo)有：與環(huán)境功能區(qū)劃的一致度、與海洋環(huán)境保護(hù)法規(guī)定的一致度、允許混合區(qū)面積大小、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)；排污口工程建設(shè)可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具體指標(biāo)有：海岸沖淤情況、管道敷設(shè)長(zhǎng)度、污水入海方式、近20年5級(jí)以上地震次數(shù)、每年發(fā)生臺(tái)風(fēng)暴潮次數(shù)、排水管路徑上有無(wú)海底電纜、距海岸重要保護(hù)區(qū)距離、距旅游風(fēng)景區(qū)距離、距居民生活區(qū)距離、距海洋重要保護(hù)區(qū)距離、距重點(diǎn)漁業(yè)水域距離。
2入海排污口選址與方案比選
2.1入海排污口選址與方案比選的原則
入海排污口優(yōu)化選址應(yīng)按照可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略，注重海洋生態(tài)系統(tǒng)功能的維持與優(yōu)先發(fā)展，為居民生活環(huán)境改善與經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供良好的生態(tài)環(huán)境支持。首先，要考慮與環(huán)境功能區(qū)劃一致的原則，使排污口設(shè)置遠(yuǎn)離生態(tài)敏感區(qū)；其次，污染混合區(qū)面積大小是排污口選址布局的關(guān)鍵因素，通過(guò)對(duì)污染混合區(qū)面積大小進(jìn)行模擬來(lái)表征排污口附近水域?qū)ξ廴疚锏臄U(kuò)散降解能力，實(shí)現(xiàn)不僅能充分利用海域的稀釋擴(kuò)散與自凈能力，而且能有效保護(hù)生態(tài)敏感區(qū)域的目標(biāo)；再次，從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理的角度出發(fā)，考慮入海排污口的超標(biāo)排放對(duì)生態(tài)環(huán)境所造成的潛在威脅，將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)減少到最低限度，維護(hù)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定，保障和提高生態(tài)環(huán)境的安全度；最后，要考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行原則，充分論證排污口位置的變化及排放強(qiáng)度的約束而可能導(dǎo)致的收集與處理費(fèi)用的增加，尋求有效利用污染混合區(qū)范圍，節(jié)省污水收集與處理費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)[10-12]。
2.2入海排污口選址生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建
2.2.1水域納污適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
根據(jù)入海排污口選址與方案比選的目標(biāo)和原則，以及現(xiàn)行的排污口批復(fù)相關(guān)規(guī)定，確定水域納污適宜性分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見表1)，綜合污染污染混合區(qū)面積大小[2-6]、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)[7-8]、海洋功能區(qū)劃等限制因子，進(jìn)行排污口位置的確定。
2.2.2入海排污口工程建設(shè)可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
在排污口工程建設(shè)可行性分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，主要考慮到工程可行性和工程環(huán)境影響兩個(gè)評(píng)價(jià)要素，每層下面又有具體的限制因子，其評(píng)價(jià)指標(biāo)為11項(xiàng)，詳見表2。
表1 水域納污適宜性分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
表2 入海排污口工程建設(shè)可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
2.3入海排污口選址的生態(tài)適宜性分析
2.3.1入海排污口選址的生態(tài)適宜性分析步驟
(1) 確定研究對(duì)象與單元。根據(jù)研究目標(biāo)要求確定要分析的對(duì)象與研究單元，研究單元通常采用劃分網(wǎng)格的形式確定，每個(gè)網(wǎng)格作為一個(gè)基本的評(píng)價(jià)單元[12-14]。
(2) 選取評(píng)價(jià)因子及分級(jí)?？紤]差異性、主導(dǎo)性、綜合性、代表性，選取能全面反映研究對(duì)象狀況、具有當(dāng)?shù)靥厣遗c評(píng)價(jià)目標(biāo)密切相關(guān)的因素作為評(píng)價(jià)因子，即為構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中準(zhǔn)則層、指標(biāo)層中所列要素，并在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)規(guī)定，采用適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)則，對(duì)評(píng)價(jià)單元的評(píng)價(jià)因子按照指標(biāo)體系評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分分級(jí)，分為適宜、基本適宜和不適宜三個(gè)級(jí)別，對(duì)應(yīng)的評(píng)分分值為3分、2分、1分[15]。
(3) 分析單因子適宜性。確定各個(gè)研究單元中各單因子適宜性分布[16]，并用如下公式表示：
(4) 確定各單因子的權(quán)重值。在對(duì)入海排污口優(yōu)化選址進(jìn)行適宜性分析時(shí)，單因子指標(biāo)權(quán)重采用層次分析法[16]來(lái)確定。首先建立層次結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)同一層次的各項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)重要性程度，針對(duì)上一層的準(zhǔn)則構(gòu)造判斷矩陣，重要性判斷結(jié)果的量化通常采用1～9標(biāo)度，采用專家評(píng)分法可得到判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，各單級(jí)具體指標(biāo)的權(quán)重即為判斷矩陣的最大特征根對(duì)應(yīng)的特征向量；然后將各級(jí)指標(biāo)單級(jí)權(quán)重連乘，得各項(xiàng)細(xì)分指標(biāo)的綜合權(quán)重[17-18]；最后得到單因子的權(quán)重向量Wk。
(5)綜合分析排污口適宜性。通過(guò)綜合加權(quán)可計(jì)算得到研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格的適宜性強(qiáng)度：
式中:V為研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格的適宜性強(qiáng)度分布；bij為研究區(qū)域中第ij個(gè)網(wǎng)格的適宜性強(qiáng)度。
2.3.2入海排污口選址生態(tài)適宜性分析結(jié)構(gòu)模型
設(shè)總目標(biāo)層為M，二級(jí)目標(biāo)層為A，準(zhǔn)則層為B，指標(biāo)層為C，構(gòu)建入海排污口選址生態(tài)適宜性分析結(jié)構(gòu)模型，并采用層次分析法[18]確定各指標(biāo)權(quán)重，見圖1。
圖1 入海排污口選址生態(tài)適宜性分析結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Hierarchy model of ecosystem suitability analysis for location of marine outfalls
2.3.3入海排污口選址生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)
由于各指標(biāo)對(duì)入海排污口選址的影響方式不同，所以對(duì)每個(gè)單因子指標(biāo)依據(jù)相應(yīng)的保護(hù)條例及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)，詳見表3。
表3 入海排污口選址生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)
注：允許混合區(qū)面積大小近區(qū)污染物模擬采用VisualPlumes軟件，模擬因子為CODCr，遠(yuǎn)區(qū)污染物彌散系數(shù)采用FVCOM模型的結(jié)果進(jìn)行校正;評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)參考《近岸海域環(huán)境功能管理辦法》、《2013年環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》、《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》、《城市基礎(chǔ)設(shè)施工程規(guī)劃實(shí)用手冊(cè)》以及相關(guān)風(fēng)景區(qū)保護(hù)條例、近岸水域的具體狀況及計(jì)算結(jié)果，按照指標(biāo)的大小劃分排污口選址的適宜程度。
2.4入海排污口選址與方案比選流程
入海排污口選址與方案優(yōu)化比選流程為(見圖2)：首先根據(jù)海岸地形特點(diǎn)、水深條件、水質(zhì)狀況、海流流速、敏感區(qū)分布特征等，確定預(yù)選排污海區(qū)；然后采用層次分析法確定各單因子的權(quán)重值；最后利用線性加權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)各個(gè)預(yù)選方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
圖2 入海排污口選址與方案優(yōu)化比選流程Fig.2 Site selection and scheme optimization process of marine outfalls
3案例——深圳近岸海域入海排污口選址生態(tài)適宜性分析與比選
3.1珠江河口及預(yù)選排污海區(qū)概況
3.1.1珠江河口水質(zhì)狀況
珠江河口附近海域主要污染物為無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽和石油類。其中，無(wú)機(jī)氮含量均超過(guò)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097—1997)第四類水平；活性磷酸鹽含量處于《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》第四類或劣四類水平；局部海域石油類含量處于《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》第三類水平；其他指標(biāo)處于《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》第一類或第二類水平。
2013年對(duì)珠江口入海污染物監(jiān)測(cè)顯示，由珠江八大口門徑流攜帶入海主要污染物的總量為93.06萬(wàn)t。其中，化學(xué)需氧量53.62萬(wàn)t，約占總量的57.62%；氨氮(以氮計(jì))1.50萬(wàn)t，約占總量的1.62%；硝酸鹽氮(以氮計(jì))31.89萬(wàn)t，約占總量的34.27%；亞硝酸鹽氮(以氮計(jì))2.57萬(wàn)t，約占總量的2.76%；總磷(以磷計(jì))2.01萬(wàn)t，約占總量的2.17%；石油類1.13萬(wàn)t，約占1.21%；重金屬0.3萬(wàn)t和砷0.045萬(wàn)t，共占0.35%。
近十年來(lái)珠江口生態(tài)監(jiān)控區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多數(shù)處于不健康狀況，浮游植物種類多樣性指數(shù)和均勻度水平較差，浮游動(dòng)物個(gè)體數(shù)量、生物量和多樣性指數(shù)近年來(lái)有下降趨勢(shì)。珠江口生態(tài)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題是受陸源排污及海上污染雙重影響，水質(zhì)的富營(yíng)養(yǎng)化狀況尚無(wú)改善，生物群落狀況不樂(lè)觀，漁業(yè)資源衰退，濕地退化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，環(huán)境調(diào)控和修復(fù)的速度嚴(yán)重滯后。目前珠江口已成為我國(guó)船舶溢油的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和赤潮多發(fā)區(qū)，整個(gè)河口生態(tài)系統(tǒng)承受的壓力仍在增大。
3.1.2預(yù)選排污海區(qū)概況
本案例選取深圳寶安區(qū)固戌污水處理廠進(jìn)行研究。固戍污水處理廠工程總投資2.7億元，規(guī)劃建設(shè)面積約31.67×104m2，一期設(shè)計(jì)規(guī)模為24萬(wàn)t/d，采用改良A2/O二級(jí)生化處理工藝，出水可達(dá)到國(guó)家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，附近水質(zhì)控制達(dá)到《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(CODCr值為4mg/L)。
本次研究中，根據(jù)海岸地形特點(diǎn)、水深條件、水質(zhì)狀況、水流流速、敏感區(qū)分布特征等，確定了7個(gè)預(yù)選排污海區(qū)，預(yù)選排污海區(qū)的地理位置、環(huán)境條件和資源分布詳見圖3和表4。
圖3 預(yù)選排污海區(qū)地理位置及污水處理廠周圍水深Fig.3 Pre-selected sewage discharge areas and depth around sewage treatment plants
3.2排污口選址生態(tài)適宜性分析
對(duì)該排污口選址生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算后，依據(jù)權(quán)重計(jì)算結(jié)果對(duì)總目標(biāo)7個(gè)預(yù)選排污海區(qū)的定量選擇基準(zhǔn)進(jìn)行確定，得出7個(gè)預(yù)選排污海區(qū)方案評(píng)分值見表5。
排污海區(qū)適宜性強(qiáng)度計(jì)算如下：
表4 預(yù)選排污海區(qū)位置、環(huán)境條件和資源分布
說(shuō)明：海岸地形特點(diǎn)、濕地分布、風(fēng)景名勝區(qū)、漁業(yè)水產(chǎn)資源等分布情況來(lái)自廣東省農(nóng)業(yè)規(guī)劃局和《2013年廣東省環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》；水質(zhì)狀況、水流流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自當(dāng)?shù)丨h(huán)保局。
表5 各預(yù)選排污海區(qū)方案評(píng)分值
由上述計(jì)算結(jié)果可知，A區(qū)、B區(qū)C區(qū)、D區(qū)、E區(qū)、F區(qū)、G區(qū)的生態(tài)適宜性強(qiáng)度分別為2.916 2、2.887 5、2.918 6、2.931 1、2.822 2、2.933 2、2.916 7，7個(gè)預(yù)選排污海區(qū)生態(tài)適宜性強(qiáng)度大小排序?yàn)椋篎區(qū)>D區(qū)>C區(qū)>G區(qū)>A區(qū)>B區(qū)>E區(qū)。
3.3排污海區(qū)比選
通過(guò)對(duì)7個(gè)排污海區(qū)的生態(tài)適宜性進(jìn)行分析可知：A區(qū)離污水處理廠距離較近，屬于近岸排放，排污管道工程投資成本較小，但是該區(qū)水深約為3m，水深較淺、水流流速較小，導(dǎo)致水的稀釋擴(kuò)散能力較差，而且A區(qū)又離岸邊生活區(qū)較近，將對(duì)珠江口深圳海域的環(huán)境造成較大影響，所以A區(qū)不適宜建設(shè)排污口；B、C、D三區(qū)水深約為5m左右，水的稀釋擴(kuò)散能力相比海岸附近較好，就對(duì)敏感區(qū)域影響而言，以D區(qū)最優(yōu)，其次是C區(qū)，但B區(qū)不適宜；E、F、G區(qū)同處于10m左右的水深范圍內(nèi)，稀釋能力相差不大，E區(qū)離小鏟島附近的幼魚幼蝦保護(hù)區(qū)較近，污水在E區(qū)排放會(huì)對(duì)附近水域的漁業(yè)水產(chǎn)資源造成一定的威脅，而且該區(qū)距離污水處理廠約3.7km，排污管線耗資大，又處于灣口航道區(qū)，因此不適宜建設(shè)排污口，而F、G區(qū)離敏感區(qū)域較遠(yuǎn)，相比之下，F(xiàn)區(qū)排污管道長(zhǎng)度較G區(qū)短，其耗資較少。
綜上所述，深圳珠江口沿岸固戌污水處理廠的污水不適宜岸邊排放，應(yīng)當(dāng)通過(guò)海底管道將排污口設(shè)置在深海，當(dāng)排污位置選在F區(qū)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三個(gè)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
4結(jié)論
深圳珠江口水域面積達(dá)8 000km2，污水排海位置選擇不可能涉及每一處海區(qū)，應(yīng)該采取先定性預(yù)選后定量計(jì)算的決策方法。首先根據(jù)海岸地形特點(diǎn)、水深條件、水質(zhì)狀況、敏感區(qū)分布特征等，確定7個(gè)預(yù)選排污海區(qū)；然后通過(guò)所構(gòu)建的入海排污口選址生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從水域和陸域兩方面對(duì)水域納污適宜性和入海排污口工程建設(shè)的可行性進(jìn)行分析；最后采用生態(tài)適宜性方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定最佳排污海域的位置。通過(guò)定性和定量的優(yōu)化選擇，可實(shí)現(xiàn)水、陸、岸統(tǒng)籌考慮，將中觀尺度的適宜性分析與微觀尺度的精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模擬有機(jī)結(jié)合，將局部改善與整體優(yōu)化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)排污口選址與排放方案的比選。
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Ecology Suitability Evaluation and Comparison for the LocationofMarineOutfalls—ACaseStudyofCoastalAreasinShenzhenCity
SHIHong1,2,ZHAIYanan1,2,LIYuan1,2,HAIReti1,2,LIURui1,2
(1.School of Chemical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;2.Engineering Research Center of Environment Material for Water Purification,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)
Abstract:The location of marine outfalls plays a vital role in protecting marine environment resources and maintaining marine ecosystem security.Considering regional characteristics of coastal water,on the basis of extensive consultation and investigation,this paper first identifies the factors affecting the location.Then,based on suitability evaluation of sewage assimilation of water areas and feasibility evaluation of outfall construction,the paper constructs the evaluation index system of ecology suitability of marine outfalls location,and choses analytic hierarchy process (AHP) to decide the weights of the eco-suitability indices.Next,the paper proposes the eco-suitability method for comprehensive evaluation.Finally,the paper takes Shenzhen GU-Xu sewage treatment plant as a case study,determines the optimal locations of marine outfalls through computational analysis.The research can provide technical and decision-making support for the selection of the marine outfalls,and has great significance for scientifically developing marine environmental management.
Key words:location of marine outfalls；decision-making model；ecology suitability evaluation；scheme comparison
文章編號(hào)：1671-1556(2016)03-0075-08
收稿日期：2015-08-20修回日期：2016-01-18
基金項(xiàng)目：環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201309006)
作者簡(jiǎn)介：石紅(1990—)，女，碩士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué)與工程。E-mail:shihong3452@163.com
中圖分類號(hào)：X826
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.013
通訊作者：李媛(1980—)，女，副教授，主要從事環(huán)境科學(xué)與工程方面的研究。E-mail：yuanli@mail.buct.edu.cn
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石 紅，翟雅男,李 媛，海熱提，劉 睿
(1.北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029;2.北京化工大學(xué)北京市水處理環(huán)保材料工程技術(shù)研究中心，北京 100029)
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入海排污口選址生態(tài)適宜性分析與比選研究
——以深圳近岸海域?yàn)槔?/p>
石紅1,2，翟雅男1,2,李媛1,2，海熱提1,2，劉睿1,2
(1.北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029;2.北京化工大學(xué)北京市水處理環(huán)保材料工程技術(shù)研究中心，北京 100029)
摘要：入海排污口選址和方案比選對(duì)保護(hù)海洋環(huán)境資源，維護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)安全起著非常重要的作用。針對(duì)近岸海域的區(qū)域特點(diǎn)，在廣泛咨詢與調(diào)研的基礎(chǔ)上，辨析入海排污口選址的影響要素，從水域納污適宜性和排污口工程建設(shè)可行性兩方面構(gòu)建入海排污口選址的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；通過(guò)專家咨詢與層次分析法相結(jié)合的方式確定單因子的權(quán)重，并采用生態(tài)適宜性方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；最后以深圳固戌污水處理廠為研究對(duì)象，通過(guò)計(jì)算分析確定其最優(yōu)的入海排污口位置。該研究可為入海排污口的選址提供技術(shù)與決策支持，對(duì)于科學(xué)地開展海洋環(huán)境管理具有重大意義。
關(guān)鍵詞：入海排污口選址；決策模型；適宜性分析；方案比選
改革開放以來(lái)，我國(guó)沿海地區(qū)成為了社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和人口不斷積聚的熱點(diǎn)地區(qū)，市政生活污水、水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)廢水、各類工業(yè)廢水及港口交通設(shè)施廢水大量產(chǎn)生，最終都排入附近海域，給近岸海域環(huán)境帶來(lái)巨大壓力。據(jù)《2013年中國(guó)海洋環(huán)境狀況公報(bào)》統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示[1]，2013年我國(guó)符合第二類、第三類和第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的海域面積分別為47 160km2、36 490km2和15 630km2，劣于第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的海域面積為44 340km2，其中入海直排源的貢獻(xiàn)不可小視；2013年實(shí)施監(jiān)測(cè)的431個(gè)陸源入海排污口中，工業(yè)排污口占34%，市政排污口占38%，排污河占23%，其他類排污口占5%；3月、5月、8月和10月入海排污口達(dá)標(biāo)排放比率分別為47%、49%、54%和52%，全年入海排污口的達(dá)標(biāo)排放次數(shù)占監(jiān)測(cè)總次數(shù)的50%。由于排污口設(shè)置論證缺乏統(tǒng)一的科學(xué)方法，審批和監(jiān)管缺乏嚴(yán)格的依據(jù)，導(dǎo)致一些排污口設(shè)置不盡合理，混合區(qū)范圍和入海污染物總量的控制也不夠嚴(yán)格，有的排污口污染物遷移擴(kuò)散不佳，有的距離敏感點(diǎn)太近，正常情況下則會(huì)引起污染問(wèn)題，而一旦發(fā)生事故，更會(huì)釀成嚴(yán)重危害。
目前，我國(guó)在入海排污口選址的問(wèn)題上尚未形成一套完整的技術(shù)方案，眾多學(xué)者對(duì)排污口選址問(wèn)題進(jìn)行的研究也僅僅是針對(duì)某一具體排污工程展開，并不具備區(qū)域的普適性。本文針對(duì)近海域的區(qū)域特點(diǎn)，在廣泛咨詢與調(diào)研的基礎(chǔ)上，辨析入海排污口選址的影響要素，首次構(gòu)建了以水域納污適宜性和入海排污口工程建設(shè)可行性為基礎(chǔ)的入海排污口選址生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并采用層次分析法與生態(tài)適宜性方法相結(jié)合的多目標(biāo)決策模型，綜合考慮了海洋動(dòng)力、擴(kuò)散能力、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、工程造價(jià)與安全等要素的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各預(yù)選方案的優(yōu)劣排序，確定最佳的排污口比選方案。本研究豐富了入海排污口比選的研究思路與方法，可為排污口選址提供技術(shù)與決策支持。
1入海排污口選址的影響要素
1.1水域納污適宜性分析
1.1.1排污混合區(qū)
排污混合區(qū)(也稱污染混合區(qū))，是指污水排放口附近不滿足受納水體功能所要求的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的空間區(qū)域，即環(huán)境管理中認(rèn)可的污水排放口附近的允許超標(biāo)區(qū)，一旦該區(qū)域范圍確定下來(lái)，一個(gè)排放口的污染物最大允許排放量也就確定了。
針對(duì)入海排污口污染混合區(qū)的面積大小和范圍的確定問(wèn)題，目前學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，如周富春等[2]采用二維水質(zhì)模型，基于概化的數(shù)值區(qū)域，對(duì)污染混合區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究重慶主城兩江匯流口污染混合區(qū)變化規(guī)律，結(jié)果表明污染混合區(qū)范圍基本與排污負(fù)荷成正比；陳永燦等[3]采用量綱分析-數(shù)據(jù)擬合方法計(jì)算重慶江段桃花溪排污口的污染混合區(qū)范圍，并對(duì)其特性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示污染混合區(qū)范圍隨排污口排污負(fù)荷增大而增大，彎道外側(cè)、漸縮江段處排污口的污染混合區(qū)范圍比順直河段處排污口要小；王征等[4]采用三維數(shù)值模型EFDC對(duì)研究區(qū)域內(nèi)污染物的超標(biāo)面積進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明支流回水區(qū)內(nèi)排污口的混合區(qū)面積比干流河段處排污口要大，順直江段處的排污口的混合區(qū)面積較彎段內(nèi)側(cè)處排污口要小，排污口應(yīng)選在流速和水深較大的順直河段，避免選擇支流回水區(qū)；劉昭偉等[5]采用斜分層有限元模型計(jì)算了龍寶河和苧溪河排污口附近水域的混合區(qū)范圍，分析了水位流速、蓄水前后排污口的位置等影響因素，結(jié)果表明排污口所處位置不同，即使在排污負(fù)荷相同的情況下，形成污染混合區(qū)的范圍相差仍然很大；江春波等[6]計(jì)算了長(zhǎng)江三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)主要城市排污口與重要支流匯流口附近污染水域的混合區(qū)范圍,結(jié)果表明當(dāng)蓄水后，水面隨著水位上升變寬，流速減小，污染物的輸送擴(kuò)散能力減小，當(dāng)排污負(fù)荷不變時(shí)，水流流速與混合區(qū)大小成反比。
從以上研究中可見，污染混合區(qū)的面積大小和范圍與排污口位置、污水流量、污染物濃度、平均流速、平均水深、橫向擴(kuò)散系數(shù)、背景濃度等因素有著重要的關(guān)系，此外污染混合區(qū)范圍也取決于總量控制目標(biāo)、功能區(qū)敏感目標(biāo)和綜合管理目標(biāo)等條件。污染混合區(qū)范圍隨著排污負(fù)荷增加而逐漸增大，污染混合區(qū)長(zhǎng)度與排污負(fù)荷基本成正比，其寬度與排污負(fù)荷也有著相同的增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此，采用污染混合區(qū)面積大小表征排污口附近水域?qū)ξ廴疚锏臄U(kuò)散降解能力，對(duì)指導(dǎo)岸邊排污口的設(shè)計(jì)、排污負(fù)荷的控制有著重要意義。
1.1.2生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)
近岸海域不僅面臨由傳統(tǒng)污染物引起的水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化和耗氧有機(jī)物污染等問(wèn)題，而且還面臨著近海水環(huán)境毒物污染，尤其是面臨有機(jī)毒物污染的挑戰(zhàn)[7]。因此，研究近岸海域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義，而導(dǎo)致近岸海域生態(tài)系統(tǒng)退化的風(fēng)險(xiǎn)主要為累積性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。
累積性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指自然及人類活動(dòng)中潛在的對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害的行為，通常是指具備持久的富集性的有毒有害污染物，通過(guò)常規(guī)、日常排放進(jìn)入到環(huán)境中，在環(huán)境介質(zhì)或生物介質(zhì)中長(zhǎng)期累積可能造成的對(duì)生態(tài)系統(tǒng)損害的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，累積性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指的是現(xiàn)有狀態(tài)(自然活動(dòng)和人類活動(dòng))對(duì)未來(lái)發(fā)展(人類健康和生態(tài)和諧)所可能產(chǎn)生的不利后果。累積性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)包含的內(nèi)容復(fù)雜，它是構(gòu)成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)，也是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的核心。通過(guò)整理相關(guān)資料可知，累積性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要由敏感/指示種生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、關(guān)鍵生物種群生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)來(lái)表示[8]。
1.2入海排污口工程建設(shè)的可行性分析
在進(jìn)行入海排污口的設(shè)置時(shí)，除了需要考慮水域的納污適宜性之外，排污口的工程建設(shè)可行性也是需要考慮的因素之一。
1.2.1工程可行性
對(duì)于污水的離岸排放問(wèn)題，目前的研究較少，僅有汪晨[9]以江蘇射陽(yáng)海域作為重點(diǎn)研究區(qū)域，研究了開敞海域離岸排污口的選劃技術(shù)與方法,認(rèn)為對(duì)開敞海域最佳離岸排污口的選劃，除了考慮海區(qū)的地形、水文條件外，還要考慮排海設(shè)施的建設(shè)成本、運(yùn)行維護(hù)安全以及污水排放對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境、敏感目標(biāo)的影響，并最終確定影響要素為工程可行性、工程環(huán)境影響兩方面。對(duì)排放管道和污水?dāng)U散器來(lái)說(shuō)，海床越穩(wěn)定，工程越安全；反之，若海床沖淤變化較為強(qiáng)烈，則可能對(duì)排污設(shè)施造成損害。排污設(shè)施在施工、運(yùn)營(yíng)期間存在著各種風(fēng)險(xiǎn)，包括海底地震、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，以及由輪船碰撞排污設(shè)施造成的損害，所以還需考慮污水排放設(shè)施的建設(shè)成本。因此，在工程可行性要素中，選取海床穩(wěn)定性、工程造價(jià)、工程風(fēng)險(xiǎn)作為工程可行性要素的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。
1.2.2工程環(huán)境影響
在排污口選址的生態(tài)環(huán)境要素限制條件中，可以從陸域和海域兩方面進(jìn)行分類。當(dāng)污水從排污口排放進(jìn)入海水之后，海域中的水生動(dòng)植物原有的生長(zhǎng)規(guī)律會(huì)受到一定的影響，當(dāng)排污量與水質(zhì)嚴(yán)重超出水生態(tài)的生存條件時(shí)，則會(huì)對(duì)水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞性的影響，因此在進(jìn)行排污口選址時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮滿足水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求，并對(duì)影響排污口選址的生態(tài)環(huán)境要素展開全面調(diào)查。對(duì)于陸域的生態(tài)環(huán)境影響要素，主要要考慮排污口的選址對(duì)陸域受保護(hù)的生態(tài)敏感區(qū)的影響，包括對(duì)海岸重要保護(hù)區(qū)、旅游風(fēng)景區(qū)以及居民生活區(qū)的影響；對(duì)于海域生態(tài)環(huán)境影響要素，則要考慮排污口的污水排放對(duì)重點(diǎn)漁業(yè)水域、海洋重要保護(hù)區(qū)的影響。因此，在對(duì)入海排污口選址進(jìn)行生態(tài)適宜性分析時(shí)，所構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包含了水域納污適宜性和排污口工程建設(shè)可行性兩個(gè)方面。水域納污適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具體指標(biāo)有：與環(huán)境功能區(qū)劃的一致度、與海洋環(huán)境保護(hù)法規(guī)定的一致度、允許混合區(qū)面積大小、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)；排污口工程建設(shè)可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具體指標(biāo)有：海岸沖淤情況、管道敷設(shè)長(zhǎng)度、污水入海方式、近20年5級(jí)以上地震次數(shù)、每年發(fā)生臺(tái)風(fēng)暴潮次數(shù)、排水管路徑上有無(wú)海底電纜、距海岸重要保護(hù)區(qū)距離、距旅游風(fēng)景區(qū)距離、距居民生活區(qū)距離、距海洋重要保護(hù)區(qū)距離、距重點(diǎn)漁業(yè)水域距離。
2入海排污口選址與方案比選
2.1入海排污口選址與方案比選的原則
入海排污口優(yōu)化選址應(yīng)按照可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略，注重海洋生態(tài)系統(tǒng)功能的維持與優(yōu)先發(fā)展，為居民生活環(huán)境改善與經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供良好的生態(tài)環(huán)境支持。首先，要考慮與環(huán)境功能區(qū)劃一致的原則，使排污口設(shè)置遠(yuǎn)離生態(tài)敏感區(qū)；其次，污染混合區(qū)面積大小是排污口選址布局的關(guān)鍵因素，通過(guò)對(duì)污染混合區(qū)面積大小進(jìn)行模擬來(lái)表征排污口附近水域?qū)ξ廴疚锏臄U(kuò)散降解能力，實(shí)現(xiàn)不僅能充分利用海域的稀釋擴(kuò)散與自凈能力，而且能有效保護(hù)生態(tài)敏感區(qū)域的目標(biāo)；再次，從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理的角度出發(fā)，考慮入海排污口的超標(biāo)排放對(duì)生態(tài)環(huán)境所造成的潛在威脅，將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)減少到最低限度，維護(hù)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定，保障和提高生態(tài)環(huán)境的安全度；最后，要考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行原則，充分論證排污口位置的變化及排放強(qiáng)度的約束而可能導(dǎo)致的收集與處理費(fèi)用的增加，尋求有效利用污染混合區(qū)范圍，節(jié)省污水收集與處理費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)[10-12]。
2.2入海排污口選址生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建
2.2.1水域納污適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
根據(jù)入海排污口選址與方案比選的目標(biāo)和原則，以及現(xiàn)行的排污口批復(fù)相關(guān)規(guī)定，確定水域納污適宜性分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見表1)，綜合污染污染混合區(qū)面積大小[2-6]、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)[7-8]、海洋功能區(qū)劃等限制因子，進(jìn)行排污口位置的確定。
2.2.2入海排污口工程建設(shè)可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
在排污口工程建設(shè)可行性分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，主要考慮到工程可行性和工程環(huán)境影響兩個(gè)評(píng)價(jià)要素，每層下面又有具體的限制因子，其評(píng)價(jià)指標(biāo)為11項(xiàng)，詳見表2。
表1 水域納污適宜性分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
表2 入海排污口工程建設(shè)可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
2.3入海排污口選址的生態(tài)適宜性分析
2.3.1入海排污口選址的生態(tài)適宜性分析步驟
(1) 確定研究對(duì)象與單元。根據(jù)研究目標(biāo)要求確定要分析的對(duì)象與研究單元，研究單元通常采用劃分網(wǎng)格的形式確定，每個(gè)網(wǎng)格作為一個(gè)基本的評(píng)價(jià)單元[12-14]。
(2) 選取評(píng)價(jià)因子及分級(jí)?？紤]差異性、主導(dǎo)性、綜合性、代表性，選取能全面反映研究對(duì)象狀況、具有當(dāng)?shù)靥厣遗c評(píng)價(jià)目標(biāo)密切相關(guān)的因素作為評(píng)價(jià)因子，即為構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中準(zhǔn)則層、指標(biāo)層中所列要素，并在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)規(guī)定，采用適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)則，對(duì)評(píng)價(jià)單元的評(píng)價(jià)因子按照指標(biāo)體系評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分分級(jí)，分為適宜、基本適宜和不適宜三個(gè)級(jí)別，對(duì)應(yīng)的評(píng)分分值為3分、2分、1分[15]。
(3) 分析單因子適宜性。確定各個(gè)研究單元中各單因子適宜性分布[16]，并用如下公式表示：
(4) 確定各單因子的權(quán)重值。在對(duì)入海排污口優(yōu)化選址進(jìn)行適宜性分析時(shí)，單因子指標(biāo)權(quán)重采用層次分析法[16]來(lái)確定。首先建立層次結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)同一層次的各項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)重要性程度，針對(duì)上一層的準(zhǔn)則構(gòu)造判斷矩陣，重要性判斷結(jié)果的量化通常采用1～9標(biāo)度，采用專家評(píng)分法可得到判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，各單級(jí)具體指標(biāo)的權(quán)重即為判斷矩陣的最大特征根對(duì)應(yīng)的特征向量；然后將各級(jí)指標(biāo)單級(jí)權(quán)重連乘，得各項(xiàng)細(xì)分指標(biāo)的綜合權(quán)重[17-18]；最后得到單因子的權(quán)重向量Wk。
(5)綜合分析排污口適宜性。通過(guò)綜合加權(quán)可計(jì)算得到研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格的適宜性強(qiáng)度：
式中:V為研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格的適宜性強(qiáng)度分布；bij為研究區(qū)域中第ij個(gè)網(wǎng)格的適宜性強(qiáng)度。
2.3.2入海排污口選址生態(tài)適宜性分析結(jié)構(gòu)模型
設(shè)總目標(biāo)層為M，二級(jí)目標(biāo)層為A，準(zhǔn)則層為B，指標(biāo)層為C，構(gòu)建入海排污口選址生態(tài)適宜性分析結(jié)構(gòu)模型，并采用層次分析法[18]確定各指標(biāo)權(quán)重，見圖1。
圖1 入海排污口選址生態(tài)適宜性分析結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Hierarchy model of ecosystem suitability analysis for location of marine outfalls
2.3.3入海排污口選址生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)
由于各指標(biāo)對(duì)入海排污口選址的影響方式不同，所以對(duì)每個(gè)單因子指標(biāo)依據(jù)相應(yīng)的保護(hù)條例及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)，詳見表3。
表3 入海排污口選址生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)
注：允許混合區(qū)面積大小近區(qū)污染物模擬采用VisualPlumes軟件，模擬因子為CODCr，遠(yuǎn)區(qū)污染物彌散系數(shù)采用FVCOM模型的結(jié)果進(jìn)行校正;評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)參考《近岸海域環(huán)境功能管理辦法》、《2013年環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》、《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》、《城市基礎(chǔ)設(shè)施工程規(guī)劃實(shí)用手冊(cè)》以及相關(guān)風(fēng)景區(qū)保護(hù)條例、近岸水域的具體狀況及計(jì)算結(jié)果，按照指標(biāo)的大小劃分排污口選址的適宜程度。
2.4入海排污口選址與方案比選流程
入海排污口選址與方案優(yōu)化比選流程為(見圖2)：首先根據(jù)海岸地形特點(diǎn)、水深條件、水質(zhì)狀況、海流流速、敏感區(qū)分布特征等，確定預(yù)選排污海區(qū)；然后采用層次分析法確定各單因子的權(quán)重值；最后利用線性加權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)各個(gè)預(yù)選方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
圖2 入海排污口選址與方案優(yōu)化比選流程Fig.2 Site selection and scheme optimization process of marine outfalls
3案例——深圳近岸海域入海排污口選址生態(tài)適宜性分析與比選
3.1珠江河口及預(yù)選排污海區(qū)概況
3.1.1珠江河口水質(zhì)狀況
珠江河口附近海域主要污染物為無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽和石油類。其中，無(wú)機(jī)氮含量均超過(guò)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097—1997)第四類水平；活性磷酸鹽含量處于《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》第四類或劣四類水平；局部海域石油類含量處于《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》第三類水平；其他指標(biāo)處于《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》第一類或第二類水平。
2013年對(duì)珠江口入海污染物監(jiān)測(cè)顯示，由珠江八大口門徑流攜帶入海主要污染物的總量為93.06萬(wàn)t。其中，化學(xué)需氧量53.62萬(wàn)t，約占總量的57.62%；氨氮(以氮計(jì))1.50萬(wàn)t，約占總量的1.62%；硝酸鹽氮(以氮計(jì))31.89萬(wàn)t，約占總量的34.27%；亞硝酸鹽氮(以氮計(jì))2.57萬(wàn)t，約占總量的2.76%；總磷(以磷計(jì))2.01萬(wàn)t，約占總量的2.17%；石油類1.13萬(wàn)t，約占1.21%；重金屬0.3萬(wàn)t和砷0.045萬(wàn)t，共占0.35%。
近十年來(lái)珠江口生態(tài)監(jiān)控區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多數(shù)處于不健康狀況，浮游植物種類多樣性指數(shù)和均勻度水平較差，浮游動(dòng)物個(gè)體數(shù)量、生物量和多樣性指數(shù)近年來(lái)有下降趨勢(shì)。珠江口生態(tài)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題是受陸源排污及海上污染雙重影響，水質(zhì)的富營(yíng)養(yǎng)化狀況尚無(wú)改善，生物群落狀況不樂(lè)觀，漁業(yè)資源衰退，濕地退化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，環(huán)境調(diào)控和修復(fù)的速度嚴(yán)重滯后。目前珠江口已成為我國(guó)船舶溢油的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和赤潮多發(fā)區(qū)，整個(gè)河口生態(tài)系統(tǒng)承受的壓力仍在增大。
3.1.2預(yù)選排污海區(qū)概況
本案例選取深圳寶安區(qū)固戌污水處理廠進(jìn)行研究。固戍污水處理廠工程總投資2.7億元，規(guī)劃建設(shè)面積約31.67×104m2，一期設(shè)計(jì)規(guī)模為24萬(wàn)t/d，采用改良A2/O二級(jí)生化處理工藝，出水可達(dá)到國(guó)家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，附近水質(zhì)控制達(dá)到《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(CODCr值為4mg/L)。
本次研究中，根據(jù)海岸地形特點(diǎn)、水深條件、水質(zhì)狀況、水流流速、敏感區(qū)分布特征等，確定了7個(gè)預(yù)選排污海區(qū)，預(yù)選排污海區(qū)的地理位置、環(huán)境條件和資源分布詳見圖3和表4。
圖3 預(yù)選排污海區(qū)地理位置及污水處理廠周圍水深Fig.3 Pre-selected sewage discharge areas and depth around sewage treatment plants
3.2排污口選址生態(tài)適宜性分析
對(duì)該排污口選址生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算后，依據(jù)權(quán)重計(jì)算結(jié)果對(duì)總目標(biāo)7個(gè)預(yù)選排污海區(qū)的定量選擇基準(zhǔn)進(jìn)行確定，得出7個(gè)預(yù)選排污海區(qū)方案評(píng)分值見表5。
排污海區(qū)適宜性強(qiáng)度計(jì)算如下：
表4 預(yù)選排污海區(qū)位置、環(huán)境條件和資源分布
說(shuō)明：海岸地形特點(diǎn)、濕地分布、風(fēng)景名勝區(qū)、漁業(yè)水產(chǎn)資源等分布情況來(lái)自廣東省農(nóng)業(yè)規(guī)劃局和《2013年廣東省環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》；水質(zhì)狀況、水流流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自當(dāng)?shù)丨h(huán)保局。
表5 各預(yù)選排污海區(qū)方案評(píng)分值
由上述計(jì)算結(jié)果可知，A區(qū)、B區(qū)C區(qū)、D區(qū)、E區(qū)、F區(qū)、G區(qū)的生態(tài)適宜性強(qiáng)度分別為2.916 2、2.887 5、2.918 6、2.931 1、2.822 2、2.933 2、2.916 7，7個(gè)預(yù)選排污海區(qū)生態(tài)適宜性強(qiáng)度大小排序?yàn)椋篎區(qū)>D區(qū)>C區(qū)>G區(qū)>A區(qū)>B區(qū)>E區(qū)。
3.3排污海區(qū)比選
通過(guò)對(duì)7個(gè)排污海區(qū)的生態(tài)適宜性進(jìn)行分析可知：A區(qū)離污水處理廠距離較近，屬于近岸排放，排污管道工程投資成本較小，但是該區(qū)水深約為3m，水深較淺、水流流速較小，導(dǎo)致水的稀釋擴(kuò)散能力較差，而且A區(qū)又離岸邊生活區(qū)較近，將對(duì)珠江口深圳海域的環(huán)境造成較大影響，所以A區(qū)不適宜建設(shè)排污口；B、C、D三區(qū)水深約為5m左右，水的稀釋擴(kuò)散能力相比海岸附近較好，就對(duì)敏感區(qū)域影響而言，以D區(qū)最優(yōu)，其次是C區(qū)，但B區(qū)不適宜；E、F、G區(qū)同處于10m左右的水深范圍內(nèi)，稀釋能力相差不大，E區(qū)離小鏟島附近的幼魚幼蝦保護(hù)區(qū)較近，污水在E區(qū)排放會(huì)對(duì)附近水域的漁業(yè)水產(chǎn)資源造成一定的威脅，而且該區(qū)距離污水處理廠約3.7km，排污管線耗資大，又處于灣口航道區(qū)，因此不適宜建設(shè)排污口，而F、G區(qū)離敏感區(qū)域較遠(yuǎn)，相比之下，F(xiàn)區(qū)排污管道長(zhǎng)度較G區(qū)短，其耗資較少。
綜上所述，深圳珠江口沿岸固戌污水處理廠的污水不適宜岸邊排放，應(yīng)當(dāng)通過(guò)海底管道將排污口設(shè)置在深海，當(dāng)排污位置選在F區(qū)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三個(gè)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
4結(jié)論
深圳珠江口水域面積達(dá)8 000km2，污水排海位置選擇不可能涉及每一處海區(qū)，應(yīng)該采取先定性預(yù)選后定量計(jì)算的決策方法。首先根據(jù)海岸地形特點(diǎn)、水深條件、水質(zhì)狀況、敏感區(qū)分布特征等，確定7個(gè)預(yù)選排污海區(qū)；然后通過(guò)所構(gòu)建的入海排污口選址生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從水域和陸域兩方面對(duì)水域納污適宜性和入海排污口工程建設(shè)的可行性進(jìn)行分析；最后采用生態(tài)適宜性方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定最佳排污海域的位置。通過(guò)定性和定量的優(yōu)化選擇，可實(shí)現(xiàn)水、陸、岸統(tǒng)籌考慮，將中觀尺度的適宜性分析與微觀尺度的精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模擬有機(jī)結(jié)合，將局部改善與整體優(yōu)化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)排污口選址與排放方案的比選。
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Ecology Suitability Evaluation and Comparison for the LocationofMarineOutfalls—ACaseStudyofCoastalAreasinShenzhenCity
SHIHong1,2,ZHAIYanan1,2,LIYuan1,2,HAIReti1,2,LIURui1,2
(1.School of Chemical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;2.Engineering Research Center of Environment Material for Water Purification,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)
Abstract:The location of marine outfalls plays a vital role in protecting marine environment resources and maintaining marine ecosystem security.Considering regional characteristics of coastal water,on the basis of extensive consultation and investigation,this paper first identifies the factors affecting the location.Then,based on suitability evaluation of sewage assimilation of water areas and feasibility evaluation of outfall construction,the paper constructs the evaluation index system of ecology suitability of marine outfalls location,and choses analytic hierarchy process (AHP) to decide the weights of the eco-suitability indices.Next,the paper proposes the eco-suitability method for comprehensive evaluation.Finally,the paper takes Shenzhen GU-Xu sewage treatment plant as a case study,determines the optimal locations of marine outfalls through computational analysis.The research can provide technical and decision-making support for the selection of the marine outfalls,and has great significance for scientifically developing marine environmental management.
Key words:location of marine outfalls；decision-making model；ecology suitability evaluation；scheme comparison
文章編號(hào)：1671-1556(2016)03-0075-08
收稿日期：2015-08-20修回日期：2016-01-18
基金項(xiàng)目：環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201309006)
作者簡(jiǎn)介：石紅(1990—)，女，碩士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué)與工程。E-mail:shihong3452@163.com
中圖分類號(hào)：X826
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.013
通訊作者：李媛(1980—)，女，副教授，主要從事環(huán)境科學(xué)與工程方面的研究。E-mail：yuanli@mail.buct.edu.cn
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