入海排污口布局合理性評(píng)估與優(yōu)化技術(shù)研究?

張宇銘， 張淑芳， 韓成偉

(國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023)

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，沿海地區(qū)人口不斷聚集，城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，其負(fù)面效應(yīng)也日益凸顯，企業(yè)和生活污水的大量入海和海洋開(kāi)發(fā)力度的加大導(dǎo)致了近岸海洋環(huán)境壓力持續(xù)增加。根據(jù)《中華人民共和國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)法》第三十條規(guī)定，“入海排污口位置的選擇，應(yīng)當(dāng)根據(jù)海洋功能區(qū)劃、海水動(dòng)力條件及有關(guān)規(guī)定，經(jīng)科學(xué)論證后，報(bào)設(shè)區(qū)的市級(jí)以上人民政府環(huán)境保護(hù)行政主管部門審查批準(zhǔn)”。而現(xiàn)有諸多入海排污口布設(shè)時(shí)間較早，并未經(jīng)過(guò)科學(xué)論證。因此，對(duì)沿岸直接入海排污口進(jìn)行布局合理性評(píng)估并優(yōu)化，對(duì)于充分利用海洋物理自凈能力，保障海洋資源開(kāi)發(fā)利用的同時(shí)改善近岸海洋環(huán)境非常重要。

目前，對(duì)入海排污口選址適宜性或排污布局合理性評(píng)價(jià)主要采用兩種方法：一是基于水動(dòng)力數(shù)值模擬方法評(píng)估納污海域的水交換能力或納污能力[1-5]，并以此為依據(jù)對(duì)排污口布局合理性進(jìn)行評(píng)估。該方法的優(yōu)點(diǎn)是充分考慮了海洋水動(dòng)力條件對(duì)污染物擴(kuò)散的影響，更符合海洋實(shí)際情況。缺點(diǎn)是評(píng)價(jià)因子單一，忽略了海洋敏感功能區(qū)等其他要素在排污布局中的重要性；二是構(gòu)建基于多因子評(píng)估的排污口布局優(yōu)化方法[6-10]。與前一方法相比，該方法同時(shí)考慮了生態(tài)敏感區(qū)、工程穩(wěn)定性、工程風(fēng)險(xiǎn)和工程經(jīng)濟(jì)等多種要素對(duì)排污布局的影響，評(píng)價(jià)因子選取更為全面。然而，該方法由于評(píng)價(jià)因子眾多導(dǎo)致其對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求高，實(shí)用性和針對(duì)性較差，同時(shí)基于該方法的研究對(duì)于評(píng)價(jià)排污對(duì)敏感海洋功能區(qū)的影響主要以排污口到敏感功能區(qū)的直線距離作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，忽略了海水可流動(dòng)性的客觀事實(shí)，可能造成評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏科學(xué)性。

綜合考慮前人研究的優(yōu)點(diǎn)和不足，本文為滿足防治海洋污染的需要，以充分利用海洋物理自凈能力為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)建綜合考慮入海排污口鄰近海域水交換能力和排污對(duì)敏感海洋功能區(qū)環(huán)境影響的入海排污口布局合理性評(píng)估方法?？紤]到渤海灣灣頂海域承接了環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)和海河水系的大量污染，且海域水交換和自凈能力較差，海洋環(huán)境現(xiàn)狀不容樂(lè)觀。因此，本文以渤海灣灣頂海域?yàn)槔?，?yīng)用構(gòu)建的入海排污口布局合理性評(píng)估方法，對(duì)沿岸所調(diào)查的直接入海排污口進(jìn)行了布局合理性評(píng)估。

1 入海排污口布局合理性評(píng)估方法建立

1.1 評(píng)估指標(biāo)

根據(jù)《中華人民共和國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)法》第三十條規(guī)定，評(píng)判入海排污口空間布局科學(xué)合理的指標(biāo)應(yīng)包含兩個(gè)方面：一方面入海排污后需有利于污染物的稀釋擴(kuò)散；另一方面需注意減輕陸源污染物對(duì)海洋敏感功能區(qū)的影響。陸源污染物入海后的輸運(yùn)擴(kuò)散狀況主要取決于排污口鄰近海域的水交換能力，若排污口鄰近海域水動(dòng)力條件差，水交換能力弱，則污染物易于排污口鄰近海域堆積，從而加重局地海域的污染程度；若排污口鄰近海域水動(dòng)力條件好，水交換能力強(qiáng)，則污染物排海后可以快速向外輸運(yùn)擴(kuò)散，污染物濃度得以稀釋，從而緩解局地海域的污染狀況。但若在水動(dòng)力作用下大量陸源污染物向海洋生態(tài)保護(hù)區(qū)等水質(zhì)要求較高的海洋功能區(qū)輸運(yùn)，則易引發(fā)嚴(yán)重的海洋生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。因此，本文將用兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)估入海排污口的布局合理性：一是入海排污口鄰近海域水交換能力；二是入海排污對(duì)敏感海洋功能區(qū)的環(huán)境影響程度。

1.2 入海排污口鄰近海域水交換能力評(píng)估方法

本文中入海排污口鄰近海域水交換能力以采用拉格朗日粒子追蹤法[11-12]計(jì)算半交換時(shí)間[13]作為評(píng)判指標(biāo)。具體方法如下：首先，根據(jù)入海排污口的地理分布及鄰近海域水體輸運(yùn)狀況，將空間位置相鄰較近、對(duì)區(qū)域水質(zhì)影響具有累加效應(yīng)的入海排污口劃分為同一個(gè)排污分區(qū)，并假定分區(qū)內(nèi)污染物混合均勻，每個(gè)分區(qū)分別作為所含入海排污口鄰近海域水交換能力的評(píng)價(jià)區(qū)域；其次，基于三維水動(dòng)力數(shù)值模型和拉格朗日粒子追蹤模型，在各排污分區(qū)內(nèi)均勻釋放保守粒子，考察保守粒子在水動(dòng)力作用下的運(yùn)移狀況，進(jìn)一步計(jì)算排污分區(qū)的半交換時(shí)間，以表征入海排污口鄰近海域水交換能力，定義初始位于某分區(qū)的粒子在水動(dòng)力作用下輸運(yùn)50%至分區(qū)外部所用的時(shí)間為該分區(qū)的粒子半交換時(shí)間；最后，為了對(duì)各排污分區(qū)的水交換能力進(jìn)行分級(jí)排序，將各分區(qū)的粒子半交換時(shí)間從短到長(zhǎng)排列，按照每25%累積率來(lái)劃分，將各排污分區(qū)的水交換能力劃分為強(qiáng)、較強(qiáng)、較弱、弱4個(gè)等級(jí)。水交換能力等級(jí)評(píng)判方法見(jiàn)表1。

表1 水交換能力評(píng)估指標(biāo)Table 1 Evaluation criteria for water exchange ability

1.3 入海排污對(duì)敏感海洋功能區(qū)環(huán)境影響程度評(píng)估方法

由于海洋特別保護(hù)區(qū)、農(nóng)漁業(yè)區(qū)、濱海旅游區(qū)等海洋功能區(qū)對(duì)入海污染物較為敏感，水質(zhì)要求通常為一、二類，因此本文將需滿足一、二類水質(zhì)要求的海洋功能區(qū)統(tǒng)稱為敏感海洋功能區(qū)?；谌S水動(dòng)力模型和拉格朗日粒子追蹤法，在各排污分區(qū)內(nèi)釋放保守粒子來(lái)表征陸源污染物，并計(jì)算逐時(shí)刻粒子進(jìn)入各敏感海洋功能區(qū)內(nèi)的比例，以此來(lái)表征入海排污口在各時(shí)刻對(duì)各敏感海洋功能區(qū)的影響程度。當(dāng)計(jì)算時(shí)間足夠長(zhǎng)，入海污染物在輸移擴(kuò)散作用下離開(kāi)近岸海洋功能區(qū)范圍時(shí)，入海排污口對(duì)敏感海洋功能區(qū)的影響減小以至于可以忽略不計(jì)。以模型計(jì)算中粒子釋放時(shí)刻至計(jì)算時(shí)間足夠長(zhǎng)以至于大部分粒子離開(kāi)近岸海洋功能區(qū)范圍時(shí)刻的平均粒子比例表征各排污分區(qū)對(duì)敏感海洋功能區(qū)的環(huán)境影響程度，該比例越大，說(shuō)明排污分區(qū)內(nèi)釋放的污染物在敏感海洋功能區(qū)內(nèi)的滯留量越大，即對(duì)敏感海洋功能區(qū)可能造成的環(huán)境影響越大。按計(jì)算所得各排污分區(qū)在各敏感海洋功能區(qū)內(nèi)的平均粒子比例，將入海排污的環(huán)境影響劃分為4個(gè)等級(jí)，分別為小、較小、較大、大，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

1.4 排污布局合理性評(píng)估方法

從海洋環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，入海排污口鄰近海域水交換能力和排污對(duì)敏感海洋功能區(qū)的環(huán)境影響程度兩項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)重要性相當(dāng)，因此在評(píng)估排污布局合理性時(shí)取兩者權(quán)重相同，即排污布局合理性評(píng)估分值為水交換能力等級(jí)分值與敏感海洋功能區(qū)環(huán)境影響程度等級(jí)分值的等權(quán)重加和。

當(dāng)水交換能力等級(jí)為“弱”且敏感海洋功能區(qū)環(huán)境影響程度等級(jí)為“大”或“較大”時(shí)，或當(dāng)水交換能力等級(jí)為“較弱”且敏感海洋功能區(qū)環(huán)境影響程度等級(jí)為“大”時(shí)，說(shuō)明污染物入海后易在排污口鄰近海域堆積，且排污極易造成敏感海洋功能區(qū)的環(huán)境影響，說(shuō)明排污布局不合理，亟需進(jìn)行排污口空間布局的調(diào)整。當(dāng)水交換能力等級(jí)為“強(qiáng)”且敏感海洋功能區(qū)環(huán)境影響程度為“小”或“較小”時(shí)，或當(dāng)水交換能力等級(jí)為“較強(qiáng)”且敏感海洋功能區(qū)環(huán)境影響程度為“小”時(shí)，說(shuō)明污染物入海后能夠較為迅速地?cái)U(kuò)散，且擴(kuò)散過(guò)程中不易出現(xiàn)污染物在敏感海洋功能區(qū)堆積的情況，即排污布局合理。排污布局合理性評(píng)估方法見(jiàn)表3。

表2 排污環(huán)境影響等級(jí)評(píng)估指標(biāo)Table 2 Evaluation criteria for environmental effects of pollution

表3 排污布局合理性評(píng)估方法Table 3 Evaluation criteria for the suitability of drain outlets

2 評(píng)估方法應(yīng)用——以渤海灣灣頂海域?yàn)槔?/h2>

2.1 渤海灣三維水動(dòng)力模型的建立與率定

對(duì)入海排污口鄰近海域水交換能力和排污對(duì)敏感海洋功能區(qū)環(huán)境影響評(píng)估均建立在三維水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上。本文以區(qū)域海洋模式Regional Ocean Modeling System(ROMS)[14-17]為基礎(chǔ)，構(gòu)建渤海灣三維水動(dòng)力模型。模型岸線和水深地形數(shù)據(jù)來(lái)自于2014年5月止的最新版海圖，模擬區(qū)域的地形設(shè)置見(jiàn)圖1。模型網(wǎng)格采用曲線正交網(wǎng)格，分辨率為450～600 m，垂向采用S坐標(biāo)[18]，均勻分為10層。東邊界為開(kāi)邊界，其他均為閉邊界。選取了6個(gè)主要分潮(M2、S2、K1、O1、N2、Q1)的合成水位作為開(kāi)邊界條件，潮汐調(diào)和常數(shù)由國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心渤海大區(qū)三維水動(dòng)力模型提供[19]。海氣界面數(shù)據(jù)(包括風(fēng)應(yīng)力和海氣通量數(shù)據(jù)等)由NCEP再分析資料根據(jù)塊體公式[20]計(jì)算。模型初始場(chǎng)包括水位、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和鹽度場(chǎng)?？紤]到水位和流速在模型運(yùn)行過(guò)程中會(huì)迅速調(diào)整，因此初始條件中水位和流速均設(shè)置為0；溫度和鹽度的初始場(chǎng)取自《渤海、黃海、東海海洋圖集(水文分冊(cè))》[21]中的氣候態(tài)月平均的溫度和鹽度場(chǎng)。

數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)是很有吸引力的事，我們應(yīng)發(fā)揮其自身的魅力，通過(guò)理解算理、探索算法感受數(shù)學(xué)帶來(lái)的樂(lè)趣，激發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。小學(xué)生以形象思維為主，基于此，我們?cè)O(shè)計(jì)一些生活情境讓學(xué)生真正理解算理，由算理向算法過(guò)渡。

為了驗(yàn)證渤海灣三維水動(dòng)力模型模擬結(jié)果的可靠性，將模擬結(jié)果分別與該海域內(nèi)可獲得的水動(dòng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)分析。圖2為用于比對(duì)驗(yàn)證的水動(dòng)力實(shí)測(cè)站位分布圖。比對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)自2014年春季4個(gè)調(diào)查站位、夏季6個(gè)調(diào)查站位以及塘沽水文站，比對(duì)要素為水位、潮位、海流流速和流向。

圖1 渤海灣模型地形Fig.1 Bathymetry of the model of the Bohai Bay

本文采用相關(guān)系數(shù)、均方根誤差和技術(shù)評(píng)分[22-23]

三項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估數(shù)值模擬效果。相關(guān)系數(shù)用以評(píng)估數(shù)值模擬在趨勢(shì)上對(duì)于實(shí)際情況的反映能力；均方根誤差用以評(píng)估模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的差異性；技術(shù)評(píng)分用以評(píng)估數(shù)值模擬效果等級(jí)，其分級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4[22]。三項(xiàng)指標(biāo)的具體計(jì)算方法如下：

圖2 渤海灣灣頂海域?qū)崪y(cè)站位分布Fig.2 Location of monitoring sites on top of the Bohai Bay

相關(guān)系數(shù)CC(Correlation Coefficient)

CC=

(1)

均方根誤差RMSE(Root-Mean-Square Error)

RMSE=

(2)

技術(shù)評(píng)分SS(Skill Score)

(3)

渤海灣三維水動(dòng)力模型的模擬數(shù)據(jù)與海水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)結(jié)果見(jiàn)圖4和表5。可以看出，在數(shù)據(jù)量為23 239個(gè)的大樣本統(tǒng)計(jì)情況下，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)總體較高，均方根誤差較小，模擬效果技術(shù)等級(jí)為極好，說(shuō)明采用渤海灣三維水動(dòng)力模型模擬計(jì)算得到的海域水動(dòng)力場(chǎng)的可靠性較高，可以滿足渤海灣灣頂海域入海排污口布局合理性評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算需求。

表4 數(shù)值模型模擬效果技術(shù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Evaluation criteria for numerical modeling

圖3 模擬(黑線)與實(shí)測(cè)(紅線)水位對(duì)比圖Fig.3 The comparison between simulated (black line) water level and the observations (red line)

2.2 入海排污口分布現(xiàn)狀及排污分區(qū)劃分

根據(jù)2014年渤海灣灣頂海域入海排污口調(diào)查結(jié)果，沿岸有排污布局規(guī)劃需求的入海排污口共21個(gè)。為了便于評(píng)估現(xiàn)有入海排污口對(duì)環(huán)境的影響，根據(jù)排污分區(qū)劃分原則，將渤海灣灣頂海域共劃分為20個(gè)排污分區(qū)，分區(qū)外緣線取自岸線向海延伸5 km(見(jiàn)圖4)。其中分區(qū)Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ、Ⅹ、ⅩⅢ、ⅩⅣ、ⅩⅦ、ⅩⅩ內(nèi)目前暫無(wú)排污口，可作為排污布局優(yōu)化的備選分區(qū)。每個(gè)分區(qū)內(nèi)所包含的排污口情況詳見(jiàn)表6。

2.3 渤海灣灣頂海域入海排污口布局合理性評(píng)估結(jié)果

渤海灣灣頂海域需滿足二類水質(zhì)要求的海洋功能共有7個(gè)(見(jiàn)圖5)，由北向南依次為A：漢沽淺海生態(tài)系統(tǒng)海洋特別保護(hù)區(qū)、B：北塘濱海旅游休閑娛樂(lè)區(qū)、C：漢沽農(nóng)漁業(yè)區(qū)、D：高沙嶺旅游休閑娛樂(lè)區(qū)、E：天津東南部農(nóng)漁業(yè)區(qū)、F：大港濱海濕地海洋特別保護(hù)區(qū)、G：馬棚口農(nóng)漁業(yè)區(qū)。在進(jìn)行排污對(duì)敏感海洋功能區(qū)的環(huán)境影響評(píng)估時(shí)重點(diǎn)針對(duì)以上7個(gè)敏感海洋功能區(qū)。

采用渤海灣三維水動(dòng)力模型和粒子追蹤方法，計(jì)算得到各排污分區(qū)水交換能力和敏感海洋功能區(qū)環(huán)境影響程度，進(jìn)而評(píng)估現(xiàn)有入海排污口的布局合理性。渤海灣灣頂海域入海排污口均采用閘門控制排放量，夏季為主要排污時(shí)間，其他季節(jié)排污極少，因此僅對(duì)夏季進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算并進(jìn)行排污布局合理性評(píng)估。由于排污Ⅲ區(qū)外邊緣建有防波堤，口門很小，幾乎封閉，與外部水交換能力極弱，因此在數(shù)值模擬計(jì)算中將此港池區(qū)域視為全封閉區(qū)域，不參與計(jì)算。

表5 2014年模擬效果評(píng)估Table 5 Evaluation results of simulations in 2014

表6 排污分區(qū)與所含的入海排污口信息表Table 6 Pollution zones and their drain outlets

渤海灣灣頂海域入海排污口空間布局合理性評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表7和圖6。Ⅲ區(qū)較為封閉，難以與外海進(jìn)行水交換；Ⅴ區(qū)和Ⅵ區(qū)水交換能力均為較弱，且極易造成敏感海洋功能區(qū)(北塘濱海旅游休閑娛樂(lè)區(qū)和漢沽農(nóng)漁業(yè)區(qū))的污染，因此Ⅲ區(qū)、Ⅴ區(qū)和Ⅵ區(qū)排污布局均不合理。渤海灣灣頂海域共有2個(gè)入海排污口位于上述布局不合理區(qū)，分別為18號(hào)閘涵、19號(hào)閘涵(中心漁港)，需優(yōu)化空間布局；海濱浴場(chǎng)沉淀池排水閘、塘鹽揚(yáng)水站和新馬棚口村北排污口I等3個(gè)排污口位于布局合理區(qū)，在滿足達(dá)標(biāo)排放前提下無(wú)需進(jìn)行空間布局優(yōu)化；其余16個(gè)排污口位于布局較合理區(qū)，在適當(dāng)限制排污總量基礎(chǔ)上暫不需優(yōu)化位置。

圖4 渤海灣灣頂海域排污分區(qū)劃分Fig. 4 Pollution zones of the drain outlets on top of the Bohai Bay

圖5 渤海灣灣頂海域敏感海洋功能區(qū)分布Fig.5 Distribution of sensitive marine functional areas on top of the Bohai Bay

表7 渤海灣灣頂海域各排污分區(qū)排污布局合理性評(píng)估Table 7 The evaluation results of suitability of the pollution zones on top of the Bohai bay

Note:①Pollution zone；②Water exchange ability；③Evaluation of water exchange ability；④Environmental influences；⑤Evaluation of environmental influences；⑥Total score；⑦Suitability

圖6 渤海灣灣頂海域各排污分區(qū)排污布局合理性評(píng)估結(jié)果Fig.6 The evaluation results of suitability of the pollution zones on top of the Bohai Bay

3 結(jié)語(yǔ)

本文從近岸海洋環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，建立了入海排污口布局合理性評(píng)估方法。該評(píng)估方法以水動(dòng)力數(shù)值模擬技術(shù)中的拉格朗日粒子追蹤法為基礎(chǔ)，通過(guò)充分考慮水文動(dòng)力條件對(duì)入海污染物的輸運(yùn)擴(kuò)散作用，對(duì)入海排污口鄰近海域水交換能力和排污對(duì)敏感海洋功能區(qū)的環(huán)境影響程度兩項(xiàng)指標(biāo)分別進(jìn)行分級(jí)評(píng)估，進(jìn)而綜合評(píng)估入海排污口的布局合理性。

文中采用建立的評(píng)估方法對(duì)渤海灣灣頂海域入海排污口空間布局合理性進(jìn)行了評(píng)估。將該海域劃分為20個(gè)排污分區(qū)，對(duì)其中包含的21個(gè)入海排污口的布局合理性分別評(píng)估。結(jié)果表明，現(xiàn)有入海排污口中有2個(gè)排污口布設(shè)不合理，需優(yōu)化空間布局；3個(gè)排污口位于布局合理區(qū)，在滿足達(dá)標(biāo)排放前提下無(wú)需進(jìn)行空間布局優(yōu)化；16個(gè)排污口位于布局較合理區(qū)，在適當(dāng)限制排污總量基礎(chǔ)上暫不需優(yōu)化位置。

本文建立的入海排污口布局合理性評(píng)估方法是針對(duì)有限目標(biāo)的評(píng)估方法，重點(diǎn)考慮入海排污對(duì)海洋環(huán)境的影響因素，而不考慮經(jīng)濟(jì)成本、工程風(fēng)險(xiǎn)等其他非海洋因素的影響，主要適用于以改善和保護(hù)近岸海洋環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)的入海排污口布局評(píng)估，為科學(xué)論證區(qū)域入海排污口位置提供一種方法。

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