基于海洋環(huán)境容量的入海排污口選址優(yōu)化研究*

黃華堅 周勁風(fēng)# 李 嵐 侯雪鵬 黃銳雄

(1.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.廣東中科環(huán)境科技發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510275；3.華南師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510006)

海灣是連接陸地和海洋的紐帶，是承載自然變化與人類活動的最重要區(qū)域之一。由于海灣地理環(huán)境相對封閉，水體交換和自凈能力較差，隨著沿海地區(qū)社會經(jīng)濟快速發(fā)展，陸域污染源對海灣生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響[1-5]。根據(jù)《2020年中國海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報》，我國已實施監(jiān)測的8個海灣生態(tài)系統(tǒng)中7個呈亞健康狀態(tài)，1個呈不健康狀態(tài)。海灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降與入海河流、直排海污染源均有密切關(guān)系[6-9]。

根據(jù)《海洋環(huán)境保護法》第30條，入海排污口位置的選擇應(yīng)當(dāng)符合海洋功能區(qū)劃、海水動力條件和有關(guān)規(guī)定；禁止在海洋自然保護區(qū)、重要漁業(yè)水域、海濱風(fēng)景名勝區(qū)和其他需要特別保護的區(qū)域新建排污口；有條件的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)將排污口深海設(shè)置，實行離岸排放。另外，國家、各地方也相繼出臺了入海排污口有關(guān)管理辦法?？傮w來講，目前我國已高度重視入海排污口的監(jiān)督管理，但相關(guān)法律法規(guī)及規(guī)定還比較宏觀，屬于一般性、方向性的指引，未形成詳細的技術(shù)規(guī)范。

目前，入海排污口選址研究中，主要針對特定的排污工程采用數(shù)值模型模擬，并以水質(zhì)目標(biāo)、納污海域影響范圍等為評價依據(jù)，從而確定最優(yōu)的排污口位置。NGUYEN等[10]采用MIKE21模型評估越南峴港市峴港灣3種水道出口方案，最終確定污水排放最佳方式為朝相反方向重建導(dǎo)流墻。KIM等[11]采用EFDC模型模擬了12個排水口場景，結(jié)果表明海底的離岸延伸排水口比海面的岸上排水口能更有效地降低海灘上污染物的濃度。LIU等[12]采用三維水動力和水質(zhì)模型對基隆港和鄰近海域海洋排水系統(tǒng)的最佳排水位置進行比選研究，建議選擇和平島東北部的位置。

為全面評估入海排污口選址的科學(xué)性，相關(guān)研究逐漸向多指標(biāo)評估發(fā)展。LI等[13]以一座工業(yè)廢水處理廠為例，構(gòu)建了包含2個類別、5個子類別和9個指標(biāo)的排污口選址評價指標(biāo)體系。WANG等[14]考慮了海洋環(huán)境容量和污水對海洋環(huán)境敏感區(qū)的影響，構(gòu)建了區(qū)域排污口評價方法。石紅等[15]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)適宜性評價指標(biāo)體系。

目前基于數(shù)值模型法的特定工程排污口選址研究缺乏對納污海域的整體性評估，忽略了環(huán)境風(fēng)險、工程經(jīng)濟以及對海洋環(huán)境敏感區(qū)的影響等重要因素；多指標(biāo)評估法考慮了不同方面因素的影響，但存在指標(biāo)過于復(fù)雜，針對性不強等問題。針對現(xiàn)有研究的不足，以納污海域環(huán)境容量為前提，以我國海洋環(huán)境保護法律法規(guī)、政策文件為主要依據(jù)，構(gòu)建入海排污口選址評價指標(biāo)體系，使入海排污口選址更有操作性。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 評價指標(biāo)

1.1.1 生態(tài)環(huán)境指標(biāo)

(1) 環(huán)境容量

海洋環(huán)境容量的大小與納污海域水文條件、水質(zhì)目標(biāo)、污染物理化特性等因素有關(guān)，入海排污口建設(shè)工程需充分考慮納污海域現(xiàn)有以及規(guī)劃入海排污情況，以環(huán)境容量為基礎(chǔ)，科學(xué)地開展排污口選址，以實現(xiàn)海域整體水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)好轉(zhuǎn)。本研究環(huán)境容量指標(biāo)采用環(huán)境容量利用率進行評價，即按工程排放的主要污染物排放量與所選站位環(huán)境容量的占比的最大值進行等級分配，參考文獻[14]確定環(huán)境容量利用率的分級。

(2) 入海方式

根據(jù)《海洋環(huán)境保護法》，在有條件的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)將排污口深海設(shè)置，實行離岸排放。根據(jù)《污水海洋處置工程污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18486—2001)，擴散器起點離低潮線應(yīng)至少達200.0 m。因此本研究入海方式評價指標(biāo)分為離岸排放和岸邊排放。

(3) 對海洋功能區(qū)的影響程度

根據(jù)《海洋環(huán)境保護法》，設(shè)置陸源污染物深海離岸排放排污口，應(yīng)當(dāng)根據(jù)海洋功能區(qū)劃、海水動力條件等有關(guān)情況確定。本研究海洋功能區(qū)的影響程度指標(biāo)采用工程排放的主要污染物對海洋功能區(qū)最大增值濃度占標(biāo)率的最大值進行評價，參考文獻[14]確定本研究海洋功能區(qū)影響程度的分級。

(4) 對海洋環(huán)境敏感區(qū)的影響程度

《海洋環(huán)境保護法》明確指出，在海洋自然保護區(qū)、重要漁業(yè)水域、海濱風(fēng)景名勝區(qū)和其他需要特別保護的區(qū)域，不得新建排污口。入海排污口選址應(yīng)盡量遠離海洋環(huán)境敏感區(qū)，降低對海洋環(huán)境敏感區(qū)的影響程度。本研究海洋環(huán)境敏感區(qū)的影響程度指標(biāo)采用工程排放的主要污染物對海洋環(huán)境敏感區(qū)最大增值濃度占標(biāo)率的最大值進行評價，參考《近岸海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價技術(shù)導(dǎo)則》(征求意見稿)中近岸海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化評價，確定本研究海洋環(huán)境敏感區(qū)影響程度的分級。

1.1.2 環(huán)境風(fēng)險指標(biāo)

(1) 海底沖淤強度

海床穩(wěn)定性對海底管線工程的安全性有較大程度的影響，在強背景沖淤海域，可能造成海底管線的出露、懸空、破損和變形等。本研究選取海底沖淤強度作為海床穩(wěn)定性的評價指標(biāo)，參考文獻[16]確定本研究海底沖淤強度的分級。

(2) 海洋開發(fā)利用情況

根據(jù)《鋪設(shè)海底電纜管道管理規(guī)定實施辦法》，入海排污口在選擇位置以及管道路由時，應(yīng)盡量避免穿越海底設(shè)施和其他海洋開發(fā)區(qū)。凡需在海底電纜、管道路由兩側(cè)各3 704.0 m(港內(nèi)為兩側(cè)各100.0 m)范圍內(nèi)從事可能危及海底電纜、管道安全和使用效能的作業(yè)的，應(yīng)事先與所有者協(xié)商并報經(jīng)主管機關(guān)批準(zhǔn)。根據(jù)《航道法》，新建、改建、擴建跨越、穿越航道的橋梁、隧道、管道、纜線等建筑物、構(gòu)筑物，應(yīng)當(dāng)符合航道通航要求。禁止在航道和航道保護范圍內(nèi)傾倒砂石、泥土、垃圾以及其他廢棄物。本研究將排污管道與海洋開發(fā)利用活動的位置關(guān)系作為評價指標(biāo)。

1.1.3 工程經(jīng)濟指標(biāo)

本研究采用入海管道敷設(shè)長度作為工程經(jīng)濟的評價指標(biāo)。翟雅男[17]對全國入海排污口，尤其是廣東、遼寧、江蘇、浙江、廣西和海南等省份進行了詳細調(diào)研，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，離岸距離在1 000.0 m以內(nèi)的排污口數(shù)量約占40%，5 000.0 m以內(nèi)的排污口數(shù)量約占67%。參考以上統(tǒng)計情況，確定本研究入海管道敷設(shè)長度的分級。

1.2 評分標(biāo)準(zhǔn)

在符合相關(guān)法律法規(guī)以及海洋功能區(qū)劃的前提下，根據(jù)上述評價指標(biāo)進行等級劃分和賦值，分別為較適宜、適宜、基本適宜和不適宜，對應(yīng)分值分別為4.0、3.0、2.0、1.0分，詳見表1。

表1 入海排污口選址評價指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria of the evaluation index for the site selection of marine outfalls

1.3 權(quán)重確定

采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，并邀請行業(yè)專家對各層次評價指標(biāo)的重要性進行判斷。經(jīng)計算及檢驗，最終得到各指標(biāo)的權(quán)重，詳見圖1。

圖1 入海排污口選址評價指標(biāo)及其權(quán)重Fig.1 Evaluation indexes and their weights for the site selection of marine outfalls

2 應(yīng)用實例

2.1 工程概況

某石化工業(yè)污水處理廠位于廣東珠海經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，擬采用排海方式處理尾水，污水處理廠處理規(guī)模為9.0×104m3/d，回用3.5×104m3/d，尾水排放規(guī)模為5.5×104m3/d。主要污染物為化學(xué)需氧量、石油類、氨氮、總磷和總氮等，排放許可限值分別為40.0、1.0、5.0、0.5、15.0 mg/L。根據(jù)污水處理廠建設(shè)位置，結(jié)合工程周邊海水水質(zhì)狀況、水動力擴散條件、功能區(qū)劃以及海域開發(fā)利用情況進行排污口位置初選，確定了3個初選點位，具體見圖2和表2。

圖2 污水處理廠入海排污口初選點位位置Fig.2 Preliminary sites of marine outfalls of the sewage treatment plant

表2 入海排污口初選點位空間信息Table 2 Spatial information of preliminary sites of marine outfalls

2.2 排污口選址評價

采用Mike21 FM模型對研究海域進行模擬，基于計算范圍內(nèi)常規(guī)水位站(高欄站)和3個水文測點的實測數(shù)據(jù)進行模型驗證。在構(gòu)建海洋水環(huán)境模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究海域海洋功能區(qū)劃、現(xiàn)有與規(guī)劃入海排污口設(shè)置、養(yǎng)殖水域灘涂規(guī)劃等情況，共設(shè)置了25個入海排污口(見圖3)以及262個水質(zhì)控制點。依據(jù)分區(qū)達標(biāo)法采用線性規(guī)劃模型求解研究海域的海洋環(huán)境容量。

圖3 模擬范圍與入海排污口設(shè)置Fig.3 Simulation range and setting of marine outfalls

經(jīng)環(huán)境容量計算、海洋功能區(qū)與海洋環(huán)境敏感區(qū)影響預(yù)測以及其他評價指標(biāo)計算，得到3個初選點位評分值，詳見表3。

表3 入海排污口初選點位評分結(jié)果Table 3 Scores for preliminary sites of marine outfalls

2.3 結(jié)果分析

經(jīng)對比分析，牛龍咀東南(3#)環(huán)境容量最小，對海洋環(huán)境敏感區(qū)水質(zhì)影響程度最大；南逕灣防波堤(2#)由于防波堤的阻隔作用，附近出現(xiàn)水流旋渦，污染物不容易擴散，形成高污染濃度帶，對排污口所在海洋功能區(qū)水質(zhì)影響程度最大，并且入海管道敷設(shè)距離最長；荷包島碼頭(1#)環(huán)境容量最大，對海洋環(huán)境敏感區(qū)水質(zhì)影響最小。3個入海排污口初選點位評分分別為4.0、3.7、3.4分，從環(huán)境/經(jīng)濟費用效益角度來看，荷包島碼頭(1#)>南逕灣防波堤(2#)>牛龍咀東南(3#)。

3 結(jié)論與展望

(1) 構(gòu)建了入海排污口選址評價指標(biāo)體系，并以珠海市某石化工業(yè)污水處理廠為例，對3個入海排污口初選點位從環(huán)境/經(jīng)濟費用效益角度做了優(yōu)化選擇，最終確定荷包島碼頭(1#)為最優(yōu)點位。

(2) 該研究首先考慮了納污海域環(huán)境容量，以整體環(huán)境容量最優(yōu)化為前提，同時在設(shè)置評價指標(biāo)時緊密結(jié)合了我國海洋環(huán)境保護法律法規(guī)、政策文件，使入海排污口選址有關(guān)規(guī)定更有操作性，為政府相關(guān)部門加強和規(guī)范入海排污口監(jiān)督管理提供技術(shù)支撐。

(3) 該研究尚存在一定的不足之處，工程技術(shù)方面的指標(biāo)相對簡化，今后的研究在有更多數(shù)據(jù)資料支撐的前提下應(yīng)增加更合理的指標(biāo)。另外，該研究尚缺乏對不同海洋功能區(qū)及海洋環(huán)境敏感區(qū)影響進行量化的經(jīng)濟分析，未把環(huán)境影響的經(jīng)濟量化結(jié)果納入優(yōu)化比選中。