基于海洋保護需求的水質目標確定方法探討?
——以小清河為例

于曉霞, 梁金輝, 楊雪娜, 張啟超??, 李愛華, 梁生康

(1. 中國海洋大學, 山東 青島 266100; 2. 山東省生態(tài)環(huán)境規(guī)劃研究院, 山東 濟南 250101)

中國是陸地大國,也是海洋大國,擁有約470萬km2海域、1.4萬km海島岸線、1.8萬km大陸海岸線[1]。據(jù)統(tǒng)計測算,陸源排放對近岸海域的污染貢獻占80%以上,陸源污染排放是海洋污染的主要來源[2]。近岸海域陸域污染源包括入海河流及入海排污口,其中入海河流承載著上游各類污染物的匯入,對近岸海域水環(huán)境質量影響較大[3]?！笆奈濉睍r期,海洋生態(tài)環(huán)境保護要求構建“流域—河口—近海”污染防治的聯(lián)動機制,加強陸海協(xié)同共治。入海河流河口區(qū)作為地表水和海水混合區(qū)域,是陸海相互作用的過渡地帶,其中地表水執(zhí)行《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2002),近岸海域水體執(zhí)行《海水水質標準》(GB3097—1997),而兩套標準體系存有較大的差異[4]。

目前針對小清河的研究僅考慮水環(huán)境質量的評價和入海河口區(qū)的環(huán)境分析,并未開展小清河污染輸入與近岸海域水質超標的關聯(lián)性分析[5-7],已開展的入海河流對近岸海域水質的影響僅分析了河流的污染分擔率[8],對指導確定入海河流需達到的水質目標并無借鑒意義。因此,基于海洋保護需求對不同入海河流水質目標的確定,需合理地分析河口區(qū),研究制定入海河流河口區(qū)環(huán)境質量標準,構建陸海統(tǒng)籌銜接的標準體。本文通過構建小清河河口區(qū)水質數(shù)學模型并進行驗證,建立河海水質關聯(lián)關系,基于多情景分析,對設定河口混合區(qū)及不設定河口混合區(qū)兩種方案進行分析,研究提出入海河流水質目標確定的技術方法,為陸海統(tǒng)籌開展入海河流水質目標的確定提供參考。

1 入海河流河口區(qū)水環(huán)境質量標準銜接的矛盾

隨著我國水環(huán)境保護工作的逐步推進,水污染物的管控已逐漸由河流向海洋發(fā)展,強調“陸海統(tǒng)籌”,實現(xiàn)海洋可持續(xù)發(fā)展。然而當前我國現(xiàn)行兩項水質標準之間的銜接存在諸多問題,例如適用范圍存在交叉,在水質分類、水質指標設置、部分指標分析方法及部分指標標準限值銜接上均有較大的差異,導致陸海水質標準無法有效銜接,制約了我國海洋生態(tài)環(huán)境保護工作,尤其是污染源陸海聯(lián)防聯(lián)控工作的開展和實施。兩標準之間的銜接問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 水質分類不銜接

《地表水環(huán)境質量標準》和《海水水質標準》根據(jù)不同的使用功能和保護目標分別將目標水體分為5類和4類,無法簡單地將兩項水質標準的不同類別一一對接(見表1)。此外,由于咸淡水生態(tài)系統(tǒng)的差異導致其使用功能的不同,從功能歸屬上也較難將兩個水質標準予以銜接。

1.2 水質指標設置、分析方法及指標標準限值不同

《地表水環(huán)境質量標準》中基本項目共有24項,《海水水質標準》中基本項目共有39項。兩項水質標準的參數(shù)類別雖基本一致,但在部分指標參數(shù)的設置上存在顯著差異(見表1)?；靖泄僦笜朔矫?在入海河流中存在許多黑臭水體,由于缺少這些基本的感官指標,往往造成部分黑臭或異味水體“達標”排放入海,造成近岸海域水體污染。氮磷物質的指標設置方面,地表水和海水之間關于氮、磷物質的水質評價是兩條線,無法直接比對和評價,嚴重制約了氮、磷等物質的陸海聯(lián)防聯(lián)控。指標分析方法及指標標準限值方面,兩套標準同一指標限值要求可相差數(shù)倍,造成河流達標排放,入海后鄰近海域水質超標現(xiàn)象,按照地表水達標排放后,造成陸源入海污染物總量超過海域承載能力、自凈能力。

表1 《海水水質標準》和《地表水環(huán)境質量標準》存在的差異

2 入海河流地表水與海水混合區(qū)的研究

本研究以小清河為典型河流,運用MIKE21建立小清河河口區(qū)的水文水質模型。選取2019年12月、2020年3月和2020年5月為典型月份,對小清河入海斷面以下及河口近岸海域水質進行采樣監(jiān)測,以三期水質監(jiān)測數(shù)據(jù),驗證模型的可靠性,通過模擬(主要指標考慮無機氮)確定河口混合區(qū)的范圍及不同情境下的水質目標。

2.1 小清河概況

小清河流域是山東省五大流域之一,地處山東腹地,全長237 km,發(fā)源于濟南西郊睦里莊,經濟南、濱州、淄博、東營、濰坊5市18個縣(市、區(qū)),在濰坊壽光市羊口鎮(zhèn)注入渤海萊州灣。本次研究選取小清河為典型河流,通過水文水質模擬,研究入海河流水質目標確定的技術方法。

選取小清河作為研究對象的主要原因包括:一是小清河發(fā)源于本省,對小清河開展研究,不涉及責任糾紛;二是小清河對整個萊州灣甚至渤海海域的污染貢獻較大,依據(jù)2018年山東省主要入海河流污染物入海量貢獻比(除黃河外),小清河的貢獻率最高,約47.5%,占近一半的入海污染量,小清河的水質是渤海海域水質變化的重要影響因素,因此,小清河管理經驗對其他入海河流具有示范性和可復制性;三是小清河干流設有省控及以上水文站3個、省控及以上水質考核斷面共7個,相對于其他入海河流而言更為豐富的水文水質資料,便于模擬和對比。

2.2 監(jiān)測站位布設及監(jiān)測結果

為了解小清河及附近海域海水水質現(xiàn)狀,對小清河羊口斷面以下及河水與海水混合區(qū)進行污染物監(jiān)測,共布設17個監(jiān)測點位,分別監(jiān)測3次,分別為2019年12月、2020年3月、2020年5月,點位分布情況詳見圖1。

2.3 數(shù)學模型構建

水動力模型采用水深平均的平面二維水動力運動方程,含動量方程、連續(xù)性方程及物質輸運方程,可較好地反映萊州灣流場中水流運動特征及物質輸運過程。具體控制方程如下:

2.3.1 控制方程

連續(xù)性方程:

(1)

圖1 小清河河口區(qū)監(jiān)測點位分布圖

動量方程:

(2)

(3)

垂向平均的物質輸運方程:

(4)

2.3.2 網(wǎng)格劃分 本研究所建立的海域數(shù)學模型計算域范圍及網(wǎng)格如圖2所示,即為圖中萊州港、黃河口兩點以及岸線圍成的海域。模擬采用非結構三角網(wǎng)格,整個模擬區(qū)域內由9 302個節(jié)點和15 775個三角單元組成;最小網(wǎng)格間距為20 m。

圖2 大海域計算域網(wǎng)格及潮位驗證點位置圖

2.3.3 邊界條件及參數(shù)選取 模型設置中陸地邊界為閉邊界,沿閉邊界流速的切向速度的法向梯度、水位法向梯度均為零,傳播到閉邊界的波浪均完全吸收。開邊界采用的是水位邊界條件,由渤海潮流模型提供。

水深和岸界根據(jù)相關水深地形測量資料以及工程附近海域的最新實測水深地形資料確定。

模型計算時間步長根據(jù)CFL條件進行動態(tài)調整,確保模型計算穩(wěn)定進行,最小時間步長0.5 s。底床糙率通過曼寧系數(shù)進行控制,曼寧系數(shù)n取45～58 m1/3/s。

采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應的Smagorinsky(1963) 公式計算水平渦粘系數(shù),表達式如下:

2.3.4 計算工況 本次數(shù)值模擬設置了2種方案,一是基于實測調查資料的現(xiàn)狀濃度、不設定考核斷面的情況,二是不設定河口混合區(qū)、水質達到相應近岸海域環(huán)境功能區(qū)的情況。每種計算方案包括3種工況,分別對應2019年12月、2020年3月、2020年5月三個典型月份。依據(jù)海水無機氮考核要求,為方便模擬研究,對小清河地表水3個站位三期監(jiān)測結果簡單分析,初步得出地表水中無機氮(y)與總氮(x)的關系為y=0.892 3x-0.029(R2=0.889 4,僅適用于本次模擬分析),源強無機氮是總氮轉換值。模擬了6個工況半月潮條件下,無機氮在河口及附近海域的濃度場時空變化規(guī)律。根據(jù)小清河各站歷年各月平均流量統(tǒng)計情況及小清河河口區(qū)污染物監(jiān)測結果,各工況的主要計算參數(shù)如表2。

表2 計算工況信息表

2.3.5 潮流模型驗證 潮位采用濰河口、濰坊港的潮位觀測資料,潮位驗證曲線如圖3所示。潮流采用中國海洋大學于2014年5月28日12:00至2014年5月29日13:00觀測數(shù)據(jù),潮流驗證曲線如圖4所示。潮位及潮流驗證結果表明,模擬值與實測值均基本吻合,能夠較好地反映周邊海域潮位及潮流狀況。

圖3 潮位驗證曲線

2.3.6 污染物擴散模擬結果及驗證 根據(jù)流場運動規(guī)律,選用2019年12月小清河流量及監(jiān)測的無機氮濃度數(shù)據(jù),選取H1、H2、H3、H4、K52、K53、K103、K153等8個點進行驗證,文中給出的預測結果為最大濃度增量,即該格點上各時刻數(shù)據(jù)中最高的瞬時濃度,濃度增量等值線是各點最高瞬時濃度的連線。圖5給出了2019年12月小清河無機氮擴散的預測結果,表3給出了無機氮實測值與模擬值偏差一覽表。從表3中可以看出,除H4、K52站位外,各站位無機氮的模擬值與實測值偏差在5%以內,模擬結果能夠較好地反映小清河無機氮指標在河口處的擴散趨勢。H4、K52站位模擬結果較差可能與采樣時間所對應的漲落流變化有關。

2.4 河口混合區(qū)劃定及水質目標

根據(jù)三次水質監(jiān)測數(shù)據(jù),選取2019年12月、2020年3月、5月進行現(xiàn)狀條件下河口混合區(qū)范圍(增量≥ 0.3 mg/L)的模擬(見圖6)。結果顯示,2019年12月、2020年3月、5月混合區(qū)范圍分別約184.8、134.05和95.9 km2,對應的總氮濃度目標值約為10.2、11.3和7.38 mg/L。

2.5 無河口混合區(qū)情境下的河流水質目標

根據(jù)《山東省近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃(2016—2020年)》,小清河入?？趫?zhí)行二類海水水質標準(無機氮≤0.30 mg/L),因此,小清河入海污染物導致附近海域無機氮濃度增量應不超過0.30 mg/L(即扣除本底濃度)。

(LZ1站位和LZ3站位。LZ1 station and LZ3 station.) 圖4 潮流驗證曲線

圖5 2019年12月無機氮擴散模擬結果

表3 2019年12月無機氮實測值與模擬值偏差一覽表Table 3 List of deviations between measured and simulated inorganic nitrogen values in December 2019

圖6 2019年12月(a)、2020年3月(b)及年5月(c)小清河河口混合區(qū)范圍示意圖

圖7給出了2019年12月源強為2.3和2.28 mg/L時無機氮的擴散范圍(圖中給出的為扣除本底后的人為增量,下同)。從中可以看出,當源強為2.3 mg/L時,小清河河口臨近海域的無機氮增量>0.3 mg/L,不符合二類海水水質標準;當源強為2.28 mg/L時,小清河河口臨近海域水質可達到二類水質標準(無機氮小于0.3 mg/L)。因此,在不設定河口混合區(qū)(即只要河流入海,水質即應達到相應近岸海域環(huán)境功能區(qū)的水質目標要求,下同)的條件下,小清河無機氮排放濃度(羊口斷面)不應超過2.28～2.29 mg/L,對應的總氮濃度不應超過2.59～2.60 mg/L。

圖7 無機氮源強為2.3 mg/L(左)和2.28 mg/L(右)時對應的擴散范圍

圖8給出了2020年3月源強為1.32和1.31 mg/L時無機氮的擴散范圍。從中可以看出,當源強為1.32 mg/L時,小清河河口臨近海域的無機氮增量>0.3 mg/L,不符合二類海水水質標準;當源強為1.31 mg/L時,小清河河口臨近海域水質可達到二類水質標準(無機氮小于0.3 mg/L)。因此,在不設定河口混合區(qū)的條件下,小清河無機氮排放濃度(羊口斷面)不應超過1.31 mg/L,對應的總氮濃度不應超過1.50 mg/L。

圖8 無機氮源強為1.32mg/L(左)和1.31mg/L(右)時對應的擴散范圍

圖9分別給出了2020年5月源強分別為2.93和2.91 mg/L時無機氮的擴散范圍,需要說明的是,圖中給出的為扣除本底后的人為增量。從中可以看出,當源強為2.93 mg/L時,小清河河口臨近海域的無機氮增量>0.3 mg/L,不符合二類海水水質標準;當源強為2.91 mg/L時,小清河河口臨近海域水質可達到二類水質標準(無機氮小于0.3 mg/L)。因此,在不設定河口混合區(qū)的條件下,小清河無機氮排放濃度(羊口斷面)不應超過2.91～2.92 mg/L,對應的總氮濃度不應超過3.29～3.30 mg/L。

圖9 無機氮源強為2.93mg/L(左)和2.91mg/L(右)時對應的擴散范圍

3 結語及建議

本文嘗試通過建立數(shù)學模型模擬研究確定小清河水質目標,存在河流流量及污染物擴散連續(xù)性、氮污染物形態(tài)轉化、采樣時間和空間連續(xù)性等諸多不可控因素,會影響模型精度。但也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,具體如下:

統(tǒng)籌陸域地表水環(huán)境功能區(qū)劃與近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃的管理需求,結合小清河水文水質模擬研究,不設定混合區(qū)時,小清河入海斷面不同水期總氮濃度需在1.5～3.3 mg/L范圍內。設定混合區(qū)時,不同水期小清河入海斷面總氮目標濃度在7.38～11.3 mg/L范圍內,接近或大于小清河2020年入海斷面總氮年均值(7.3 mg/L)。因此,在根據(jù)不同水期水質監(jiān)測數(shù)據(jù)模擬確定河口混合區(qū)后,需結合混合區(qū)邊界的近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃水質目標、入海河流上游總氮減排的可行性等因素,合理縮小混合區(qū)范圍,結合確定入海斷面的位置和考核目標。

建議綜合考慮上述兩種情景,基于經濟技術可行性,確定入海河流水質目標。針對河口區(qū)特殊的水體特征和地理位置,將河口混合區(qū)作為單獨的水體類型進行管理,制定能夠滿足水體使用功能并有效維護水體生態(tài)系統(tǒng)健康的河口區(qū)的水環(huán)境質量標準。結合地表水考核位置和考核目標、混合區(qū)邊界近岸海域環(huán)境功能區(qū)目標要求,通過水文水質模擬,合理確定混合區(qū)的水質考核目標,實現(xiàn)由地表水到近岸海域水質的過渡和有效銜接?？煞謨刹街鸩綄崿F(xiàn)入海河流的水質滿足海水要求:近期目標,即科學設置過渡期(劃定河口混合區(qū)),逐步提高入海河流斷面水質要求;遠期目標,即依據(jù)減排措施,逐步取消河口混合區(qū)。

當前我國近岸海域水質超標因子主要是無機氮和活性磷酸鹽,富營養(yǎng)化問題突出?，F(xiàn)行《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2002)中表征河流富營養(yǎng)化的指標為氨氮、總磷,《海水水質標準》(GB3097—1997)中為無機氮、活性磷酸鹽,而目前針對地表水及海水中無機氮、氨氮、總氮之間,總磷、活性磷酸鹽之間的關系和循環(huán)轉化過程的研究開展較少,各類指標之間的聯(lián)系尚不明確,給氮磷污染控制帶來了極大不便。建議在地表水及海水水質標準中均設置總氮、總磷指標,以便進一步了解水體中不同形態(tài)氮和磷的相互關系、循環(huán)轉化過程以及與富營養(yǎng)化或赤潮災害的關系,更好地闡釋近岸海域環(huán)境質量與陸源污染源之間的關系。通過開展區(qū)域性營養(yǎng)物質的海水水質基準研究,制定符合當前社會經濟發(fā)展狀況的地表水和海水中的總氮、總磷水質標準限值。