夏華永,李緒錄,韓 康 (.國家海洋局南海工程勘察中心,廣東 廣州 50300；.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧 大連 063)

大鵬灣環(huán)境容量研究Ⅱ:環(huán)境容量規(guī)劃

夏華永1*,李緒錄1,韓 康2(1.國家海洋局南海工程勘察中心,廣東 廣州 510300；2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧 大連 110623)

采用基于響應場的線性規(guī)劃方法,考慮非點源與灣外污染物輸入形成的本底值,結合深圳沿岸排污口的分布計算了大鵬灣的環(huán)境容量,并給出了總量分配方案.結果表明,大鵬灣物理自凈能力差,但水體容量大,具有較大的稀釋容量,加上污染物的生化降解,大鵬灣具有較大的環(huán)境容量.BOD5、總氮、總磷的最大允許排放總量分別為79.0,11.418,0.86t/d,BOD5、總氮、總磷的剩余環(huán)境容量分別為61.34,9.318,0.43t/d.關鍵詞：大鵬灣；環(huán)境容量；響應場；線性規(guī)劃

海灣環(huán)境容量是一種可更新的資源,同時,由于海域物理、生物、化學等自然條件的限制,它又是有限的資源.大鵬灣局部海域的一些水質要素已低于一類水質標準[1-4],大鵬灣內局部(如沙頭角海與吐露港海域)海域已經富營養(yǎng)化問題突出,并導致赤潮災害頻繁發(fā)生[5-6].隨著大鵬灣沿岸香港與深圳地區(qū)的經濟發(fā)展與人口密度的增加,大鵬灣環(huán)境容量的稀缺性日益顯露.如何保證環(huán)境和經濟的協(xié)調、穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展已成為職能管理部門所迫切關心的問題.

對于大鵬灣環(huán)境容量,目前的研究尚不充分.王學昌等[7]模擬分析了大鵬灣不同排污方式對海水水質的影響.黃小平等[8]根據平均納潮量與平均水容量的比例粗略估算大鵬灣的海水交換周期.Wu[9]采用 2D模型計算了大鵬灣的環(huán)境容量并進行了環(huán)境容量規(guī)劃,但是該研究沒有考慮污染物的生化降解.由于大鵬灣潮動力弱,海水交換不是海灣的主要自凈能力,Wu[9]計算的環(huán)境容量偏小,現(xiàn)在的污染物排放量早已超出了估算的最大容量.栗蘇文等[10]在污染源調查和負荷估算的基礎上,基于Delft3D模型,采用模型試算法估算了大鵬灣的環(huán)境容量.胡守麗[11]以大鵬灣環(huán)境功能區(qū)劃為依據,根據濃度場迭加原理,采用分擔率法計算了大鵬灣可以利用的環(huán)境容量.大鵬灣的污染源中,有相當大的一部分污染是非點源(特別是在香港管轄海域).此外,還有灣外的污染物輸入.非點源與灣外輸入都是難以控制的.現(xiàn)有環(huán)境容量研究結果中,都沒有充分考慮非點源與灣外輸入產生的背景濃度場的影響.并且也沒有各個排污口的現(xiàn)有排放量數(shù)據、最大允許排放量及剩余排放量數(shù)據.在背景濃度場基礎上,大鵬灣各個排污口的最大允許排污量才是可以利用的環(huán)境容量.

本課題組收集了大鵬灣的污染源強度及水質資料,建立了大鵬灣的水動力模型與污染擴散模型,模擬分析了大鵬灣的物理自凈能力,模擬了大鵬灣內污染物排放的濃度分布,分析了生化降解對海水自凈的作用.本研究在此基礎上,以海域環(huán)境功能區(qū)劃為水質目標,考慮海灣的背景濃度場,基于響應場的線性規(guī)劃方法,計算了深圳沿岸排污口的最大允許排放容量及剩余排放容量.

1 環(huán)境容量計算方法

海灣環(huán)境容量是海灣水體在規(guī)定環(huán)境目標下所能容納污染物的量.大鵬灣水體容積較大(約 6×109m3),具有很大的稀釋容量.但水體的環(huán)境容量只有當污染物輸運和擴散到時才能被利用.對于大鵬灣內的點源而言,污染物排放都為近岸排放,灣內潮流小,污染物輸運與擴散的范圍小,灣中部水體的容量都難以利用.本研究采用水質模型和基于響應場的線性規(guī)劃方法[12],根據海灣沿岸功能區(qū)劃的要求,以水質控制目標作為約束條件,計算出海灣沿岸各主要排污口的最大允許排放量.

在特定的水動力環(huán)境下,污染物擴散方程可以當作是線性的,在給定的邊界條件下滿足迭加原理.假定非點源與灣外輸入污染物形成的濃度場為背景場,記為Cb(x,y).灣內有n個點源,第i點源的源強為 Si,擴散形成的平衡濃度場記為Ci(x,y),那么,灣內的濃度場可以表示為

第i點源形成的平衡濃度場記為Ci(x,y)與源強之間存在線性的響應關系,即有

式中:Pi(x,y)稱為響應系數(shù),與動力條件、地形等有關.響應系數(shù)Pi等同于單位源強所形成的平衡濃度場.

設C0為滿足水質控制目標條件下的某種污染物質的濃度值(即水質目標).在存在 n個點源的情況下,欲使水質濃度達到控制標準,則應有:

對于背景濃度場,其分布一般較均勻,且非點源難以控制,污染物排放的控制一般指點源排放量的控制.從污染物擴散的特征可知,當污染物排放點濃度達到了水質要求時,則在整個水域內能滿足水質要求.記第i個污染源處對第j個污染物單位排放強度的響應系數(shù)為Pij.海灣內點源的最大允許排放量的計算可以表示為一個如下的線性規(guī)劃問題[13]:

約束條件

式中: Si≥ 0,i = 1,2,...,n ;Cbi、C0i分別表示第i個點源處的本底濃度值及水質目標值.對于式(4)~式(5)表示的線性規(guī)劃問題,可采用單純形法求解.

2 海洋功能區(qū)內的水質控制目標

由于大鵬灣為香港與深圳共同管轄的海域,而香港管轄海域內沒有點源,只能對深圳管轄海域進行環(huán)境容量計算與規(guī)劃.根據深圳大鵬灣管轄海域的功能區(qū)劃(圖1),將海域劃分為5個區(qū)域進行環(huán)境容量計算(圖2).其中,1區(qū)包括鹽田港區(qū)、鹽田填海區(qū)、鹽田漁港,2區(qū)包括溪涌度假旅游區(qū)、大小梅沙度假旅游區(qū)、小梅沙取水區(qū)、揹仔角增殖區(qū),3區(qū)包括東部4號錨地、東部5號錨地,4區(qū)包括沙魚涌漁業(yè)基地、秤頭角港區(qū)、下洞碼頭區(qū)、秤頭角取水區(qū)、廣東LNG海底輸氣管線用海區(qū)、東部3號錨地,5區(qū)包括鵝公灣增殖區(qū)、南澳淺海養(yǎng)殖區(qū)、洋籌角海洋環(huán)境科學研究試驗區(qū)、下沙－南澳度假旅游區(qū)、下沙海水綜合利用示范基地用海區(qū)、大鵬灣藍圓鲹和沙丁魚幼魚保護區(qū)、東部2號錨地、東部航道、大鵬半島西南保留區(qū).2區(qū)主要為渡假旅游區(qū),執(zhí)行 1類水質標準[14],其他 4個區(qū)按2類水質標準計算環(huán)境容量.深圳沿岸各排污口的位置如圖2所示(沙頭角河、鹽田河、大梅沙、小梅沙、溪涌河、葵涌河、烏泥河、南澳河等排污口依次標識為D1~D8).

圖1 大鵬灣海洋功能區(qū)劃Fig.1 Marine functional zoning of the Dapeng Bay

圖2 大鵬灣點源分布與環(huán)境分區(qū)Fig.2 Map of the sewage outfalls and water quality zoning

大梅沙(D3)、小梅沙(D4)、溪涌河(D5)3處排污口在2區(qū)內,水質控制目標為1類,水質目標值取為BOD5、無機氮(DIN)、無機磷(DIP)分別為1, 0.2,0.015mg/L.沙頭角河(D1)、鹽田河(D2)排污口在 1區(qū)內,葵涌河(D6)、烏泥河(D7)排污口在 4區(qū)內,南澳河排污口(D8)在5區(qū)內,這些區(qū)域的水質控制目標為2類,水質目標值取為BOD5、DIN、DIP分別為3,0.3,0.030mg/L.

3 響應系數(shù)的計算

在潮流及污染物擴散模擬的基礎上,分別計算排污口的污染物擴散分布.計算中,污染源單位源強取為 10t/d(0.1157kg/s).在開邊界上,流入時濃度取為 0,流出時取為輻射邊界條件.對于BOD5,生化衰減速率取為 k＝0.023d-1.對于所取的衰減速率,其對應的生化降解半衰期為 30.1d.模擬30d后,濃度場達到平衡.輸出模擬30d后的結果分析響應系數(shù).《中華人民共和國海水水質標準》[14]對DIN及DIP定義了水質標準.DIN及DIP在海水中的消耗是浮游植物的吸服,但生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉化過程十分復雜,模擬中的消耗系數(shù)難于確定.因此,本研究不考慮DIN及DIP的消耗,將其作為保守物質計算.

圖2 單個排污口BOD5擴散的濃度分布Fig.2 BOD5 Concentration fields from individual sewage outfalls

分別模擬了沙頭角河、鹽田河、大梅沙、小梅沙、溪涌河、葵涌河、烏泥河、南澳河等8個排污口的污染物 BOD5擴散濃度分布,其中葵涌河、南澳河排污口排放的污染物擴散的濃度分布如圖 2所示.模擬結果表明,在沙頭角河排放的污染物,污染物難于擴散,主要積累在沙頭角海域與鹽田港海域.鹽田河排污口,三面為岸線包圍,排放的污染物主要積累在鹽田灣內,污染物同樣難于擴散.沙頭角河、鹽田河兩處排污口,排放的污染物對排污口附近的水質影響較大,容易造成水質污染.其他排污口排放的污染物擴散的范圍相對要大,排污口附近水中BOD5的濃度比沙頭角河、鹽田河小.污染物有沿大鵬灣東岸向灣外擴散的趨勢,這種分布趨勢與潮流沿岸流動是相應的.除了沙頭角河排污口外,其他排污口排放的污染物主要擴散在深圳管轄的海域內.在模擬所用的源強下,造成香港管轄水域的污染物濃度增加一般小于0.1mg/L.在大鵬灣內,盡管潮流很小,但由于沿岸水深較大,整個灣的水體容量大,污染物排放到海里后,能得到較快的稀釋,加上生化作用下的污染物降解,使大鵬灣擁有較大的環(huán)境容量.

將濃度值除以污染源單位排放強度,得到各海域對各排放口的響應系數(shù),BOD5響應系數(shù)場的分布與濃度場相似.各排污口附近的響應系數(shù)隨離排污口距離的增大而迅速減小,各排污口之間的相互影響不大.

4 污染物的環(huán)境容量

D1~D8各排污口之間,對單位排放強度(10t/d)的BOD5響應系數(shù)如表1所示.沙頭角河排污口(D1)自身排放的響應系數(shù)最大,為33.022,排污口附近的水深較小,排放的污染物難于擴散,可對沙頭角海域與鹽田港海域造成較大的污染.鹽田河排污口(D2)區(qū)域對該排污口的響應系數(shù)較大,為 22.9,該排污口排放的污染物可對鹽田灣造成較大的污染.航母世界(D3)、葵涌河(D6)2處排污口附近水域對自身排污的響應系數(shù)最小,這兩處排污口排放的污染物能得到較快的稀釋與擴散,對環(huán)境的影響相對要小.D2~D7排污口排放的污染物主要影響各自鄰近的西側排污口區(qū)域,這與漲潮過程中,灣頂潮流從東向西輸運,而落潮過程海水向灣外輸送有關.南澳河排污口(D8)對其他排污口區(qū)域的影響最小.不考慮DIN與DIP的消耗,各排污口對單位排放強度DIN、DIP的響應系數(shù)如表2所示.不考慮消耗時,只有D1、D2兩處排污口的響應系數(shù)有明顯增大.其他各排污口的響應系數(shù)只有略微增大,這與這些排污口附近水域的稀釋容量大有關.

在大鵬灣內,很大的一部分污染源是非點源,計算點源的環(huán)境容量時,必須考慮非點源及灣外輸入污染物的影響.根據灣外海水輸入及非點源輸入,模擬大鵬灣內的背景濃度場.灣口附近監(jiān)測站2008年年平均濃度作為邊界濃度值與初始值.本課題組已估算了大鵬灣的BOD5、總氮(TN)、總磷(TP)的源強,在大鵬灣的污染源中,DIN、DIP與TN、TP的比值都約為0.6,據此給出香港海域非點源 BOD5、DIN、DIP的輸入分別為25.82,3.810,0.550t/d,深圳海域非點源 BOD5、 DIN、DIP的輸入分別為7.4,1.250,0.480t/d.由于香港沿岸的非點源輸入較大,香港沿岸海域的濃度較高,在灣東部沿岸區(qū)域由于非點源輸入強度小,以及污染物本身的衰減特性,污染物濃度較低.各排污口的背景濃度值如表3.

表1 排污口之間單位排放強度的BOD5相互響應系數(shù)Table 1 Response coefficients for unit pollutant discharge among outfalls for BOD5

表2 排污口之間單位排放強度的DIN、DIP相互響應系數(shù)Table 2 Response coefficients for unit pollutant discharge among outfalls for DIN and DIP

表3 排污口背景濃度值(mg/L)Table 3 Background concentration at sewage outfalls (mg/L)

表4 排污口最大允許排放量(t/d)Table 4 Maximal allowable pollutant discharge for each sewage outfall(t/d)

根據響應系數(shù),水質背景值及水質目標值,采用最大允許排放量的線性規(guī)劃方法,計算得到各個排污口的最大允許排放容量,BOD5、DIN、DIP分別為79.0,6.84,0.52t/d,各個排污口的分布如表4.

要控制海水中營養(yǎng)鹽就應該限制 TN、TP的輸入量,而不是TIN、TIP[15].本文根據污染源中DIN、DIP與TN、TP的比值,計算TN、TP的環(huán)境容量.大鵬灣TN、TP的環(huán)境容量見表4.

5 總量控制方案

深圳管轄的大鵬灣水域,雖然有排污口的水質監(jiān)測,卻沒有排污口污染物排放強度的監(jiān)測結果.深圳的排污口都是河流入口,根據河流所在流域的用水量估算排污強度.鹽田區(qū)污染物通過沙頭角河(D1排放口)、鹽田河(D2排放口)、大梅沙河(D3排放口)、小梅沙河(D4排放口)與溪涌河(D5排放口)將污染物排入海域,龍崗區(qū)內的葵涌街污染物通過葵涌河(D6排放口)排放,大鵬街通過烏泥涌(D7排放口)排放,南澳街通過南澳河(D8排放口)排放.在鹽田區(qū),鹽田河流域面積最大,為 20.85km2,河長為 6.4km,發(fā)源于東部梧桐山,沿北山大道匯入大鵬灣,沙頭角河流域面積4.1km2,河長為3.51km,發(fā)源于東部梧桐山,經中英街步行街注入大鵬灣.大梅沙河、小梅沙河與溪涌河流域面積更小.對于鹽田區(qū)內,總排放量根據用水量估算,各排污口的排放強度根據流域面積分配.各排污口現(xiàn)有(2008年度)的排放強度估算結果見表 5.根據各個排污口允許的最大排放容量(見表 3)與排污口現(xiàn)有(2008年)排放強度,二者之差為各個排污口的剩余環(huán)境容量,結果見表6.

由表6可知,對于BOD5,尚有較大的剩余容量,但主要分布在大鵬灣東岸(龍崗區(qū)沿岸)的葵涌河、烏泥涌、南澳河等3處排污口.TN與TP,也是這三處排污口尚有較大的剩余容量.在鹽田河排污口,TN的排放已經沒有多大剩余的環(huán)境容量,在該排污口應當減少TN的排放量.對于TP,鹽田區(qū)沿岸的5處排污口,TP的排放也已經沒有剩余容量,應當減少TP的排放.

表5 排污口現(xiàn)有(2008年)排放強度估算(t/d)Table 5 estimates of the pollutant discharge for each sewage outfall in 2008(t/d)

表6 排污口剩余環(huán)境容量(t/d)Table 6 The remaining environmental capacity of each sewage outfall(t/d)

王學昌等[7]模擬分析了不同方式污水排海對大鵬灣海水水質的影響,發(fā)現(xiàn)在深水排放顯著的減小了污染物排放對水質的影響.而目前深圳沿岸的污染物排放口都是沿岸河口,如果能對污水截流,再進行深水排放,則可以很大的提高排污口的水質.建議對沿岸的排污口進行截流,進行深水排放.

6 結論

6.1 基于響應場的線性規(guī)劃方法,考慮灣外污染源輸入及灣內非點源產生的背景濃度場,以海洋功能區(qū)劃為水質約束目標,模擬計算了基于點

源分布的排污口最大允許排放強度,得到了大鵬灣的環(huán)境容量與剩余環(huán)境容量.8個排污口的最大允許排放總量,BOD5、TN、TP分別為79.0,11.418,0.86t/d,BOD5、TN、TP的剩余環(huán)境容量分別為 61.34,9.318,0.43t/d.剩余環(huán)境容量主要分布在人口與產業(yè)相對稀少的龍港區(qū)沿岸(葵涌河、烏泥涌、大鵬河3個排污口),而鹽田區(qū)沿岸的剩余環(huán)境容量已經不大.控制鹽田區(qū)沿岸的污染物排放,已經是一個必須重視的事情.

6.2 深圳沿岸排放的污染物對香港管轄海域的水質影響微小,不會影響香港管轄海域的水產養(yǎng)殖業(yè).深圳沿岸污染源達到允許最大排放容量時,只會在排放口附近內的海域造成水質超出海洋功能區(qū)劃約束的水質標準,對大鵬灣東南沿岸的養(yǎng)殖區(qū)的影響極小.

6.3 大鵬灣水動力條件弱,海水交換率小,在環(huán)境容量計算時,只取了一個保守的生化降解率,但計算得到的環(huán)境容量仍很大.這緣于大鵬灣水深較大,水體容積大,海灣具有很大的稀釋容量.

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Studies on the environmental capacity of the Dapeng Bay, PartⅡ: total load allocation and water quality planning.

XIA Hua-yong1*, LI Xu-lu1, HAN Kang2(1.South China Sea Marine Engineering Survey Center, State Oceanic Administration, Guangzhou 510300, China；2.National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China). China Environmental Science, 2011,31(12)：2039~2045

Taking into account the background concentration duo to non-point sources and pollutants transported from outside of the bay, the present study adopted the linear programming method, based on the response fields, to calculate the seawater environmental capacity in the Dapeng Bay. The total load allocation associated with the discharge locations was provided in the study. Although the water exchange was weak, the Dapeng Bay still had a large environmental capacity due to its large dilution capacity induced by the large water volume and the bio-chemical degradation. In the Dapeng Bay, the maximal allowable discharges of BOD5, total nitrogen, total phosphate were 79.0,11.418,0.86t/d, respectively. The surplus discharges of BOD5, total nitrogen and total phosphate were 61.34,9.318,0.43t/d.

Dapeng Bay；environmental capacity；response fields；linear programming method

X26

A

1000-6923(2011)12-2039-07

2011-03-20

我國近海海洋綜合調查與評價專項(908-02-02-03)

* 責任作者, 研究員, xiahuayong2001@21cn.com

夏華永(1967-),男,湖南省沅江市人,研究員,博士,從事海洋水文研究.發(fā)表論文35篇.