宋偉華,陳菊芬,陳立紅,謝中宇,徐嬌霞

(1.國(guó)家海洋局第二海洋研究所工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310012;2.玉環(huán)縣環(huán)境保護(hù)局 玉環(huán) 317600; 3.中國(guó)新型建材設(shè)計(jì)研究院 杭州 310003)

大麥嶼港區(qū)規(guī)劃污水排放中化學(xué)需氧量對(duì)樂(lè)清灣海域環(huán)境的影響及環(huán)境容量研究

宋偉華1,陳菊芬2,陳立紅1,謝中宇1,徐嬌霞3

(1.國(guó)家海洋局第二海洋研究所工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310012;2.玉環(huán)縣環(huán)境保護(hù)局 玉環(huán) 317600; 3.中國(guó)新型建材設(shè)計(jì)研究院 杭州 310003)

浙江是海洋大省,沿海港口開(kāi)發(fā)已成為浙江省 “十二五”期間重大戰(zhàn)略,港口開(kāi)發(fā)中污水排放對(duì)海洋環(huán)境的影響亦成為社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。文章采用MIKE 21軟件,在樂(lè)清灣已知測(cè)點(diǎn)潮流、潮位、水質(zhì)化學(xué)需氧量本底濃度以及大麥嶼港區(qū)規(guī)劃污水排放口、化學(xué)需氧量排放源強(qiáng)、環(huán)境目標(biāo)值等基礎(chǔ)資料的前提下,進(jìn)行潮流場(chǎng)模擬,采用污染物擴(kuò)散水質(zhì)模式預(yù)測(cè)臺(tái)州港大麥嶼港區(qū)規(guī)劃污水排放中化學(xué)需氧量對(duì)樂(lè)清灣海域環(huán)境的影響,并計(jì)算污水排放口周邊混合區(qū)范圍內(nèi)化學(xué)需氧量的環(huán)境容量。結(jié)果表明,大麥嶼港區(qū)規(guī)劃污水排放中化學(xué)需氧量對(duì)樂(lè)清灣海域影響較小,整個(gè)樂(lè)清灣內(nèi)的化學(xué)需氧量濃度增量在0.001～0.005 mg/L之間,增量大于0.003 mg/L區(qū)域僅限于排污口附近;海水中化學(xué)需氧量環(huán)境容量較大,污水中化學(xué)需氧量排放量?jī)H占環(huán)境容量的0.083%。

樂(lè)清灣;大麥嶼港區(qū);化學(xué)需氧量;環(huán)境容量

1 引言

樂(lè)清灣位于浙江省東南部,甌江口外北側(cè),是浙江省三大海灣之一,海灣形似葫蘆,口門(mén)寬約21 km,縱深達(dá)40 km,中部最窄處約4.5 km。按地形地貌形態(tài)樂(lè)清灣分為內(nèi)灣、中灣和外灣三大部分[1],內(nèi)灣在分水山-茅埏島-東山頭連線以北海域,中灣在連嶼-大小烏山-打水灣連線和分水山-茅埏島-東山頭連線之間海域,外灣在連嶼-大小烏山-打水灣連線以南海域。內(nèi)灣分布著大量的海水養(yǎng)殖,以及西門(mén)島海洋特別保護(hù)區(qū)和樂(lè)清灣泥蚶國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū);中灣和外灣主要以發(fā)展臨港產(chǎn)業(yè)為主。

大麥嶼港區(qū)位于樂(lè)清灣東岸的玉環(huán)縣境內(nèi),是浙江南部海域的重要港口,臺(tái)州港的重要組成部分。大麥嶼港區(qū)由五大作業(yè)區(qū)組成,分別為普竹作業(yè)區(qū)、連嶼作業(yè)區(qū)、大麥嶼作業(yè)區(qū)、大巖頭作業(yè)區(qū)和鮮迭作業(yè)區(qū),排污口位于樂(lè)清灣外灣牛頭頸外側(cè)海域,港區(qū)污水排放量約43.52萬(wàn)m3/a,化學(xué)需氧量排放濃度為30 mg/L(圖1)。

圖1 大麥嶼港區(qū)各作業(yè)區(qū)位置

2 研究方法

2.1 水環(huán)境影響研究方法

海域污染物水質(zhì)模型是根據(jù)質(zhì)量守恒原理,并考慮物質(zhì)對(duì)流、紊動(dòng)擴(kuò)散及衰減等物理、化學(xué)過(guò)程,針對(duì)水域污染物在水體中的輸運(yùn)和濃度分布狀況進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)而建立的[2]。目前,國(guó)內(nèi)外研究者采用多種形式的二維水質(zhì)模型來(lái)計(jì)算濃度場(chǎng)的分布,以對(duì)流擴(kuò)散方程為基礎(chǔ),將其中的衰減項(xiàng)替代水體中各種復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程的方程式[3]。本研究采用二維水質(zhì)模型為[4]:

式中:c為污染物濃度,mg/L;h為水深,m;u、v分別為x、y方向的速度分量, m/s;Dx、Dy分別為x、y方向的擴(kuò)散系數(shù), m2/s;F為衰減系數(shù),d-1;S為污染物源項(xiàng), m3/(s·m2)。其中u、v和h由水動(dòng)力模型提供。

2.2 海域環(huán)境容量研究方法

根據(jù) 《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》,水環(huán)境容量是指在給定水域范圍和水文條件,規(guī)定排污方式、水質(zhì)本底值和水質(zhì)目標(biāo)的前提下,單位時(shí)間內(nèi)該水域最大允許納污量。由此可知,水環(huán)境容量主要取決于水資源量、水質(zhì)本底值、水環(huán)境功能區(qū)劃和排污方式四大因素。

在某一規(guī)定海域范圍內(nèi),在確定水質(zhì)本底值的前提下,利用二維水質(zhì)模型建立污染物排放和受納水體水質(zhì)之間的輸入響應(yīng)關(guān)系[5],即不斷加大污染物濃度c值,當(dāng)規(guī)定海域某一邊界污染物濃度達(dá)到相應(yīng)水環(huán)境功能區(qū)劃水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí),認(rèn)為污水排放量與污染物濃度的乘積即為該規(guī)定海域的環(huán)境容量。

3 過(guò)程研究

3.1 水質(zhì)中化學(xué)需氧量濃度本底值

2011年4月國(guó)家海洋局第二海洋研究所在樂(lè)清灣海域進(jìn)行了20個(gè)站位(W01～W20)的水質(zhì)調(diào)查 (圖2)。結(jié)果表明,大潮期化學(xué)需氧量平均濃度為1.47 mg/L,小潮期為0.97 mg/L(表1),化學(xué)需氧量濃度大潮期明顯高于小潮期。

圖2 水質(zhì)、潮位和潮流調(diào)查站位

表1 水質(zhì)調(diào)查化學(xué)需氧量濃度統(tǒng)計(jì)

3.2 潮位驗(yàn)證

取用2011年6—7月東山碼頭臨時(shí)潮位站和坎門(mén)潮位站 (圖2)為期一個(gè)月的潮位資料進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明,模擬所得的潮位與觀測(cè)所得的潮位擬合較好,高、低潮位的最大誤差小于0.10 m(圖3)。

3.3 潮流驗(yàn)證

取用樂(lè)清灣內(nèi)2011年6月S01～S05和2012年7月S06～S08實(shí)測(cè)的8個(gè)水文測(cè)量點(diǎn)(圖2)進(jìn)行潮流驗(yàn)證,結(jié)果表明,8個(gè)水文測(cè)量點(diǎn)大、小潮流速、流向模擬所得的流場(chǎng)與實(shí)測(cè)情況擬合較好,計(jì)算和實(shí)測(cè)流速值相對(duì)誤差小于15%(圖4和圖5)。

3.4 潮流模擬

3.4.1 控制方程

潮流模擬采用水動(dòng)力模型HD控制方程:

式中:ζ為水位;h為水深;p、q分別為x、y方向上的垂線平均單寬流量;C為謝才系數(shù),,n為糙率系數(shù),H=h+ζ,n =0.022;g為重力加速度,g=9.81m/s2;f為風(fēng)應(yīng)力系數(shù);V、Vx、Vy分別為風(fēng)速及其在x、y方向的分量;Ω為柯氏力,Ω=2w sinφ, w為地轉(zhuǎn)角速度,φ為緯度取29.5°;pa為大氣壓力;ρw為海水密度;x、y為直角坐標(biāo);t為時(shí)間;τxx、τxy、τyy分別為剪切應(yīng)力分量;u、v為水平流速分量。

圖3 東山碼頭站和坎門(mén)站一個(gè)月的潮位過(guò)程曲線

3.4.2 模擬結(jié)果

漲潮時(shí),來(lái)自洞頭洋的漲潮流受鹿西島的阻擋分成兩支,一支進(jìn)入黃大峽水道;另一支穿過(guò)橫址山-大巖頭之間海峽進(jìn)入樂(lè)清灣。進(jìn)入樂(lè)清灣后,由于岸線的擴(kuò)張,兩支漲潮流匯集到一處而呈扇形展開(kāi),大部分轉(zhuǎn)向正北向?yàn)车淄七M(jìn);小部分漲潮流轉(zhuǎn)向西南,穿過(guò)沙頭水道、大門(mén)港,進(jìn)入甌江。落潮流的流路大致類(lèi)似于漲潮流,流向相反。進(jìn)出樂(lè)清灣的潮流明顯強(qiáng)于進(jìn)入甌江的漲潮流;玉環(huán)半島西側(cè)外至橫址山-大巖頭之間海域的深水槽漲、落潮流明顯強(qiáng)于其他海區(qū)。圖6和圖7分別為大潮和小潮漲、落急流矢圖。

3.5 混合區(qū)面積

《污水海洋處置工程污染控制標(biāo)準(zhǔn)》[6],污水海洋處置工程污染物的混合區(qū)規(guī)定如下:

(1)若污水排往開(kāi)敞海域或面積不小于600 km2(以理論深度基準(zhǔn)面為準(zhǔn))的海灣及廣闊河口,允許混合區(qū)范圍:Aa≤3.0 km2;

(2)若污水排往小于600 km2的海灣,混合區(qū)面積必須小于按以下兩種方法計(jì)算所得允許值(Aa)的小者:

式中:L為擴(kuò)展器長(zhǎng)度,取50 m。

式中:A0為計(jì)算至灣口位置的海灣面積, m2。

圖4 大潮S01～S08潮流驗(yàn)證圖

圖5 小潮S01～S08潮流驗(yàn)證圖

樂(lè)清灣岸線以下海灣總面積為463.6 km2,其中灘涂面積 (岸線至理論深度基準(zhǔn)面)約為220.8 km2,約占海灣總面積的48%;水域面積(理論深度基準(zhǔn)面以下)約為242.8 km2,占海域總面積的52%左右[7]。

計(jì)算得到允許混合區(qū)面積Aa為0.6 km2。

3.6 環(huán)境目標(biāo)值

環(huán)境目標(biāo)值是計(jì)算環(huán)境容量的重要依據(jù),環(huán)境目標(biāo)值由水環(huán)境功能區(qū)劃確定。根據(jù) 《浙江省近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃 (調(diào)整)》,臺(tái)州港大麥嶼港區(qū)污水排放口位于 《浙江省近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃 (調(diào)整)》中的四類(lèi)海域功能區(qū)(編號(hào)為為D25Ⅲ),執(zhí)行 《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997)中的三類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),化學(xué)需氧量的環(huán)境目標(biāo)值為4 mg/L。

4 結(jié)論

4.1 化學(xué)需氧量環(huán)境影響研究結(jié)論

大潮期72 h內(nèi)污水中化學(xué)需氧量影響區(qū)域大致為北至樂(lè)清灣底,西南至甌江北口,南至洞頭峽,東至鹿西島以東15 km海域,整個(gè)樂(lè)清灣內(nèi)的化學(xué)需氧量濃度增量在0.001～0.005 mg/L之間。其中茅埏島以北海域 (內(nèi)灣)以及外灣西南部海域化學(xué)需氧量濃度增量小于0.002 mg/L;濃度增量大于0.002 2 mg/L的海域基本在北向至江巖島,南至大巖頭作業(yè)區(qū)前沿的區(qū)間內(nèi)貼岸做南北向往復(fù)運(yùn)動(dòng);濃度增量大于0.003 mg/L的海域基本只限于排污口附近 (圖8)。

圖6 大潮漲急(左)、落急(右)流矢圖(單位:km)

圖7 小潮漲急(左)、落急(右)流矢圖(單位:km)

圖8 大潮全潮化學(xué)需氧量擴(kuò)散分布(單位:km)

小潮期72 h內(nèi)污水中化學(xué)需氧量影響區(qū)域大致為北至樂(lè)清灣底,西南至甌江北口,南至洞頭島西岸,東至鹿西島以東7 km海域,整個(gè)樂(lè)清灣內(nèi)的污水濃度在0.001～0.005 mg/L之間。其中茅埏島以北海域 (內(nèi)灣)以及外灣西南部海域化學(xué)需氧量濃度增量小于0.002 2 mg/L;中灣大部分區(qū)域濃度增量在0.002 2～0.002 4 mg/L之間,濃度增量大于0.002 4 mg/L海域在玉環(huán)半島沿岸北向至江巖島南向至大巖頭的狹長(zhǎng)區(qū)域;濃度大于0.003 mg/L的污水基本只限于排污口附近(圖9)。

從預(yù)測(cè)結(jié)果可知,大麥嶼港區(qū)污水中化學(xué)需氧量的排放對(duì)樂(lè)清灣海水水質(zhì)影響很小。

4.2 化學(xué)需氧量環(huán)境容量研究結(jié)論

大潮期當(dāng)污染物濃度c值增加至3.29× 105mg/L時(shí),小潮期當(dāng)污染物濃度c值增加至4.00×105mg/L時(shí),混合區(qū)邊界化學(xué)需氧量濃度達(dá)到環(huán)境目標(biāo)值4 mg/L。經(jīng)計(jì)算,大潮期混合區(qū)內(nèi)化學(xué)需氧量環(huán)境容量為39.23 t/d,小潮期混合區(qū)內(nèi)化學(xué)需氧量環(huán)境容量為47.69 t/d,混合區(qū)內(nèi)大小潮平均環(huán)境容量為43.46 t/d。

化學(xué)需氧量的排放濃度為30 mg/L,平均每天化學(xué)需氧量排放量約0.036 t,占混合區(qū)環(huán)境容量的0.083%。

圖9 小潮全潮化學(xué)需氧量擴(kuò)散分布(單位:km)

從計(jì)算結(jié)果可知,大麥嶼港區(qū)排污口附近混合區(qū)內(nèi)化學(xué)需氧量環(huán)境容量較大。

[1] 黃秀清.樂(lè)清灣海洋環(huán)境容量及污染物總量控制研究[M].北京:海洋出版社,2011:16-17.

[2] 國(guó)峰,張海平,李陽(yáng),等.金山污水排海對(duì)納污海域水質(zhì)影響的數(shù)學(xué)模擬[J].海洋學(xué)研究,2007,25 (4):81-85.

[3] 季民,孫志偉,王澤良,等.納污海水中COD生化降解過(guò)程的模擬試驗(yàn)研究[J].海洋與湖沼,1999, 30(6):731-735.

[4] 謝中宇,李峰.臺(tái)州港大麥嶼港區(qū)規(guī)劃沖淤、溢油、污染物擴(kuò)散數(shù)值模擬報(bào)告[R].

[5] 鄭洪波,劉素玲,陳郁,等.區(qū)域規(guī)劃中納污海域海洋環(huán)境容量計(jì)算方法研究[J].海洋環(huán)境科學(xué), 2010,29(1):145-147.

[6] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局,國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB 18486-2001污水海洋處置工程污染控制標(biāo)準(zhǔn)[S].2001.

[7] 中國(guó)海灣志編纂委員會(huì).中國(guó)海灣志:第六分冊(cè)[M].北京:海洋出版社,1993.