柯麗娜, 王權(quán)明, 徐麗雯, 姜 昕, 楊山力

(1. 遼寧省自然地理與空間信息科學(xué)重點實驗室, 遼寧 大連 116029; 2. 國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心, 遼寧 大連116023; 大連理工大學(xué), 遼寧 大連 116024 )

為改善水和大氣環(huán)境的質(zhì)量, 日本學(xué)者吉川博將環(huán)境容量的概念引入到環(huán)境保護領(lǐng)域, 并定義為“環(huán)境容量是由自然還原能力、人工處理設(shè)施和人們對環(huán)境的意見等所規(guī)定的整個生物圈內(nèi)所容許的活動容量”[1]。1986年聯(lián)合國海洋污染專家小組將水環(huán)境容量定義為: 水環(huán)境容量是指在不影響水的正常用途的情況下, 水體所能容納的污染物的量或自身調(diào)節(jié)凈化并保持生態(tài)平衡的能力[2]。目前海域水環(huán)境容量的計算多是在對污染物輸移、擴散和轉(zhuǎn)化規(guī)律研究的基礎(chǔ)上, 建立多維水質(zhì)方程、水動力學(xué)方程, 確定研究區(qū)平衡濃度場, 從而與監(jiān)測區(qū)水質(zhì)目標(biāo)進行比較, 最終確定研究區(qū)水環(huán)境容量[3-6]。李適宇等[7]提出基于二維擴散的分區(qū)達(dá)標(biāo)控制法, 并將分區(qū)達(dá)標(biāo)控制法用于求解海域環(huán)境容量。鮑琨等[8]綜合考慮水文、水體污染來源等因素, 建立了控制斷面水質(zhì)與污染源的響應(yīng)關(guān)系, 進而進行控制單元水環(huán)境容量的計算。謝蓉蓉等[9]以江蘇省沿海區(qū)域作為研究對象, 根據(jù)人海排污口排污方式的不同建立了兩種水環(huán)境容量計算方法——沿岸排污區(qū)域水環(huán)境容量計算方法和離岸區(qū)域水環(huán)境容量計算方法。蔡惠文等[10]提出考慮風(fēng)向風(fēng)速聯(lián)合頻率訂正及污染帶控制的水環(huán)境容量計算方法、王華等[11]提出了基于非均勻分布系數(shù)的水環(huán)境容量計算方法?？梢钥闯鏊h(huán)境容量的計算方法繁多, 對水環(huán)境科學(xué)管理有著重要意義。但是這些研究方法雖然擁有較強的機理性, 能體現(xiàn)出研究區(qū)局部的水質(zhì)變化信息, 由于污染物在實際環(huán)境的變化非常復(fù)雜[12], 研究區(qū)污染物的擴散與衰減機理性的監(jiān)測實驗難以進行, 且在近海開發(fā)利用區(qū)的環(huán)境管理中, 要更關(guān)心海域現(xiàn)狀條件下的剩余環(huán)境容量。因此, 探討如何能夠針對不同的研究目標(biāo)和區(qū)域情況, 結(jié)合不同的資料條件,用不同的模型方法建立可行的海洋剩余環(huán)境容量的計算方法, 為控制水環(huán)境污染決策服務(wù)具有重要的現(xiàn)實意義。因此, 本文將以錦州灣海域為研究對象,探討一種新的水環(huán)境容量計算方法, 通過地理信息系統(tǒng)(GIS)地統(tǒng)計分析插值模型對研究區(qū)污染物濃度和水深數(shù)據(jù)進行離散插值, 從而與控制水質(zhì)目標(biāo)比較, 估算錦州灣海域的剩余環(huán)境容量, 以期為資料匱乏條件下水環(huán)境容量的估算提供一種參考。

1 基于GIS的水環(huán)境容量計算模型

GIS在水文水資源、氣象領(lǐng)域等多個領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用, 尤其適合于將點源數(shù)據(jù)插值成連續(xù)空間表面數(shù)據(jù), GIS表現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢, 例如數(shù)字高程模型插值分析、降雨信息插值、氣溫空間分布插值、氣象要素信息插值等, 這些插值分析方法為水環(huán)境容量的計算提供了一種新的解決方案: 把水環(huán)境容量計算模型中的污染物濃度和水深作為空間插值模型中的要素等指標(biāo)進行插值模擬計算, 通過插值模型和參數(shù)優(yōu)化模型建立基于 GIS的水環(huán)境容量計算模型。

1.1 基于ArcGIS空間插值

地統(tǒng)計學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ), 借助變異函數(shù), 研究既具有隨機性又具有空間相關(guān)性的自然現(xiàn)象的一門學(xué)科[13]。ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊是一個完整的地理信息系統(tǒng)地統(tǒng)計分析的工具包, 通過工具條提供地統(tǒng)計分析向?qū)? 建立在大量隨機樣本的基礎(chǔ)上, 分析樣本間規(guī)律, 進行相關(guān)預(yù)測, 幫助用戶實現(xiàn)合理的表面插值[14]。ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊提供了兩類插值方法: 確定性內(nèi)插法和克里格插值法。

克里格插值(Kriging)又稱空間局部插值法, 廣泛地應(yīng)用于地下水模擬、土壤制圖等領(lǐng)域, 是一種很有用的地質(zhì)統(tǒng)計格網(wǎng)化方法。它通過協(xié)方差函數(shù)和變異函數(shù)確定空間變量隨距離變化的規(guī)律, 以距離為自變量的變異函數(shù), 計算相鄰變量間的關(guān)系權(quán)值,從而在有限區(qū)域內(nèi)對變量進行無偏最優(yōu)估計。它是一種光滑的內(nèi)插方法, 在數(shù)據(jù)點較多, 且區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性時, 其內(nèi)插的結(jié)果可信度較高。

克里格方法用公式可表示為:

克里格插值的主要步驟如圖1所示。

圖1 克里格插值主要步驟Fig.1 The main steps of Kriging

1.2 基于 GIS的水環(huán)境容量計算

海洋環(huán)境容量實際上是研究目標(biāo)海域在規(guī)定環(huán)境目標(biāo)下容納的污染物的最大負(fù)荷問題, 受到水體環(huán)境要素特征、生物化學(xué)衰減機理、污染物稀釋方式、污染物擴散等多個因素影響[15-16]。本文將該問題簡化研究, 將水質(zhì)模擬問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)統(tǒng)計問題,充分利用水體水質(zhì)、沉積物監(jiān)測數(shù)據(jù), 利用克里格插值法對污染物濃度和水深數(shù)據(jù)進行插值, 將研究區(qū)域離散為一個個的均勻柵格單元, 同時柵格單元內(nèi)污染物均勻分布, 那么該柵格單元的剩余環(huán)境容量計算就可以概化為單個柵格內(nèi)的剩余水體環(huán)境容量及沉積物環(huán)境容量, 再根據(jù)質(zhì)量守恒原理及文獻(xiàn)[14,17-18]的研究結(jié)果, 該柵格單元的剩余水環(huán)境容量計算公式應(yīng)為:

式中: w為柵格單元的剩余環(huán)境容量, mg; βs為污染物的控制濃度目標(biāo), mg/L; βi為污染物的插值模擬值濃度, mg/L; α為不均勻系數(shù); A為柵格單元面積,cm2; h為柵格單元水深, cm; k1為單位重量沉積物釋放/吸附量, mg/g, h1為沉積物釋放有效深度, cm; di為當(dāng)前沉積物的污染物濃度, mg/g; ρ為沉積物密度,g/cm3。

該公式?jīng)]有考慮單元格之間的水量與物質(zhì)交換,忽略了污染物的遷移擴散及水體的自凈能力, 因此,僅在一些水動力條件及水體交換能力較差的滯緩區(qū),在資料匱乏條件下, 該公式可以作為剩余環(huán)境容量的一種初步計算方法。因滯緩區(qū)與外水體交換較弱,其不均勻系數(shù)參考文獻(xiàn)[17]的湖泊水域納污能力,具體參數(shù)取值見表1。

表1 不同水域面積及不均勻系數(shù)取值Tab.1 The receiving pollution capacity and uneven coefficient of different areas

在計算出每一個單元格的剩余環(huán)境容量后, 確定水環(huán)境容量最容易超標(biāo)的區(qū)域, 以最易超標(biāo)區(qū)域的環(huán)境容量為區(qū)域水環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn), 最終計算出研究海域剩余環(huán)境容量。

2 實例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)域概況

2.1.1 總體概況

錦州灣位于葫蘆島市和錦州市之間, 三面被陸地包圍, 灣口開敞, 朝向東南, 常年平均氣溫9.4 ℃,多年平均降雨量637.6 mm, 常風(fēng)向為NNW, 次風(fēng)向為 SW, 葫蘆島和錦州市是國家重要的工業(yè)基地, 擁有錦西煉油廠、葫蘆島鋅廠、錦西化工總廠等, 2009年葫蘆島市工業(yè)企業(yè)總產(chǎn)值684.5億元[18]。作為葫蘆島市和錦州市社會經(jīng)濟發(fā)展重要支撐的錦州灣海域,同時承擔(dān)著容納兩市排放污水的重任, 有必要研究錦州灣的環(huán)境容量問題。

2.1.2 水質(zhì)概況

錦州灣監(jiān)測點位分布如圖 2所示, 共布設(shè)了 20個監(jiān)測點, 監(jiān)控海域面積160 km2, 水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)為化學(xué)需氧量、葉綠素、氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、活性磷酸鹽、pH、鹽度、溶解氧、石油類、汞、鎘、鉛、鉻、砷、鋅銅, 沉積物監(jiān)測指標(biāo)為石油類、有機碳、硫化物、汞、鎘、鉛、砷、銅、鋅、多氯聯(lián)苯、六六六、滴滴涕, 監(jiān)測頻率為每年的5月、8月、10月。經(jīng)過對錦州灣海域水質(zhì)進行綜合分析, 發(fā)現(xiàn)無機氮、化學(xué)需氧量、活性磷酸鹽、鉛、鎘、鋅等幾個指標(biāo)對海灣水質(zhì)影響較大[19-21], 本文對這些指標(biāo)的剩余環(huán)境容量進行計算, 為水環(huán)境的治理與管理提供依據(jù)。

圖2 錦州灣監(jiān)測及研究區(qū)域圖Fig.2 The monitoring area and research region graph of Jinzhou Bay

2.2 無機氮等指標(biāo)剩余環(huán)境容量計算

無機氮是近岸海域主要的污染物之一, 赤潮、富營養(yǎng)化事件都和無機氮有密切的關(guān)系, 一般 8月份是最容易發(fā)生富營養(yǎng)化的季節(jié)[19-21], 分析監(jiān)測水質(zhì)資料也說明 8月份的水質(zhì)狀況較差, 因此在本次水環(huán)境容量計算中, 以2009年8月為基準(zhǔn)計算該區(qū)域的水環(huán)境容量。

由于研究海域160 km2, 參照表1取不均勻系數(shù)為 0.380, 無機氮、活性磷酸鹽、化學(xué)需氧量、石油類等指標(biāo)不考慮沉積物的吸附或者釋放, 取 k1為0, 以方便管理人員從不同的需求進行環(huán)境管理與控制。

利用2.1節(jié)所述步驟對水深以及無機氮、活性磷酸鹽、化學(xué)需氧量、石油類等污染物濃度進行插值,輸出水深和無機氮插值結(jié)果如圖3所示。

圖3 水深與無機氮插值結(jié)果Fig.3 The interpolation results of water depth (left) and inorganic nitrogen (right)

利用 GIS柵格計算模塊, 將不均勻系數(shù), 單元格面積, 水深柵格數(shù)據(jù), 污染物濃度插值數(shù)據(jù)代入公式(2), 計算得到無機氮、活性磷酸鹽、化學(xué)需氧量、石油類等剩余環(huán)境容量見表2。

2.3 重金屬剩余環(huán)境容量計算

由于錦州灣海域靠近葫蘆島鋅廠及來自五里河入海口陸源排污, 沉積物中重金屬污染較為嚴(yán)重,其中尤其Cu、Zn、As、Cd元素重金屬含量較高, 超過 50%的站位超出一類沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn), 重金屬大部分以非殘渣態(tài)存在, 易于進入水相或被生物所利用再次釋放出來, 造成二次污染[19-24]。

由于進入水體的大部分重金屬常常轉(zhuǎn)移至懸浮顆粒物或底層沉積物中, 因此在對重金屬環(huán)境容量進行計算時考慮沉積物的吸附作用, 即這里剩余環(huán)境容量計算既包括海域海水中重金屬的剩余環(huán)境容量又包括沉積物中重金屬的剩余環(huán)境容量。

重金屬剩余環(huán)境容量計算中不均勻系數(shù)參照表1, 取不均勻系數(shù)為 0.380; 錦州灣屬于港口航運區(qū),執(zhí)行Ⅳ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 計算對應(yīng)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下重金屬的水環(huán)境容量; 參考文獻(xiàn)[21-25], 不同粒徑的沉積物對重金屬吸附作用的影響是不同的, 粒徑越小, 沉積物對重金屬的吸附作用越大, 按粒徑從小到大的最大吸附量分別為 28.760、20.121、15.038、12.579 mg/g, 這里取k1為其平均值為19.12 mg/g; 參考文獻(xiàn)[21-25]確定沉積物濕密度為1.65 g/cm3, 含水量為70%, 由此確定沉積物干密度ρ為0.5 g/cm3。由于沉積物吸附和釋放在表層10 cm內(nèi)的影響最大[23],因此這里沉積物深度取為10 cm, 由此得到重金屬的總環(huán)境容量見表2。

表2 基于GIS的水環(huán)境容量計算結(jié)果(單位: t)Tab.2 The computing result of water environmental capacity by GIS(unit: t)

3 結(jié)論

以錦州灣海域為研究對象, 通過 GIS地統(tǒng)計分析插值模型對研究海域污染物濃度和水深進行離散插值, 建立基于地理信息系統(tǒng)的近海剩余環(huán)境容量計算方法, 從而達(dá)到對海域剩余環(huán)境容量的直接估算。錦州灣海域水環(huán)境容量計算結(jié)果為無機氮281a,活性磷酸鹽 31a, 化學(xué)需氧量 3971a, 鋅 527.8a, 鉛46.7a, 鎘 10.34a。由于受來自大興河和連山河的陸源污染影響, 錦州灣海域的溶解無機氮(DIN)濃度呈現(xiàn)北部高, 南部低的特點, 大興河、連山河一帶海域的DIN濃度高于其他區(qū)域。受靠近葫蘆島鋅廠及來自五里河入?？陉懺磁盼鄣挠绊? 錦州灣海域沉積物中重金屬污染較為嚴(yán)重, 尤其 Cu、Zn、As、Cd等元素含量較高。

基于 GIS的水環(huán)境容量計算方法不依賴于水動力擴散和污染衰減條件, 將整個研究區(qū)域看作均勻混合的水體, 較其他水環(huán)境容量計算方法計算過程比較簡單。雖然忽略了各點之間污染物的對流擴散,沒有考慮排污口的影響, 計算得到的是瞬時的剩余環(huán)境容量, 但該環(huán)境容量計算方法對水環(huán)境管理仍有一定的參考價值, 可以作為海域水環(huán)境容量的初步調(diào)查分析, 或是資料匱乏條件下作為一種先行的計算方法。本研究中由于錦州灣剩余環(huán)境容量計算采用不均勻系數(shù)參考湖泊環(huán)境容量計算方法, 所以得到的錦州灣的海洋環(huán)境容量的結(jié)果不夠精準(zhǔn), 有待進一步完善。

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