郝文彬

摘 要：近岸海域環(huán)境容量是人類社會經(jīng)濟(jì)活動重要的資源，港口區(qū)的建設(shè)影響周邊海域的水動力場條件，同時(shí)影響其環(huán)境容量。文章以廣東省潮州市柘林灣及其周邊海域?yàn)檠芯繉ο?，建立了平面二維動態(tài)水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合污染源分布，建立污染源-近岸海域水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系，并計(jì)算環(huán)境容量，再結(jié)合潮州新區(qū)規(guī)劃各港口區(qū)的建設(shè)，計(jì)算港口區(qū)建設(shè)后的近岸海域環(huán)境容量，兩者進(jìn)行對比分析。分析結(jié)果表明：港口區(qū)的建設(shè)改變了海岸線形狀，削弱海灣水動力強(qiáng)度，港口區(qū)附近海域環(huán)境容量明顯減小，距離較遠(yuǎn)則影響不大。

關(guān)鍵詞：近岸海域；數(shù)學(xué)模型；環(huán)境容量；港口區(qū)

中圖分類號：X26 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）08-0064-02

海洋資源是人類賴以生存的自然資源的重要組成部分，除為人類提供海洋生物、海底礦產(chǎn)、油氣等巨大的實(shí)物以外，同時(shí)其天然龐大的水體亦為人類提供了環(huán)境資源[1]。水環(huán)境容量是指水體在規(guī)定的環(huán)境目標(biāo)下所能容納的污染物的最大負(fù)荷，其大小與水體特征、水質(zhì)目標(biāo)及污染物特性有關(guān)[2]。近岸海域環(huán)境容量歸根結(jié)底是一種水環(huán)境容量，其大小由所屬海域水動力特征、近岸海域功能區(qū)劃和污染物排放特征等共同決定。

隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，人們對近岸海域的資源利用日益增大，尤其是港口區(qū)的建設(shè)較為普遍，此類建設(shè)往往工程量較大，且涉及到填海造陸，改變了局部近岸海域的天然岸線分布，一定范圍內(nèi)的海水潮汐、波浪等水動力特征將受到影響，進(jìn)而影響了環(huán)境容量。鑒此，本文以潮州市柘林灣海域?yàn)槔?，討論區(qū)域港口建設(shè)對近岸海域環(huán)境容量的影響。

1 工程概況

為進(jìn)一步提升潮州市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，擬開發(fā)所轄近岸海域建設(shè)港口區(qū)。潮州用海規(guī)劃擬建港口區(qū)共3個(gè)，分別為三百門港口區(qū)、西澳港口區(qū)和金獅灣港口區(qū)。

2 近岸海域環(huán)境容量計(jì)算方法

2.1 環(huán)境容量計(jì)算方法

2.1.1 計(jì)算方法

在同一海域的各個(gè)排放源位置確定的情況下，在一定的水質(zhì)目標(biāo)約束下計(jì)算該海域的允許排放總量及其在各排放源之間的分配，就是海域的總量控制。

一般來說環(huán)境容量問題可以表述為：在選定的一組水質(zhì)控制點(diǎn)的污染物濃度不超過其各自對應(yīng)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的前提下，使各排污口的污染負(fù)荷量之和為最大，即：

目標(biāo)函數(shù)：maxL=■■j=1■j（1）

約束條件：■■j=1aijxj+c■≤■（i=1，2，...，m）xj≥0（j=1，2...，n）

式中，i為水質(zhì)控制點(diǎn)編號；m為水質(zhì)控制點(diǎn)數(shù)目；j為排污口編號；n為排污口數(shù)目；x為負(fù)荷量；L為總負(fù)荷量，即環(huán)境容量；aij為第j個(gè)排污口的單位負(fù)荷量對第i個(gè)水質(zhì)控制點(diǎn)的污染貢獻(xiàn)度系數(shù)；cb為水質(zhì)控制點(diǎn)的污染背景濃度； 為水質(zhì)控制點(diǎn)處的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值。

式2左邊實(shí)際上是控制點(diǎn)處的濃度。由于水質(zhì)擴(kuò)散模型是線性的，濃度有可迭加性，所以用線性迭加的方法來求某一點(diǎn)的濃度是可行的。由此，求解海域環(huán)境容量問題歸結(jié)到求解由式1～3所表達(dá)的線性規(guī)劃問題。

其中貢獻(xiàn)度系數(shù)aij（i=1，…，m；j=1，…，n）的求解是以線性規(guī)劃法求解環(huán)境容量的關(guān)鍵，也是工作量最大的部分。根據(jù)定義，可假想在一個(gè)排污口給1個(gè)單位負(fù)荷量，即xj=1，而其它排污口無負(fù)荷量排出，即xk=0 （k=1，…，n；k≠j ），然后用二維水質(zhì)模型計(jì)算出在這種情況下的濃度分布，確定出m個(gè)水質(zhì)控制點(diǎn)的濃度值，即為aij（i=1，…，m）。改變排污口，重復(fù)以上步驟，就可以求出每個(gè)排污口的aij。在以上所有計(jì)算中，均不考慮背景濃度。

對于一般工作而言，由于實(shí)際環(huán)境容量的計(jì)算僅限于一個(gè)排污口（附近污染源對控制點(diǎn)的貢獻(xiàn)通過水質(zhì)模擬計(jì)入背景濃度），即j=1，而相應(yīng)的約束條件為控制排污口稀釋混合區(qū)邊界上的濃度必須滿足水質(zhì)目標(biāo)，因此可選取排污口在稀釋混合區(qū)邊界上帶來最大濃度增值的點(diǎn)作為控制點(diǎn)，即i=1。相應(yīng)的，貢獻(xiàn)度系數(shù)aij退化為amax（amax為控制排污口單位負(fù)荷量在稀釋混合區(qū)邊上產(chǎn)生的最大濃度值）。因此，上述的容量計(jì)算公式可簡化為：

目標(biāo)函數(shù)：maxL=x

約束條件：amaxx+c■≤■x≥0

由此可推出排污口容量：x≤■

2.1.2 關(guān)鍵計(jì)算參數(shù)選取

本文計(jì)算因子選取COD；降解系數(shù)根據(jù)查閱相關(guān)研究材料獲取，具體為0.08/d。

2.2 近岸海域二維潮流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型建立

因各港口區(qū)水深較淺，鹽度、流場、污染物質(zhì)濃度等特征在鉛垂方向差異不大，因此采用二維淺水方程模擬研究范圍水動力水質(zhì)特征，采用垂向平均的二維對流擴(kuò)散方程描述污染物進(jìn)入水體后的時(shí)空分布特征，以此為基礎(chǔ)計(jì)算近岸海域環(huán)境容量。

2.2.1 潮流場計(jì)算模式

使用平面二維淺水方程作為潮流場計(jì)算模式，表達(dá)形式如下：

■+■[（h+z）u]+■[（h+z）v）=0

■+u■+v■-fv+g■+g■-■=εx（■+■）

■+u■+v■-fu+g■+g■-■=εy（■+■）

式中，u，v為垂線平均x、y方向的流速；z為基準(zhǔn)面以上的潮位；h為水深（基準(zhǔn)面以下）；g為重力加速度；τsx、τsy為風(fēng)應(yīng)力分量；εx、εy為水平紊動粘性系數(shù)；ρ為水密度；Cz為海底阻力系數(shù)（謝才系數(shù)）；其中，n為海底Manning系數(shù)。

2.2.2 水質(zhì)計(jì)算模式

采用二維對流擴(kuò)散模式評估近岸海域污染物濃度的時(shí)空變化，控制方程如下：

■+ ■+■=h[■（E■■）+■（E■■）]■+S

式中，為水深平均的污染物的濃度，mg/L；為沿x、y方向的流速分量，m/s；為x、y方向的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；S為源（匯）項(xiàng)，g/m2/s。

2.2.3 計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

建立的潮流水質(zhì)模型計(jì)算域劃定范圍為： 南起23 °26′ 36 ″N，北至23 °39 ′03 ″N；西起116 °51 ′59 ″E，東至117 °10 ′11 ″E所圍成的海域，主要包括柘林灣海域。

模型采用三角形無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對研究水域進(jìn)行劃分，并針對填海三大港口區(qū)進(jìn)行局部加密，港口區(qū)周邊海域采用100 m*100 m進(jìn)行劃分，其余海域使用500 m*500 m進(jìn)行劃分，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù) 7 486個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)14 151個(gè)。

2.2.4 關(guān)鍵計(jì)算參數(shù)選取

二維潮流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計(jì)算參數(shù)主要包含邊界條件、水下地形等，選取如下：

對于與海域連接的陸地，取為不可入邊界，法向速度設(shè)置為0；對于模型外海水文開邊界，計(jì)算水域共2個(gè)開邊界，分別為東邊界和南邊界。本次模型計(jì)算時(shí)間選取2009年8月16日00：00：00～2009年8月30日23：50：00共15 d作為計(jì)算水文條件模擬本項(xiàng)目區(qū)域近岸海域的水動力情況，并以此為基礎(chǔ)加載污染物進(jìn)行水環(huán)境影響預(yù)測評價(jià)。開邊界以動邊界上各點(diǎn)的同時(shí)段潮位過程的組合序列為水文輸入條件，大洋潮汐同化模式TPXO來獲取邊界潮位過程。

對于水下地形條件，依據(jù)海圖（圖號80105）、2009年新測柘林灣水下地形圖、公用航道水下地形圖等，并在模型中應(yīng)用插值的方法將地形數(shù)據(jù)賦值到各計(jì)算節(jié)點(diǎn)上。

對于計(jì)算時(shí)間步長、糙率柯氏系數(shù)等參數(shù)，通過借鑒現(xiàn)有成果及模型調(diào)試計(jì)算進(jìn)行選取。

3 工程前后環(huán)境容量變化分析

3.1 工程建設(shè)前后環(huán)境容量對比分析

各計(jì)算點(diǎn)的COD環(huán)境容量計(jì)算成果，見表1。

由表1可得出以下結(jié)論：①相比港口工程建設(shè)之前，工程建設(shè)后4個(gè)計(jì)算點(diǎn)的環(huán)境容量均有所下降；②對比各計(jì)算點(diǎn)環(huán)境容量下降幅度可知，三百門海域下降最多，相比工程前下降了25.7%，而沒有港口工程建設(shè)的海山島海域，環(huán)境容量則沒有明顯變化，僅下降了3.54%。

3.2 工程建設(shè)對近岸海域環(huán)境容量的影響

由表1的對比結(jié)果分析，可知港口工程的建設(shè)會減弱近岸海域接納污染物的能力，即降低環(huán)境容量，尤其是港口工程建設(shè)地點(diǎn)的附近；而在距離較遠(yuǎn)的海域，環(huán)境容量受影響很小。這是因?yàn)楦劭诘拈_發(fā)建設(shè)，占用了海面，對附近海域的潮流動力形成了遮擋作用，流速變緩，污染物擴(kuò)散和遷移等作用減弱，進(jìn)而環(huán)境容量較大的削弱；而在遠(yuǎn)離港口工程區(qū)的海域，工程建設(shè)對該海域的潮流動力特征影響有限，因此該處環(huán)境容量受影響很小。

4 結(jié) 語

①近岸海域港口工程的建設(shè)，減弱了周邊海域潮流動力條件，污染物擴(kuò)散和遷移等作用減弱，環(huán)境容量變??；

②越靠近工程建設(shè)地點(diǎn)的海域，潮流動力減弱的效應(yīng)越強(qiáng)，環(huán)境容量降幅越大；而遠(yuǎn)離工程建設(shè)地點(diǎn)的海域，由于工程建設(shè)對該海域的潮流動力特征影響有限，因此該處環(huán)境容量受影響很小。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳偉琪，張珞平.近岸海域環(huán)境容量的價(jià)值及其價(jià)值量評估初探[J].廈 門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999，（6）.

[2] 逄勇，陸桂華.水環(huán)境容量計(jì)算理論及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010.