規劃環評中海灣水環境容量的計算方法

陳益明

(福建省環境科學研究院環境工程重點實驗室，福建福州 350013)

規劃環評中海灣水環境容量的計算方法

陳益明

(福建省環境科學研究院環境工程重點實驗室，福建福州 350013)

為進一步提高規劃環評中海灣水環境容量預測結果的合理性和準確性，基于潮流數學模型和物質輸運數學模型，通過試算法，提出了一種基于混合區概念的計算海灣水環境容量的新方法。結果表明，通過新方法預測的海灣環境容量符合國家規范要求，能充分考慮排污口附近最大允許混合面積、海灣生態敏感區分布狀況、多排污口同時排放下的疊加影響等因素。該方法被運用于福建省湄洲灣規劃環評的環境容量測算，分析了海灣灣口、灣中和灣內不同動力環境下差異化的水污染承載能力。認為考慮最大混合允許范圍的環境容量預測方法可優化海灣排污口的布置，促進海灣經濟規劃發展的合理布局。

海灣;環境容量;混合區;海洋功能區劃;數學模型

海灣水環境容量是在人類健康與海灣生態環境不受影響的前提下，海灣水體所能容納的污染物最大負荷量。海灣水環境容量是海灣地區經濟發展規模的重要依據，同時也是新建項目環境可行性的重要支撐。

一般而言，近岸海域水體的環境容量是通過海域物理自凈和生化降解作用得到的。但是，由于海岸線和污染物排口位置的限制，水體實際上可分配環境容量是指在一定規劃設計條件下，能夠容納的可控污染物的總量，它是污染物總量控制和負荷分配的直接依據［1-2］。

河流的水環境容量大小主要受制于上游枯水流量［3］，然而影響海灣水環境容量的要素很多，概括起來主要有以下4個方面:①水域特性，體現在海灣的地形地貌特征，決定海灣的納潮量和水交換率;②污染物質的生化特性，由于降解、生物等作用，同一海灣不同污染物具有各自不同的環境容量，但考慮到污染物之間的化學作用，往往提高某種污染物的環境容量可能會降低另一種污染物的環境容量;③水環境功能區劃，通常水質要求高的水域，如生態敏感區，水環境容量小;水質要求低的水域，水環境容量相對較大。④排污方式和排污口的水深決定了水體初始稀釋度，進而影響了污染物的擴散程度。

1 環境容量常用計算方法

目前常用的海灣環境容量計算方法可分為均勻混合法［4］、濃度場分擔率法［5］。其中均勻混合法將海灣作為一個濃度均勻的箱體模型，污染物質進入水體后立刻混合均勻，對污染物環境容量的預測主要取決于海灣水體交換率、納潮量等指標;濃度場分擔率法通過建立水動力模型和水質模型，分別求出各個點源的響應系數場和分擔率場，再結合當地水質目標及現狀本底濃度情況推求入海污染物的環境容量。也有學者曾利用衛星影響估算海灣環境容量［6］，但這類方法依賴于環境檢測數據量及準確性，實用性不強。近年來也出現了總量最優化法［7］，依據當地社會、經濟發展規劃，制定海灣最大環境容量，但該方法需要點源排放量與目標海域濃度場的關系是線形的，且假定了海灣污染物的濃度場分布趨于穩定狀態，因此不適于氮、磷等非保守性物質，經常出現某些排污口被優化掉的情況，即某些排污口的允許排污量人為界定為零，與客觀實際不符［8］。筆者僅就常用的均勻混合法、濃度場分擔率法做簡單介紹，并指出存在的不足。

1.1 均勻混合法

潮汐的漲落過程促進了海灣水體與外海的交換。由于灣外水體水質優于灣內水體，漲潮時外海海水涌入海灣稀釋含污水體，落潮時，灣內含污水體則隨落潮流排入外海，經過1個潮周灣內水體的污染物濃度得以稀釋。由海灣潮汐作用造成的環境容量可以通過零維水質預測模型［9］來估算:

式中:V為灣內水的平均體積，m3;ρB為灣內污染物的平均質量濃度，mg/L;ρ0為外海污染物的平均質量濃度，mg/L;QF為漲潮期流入灣內的水量，m3/s;QE為落潮期流出灣內的水量，m3/s;D為1個潮周期內所有污染源向灣內的排放總量，g/s;β為進入灣內的外海水量與漲潮水量的比值，也稱之為灣外水體對灣內水體的交換率;γ為流出的灣內水量與落潮水量之比，也稱之為灣內水體對灣外水體的交換率。

海灣內、外的海水交換率(β和γ)一般以鹽度為指標物質，通過取灣內、灣外及灣口的同步觀測資料，可根據如下公式計算［10］:

式中:γE為漲潮期流入水體總量中進入灣內的濃度為ρ0的外海水體所占比例，其中，γE=(ρF-ρE)/(ρ0-ρE);γF為落潮期流出海灣水體中流出灣外的質量濃度為 ρB的內灣水體所占比例，其中，γF=(ρF-ρE)/(ρF-ρB);α =QF/QE;ρE為落潮時流出海灣水體的平均質量濃度，mg/L;ρF為漲潮時流入海灣水體的平均質量濃度，mg/L。

通過近似簡化并推導可得出，當灣內平均質量濃度由ρB達到水質標準中限制值ρS時，則灣內1個潮周期的環境容量為

1.2 濃度場分擔率法

基于水質模型模擬的結果和濃度場的迭加原理，根據海灣沿岸功能區劃的要求，以水質控制目標作為約束條件，計算出海灣各排污口水污染物的最大允許排污量，以此作為海灣可以利用的環境容量。一般可以采用沿深度平均的二維對流擴散數學模型(AAD)［11］，模型中引入了高精度TVD數值格式，提高了模型的模擬精度且確保了物質的守恒性。水質模型控制方程可表述為

式中:ρ為污染物沿垂線平均的質量濃度，g/m3;u、v分別為x和y方向的垂線平均流速，m/s;H為實際水深，m;Dx、Dy分別為x和y方向的擴散系數，m2/s;K為污染物降解率，1/s;S為污染源強度，g/(m3·s)。

由于式(5)可近似看成線性的，滿足迭加原理，所以若干個污染源共同作用下所形成的平衡濃度場可以視為各個污染源單獨影響濃度場的線性疊加，即設ρi為第i個污染源Si單獨影響下的平衡濃度場，則在n個污染源同時存在時所形成的濃度場ρ應為

同時，某一源強所形成的濃度場可視為由若干個單位源強作用的線性疊加結果，即為如下關系式

式中:Ri即為單位源強值時(即Si=1)所形成的影響濃度場，可以通過水質模型計算得到。將Ri定義為響應系數，它表征了海區內水質對某個點源的響應關系。設水質標準中的限制值為ρS，則各排污口的排放強度Si的約束條件為

假設海灣各排污口的排放量占總排放量的百分比已知，為 λi(i=1，2，…，n)，對應于灣內任一點(x，y)，要求滿足濃度總量小于ρS，則計算出可排放總量M為

針對海灣內每個海域，選取一系列特征點，根據式(9)計算出的M(x，y)得到一系列的環境容量，再由小到大排序，取最小值則為海灣最大允許排放總量，并根據百分比λi確定各排放口的排放量。

1.3 現有方法的不足

均勻混合法(方法一)在估算時把海灣假設成1個整體與灣外部水體在一個潮周期內充分交換的結果，由此可能會導致過高估計環境容量［12］。此外，海區不同位置的動力差異，水體交換并不是整體簡單的進退，而是有先后，甚至有些地方小海灣可能出現滯留現象，交換周期延長，交換能力也相對較差，不適于排污。這類方法不能區分海灣內不同區域的功能要求，只適用于面積不大的海灣環境容量計算。

濃度場分擔率法(方法二)基于水動力模型，能夠更合理地考慮海灣不同區域的水動力特征，但在實施過程中，要求灣內每一個海域水質均達標，這種研究方法過于保守，導致最終確定的排放總量偏低。同時在實際操作中，需要實現事先定義各排污口排放比例，不能結合當地的發展規劃在各污染源之間進行更加合理的調配。

針對上述兩類常用方法的不足，本文在方法二的基礎上做出了改進，考慮海灣不同區位功能區劃的要求，提出了新的計算模式。

2 改進方法

2.1 排污口選擇原則

應滿足近岸海域環境功能區劃、海洋功能區劃的要求;要求排污混合區范圍不影響周邊保護區、養殖區等海洋生態敏感區;根據《全國水環境容量核定技術指南》［13］的規定，排污混合區范圍s應控制在3 km2以內，所以混合區是指在排污口周邊指定的一個區域內，使污染物進行初始稀釋，在此區域內可以超過水質標準;還應滿足GB 18486—2001《污水海洋處置工程污染控制標準》［14］中的相關要求，包括水深條件等因素，有利于提高污染物排放后的初始稀釋度。

2.2 環境容量的計算流程

考慮海灣內多排污口情況，首先確定單一排污口的最大允許排污量，具體計算步驟為:①設定初始的排放總量作為源項考慮，并代入高精度的水質模型［11］進行模擬;②待模型計算穩定后，在排污口附近會形成混合區，選擇典型污染物，疊加現狀本底濃度，繪制混合區濃度包絡線圖;③基于混合區水質控制標準ρS，計算對應該指標的包絡線面積，若面積不小于3 km2，則返回到步驟①，降低排放總量;④分析污染物擴散對周邊環境的影響，若周邊存在敏感區，且水質標準要求為二類水指標，則對應二類水指標的濃度包絡線范圍不能與敏感區和特定功能區出現重合，如不滿足則返回步驟①，進一步降低排放總量;⑤反復調試，當基于濃度ρS的包絡線面積符合標準要求，同時也未影響到海域功能區劃中環境敏感區，則滿足要求。同時繪制出各排污口附近最大允許混合區范圍。⑥對比GB18486—2001《污水海洋處置工程污染控制標準》［14］中的相關要求，對排放量進行最終核定。

單一排放口環境容量預測計算流程見圖1。

圖1 計算流程圖

其次，依據各單獨排污口預測的環境容量，擬定初步的海灣總排污量，若各排污口距離較遠，相互之間的疊加影響可忽略不計，則可以采用直接線性相加的方式確定總環境容量，如一個排污口在灣內，另一個排污口在灣外。而當排污口之間距離較近時，則需要考慮排污口之間的污染物濃度疊加影響。針對排污口相互影響的情況，需要對排污量進行協調，減少排污需求較少區域的環境容量，降低其對周邊其他排污口的影響。

最后，復核環境容量合理性，將各排污口擬定的排污量作為源項代入水質模型，繪制全海灣基于濃度控制指標ρS的包絡圖，確保每個排污口附近的混合區范圍被限制于單一排污口最大允許混合區范圍內。

3 應用實例

3.1 實例介紹

湄洲灣位于福建中部沿海(東經119°2'，北緯25°6')，北鄰興化灣，南鄰泉州灣，灣口有湄洲島作為屏障，是福建沿海天然優良港灣之一。灣內三面被大陸環抱，東、北和西北部分屬莆田市秀嶼區、城廂區和仙游縣，西、南部分屬泉州市泉港區和惠安縣。

湄洲灣海岸線長186.57 km，屬于隱蔽性和穩定性較好的港灣，灣內具有潮差大和水深大的特征。劍嶼口門以內海灣總面積達444.60 km2，其中灘涂面積為160.80 km2(以潮灘為主，局部為海灘)，水域面積為283.8 km2。灣內大部分水深均在10 m以上，并從灣內北側、東西兩側向中心航道、南側和灣口逐漸變深。最大水深達52 m。灣內島嶼層層阻擋，口內有盤嶼、大竹島、小竹島、大生島，灣內又有橫嶼和礫嶼形成兩道天然屏障。湄洲灣周邊無大河溪注入，僅在西北角有一條楓亭小溪注入，中西部有一條林輞溪注入。湄洲灣為多口門的海灣，從東北部文甲口經采嶼、大竹到西南部后嶼等共有4個較大口門，其寬度共達9.5 km，口門附近無攔門沙發育。灣口朝向東南，海岸線曲折，主要由基巖海岸組成，局部出現淤積質，砂質和紅樹林海岸。首先基于潮流數值模型(ELCIRC)［15］，模型基于非結構網格，充分貼合復雜的地形邊界，模擬全灣水動力運動過程，漲、落急時刻流場見圖2、圖3。結合流場圖可分析出海灣的流態特征，海灣內漲潮流呈偏北向，落潮流為偏南向，海灣中部流速較大，淺灘海域潮流動力較弱，合適的排污口應位于水動力較強的水域，這樣有利于污染物的稀釋和輸運。水動力模型的建立，為排污口布置提供初步的參考依據。

3.2 預測結果與討論

根據排污口選擇原則，并結合環湄洲灣區域發展規劃 (圖4)，湄洲灣內擬定了6個排污口，分別為位于灣頂的楓亭、太湖，灣中的秀嶼、峰尾和東吳，以及灣口的斗尾，排放方式為連續排。各排污口位置見圖5，其水深情況見表1，海灣水質本底情況見表2。

圖2 湄州灣大潮期漲急時刻流場

圖3 湄州灣大潮期落急時刻流場

首先基于污染物擴散模型，確定單一排污口的混合區范圍。要求疊加現狀本底濃度后，排污口污水排放后超二類水的面積不超過根據標準確定的范圍，同時也不能影響周邊敏感區。各排放口混合區范圍見圖5。不難發現，由于海灣動力空間分布差異，混合區包絡線形態受潮流動力、水深條件的影響，本例中灣中和灣口海域整體呈現出長條狀特征，與漲、落潮流路一致。通過反復試算，擬定出各單一排放口最大允許排放量，以供下一階段多排污口排污量組合參考。

圖4 環湄洲灣區域排水規劃

圖5 湄州灣排污口分布及各排污口排污混合區范圍

表1 湄州灣排污口位置及水深情況

表2 湄州灣海灣水質本底情況 mg/L

其次關于相鄰排污口的疊加影響問題，需要考慮如何進行調劑或平衡，適當減小需求量小的排污口的容量，減少其排污對周邊海域水質的影響，盡可能滿足需求大的排污口需求。根據海灣發展規劃，調整各排污口允許排污量，這就需要結合數學模型進行反復試算。

最后將針對各排污口擬定的排污量代入水質模型中，預測灣內最終的污染物濃度分布圖，復核設計排污總量的合理性，確保每個排污口周邊超二類水范圍均不越過圖中劃定的影響范圍。考慮單獨排放和同時排放情況下，各排污口的環境容量列于表3。

表3 各排污口單獨排放和同時排放情況下的環境容量預測 t/a

從表3數據可以看出，基于考慮各排污口之間的疊加影響計算的海灣環境容量小于各排污口最大允許排污量之和(相差約40%左右)。因此，海灣環境容量的計算不能簡單地對各排污口的排污量進行線性疊加。此外，值得注意的是，當相鄰排污口距離較近時，則排污口最大混合區的范圍和形態會發生改變，此時需要進行多次復核，以確保混合區外側水質環境功能區水質標準。

研究結果表明，對于半封閉型海灣，存在多個排污口時，由于各排污口污染物排放時會對彼此產生一定的疊加影響，因而當增加其中一個排污口排污量時，相應周邊海域的污染物濃度也會增大，進而減少相鄰排污口的排放容量;反之，相鄰位置的排污口環境容量則可以提高。各排污口環境容量呈現出此消彼長的特點。因此，確定整個海灣的環境容量時需要根據當地不同區域的規劃和社會發展目標做出必要的取舍和調整。

4 結語

海灣內排污方式的選擇既要符合海洋功能區劃，與相鄰功能區相協調，還要綜合考慮各行政區或工業區的排污需求、水深等自然條件、經濟技術上的可行性等因素。傳統的均勻混合法和響應系數方法，會導致對海灣環境容量的高估或低估。針對上述不足，本文提出了一種基于混合區概念的、符合國家規范要求的海灣水環境容量計算模式。通過結合海灣當地發展規劃確定海灣最大允許排污容量，并成功應用于湄洲灣發展規劃環評的環境容量測算。

研究成果可為我國沿海地區海灣水環境容量測算提供參考和借鑒。當然，本文提出的環境容量尚未考慮其他如生物吸收代謝、化學反應、懸浮顆粒物吸附沉降等自凈作用而產生的環境容量，這在今后的研究中還將作進一步深入探討。

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A method for calculation of environmental capacity of bay water during planning environmental impact assessment

CHEN Yiming
(Key Laboratory of Environmental Engineering，Fujian Provincial Academy of Environmental Science，Fuzhou 350013，China)

Reasonability and accuracy are the major concerns when predicting the environmental capacity of bay water during planning environmental impact assessment.To further improve these two aspects，we present a new calculation mode with the concept of a mixing zone using the trial method based on mathematical models of tidal flow and solute transport.Research results show that the environmental capacity predicted by the new method meets the requirements of the national code，and it fully considers the factors such as the maximum allowable mixing area near the sewage outfall，the distribution of ecologically sensitive areas in the bay，and the accumulated effects of simultaneous drainage from multiple sewage outfalls.The new method was used to calculate the environmental capacity of Meizhou Bay，in Fujian Province，during its planning environmental impact assessment，in order to analyze the pollutant carrying capacity of different parts of the water body with different dynamic environments at the bay mouth，and in the middle and inner bay.This new calculation mode can optimize the layout of sewage outfalls and coordinate the layout of economic development along coastal areas.

bay;water environmental capacity;mixing zone;ocean functional regionalization;mathematical model

X321

A

1004-6933(2014)03-0070-06

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.03.014

國家科技支撐項目(2012BAB03B01)

陳益明(1968—)，男，高級工程師，主要從事水資源環境保護規劃研究。E-mail:1052899272@qq.com

(收稿日期:2013-11-12 編輯:高渭文)