近岸水域環境容量計算及實例應用分析研究

摘要：提出了適用于近岸水域的環境容量計算方法，通過構建三維水動力、三維生態動力模型對近岸水域的水動力、水質過程進行了模擬驗證，結合水質功能分區，將容量計算歸結為線性規劃問題，求解在規劃的水污染控制單元劃分和排污口位置條件下的水環境容量。以大亞灣水域為實例求解與分析了CODMn環境容量，驗證了計算方法的適用性和有效性。

關鍵詞：近岸水域；環境容量；水動力；生態動力；線性規劃

中圖分類號： X26

文獻標識碼： A 文章編號： 16749944（2015）06025104

1 引言

環境容量概念最早由日本環境學界在20世紀60年代提出[1]，國內外的研究者對水環境容量提出過多種表述的定義[2～4]，具體可描述為：在一定的排污口位置下，對象水域在水環境質量達到環境標準的前提下所能容納污染物的最大量。水環境容量的影響因素除了排污口的位置和環境標準之外，還有支配污染物輸移、稀釋和擴散的水動力條件以及污染物本身的降解速率等。按照計算條件的不同，環境容量可區分為兩類，一是天然環境容量，就是在假設各類污染物背景濃度為0時（即假設水體完全不受污染），所求出的各排污口總排放最大負荷量；二是背景環境容量，是指在只考慮外海邊界污染物輸入時，所求出的各排污口總排放最大負荷量。水環境容量評估工作對近岸區域的可持續發展具有重要意義，本研究具體提出了適用于近岸水域環境容量的評估計算方法，并結合實例應用開展研究分析。

2 計算方法

根據研究水域的地形、水動力特征，建立起反映研究水域實際動力情況的三維水動力，并根據觀測數據對建立起來的水動力過程進行模擬，然后根據研究水域的水質及生態現狀，建立起反映水質情況的三維生態動力模型，并根據觀測數據對建立起來的生態動力模型進行水質過程模擬，并驗證模型應用于近岸水域的可靠性，最后根據研究水域現有的水質功能分區，求解在規劃的水污染控制單元劃分和排污口位置條件下的水環境容量。

2.1 水動力與生態動力過程模擬

采用ECOMSED（Estuaries and Coastal Ocean Model with Sediment Module）模型[5]進行水動力過程模擬。ECOMSED為三維數學模型，模型主要模擬變量包括三維流速、溫度、鹽度、湍動能、湍流長度等。模型的動力方程為非線性的，考慮由于溫、鹽導致流體密度差異所產生的上升和下降流，以及流體的水平對流。在進行水動力模型的構建和驗證時，首先根據近岸水域的地形、水動力特征，建立起反映近岸水域實際動力情況的三維水動力；接著則根據現場觀測數據對建立起來的水動力過程進行模擬，并對結果進行驗證，以檢驗模型的可靠性。模型的雷諾動力方程為：

式中：（U，V）為水平流速矢量，為水平梯度運算符，ρ0為海水密度常數，ρ是實際密度，g是重力加速度，P是壓力，KM是垂向湍動能混合的渦粘系數，f是隨緯度變化的科氏力參數。

采用RCA生態動力模型（Row-Column Aesop）[6]進行水質過程模擬。RCA模型是從Aesop箱式生態模型及美國環保署的WASP水質模型發展而來，RCA包括溶解氧、碳循環（其中包括了浮游植物的生長）等五個相互作用系統。RCA最明顯的特征是耦合了一個底泥營養鹽通量模型，可以根據每天沉積到底泥中的顆粒態有機碳等形態的污染物通量及底泥中原有的顆粒態有機碳等形態污染物的含量，動態地模擬研究區域污染物底通量及底泥耗氧量的時空變化過程。RCA水質模型描述各水質因子物理、生化過程的方程的一般形式可用下式表示：

式（4）中：c為水質因子濃度（mg/L），t為時間（s），E為由于潮汐、密度或速度梯度所引起的梯度導致的擴散系數（m2/s），U為對流速度（m/s），S為各水質因子內部源匯項（mg/（L·s）），W為外部源匯項（mg/（L·s））。

用于構建水動力及生態動力模型的數據主要分為四類，分別為模型驗證數據、邊界條件數據、環境容量水質目標數據及地形數據。模型驗證數據主要是用于水動力模型及水質模型中各參數率定及計算結果驗證的各類水動力及水質數據；邊界條件數據是用于驅動水動力模型及生態動力模型所需的在外海邊界、河流邊界及海表邊界所需要的水位、流量、污染物濃度、氣象條件等數據；環境容量水質目標依據是研究水域執行的水環境質量標準的有關規定，近岸水域水質目標參考《中華人民共和國海水水質標準》（GB3097-1997）；地形數據是研究水域的水底地形數據。

2.2 容量求解

為了使環境容量的求解更加科學化與合理化，同時為了避免傳統的試算法解環境容量所帶來的巨大工作量，環境容量的計算問題可轉化為線性規劃問題。

根據定義，水環境容量問題可表述為：在選定的一組水質控制斷面的指標污染物濃度不超過其各自對應的環境標準值的前提下，使各排污口的污染負荷排放量之和最大，即

式中：L為對象水域所有排污口的總排放負荷量；x為某個排污口的排放負荷量；i為水質控制斷面編號；m為水質控制斷面數目；j為排污口編號；n為排污口數目；aij為第j個排污口的單位負荷量對第i個水質控制斷面的污染貢獻度系數；Cbi為水質控制斷面處的污染背景濃度；為水質控制斷面處的環境標準值。

式（6）左邊第一項表示個排污口對控制點的水質濃度貢獻量的總和，亦即區域內排污引起的控制點處的濃度增值；第二項是該控制點的背景濃度，這是在沒有污染源的條件下，僅僅由邊界水質影響而產生的濃度。因此式（6）左邊兩項之和實際上是控制點處的濃度。由于水質擴散方程是線性的，濃度有可迭加性，所以用線性迭加的方法來求解某一點的濃度是可行的。因此，求解海域環境容量問題可歸結到求解式（5）～式（7）所表達的線性規劃問題。線性規劃問題用單純型法（Simplex Method）求解。

對于排污口的設置，主要按照三個方面進行統籌劃分，這三個方面分別是沿岸排污口調查結果、集水區域分布（面源集污單元）及近岸水域功能區劃。沿岸排污口調查主要是指通過對沿岸工廠污水、城鎮居民生活污水、水產養殖及入海河流等直接進入近岸水域的污染源進行野外調查。排污口設置還應考慮近岸水域功能區劃，因為本研究環境容量的計算，不僅要求出現存排污口的環境容量，還要求出各類未來將設置的排污口的環境容量，這樣才能為未來的排污決策提供科學依據。綜上所述，近岸水域環境容量計算排污口設置的原則總結為以下4點。

（1）現存沿岸排污口的位置應設置排污口；

（2）每一個集水區域至少要設置一個排污口，集水區域的設置依據各集水區域河流入海口所處位置而定；

（3）每一個水質功能區至少要設有一個排污口；

（4）近岸水域功能區劃規劃的排污口應考慮設置排污口；

對于水質控制點的選定，根據《海水水質標準》（GB3097-1997）[7]，海水水質分為4類，為了控制各功能區的水質達到其對應的環境標準（圖1），對水質控制點的選取須滿足以下要求。

（1）對處在采用海水水質第三類標準功能區的排污口，在其周邊設第三類水質標準控制點；

（2）對處在采用海水水質第二類標準功能區的排污口，在其周邊設第二類水質標準控制點；

（3）對處在采用海水水質第一類標準功能區的排污口，在其周邊設第一類水質標準控制點；

（4）在采用第三類與第二類海水水質標準的2種水域的交界線上設第二類水質控制點；

（5）在采用第一類與第二類海水水質標準的2種水域的交界線上設第一類水質控制點，使這些點的濃度不得超過第一類海水水質標準。

對于貢獻度系數的計算，由于海洋受潮汐影響，一個連續恒定的污染源對某一控制點的影響是隨時間變化的，所以貢獻度系數也是時間的函數。如果將貢獻度系數的時間變化也加以考慮，就會更加實際，但同時也使得容量計算量劇增。而且如果給出一個潮周期內隨時間變化的水環境容量，在現階段根據環境容量變化來實施管理操作也具有難度。因此貢獻度系數以及環境容量都取一個月內的平均值。

3 計算實例應用分析

3.1 水環境容量計算因子的確定

容量計算因子的選擇考慮以下幾方面的原則：

（1）選擇海洋管理部門監測管理和制定海洋污染治理措施一般考慮的控制因子；

（2）選擇符合研究海域環境污染特征，能夠反映研究海域污染水平，決定水環境質量的主要超標因子或定類因子；

（3）選擇能夠反映水域污染物排放現狀和趨勢，決定水污染特征的主要污染負荷因子；

（4）選擇各行業污染源主要監控的污染因子；

（5）選擇被收入在《海水水質標準》（GB3097-1997）和《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）之內的因子；

（6）選擇具有可靠的監測計量手段和在線監控方法的控制因子；

（7）選擇具有切實可行的污染控制和削減措施的控制因子。

根據上述原則要求，重點考慮海洋管理部門需要、研究水域實際情況和掌握資料的充分性三方面因素，本研究選擇CODMn作為計算因子。

3.2 計算實例與結果分析

根據掌握的數據資料，以大亞灣水域作為應用實例進行分析。大亞灣是廣東省沿岸最大的海灣之一，位于珠江口東側（114°29′42″～114°49′42″E，22°31′12″～22°50′00″N），正在大力發展海洋經濟，石化等產業已成為區域經濟發展支柱，而大亞灣又是國家級海龜自然保護區和省級水產資源自然保護區所在地，經濟發展與環境保護在并行中博弈。水環境容量對于大亞灣區域的發展至關重要，而摸清大亞灣水域的環境容量是大亞灣區域實施可持續發展戰略的前提條件。

根據《大亞灣海洋環境質量現狀調查報告》關于污染源和水環境質量現狀調查的基礎數據[8]，結合大亞灣海域總體規劃及社會經濟發展與環境保護的需要，以CODMn為指標，在大亞灣水體功能區劃的基礎上，運用經過驗證的水動力模型和生態動力模型求出大亞灣沿岸深圳龍崗區、惠州大亞灣區及惠東縣在規劃的水污染控制單元劃分和排污口位置條件下的水環境容量。用單純性法求解大亞灣水域環境容量解線性規劃問題式（1）～式（3），得到總排放負荷量最大時的各排污口允許排放CODMn環境容量，結果見表1（排污口對應位置見圖2）。計算結果包括兩種類型的容量，天然容量和背景容量。

從計算結果可以看出，惠州市惠東縣占了大亞灣沿岸三個主要行政區天然環境容量的49%，深圳龍崗區和惠州市大亞灣區的CODMn天然環境容量分別占大亞灣各污染物天然環境容量的19%和32%。背景環境容量與天然環境容量有著類似的空間分布特點。環境容量的計算結果與排污口位置、控制點水質標準及水體交換能力有關。由于排污口位置及控制點水質標準是確定的，所以使環境容量存在區域差異的主導因素應該是水體交換能力。

由于惠東的海岸線占據了整個大亞灣東岸，而大亞灣東岸是大亞灣海域水體交換能力最強的區域，因此，惠東占有將近50%的天然環境容量。大亞灣區及龍崗區由于所占有的區域是大亞灣海域中水體交換能力最差的西岸，導致其天然環境容量相對較小。大亞灣沿岸各排污口的天然和背景環境容量空間分布基本與水體交換能力強弱相關。另一方面，結合大亞灣水域的監測數據分析，大亞灣北部范和港及大鵬澳等近岸水域多在三類水或差于三類水，而這些區域的天然環境容量和背景環境容量計算結果都較少，表明本研究對大亞灣環境容量的計算是合理的。

4 結語

根據近岸水域的地形、水動力特征，利用ECOMSED建立起反映近岸水域實際動力情況的三維水動力模型并根據現場觀測數據對建立起來的水動力過程進行模擬，采用RCA三維生態動力模型對近岸水域的水質過程進行模擬，并驗證模型應用于近岸水域的可靠性，結合水域水質功能分區，將容量計算歸結為線性規劃問題，從而求解在規劃的水污染控制單元劃分和排污口位置條件下的水環境容量。以大亞灣水域為實例研究對象，對大亞灣水域的CODMn環境容量進行了求解與分析，計算結果與實際狀況相符合理，表明計算方法具有較強的適用性和有效性，為污染物的總量控制提供科學依據，也為近岸水域的環境管理提供決策依據和技術指導。

參考文獻：

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[6]Fitzpatrick J.J. USER'S GUIDE FOR RCA（Release 3.0）[R].Mahwah， N.J. USA： HydroQual， Inc.，2004.

[7]國家環境保護局.海水水質標準GB3097-1997[S].北京：國家環境保護局，1997.

[8]李耀初，何智遠.大亞灣海洋環境質量現狀調查報告[R].中山大學，廣東省海洋與漁業局等.