基于GIS的近海剩余環境容量計算模型

柯麗娜, 王權明, 徐麗雯, 姜 昕, 楊山力

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

為改善水和大氣環境的質量, 日本學者吉川博將環境容量的概念引入到環境保護領域, 并定義為“環境容量是由自然還原能力、人工處理設施和人們對環境的意見等所規定的整個生物圈內所容許的活動容量”[1]。1986年聯合國海洋污染專家小組將水環境容量定義為: 水環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節凈化并保持生態平衡的能力[2]。目前海域水環境容量的計算多是在對污染物輸移、擴散和轉化規律研究的基礎上, 建立多維水質方程、水動力學方程, 確定研究區平衡濃度場, 從而與監測區水質目標進行比較, 最終確定研究區水環境容量[3-6]。李適宇等[7]提出基于二維擴散的分區達標控制法, 并將分區達標控制法用于求解海域環境容量。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與污染源的響應關系, 進而進行控制單元水環境容量的計算。謝蓉蓉等[9]以江蘇省沿海區域作為研究對象, 根據人海排污口排污方式的不同建立了兩種水環境容量計算方法——沿岸排污區域水環境容量計算方法和離岸區域水環境容量計算方法。蔡惠文等[10]提出考慮風向風速聯合頻率訂正及污染帶控制的水環境容量計算方法、王華等[11]提出了基于非均勻分布系數的水環境容量計算方法。可以看出水環境容量的計算方法繁多, 對水環境科學管理有著重要意義。但是這些研究方法雖然擁有較強的機理性, 能體現出研究區局部的水質變化信息, 由于污染物在實際環境的變化非常復雜[12], 研究區污染物的擴散與衰減機理性的監測實驗難以進行, 且在近海開發利用區的環境管理中, 要更關心海域現狀條件下的剩余環境容量。因此, 探討如何能夠針對不同的研究目標和區域情況, 結合不同的資料條件,用不同的模型方法建立可行的海洋剩余環境容量的計算方法, 為控制水環境污染決策服務具有重要的現實意義。因此, 本文將以錦州灣海域為研究對象,探討一種新的水環境容量計算方法, 通過地理信息系統(GIS)地統計分析插值模型對研究區污染物濃度和水深數據進行離散插值, 從而與控制水質目標比較, 估算錦州灣海域的剩余環境容量, 以期為資料匱乏條件下水環境容量的估算提供一種參考。

1 基于GIS的水環境容量計算模型

GIS在水文水資源、氣象領域等多個領域有著非常廣泛的應用, 尤其適合于將點源數據插值成連續空間表面數據, GIS表現出無可比擬的優勢, 例如數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境容量的計算提供了一種新的解決方案: 把水環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進行插值模擬計算, 通過插值模型和參數優化模型建立基于 GIS的水環境容量計算模型。

1.1 基于ArcGIS空間插值

地統計學是以區域化變量理論為基礎, 借助變異函數, 研究既具有隨機性又具有空間相關性的自然現象的一門學科[13]。ArcGIS地統計分析模塊是一個完整的地理信息系統地統計分析的工具包, 通過工具條提供地統計分析向導, 建立在大量隨機樣本的基礎上, 分析樣本間規律, 進行相關預測, 幫助用戶實現合理的表面插值[14]。ArcGIS地統計分析模塊提供了兩類插值方法: 確定性內插法和克里格插值法。

克里格插值(Kriging)又稱空間局部插值法, 廣泛地應用于地下水模擬、土壤制圖等領域, 是一種很有用的地質統計格網化方法。它通過協方差函數和變異函數確定空間變量隨距離變化的規律, 以距離為自變量的變異函數, 計算相鄰變量間的關系權值,從而在有限區域內對變量進行無偏最優估計。它是一種光滑的內插方法, 在數據點較多, 且區域化變量存在空間相關性時, 其內插的結果可信度較高。

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的水環境容量計算

海洋環境容量實際上是研究目標海域在規定環境目標下容納的污染物的最大負荷問題, 受到水體環境要素特征、生物化學衰減機理、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, 將水質模擬問題轉化為數學統計問題,充分利用水體水質、沉積物監測數據, 利用克里格插值法對污染物濃度和水深數據進行插值, 將研究區域離散為一個個的均勻柵格單元, 同時柵格單元內污染物均勻分布, 那么該柵格單元的剩余環境容量計算就可以概化為單個柵格內的剩余水體環境容量及沉積物環境容量, 再根據質量守恒原理及文獻[14,17-18]的研究結果, 該柵格單元的剩余水環境容量計算公式應為:

式中: w為柵格單元的剩余環境容量, mg; βs為污染物的控制濃度目標, mg/L; βi為污染物的插值模擬值濃度, mg/L; α為不均勻系數; 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為當前沉積物的污染物濃度, mg/g; ρ為沉積物密度,g/cm3。

該公式沒有考慮單元格之間的水量與物質交換,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,在資料匱乏條件下, 該公式可以作為剩余環境容量的一種初步計算方法。因滯緩區與外水體交換較弱,其不均勻系數參考文獻[17]的湖泊水域納污能力,具體參數取值見表1。

表1 不同水域面積及不均勻系數取值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境容量后, 確定水環境容量最容易超標的區域, 以最易超標區域的環境容量為區域水環境控制標準, 最終計算出研究海域剩余環境容量。

2 實例應用

2.1 研究區域概況

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, 常風向為NNW, 次風向為 SW, 葫蘆島和錦州市是國家重要的工業基地, 擁有錦西煉油廠、葫蘆島鋅廠、錦西化工總廠等, 2009年葫蘆島市工業企業總產值684.5億元[18]。作為葫蘆島市和錦州市社會經濟發展重要支撐的錦州灣海域,同時承擔著容納兩市排放污水的重任, 有必要研究錦州灣的環境容量問題。

2.1.2 水質概況

錦州灣監測點位分布如圖 2所示, 共布設了 20個監測點, 監控海域面積160 km2, 水質監測指標為化學需氧量、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, 沉積物監測指標為石油類、有機碳、硫化物、汞、鎘、鉛、砷、銅、鋅、多氯聯苯、六六六、滴滴涕, 監測頻率為每年的5月、8月、10月。經過對錦州灣海域水質進行綜合分析, 發現無機氮、化學需氧量、活性磷酸鹽、鉛、鎘、鋅等幾個指標對海灣水質影響較大[19-21], 本文對這些指標的剩余環境容量進行計算, 為水環境的治理與管理提供依據。

圖2 錦州灣監測及研究區域圖Fig.2 The monitoring area and research region graph of Jinzhou Bay

2.2 無機氮等指標剩余環境容量計算

無機氮是近岸海域主要的污染物之一, 赤潮、富營養化事件都和無機氮有密切的關系, 一般 8月份是最容易發生富營養化的季節[19-21], 分析監測水質資料也說明 8月份的水質狀況較差, 因此在本次水環境容量計算中, 以2009年8月為基準計算該區域的水環境容量。

由于研究海域160 km2, 參照表1取不均勻系數為 0.380, 無機氮、活性磷酸鹽、化學需氧量、石油類等指標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境管理與控制。

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

圖3 水深與無機氮插值結果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, 單元格面積, 水深柵格數據, 污染物濃度插值數據代入公式(2), 計算得到無機氮、活性磷酸鹽、化學需氧量、石油類等剩余環境容量見表2。

2.3 重金屬剩余環境容量計算

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量標準, 重金屬大部分以非殘渣態存在, 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移至懸浮顆粒物或底層沉積物中, 因此在對重金屬環境容量進行計算時考慮沉積物的吸附作用, 即這里剩余環境容量計算既包括海域海水中重金屬的剩余環境容量又包括沉積物中重金屬的剩余環境容量。

重金屬剩余環境容量計算中不均勻系數參照表1, 取不均勻系數為 0.380; 錦州灣屬于港口航運區,執行Ⅳ類海水水質標準, 計算對應海水水質標準下重金屬的水環境容量; 參考文獻[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[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境容量見表2。

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

3 結論

以錦州灣海域為研究對象, 通過 GIS地統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的近海剩余環境容量計算方法, 從而達到對海域剩余環境容量的直接估算。錦州灣海域水環境容量計算結果為無機氮281a,活性磷酸鹽 31a, 化學需氧量 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濃度高于其他區域。受靠近葫蘆島鋅廠及來自五里河入海口陸源排污的影響, 錦州灣海域沉積物中重金屬污染較為嚴重, 尤其 Cu、Zn、As、Cd等元素含量較高。

基于 GIS的水環境容量計算方法不依賴于水動力擴散和污染衰減條件, 將整個研究區域看作均勻混合的水體, 較其他水環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境容量, 但該環境容量計算方法對水環境管理仍有一定的參考價值, 可以作為海域水環境容量的初步調查分析, 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境容量計算采用不均勻系數參考湖泊環境容量計算方法, 所以得到的錦州灣的海洋環境容量的結果不夠精準, 有待進一步完善。

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