基于線性規劃的大連灣海域環境容量分析

譚 馨, 項 學 敏*, 高 范, 環 久 峰, 安 津 諾

(1.大連理工大學 環境學院, 遼寧 大連 116024;2.國家海洋環境監測中心, 遼寧 大連 116023;3.大連市生態環境局, 遼寧 大連 116007)

0 引 言

大連灣位于黃海北部遼東半島南端,是天然形成的半封閉型海灣,三面被陸地環繞,灣口有三山島為屏障,全灣總面積為174 km2,自西向東分布著臭水套、甜水套、紅土堆子3個較大的子灣[1].大連灣自然條件優越,是中國北方最大的水產品交易中心及現代裝備制造業基地,同時也是大連市多數城市生活污水、工業廢水的排放地,多年來水質一直處于亞健康狀態[2].實現近岸海灣水質達標的關鍵是減少陸源污染物的流入.然而隨著主城區經濟和人口的增長,生活、生產污水負荷增加,大量污水流入灣內.由于大連灣是半封閉海灣,灣內特別是子灣的水體交換速度慢[3],致使污染物長期滯留,加劇了灣內海域富營養化.因此,在環境容量的基礎上進行陸源入海污染物總量控制和分配是十分必要的.目前,關于海洋水環境容量的計算方法主要有標準自凈容量法[4-5]、模型試算法[6-7]、分擔率法[8-9]、最優化法[10]等.對于大連灣環境容量的研究,前人多采用分擔率法[11-12],分擔率法雖計算簡便,但只能用當時排放狀況下的分擔率求解允許排放量,導致計算結果只是在當時排放量的基礎上按比例變化,而不考慮排污量在污染源之間的分配,這是不合理的[13].排海通量最優化法[13-15]針對該方法的不足,借用線性規劃思想,考慮排污口的布局,通過優化分配,得到總和最大的海洋環境容量,充分利用了海域的納污能力.鑒于此,本文將排海通量最優化法應用于大連灣,在數值模擬的基礎上計算主要污染物的環境容量,探討陸源污染控制和污染物排放削減的問題,為合理利用海洋資源,實現海洋環境管理精準化、發展規劃科學化提供理論依據.

1 研究方法

1.1 模型構建及驗證

1.1.1 模型介紹 本文應用MIKE 21 FM模擬系統中的水動力(hydro-dynamic)和對流擴散(Transport)模塊進行大連灣二維水動力和水質的模擬.MIKE 21是一款專業的水體數值模擬軟件工具包,在海洋水質模擬和水環境管理規劃中有著廣泛應用[16-17].其數值求解是在空間上采用單元中心的有限體積法離散,在時間上采用二階龍格-庫塔方法進行積分[18].水動力模塊控制方程為垂向平均的二維淺水方程組[19]:

(1)

(2)

(3)

式中:η為水位;h=η+d,為總水深;f=2ωsinφ,為流體柯氏力;g為重力加速度;u、v分別為x、y方向的流速分量;t為時間;ρ為流體密度;ρ0為水的密度;S為源項;τsx和τbx為底床剪切應力;Txx、Txy、Tyy為渦動黏滯系數.

水質控制方程為污染物的對流-擴散方程[20]:

(4)

式中:ρi為污染物濃度,Dx、Dy為x、y方向紊動分散系數,K為污染源降解項,s為污染源單位體積的排放速率.

1.1.2 模型設置 模擬的范圍包括大連灣及大、小窯灣周邊海域(121.585°E～122.014°E,38.820°N～39.075°N),模擬區域總面積約為698.64 km2.水深通過海圖提取.大連灣內地勢平緩,水深在5～15 m變化緩慢.灣內岸線崎嶇,有較多港口和人為構筑物.將區域劃分為不規則的三角形,以適應曲折的岸線與島嶼.網格沿外海向內加密,陸域劃分邊長范圍為100～250 m,最復雜區域網格最小邊長為50 m,開邊界網格邊長范圍為300～600 m.共劃分計算網格31 501個,節點總數16 481.模擬區域范圍的網格和水深分布如圖1所示.

圖1 模擬區域網格和水深分布

模型采用軟啟動,即設置啟動時流速、流向為零.外海開邊界采用水位強迫,水位數據由DHI MIKE內置的潮汐預報程序生成,包含K1、O1、P1、Q1、M2、S2、K2、N2共8個分潮.模型考慮了潮汐、陸源排污口和風場的作用.溫鹽采用正壓方程計算,糙率n經率定后取為0.028～0.032.計算時間步長為30 s.將陸源排污口設為點源,輸入日均排水量和污染物排放量.將COD視作非保守性物質,其降解符合一維降解方程[21].無機氮和磷酸鹽在海洋中的遷移轉化復雜,目前無法用簡單的系數來表達,計算中設置為保守性物質.

1.1.3 模型驗證及分析 本次模型驗證資料是由國家海洋環境監測中心在2015年10月測得的潮位和潮流資料,在海景路碼頭和黃白咀設置兩個潮位驗證站點,在灣口處設置兩個潮流驗證站點(V1、V2),驗證站點具體位置如圖2所示.

圖2 潮位、潮流驗證站點分布

大潮期為2015-10-09～2015-10-10,小潮期為2015-10-22～2015-10-23,期間的潮位及潮流驗證曲線如圖3、4所示.從圖上看,模擬的潮位和潮流與實際相似,用平均絕對誤差(Ema)和相關系數(r)來進一步評估模擬情況,r越接近1,表示模型與實際相關性越高,模擬結果越好.根據計算結果,黃白咀、海景路碼頭潮位的r均為0.99,Ema分別為0.098、0.097 m;兩個潮流站點V1、V2流速的r分別為0.85、0.92,Ema分別為0.045、0.035 m/s;流向的r分別為0.82、0.97,Ema分別為29.25°、17.36°.總體上潮位的峰值、相位和潮流的流速、流向都與實際擬合較好,符合相關規范要求.因此可認為模型的參數設置合理,可用于接下來環境容量的研究.分析大連灣的流場可得,灣口處流速最大,平均為0.3 m/s,流速由灣口向內遞減.整體上海水流速較小,不利于污染物的稀釋與擴散.

(a)黃白咀

圖4 流速U、流向γ驗證曲線

1.2 環境容量計算方法與條件

1.2.1 排海通量最優化法 排海通量最優化法是一種總量最優計算方法,根據控制入海污染物總量的實際需求,在確定目標海域海洋環境容量閾值的前提下,在各水質控制點處污染物達標的情況下,通過優化污染物來源的分布,使排入海洋的污染物量達到允許的最大值.該方法充分考慮了海域的自然屬性對污染物排放量的要求和人為可控的主觀屬性對水質的要求.在海洋環境中,污染物發生的衰減、擴散、遷移是各種物理、化學和生物過程共同作用的結果,因此在海域自然條件不變的情況下,污染物的濃度分布存在平衡狀態,污染源單獨排放形成的濃度場是多個污染源排放濃度場的線性疊加.水質控制點處的污染物濃度與污染源排放濃度存在響應關系,各污染源的污染物排放變化量與濃度場的變化量呈線性關系.

根據響應疊加原理,環境容量的計算即為求解以滿足水質目標為約束,以排放總量最大為目標函數的線性規劃方程[14].

目標函數:

(5)

約束條件:

Qi≥0

(6)

排海通量最優化法將環境容量的計算轉化為單純的數學問題,結果可能會出現排污口排放量為零的情況,這在數學上是可行的,在實際中難以實現.因此,對優化計算結果為零的排污口進行二次優化,對其設置下限值,即Qi≥Qdi,Qdi為第i個污染源達標的污染物排放量.由于海水的潮汐作用會對污染源與水質的響應關系產生周期性影響,取模擬1 a后運行穩定時的潮均值進行計算.

1.2.2 削減分配 當污染排放總負荷大于該排放點在特定水質要求下的環境容量時,該海域就不能實現要求的水質目標,因此需要對超過環境容量的部分進行削減.削減量的計算方法為

ΔQi=Qi-Qsi

(7)

當ΔQi<0時,該排污口有盈余,不需要削減;當ΔQi>0時,排污口已無排放余量,需要進行削減,削減率q=ΔQi/Qi.

污水自排放口或擴散器排出后,各個瞬時造成附近水域污染物濃度超過該水域水質目標限值,這一平面范圍的包絡區稱為混合區.污染物濃度分布往往呈由混合區外邊界向外海遞減的規律.因此將控制點設在混合區邊界,對混合區內的污染物濃度不限制,當控制點處的水質達標時,就視為排污口在該排放負荷下能滿足計算規定的水質要求.本文的要求是較為嚴格的情況,求得的結果相對安全,更利于海域管理者參考.混合區的計算通過Mackenthun公式,并加入單寬流量強度系數修正[22].共設置20個水質控制點,其在海灣內的分布如圖5所示.

圖5 排污口與水質控制點分布

2 計算結果與分析

2.1 排污量與環境容量計算結果

表1 大連灣內排污口環境容量和污染物排放量

2.2 污染物削減分析

表2 大連灣內排污口污染物削減計算結果

2.3 排污治理建議

超標最嚴重的7號、8號、9號排污口位于大連灣頂部的臭水套灣和甜水套灣,這部分海域水深較小,流速較低,水體呆滯,以致污染物長時間滯留,難于向外海輸運.因此建議未來的發展規劃中,新建排污口選在靠近灣口位置,不再向灣頂新建排污口,從而減輕灣頂處水體的負擔,合理利用大連灣的納污能力.在排污口的管理方面需要健全入海排污口管理制度體系,建立入海排污口動態化、信息化監管系統,落實“一口一策”.

3 結 語

污水處理廠是最主要的超標污染源,7號、8號和9號排污口的超標程度最嚴重,是排污口水體條件和排污負荷兩方面因素共同作用的結果,需要優先進行削減控制.建議對污水處理廠進行擴容改建、分流處理,盡可能利用灣口海域的納污能力,以降低污染負荷,實現水質達標.