大鹏湾环境容量研究Ⅱ:环境容量规划

夏华永,李绪录,韩 康 (.国家海洋局南海工程勘察中心,广东 广州 50300；.国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 063)

大鹏湾环境容量研究Ⅱ:环境容量规划

夏华永1*,李绪录1,韩 康2(1.国家海洋局南海工程勘察中心,广东 广州 510300；2.国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 110623)

采用基于响应场的线性规划方法,考虑非点源与湾外污染物输入形成的本底值,结合深圳沿岸排污口的分布计算了大鹏湾的环境容量,并给出了总量分配方案.结果表明,大鹏湾物理自净能力差,但水体容量大,具有较大的稀释容量,加上污染物的生化降解,大鹏湾具有较大的环境容量.BOD5、总氮、总磷的最大允许排放总量分别为79.0,11.418,0.86t/d,BOD5、总氮、总磷的剩余环境容量分别为61.34,9.318,0.43t/d.关键词：大鹏湾；环境容量；响应场；线性规划

海湾环境容量是一种可更新的资源,同时,由于海域物理、生物、化学等自然条件的限制,它又是有限的资源.大鹏湾局部海域的一些水质要素已低于一类水质标准[1-4],大鹏湾内局部(如沙头角海与吐露港海域)海域已经富营养化问题突出,并导致赤潮灾害频繁发生[5-6].随着大鹏湾沿岸香港与深圳地区的经济发展与人口密度的增加,大鹏湾环境容量的稀缺性日益显露.如何保证环境和经济的协调、稳定和持续发展已成为职能管理部门所迫切关心的问题.

对于大鹏湾环境容量,目前的研究尚不充分.王学昌等[7]模拟分析了大鹏湾不同排污方式对海水水质的影响.黄小平等[8]根据平均纳潮量与平均水容量的比例粗略估算大鹏湾的海水交换周期.Wu[9]采用 2D模型计算了大鹏湾的环境容量并进行了环境容量规划,但是该研究没有考虑污染物的生化降解.由于大鹏湾潮动力弱,海水交换不是海湾的主要自净能力,Wu[9]计算的环境容量偏小,现在的污染物排放量早已超出了估算的最大容量.栗苏文等[10]在污染源调查和负荷估算的基础上,基于Delft3D模型,采用模型试算法估算了大鹏湾的环境容量.胡守丽[11]以大鹏湾环境功能区划为依据,根据浓度场迭加原理,采用分担率法计算了大鹏湾可以利用的环境容量.大鹏湾的污染源中,有相当大的一部分污染是非点源(特别是在香港管辖海域).此外,还有湾外的污染物输入.非点源与湾外输入都是难以控制的.现有环境容量研究结果中,都没有充分考虑非点源与湾外输入产生的背景浓度场的影响.并且也没有各个排污口的现有排放量数据、最大允许排放量及剩余排放量数据.在背景浓度场基础上,大鹏湾各个排污口的最大允许排污量才是可以利用的环境容量.

本课题组收集了大鹏湾的污染源强度及水质资料,建立了大鹏湾的水动力模型与污染扩散模型,模拟分析了大鹏湾的物理自净能力,模拟了大鹏湾内污染物排放的浓度分布,分析了生化降解对海水自净的作用.本研究在此基础上,以海域环境功能区划为水质目标,考虑海湾的背景浓度场,基于响应场的线性规划方法,计算了深圳沿岸排污口的最大允许排放容量及剩余排放容量.

1 环境容量计算方法

海湾环境容量是海湾水体在规定环境目标下所能容纳污染物的量.大鹏湾水体容积较大(约 6×109m3),具有很大的稀释容量.但水体的环境容量只有当污染物输运和扩散到时才能被利用.对于大鹏湾内的点源而言,污染物排放都为近岸排放,湾内潮流小,污染物输运与扩散的范围小,湾中部水体的容量都难以利用.本研究采用水质模型和基于响应场的线性规划方法[12],根据海湾沿岸功能区划的要求,以水质控制目标作为约束条件,计算出海湾沿岸各主要排污口的最大允许排放量.

在特定的水动力环境下,污染物扩散方程可以当作是线性的,在给定的边界条件下满足迭加原理.假定非点源与湾外输入污染物形成的浓度场为背景场,记为Cb(x,y).湾内有n个点源,第i点源的源强为 Si,扩散形成的平衡浓度场记为Ci(x,y),那么,湾内的浓度场可以表示为

第i点源形成的平衡浓度场记为Ci(x,y)与源强之间存在线性的响应关系,即有

式中:Pi(x,y)称为响应系数,与动力条件、地形等有关.响应系数Pi等同于单位源强所形成的平衡浓度场.

设C0为满足水质控制目标条件下的某种污染物质的浓度值(即水质目标).在存在 n个点源的情况下,欲使水质浓度达到控制标准,则应有:

对于背景浓度场,其分布一般较均匀,且非点源难以控制,污染物排放的控制一般指点源排放量的控制.从污染物扩散的特征可知,当污染物排放点浓度达到了水质要求时,则在整个水域内能满足水质要求.记第i个污染源处对第j个污染物单位排放强度的响应系数为Pij.海湾内点源的最大允许排放量的计算可以表示为一个如下的线性规划问题[13]:

约束条件

式中: Si≥ 0,i = 1,2,...,n ;Cbi、C0i分别表示第i个点源处的本底浓度值及水质目标值.对于式(4)~式(5)表示的线性规划问题,可采用单纯形法求解.

2 海洋功能区内的水质控制目标

由于大鹏湾为香港与深圳共同管辖的海域,而香港管辖海域内没有点源,只能对深圳管辖海域进行环境容量计算与规划.根据深圳大鹏湾管辖海域的功能区划(图1),将海域划分为5个区域进行环境容量计算(图2).其中,1区包括盐田港区、盐田填海区、盐田渔港,2区包括溪涌度假旅游区、大小梅沙度假旅游区、小梅沙取水区、揹仔角增殖区,3区包括东部4号锚地、东部5号锚地,4区包括沙鱼涌渔业基地、秤头角港区、下洞码头区、秤头角取水区、广东LNG海底输气管线用海区、东部3号锚地,5区包括鹅公湾增殖区、南澳浅海养殖区、洋筹角海洋环境科学研究试验区、下沙－南澳度假旅游区、下沙海水综合利用示范基地用海区、大鹏湾蓝圆鲹和沙丁鱼幼鱼保护区、东部2号锚地、东部航道、大鹏半岛西南保留区.2区主要为渡假旅游区,执行 1类水质标准[14],其他 4个区按2类水质标准计算环境容量.深圳沿岸各排污口的位置如图2所示(沙头角河、盐田河、大梅沙、小梅沙、溪涌河、葵涌河、乌泥河、南澳河等排污口依次标识为D1~D8).

图1 大鹏湾海洋功能区划Fig.1 Marine functional zoning of the Dapeng Bay

图2 大鹏湾点源分布与环境分区Fig.2 Map of the sewage outfalls and water quality zoning

大梅沙(D3)、小梅沙(D4)、溪涌河(D5)3处排污口在2区内,水质控制目标为1类,水质目标值取为BOD5、无机氮(DIN)、无机磷(DIP)分别为1, 0.2,0.015mg/L.沙头角河(D1)、盐田河(D2)排污口在 1区内,葵涌河(D6)、乌泥河(D7)排污口在 4区内,南澳河排污口(D8)在5区内,这些区域的水质控制目标为2类,水质目标值取为BOD5、DIN、DIP分别为3,0.3,0.030mg/L.

3 响应系数的计算

在潮流及污染物扩散模拟的基础上,分别计算排污口的污染物扩散分布.计算中,污染源单位源强取为 10t/d(0.1157kg/s).在开边界上,流入时浓度取为 0,流出时取为辐射边界条件.对于BOD5,生化衰减速率取为 k＝0.023d-1.对于所取的衰减速率,其对应的生化降解半衰期为 30.1d.模拟30d后,浓度场达到平衡.输出模拟30d后的结果分析响应系数.《中华人民共和国海水水质标准》[14]对DIN及DIP定义了水质标准.DIN及DIP在海水中的消耗是浮游植物的吸服,但生态系统中的迁移转化过程十分复杂,模拟中的消耗系数难于确定.因此,本研究不考虑DIN及DIP的消耗,将其作为保守物质计算.

图2 单个排污口BOD5扩散的浓度分布Fig.2 BOD5 Concentration fields from individual sewage outfalls

分别模拟了沙头角河、盐田河、大梅沙、小梅沙、溪涌河、葵涌河、乌泥河、南澳河等8个排污口的污染物 BOD5扩散浓度分布,其中葵涌河、南澳河排污口排放的污染物扩散的浓度分布如图 2所示.模拟结果表明,在沙头角河排放的污染物,污染物难于扩散,主要积累在沙头角海域与盐田港海域.盐田河排污口,三面为岸线包围,排放的污染物主要积累在盐田湾内,污染物同样难于扩散.沙头角河、盐田河两处排污口,排放的污染物对排污口附近的水质影响较大,容易造成水质污染.其他排污口排放的污染物扩散的范围相对要大,排污口附近水中BOD5的浓度比沙头角河、盐田河小.污染物有沿大鹏湾东岸向湾外扩散的趋势,这种分布趋势与潮流沿岸流动是相应的.除了沙头角河排污口外,其他排污口排放的污染物主要扩散在深圳管辖的海域内.在模拟所用的源强下,造成香港管辖水域的污染物浓度增加一般小于0.1mg/L.在大鹏湾内,尽管潮流很小,但由于沿岸水深较大,整个湾的水体容量大,污染物排放到海里后,能得到较快的稀释,加上生化作用下的污染物降解,使大鹏湾拥有较大的环境容量.

将浓度值除以污染源单位排放强度,得到各海域对各排放口的响应系数,BOD5响应系数场的分布与浓度场相似.各排污口附近的响应系数随离排污口距离的增大而迅速减小,各排污口之间的相互影响不大.

4 污染物的环境容量

D1~D8各排污口之间,对单位排放强度(10t/d)的BOD5响应系数如表1所示.沙头角河排污口(D1)自身排放的响应系数最大,为33.022,排污口附近的水深较小,排放的污染物难于扩散,可对沙头角海域与盐田港海域造成较大的污染.盐田河排污口(D2)区域对该排污口的响应系数较大,为 22.9,该排污口排放的污染物可对盐田湾造成较大的污染.航母世界(D3)、葵涌河(D6)2处排污口附近水域对自身排污的响应系数最小,这两处排污口排放的污染物能得到较快的稀释与扩散,对环境的影响相对要小.D2~D7排污口排放的污染物主要影响各自邻近的西侧排污口区域,这与涨潮过程中,湾顶潮流从东向西输运,而落潮过程海水向湾外输送有关.南澳河排污口(D8)对其他排污口区域的影响最小.不考虑DIN与DIP的消耗,各排污口对单位排放强度DIN、DIP的响应系数如表2所示.不考虑消耗时,只有D1、D2两处排污口的响应系数有明显增大.其他各排污口的响应系数只有略微增大,这与这些排污口附近水域的稀释容量大有关.

在大鹏湾内,很大的一部分污染源是非点源,计算点源的环境容量时,必须考虑非点源及湾外输入污染物的影响.根据湾外海水输入及非点源输入,模拟大鹏湾内的背景浓度场.湾口附近监测站2008年年平均浓度作为边界浓度值与初始值.本课题组已估算了大鹏湾的BOD5、总氮(TN)、总磷(TP)的源强,在大鹏湾的污染源中,DIN、DIP与TN、TP的比值都约为0.6,据此给出香港海域非点源 BOD5、DIN、DIP的输入分别为25.82,3.810,0.550t/d,深圳海域非点源 BOD5、 DIN、DIP的输入分别为7.4,1.250,0.480t/d.由于香港沿岸的非点源输入较大,香港沿岸海域的浓度较高,在湾东部沿岸区域由于非点源输入强度小,以及污染物本身的衰减特性,污染物浓度较低.各排污口的背景浓度值如表3.

表1 排污口之间单位排放强度的BOD5相互响应系数Table 1 Response coefficients for unit pollutant discharge among outfalls for BOD5

表2 排污口之间单位排放强度的DIN、DIP相互响应系数Table 2 Response coefficients for unit pollutant discharge among outfalls for DIN and DIP

表3 排污口背景浓度值(mg/L)Table 3 Background concentration at sewage outfalls (mg/L)

表4 排污口最大允许排放量(t/d)Table 4 Maximal allowable pollutant discharge for each sewage outfall(t/d)

根据响应系数,水质背景值及水质目标值,采用最大允许排放量的线性规划方法,计算得到各个排污口的最大允许排放容量,BOD5、DIN、DIP分别为79.0,6.84,0.52t/d,各个排污口的分布如表4.

要控制海水中营养盐就应该限制 TN、TP的输入量,而不是TIN、TIP[15].本文根据污染源中DIN、DIP与TN、TP的比值,计算TN、TP的环境容量.大鹏湾TN、TP的环境容量见表4.

5 总量控制方案

深圳管辖的大鹏湾水域,虽然有排污口的水质监测,却没有排污口污染物排放强度的监测结果.深圳的排污口都是河流入口,根据河流所在流域的用水量估算排污强度.盐田区污染物通过沙头角河(D1排放口)、盐田河(D2排放口)、大梅沙河(D3排放口)、小梅沙河(D4排放口)与溪涌河(D5排放口)将污染物排入海域,龙岗区内的葵涌街污染物通过葵涌河(D6排放口)排放,大鹏街通过乌泥涌(D7排放口)排放,南澳街通过南澳河(D8排放口)排放.在盐田区,盐田河流域面积最大,为 20.85km2,河长为 6.4km,发源于东部梧桐山,沿北山大道汇入大鹏湾,沙头角河流域面积4.1km2,河长为3.51km,发源于东部梧桐山,经中英街步行街注入大鹏湾.大梅沙河、小梅沙河与溪涌河流域面积更小.对于盐田区内,总排放量根据用水量估算,各排污口的排放强度根据流域面积分配.各排污口现有(2008年度)的排放强度估算结果见表 5.根据各个排污口允许的最大排放容量(见表 3)与排污口现有(2008年)排放强度,二者之差为各个排污口的剩余环境容量,结果见表6.

由表6可知,对于BOD5,尚有较大的剩余容量,但主要分布在大鹏湾东岸(龙岗区沿岸)的葵涌河、乌泥涌、南澳河等3处排污口.TN与TP,也是这三处排污口尚有较大的剩余容量.在盐田河排污口,TN的排放已经没有多大剩余的环境容量,在该排污口应当减少TN的排放量.对于TP,盐田区沿岸的5处排污口,TP的排放也已经没有剩余容量,应当减少TP的排放.

表5 排污口现有(2008年)排放强度估算(t/d)Table 5 estimates of the pollutant discharge for each sewage outfall in 2008(t/d)

表6 排污口剩余环境容量(t/d)Table 6 The remaining environmental capacity of each sewage outfall(t/d)

王学昌等[7]模拟分析了不同方式污水排海对大鹏湾海水水质的影响,发现在深水排放显著的减小了污染物排放对水质的影响.而目前深圳沿岸的污染物排放口都是沿岸河口,如果能对污水截流,再进行深水排放,则可以很大的提高排污口的水质.建议对沿岸的排污口进行截流,进行深水排放.

6 结论

6.1 基于响应场的线性规划方法,考虑湾外污染源输入及湾内非点源产生的背景浓度场,以海洋功能区划为水质约束目标,模拟计算了基于点

源分布的排污口最大允许排放强度,得到了大鹏湾的环境容量与剩余环境容量.8个排污口的最大允许排放总量,BOD5、TN、TP分别为79.0,11.418,0.86t/d,BOD5、TN、TP的剩余环境容量分别为 61.34,9.318,0.43t/d.剩余环境容量主要分布在人口与产业相对稀少的龙港区沿岸(葵涌河、乌泥涌、大鹏河3个排污口),而盐田区沿岸的剩余环境容量已经不大.控制盐田区沿岸的污染物排放,已经是一个必须重视的事情.

6.2 深圳沿岸排放的污染物对香港管辖海域的水质影响微小,不会影响香港管辖海域的水产养殖业.深圳沿岸污染源达到允许最大排放容量时,只会在排放口附近内的海域造成水质超出海洋功能区划约束的水质标准,对大鹏湾东南沿岸的养殖区的影响极小.

6.3 大鹏湾水动力条件弱,海水交换率小,在环境容量计算时,只取了一个保守的生化降解率,但计算得到的环境容量仍很大.这缘于大鹏湾水深较大,水体容积大,海湾具有很大的稀释容量.

[1] 赵建中,宋 福.深圳大鹏湾大鹏半岛沿岸海域的一次调查与分析 [J]. 海洋湖沼通报, 1999,4:69-73.

[2] 杨美兰,林燕棠,钟 彦.大鹏湾大梅沙海域氮、磷含量及富营养化状态 [J]. 海洋环境科学, 1999,18(4):14-18.

[3] 黎广媚,林洪瑛,陈凯彪,等.大鹏湾海区营养盐年际变化及富营养化研究 [J]. 海洋通报, 2004,23(3):61-65.

[4] 黄向青,张顺枝,霍振海,等.深圳大鹏湾、珠江口海水有害重金属分布特征 [J]. 海洋湖沼通报, 2005,4:39-44.

[5] Yin Kedong. Influence of monsoons and oceanographic processes on red tides in Hong Kong waters [J]. Marine Ecology Progress Series, 2003,262:27-44.

[6] 冷科明,江天久.深圳海域近20年赤潮发生的特征分析 [J]. 生态科学, 2004,23(2):166-170.

[7] 王学昌,娄安刚,郑丙辉,等.不同方式污水排海对海水水质的影响 [J]. 海洋环境科学, 2002,21(3):57-60.

[8] 黄小平,黄良民.大鹏湾水动力特征及其生态环境效应 [J]. 热带海洋学报, 2003,22(5):47-54.

[9] Wu Renhai.Water quality planning and management for Dapeng Bay, China [J]. Environmental Monitoring and Assessment, 1991,19(1-3):309-317.

[10] 栗苏文,李红艳,夏建新.基于Delft3D模型的大鹏湾水环境容量分析 [J]. 环境科学研究, 2005,18(5):91-95.

[11] 胡守丽.海湾水环境容量估算及其在环境规划中的应用 [J].中国环境管理, 2006,1:34-36.

[12] 邓义祥,孟 伟,郑丙辉,等.基于响应场的线性规划方法在长江口总量分配计算中的应用 [J]. 环境科学研究, 2009,22(9):995-1000.

[13] 王金南,潘向忠.线性规划方法在环境容量资源分配中的应用[J]. 环境科学, 2005,26(6):195-198.

[14] GB3097-1997 中华人民共和国海水水质标准 [S].

[15] 崔江瑞,张珞平.厦门湾环境容量研究中污染物迁移转化模式的确定及其应用 [J]. 环境科学与管理, 2009,34(11):10-14.

Studies on the environmental capacity of the Dapeng Bay, PartⅡ: total load allocation and water quality planning.

XIA Hua-yong1*, LI Xu-lu1, HAN Kang2(1.South China Sea Marine Engineering Survey Center, State Oceanic Administration, Guangzhou 510300, China；2.National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China). China Environmental Science, 2011,31(12)：2039~2045

Taking into account the background concentration duo to non-point sources and pollutants transported from outside of the bay, the present study adopted the linear programming method, based on the response fields, to calculate the seawater environmental capacity in the Dapeng Bay. The total load allocation associated with the discharge locations was provided in the study. Although the water exchange was weak, the Dapeng Bay still had a large environmental capacity due to its large dilution capacity induced by the large water volume and the bio-chemical degradation. In the Dapeng Bay, the maximal allowable discharges of BOD5, total nitrogen, total phosphate were 79.0,11.418,0.86t/d, respectively. The surplus discharges of BOD5, total nitrogen and total phosphate were 61.34,9.318,0.43t/d.

Dapeng Bay；environmental capacity；response fields；linear programming method

X26

A

1000-6923(2011)12-2039-07

2011-03-20

我国近海海洋综合调查与评价专项(908-02-02-03)

* 责任作者, 研究员, xiahuayong2001@21cn.com

夏华永(1967-),男,湖南省沅江市人,研究员,博士,从事海洋水文研究.发表论文35篇.