自净作用下渤海海域COD环境容量研究

郁斢兰，王 诺，刘忠波，李 慧 （大连海事大学交通运输管理学院，辽宁 大连 116026）

自净作用下渤海海域COD环境容量研究

郁斢兰，王 诺*，刘忠波，李 慧 （大连海事大学交通运输管理学院，辽宁 大连 116026）

为测算自净作用下我国渤海COD环境容量，按地理特征将渤海水域划分为莱州湾、渤海湾、辽东湾以及渤海中部4个分区，从水动力交换扩散和化学降解两个方面入手，一方面利用各分区水半交换周期分别求得COD的扩散能力，另一方面利用COD衰减规律得到其降解能力，综合后得到各分区在不同水质标准下COD的环境容量.研究表明，渤海各湾水域COD浓度和环境容量各不相同，其中，莱州湾水质属于较清洁，在此区间内还有26%的环境余量；渤海湾水质属于轻度污染，在此区间内还有5%的环境余量，辽东湾水质属于较清洁，在此区间内还有88%的环境余量.

海洋；环境；容量；COD；渤海

海洋对污染物本身具有巨大的自净能力，这一能力主要来自两个方面，一是水体会持续不断从沿岸向远海流动交换，使得水中污染物得以扩散，浓度逐渐被稀释；再是大自然具有生物化学降解作用，部分污染物随着时间推移会逐渐自行降解.海洋的这种自净能力，使得其使所接纳的污染物浓度始终处于动态变化中.

目前，关于海域水交换问题已有一些研究成果，如引入半交换时间的概念，采用类似于放射性同位素的半衰期来研究海域通过对流扩散作用稀释为初始浓度一半时所需的时间［1］；采用不同水交换数值模拟的计算方法［2-5］；研究不同海域水交换能力和特性等［6-8］.关于COD生物化学降解问题，邱巍等［9］通过大量实验研究了长江口竹园排污口的COD在各种条件下的化学降解过程，得出降解系数主要跟COD浓度和水体温度有关；郭栋鹏［10］通过实验发现COD降解规律符合一级反应动力学过程.在海洋环境容量方面，Zhao等［11］利用三维对流扩散模型并结合降解过程模拟了渤海COD浓度分布，推算了渤海水域的COD环境容量.综上分析发现，因不同海域在地理位置、水域面积、水交换能力以及岸线与地形复杂程度上的差异，对面积较大水域仅以平均指标描述水交换过程及降解效率并不能有效反映各局部水域的水质情况，整体上水质标准清洁，其局部水域的污染可能已到了相当严重的程度.因此， 对于大范围海域的研究， 对于大范围海域的研究，只有具体分析各局部水域的污染状况和环境容量，才能够有针对性的对海洋环境进行管理.

渤海是我国水域面积最大的半封闭内海，水域面积约75600km2，平均水深18m，东面以宽59n mile的渤海海峡与黄海相通.近几十年来，随着渤海沿海地区经济建设的飞速发展，海洋污染情况日益严重，降低陆源污染投资代价巨大.为了有效制定环境保护政策，避免水质污染状况继续恶化，结合自净能力分析计算渤海中各海湾在不同污染标准下COD环境容量，已成为当务之急. 文中按地理特征将渤海水域划分为莱州湾、渤海湾、辽东湾以及渤海中部4个分区，从水动力交换扩散和化学降解两个方面入手，研究各分区在不同水质标准下COD的环境容量.

1 计算模型

1.1 水动力与水质模型

海洋水交换的能力主要取决于水半交换的时间.根据水流形成机理，构建渤海水半交换时间的数值模型由两部分组成:即在风、潮汐和热盐作用下瞬时流动的水动力模型和计算保守物质浓度输运的水质模型.前一模型的分析结果可为后一模型提供对流输运场和湍流扩散系数，通过对水质点的追踪以及考虑风、潮汐和水密度梯度的作用，便可计算出水半交换模型的特征值.

本文采用斜压模型作为水动力模型，该模型已多次用于渤海海域的水动力分析［8］.设岸界水质点的法向流速为零，利用渤海海峡水文站大长山岛水文站（39°16'N，122°35'E）和鸡鸣岛水文站（37°7'N，122°29'E）实测结果，采用HAMSOM三维斜压分层模型，以5'×5'水平网格，垂直分10层建立水动力模型.水质变量的质量守恒控制方程为:

式中:C表示水质状态变量浓度；u、v和w分别为x、y和z方向的速度；Ax、Ay和Az分别为x、y和z方向的扩散系数；Sc为单位体积源汇项.

由于式（1）包含了物理输运、平流扩散和动力学过程，因而在求解时，需将动力学项与物理输运项脱耦.若对物理输运的质量守恒方程与盐度方程采用相同形式，则对流扩散输运方程为:

当C表示保守物质的浓度时，则只考虑物理输运，可用式（2）计算，其数值解法和水动力模型中盐度的质量守恒方程相同.岸界和垂直边界采用无通量条件，初始浓度假定北黄海（渤海的边界）浓度为0.5单位，渤海全海区为1单位分布，水质模型与水动力模型设置网格相同，时间步长为900s.

1.2 水交换作用下COD累积量计算模型

排入海中污染物会通过水体对流产生输运和稀释扩散，进而不断与外部海域进行交换，其间不断有剩余的污染物累积下来.如果污染物排海量逐年减少，那么这一累积量便会减少，反之，则会逐年增加.

对于渤海，水交换是由沿岸向中部水域进行的（图1），根据水半交换时间的定义，可构建出污染物累积量数学模型.由水交换的递进过程，该模型包含两个部分:一部分是陆源污染物进入渤海沿岸水域的累积量，见式（3）；另一部分是污染物经渤海中部与渤海外部实现水交换的累积量，见式（4）.

式中:i=1，2，…，N-1表示渤海沿岸水域分区；Ai，n表示沿岸水域分区i第n个单位时间的污染物累积量；ai，n表示沿岸水域分区i第n个单位时间污染物排放量；Hi表示沿岸水域分区i的水半交换时间；t表示积分变量.

式中: AN，n表示渤海中部（即分区N）第n个时间单位的污染物累积量；HN表示渤海中部水半交换时间.

1.3 COD降解计算模型

根据渤海湾模拟实验研究成果［12］，COD的降解过程基本符合一级反应动力学规律，其衰减速率方程为:

式中:C表示t时刻COD浓度，mg/L；t表示反应时间，d；C0表示最初时刻COD浓度，mg/L； k表示衰减速率，d-1，即单位生物量在单位时间内完成降解的污染量.

1.4 水交换和降解过程共同作用下COD残余量计算

结合式（3）、式（4）和式（5），可推导出渤海各分区水交换和降解共同作用下COD残余量计算公式.设有:

式中:Ei，n表示分区i第n个单位时间在水交换作用下COD经交换减少的量；Di，n表示分区i第n个单位时间在生化作用下COD降解的量；Si，n表示分区i第n个单位时间水交换和降解共同作用下COD残余量；ai，n表示分区i第n个单位时间污染物排放量；Hi表示分区i半交换时间；t表示积分变量.

将式（12）～（13）累加后，即得到渤海COD的残余量

式中:Sn表示渤海COD残余量.计算时，可以假定开始COD排放量为零，这样处理，在经过多个半交换周期以后，对最终残余量的计算结果并无较大影响.

2 模型求解

2.1 水半交换时间

根据渤海岸线的轮廓、地形和水域的气候条件及其独特的水流循环结构，将渤海划分为莱州湾、渤海湾、辽东湾和渤海中部4个分区，应用计算机软件MIKE21进行深海潮汐及海流的模拟，并与实测的潮汐和潮流资料作比较后，得到渤海水域的流场见图1.自图1可知，渤海4个分区水交换过程是先由莱州湾、渤海湾和辽东湾交换到渤海中部，然后再由渤海中部交换到黄海（图2）.各分区水体参数见表1.

根据魏浩［8］的结果，以平均气象条件和协振潮、外部流驱动得到的环流场输入水质模型，同时考虑风、潮汐和水密度梯度的作用，积分3年分别计算出各湾水域平均浓度为初始浓度一半的时间，即莱州湾水体完成一次半交换的时间需0.52a；渤海湾需0.83a；辽东湾需2.26a；渤海中部需1.38a.

2.2 衰减速率求解

为得到渤海COD衰减速率，先根据渤海近10年COD的排放量的统计值，利用式（8）～（14）试算出不同k值下渤海整体的累积浓度，将计算结果与渤海实测的COD平均浓度进行对比，其误差最小时的k值即为所求.

图1 渤海海区流场模拟Fig.1 Simulation of tidal flow field in the Yellow Sea and Bohai Sea

图2 渤海水域分区及水交换方向Fig.2 Partitions of Bohai Sea and the illusion of the water exchange

表1 渤海水域各分区参数Table 1 Parameters of the zones of the Bohai Sea

（1） 渤海各分区COD排放量统计

按照地理划分，莱州湾沿岸有山东省的东营、烟台、潍坊和滨州4个城市；渤海湾沿岸有沧州、天津和唐山3个城市；辽东湾沿岸有葫芦岛、锦州、盘锦、营口、大连和秦皇岛6个城市.设排入海域污染物主要以陆源污染统计为基础，2004～2013年统计值数据来源于我国环境统计公报和海洋统计年鉴，当个别数据缺失时，采用内插值或以多年平均值补齐［13-15］.由于自2011年开始，我国环境保护部对统计方法及相关技术规定等进行了修订，COD的统计范围扩展为工业源、农业源和城镇生活源.为便于分析，将2004～2013年的COD排放统计值按新的口径统一进行换算，结果见表2.

（2） 渤海COD浓度实际观测

目前，我国在渤海共设环境观测站160个，其中，国家环保局140个，国家海洋局有20个，根据我国海洋统计年鉴统计，2004～2007年以及2009年渤海COD的实测平均浓度依次为1.04、1.18、1.21、1.50、1.36mg/L.

（3） 渤海COD衰减速率计算

利用COD残余量计算结果与实测COD浓度进行比较，便可确定渤海水域COD衰减速率k值.经试算，当衰减速率k取为0.061时，两者误差为4.86%，此点为误差最小值（表3）.因此，本文选取k=0.061作为渤海各分区COD浓度分析的计算参数.不同k值下COD浓度实测值与计算值的平均相对误差见图3.

表2 2004～2013年渤海各水域COD排放量（×104t）Table 2 COD emissions of the bays in the Bohai Sea from 2004 to 2013 （×104t）

表3 渤海COD浓度实测值与计算值比较（k=0.061）Table 3 The comparison between the calculated value and the measured COD concentrations （k=0.061）

图3 不同k值下COD浓度实测值与计算值的相对误差Fig.3 Relative error between the computed COD concentration and the measured data for different degradation coefficient

2.3 COD浓度计算

根据渤海近岸各湾COD排放量（表2），当k=0.061时，由式（8）～（14）可得到2004～2013年渤海各分区COD浓度（表4）.

表4 2004～2013年渤海各水域COD累计浓度（mg/L）Table 4 Accumulated COD concentrations of the bays in the Bohai Sea from 2004 to 2013 （mg/L）

3 不同水质标准下各湾的COD容纳余量

3.1 COD污染状况

根据我国国家海水水质标准（GB3097-1997），COD含量小于等于2mg/L属于清洁水质；大于2mg/L，小于等于3mg/L属于较清洁水质；大于3mg/L，小于等于4mg/L属于轻度污染水质；大于4mg/L，小于等于5mg/L属于中度污染水质；大于5mg/L属于重度污染水质.对比表3，可以判断出在2004年至2013年间，莱州湾COD污染程度属于较清洁，但呈上升趋势；渤海湾COD浓度由较清洁一度上升为中度污染，后又降到轻度污染，总体上升幅度较大；辽东湾COD浓度由清洁上升为较清洁，呈直线上升趋势，详见图4.

3.2 COD环境容纳余量

环境容纳余量是指在一定标准下，某一环境容纳污染物后还剩余的负荷容量，反映了环境容纳污染物的能力.根据定义，不同海水水质标准下渤海各分区COD环境容纳余量计算公式为:

式中:i=1，2，3分别表示莱州湾、渤海湾和辽东湾；j=1，2，3，4分别表示清洁、较清洁、轻度污染和中度污染；Qi是分区i的COD环境余量是水质标准j下的COD浓度上限，如=2.00，以此类推；是分区i的COD浓度值.

图4 渤海各分区COD浓度的年度变化Fig.4 Annual COD concentrations evolution process for different bays in the Bohai Sea

利用式（15），可得到2013年莱州湾、渤海湾和辽东湾在相应水质标准区间内COD的环境容纳余量，即在较清洁区间内莱州湾环境容纳余量为26%；在轻度污染区间内渤海湾的环境容纳余量为5%；在较清洁区间内辽东湾的环境容纳余量为88%.

4 结语

以渤海沿岸的莱州湾、渤海湾和辽东湾以及渤海中部为不同水域分区，以水动力交换和降解作用两个方面分别分析计算，即利用不同水域分区水半交换周期构建出COD累积量计算模型，计算出COD的扩散能力；同时，利用COD衰减速率方程计算渤海水域的COD降解能力，综合后得到渤海沿岸各分区在不同水质标准下COD的环境容纳余量.结果发现，尽管莱州湾、渤海湾及辽东湾同属渤海，但COD污染情况却相差较大.到2013年，莱州湾水质的COD污染程度属于较清洁，在此标准下还剩余26%的环境余量；渤海湾属于轻度污染，在此标准下还剩余5%的环境余量；辽东湾属于较清洁，在此标准下还剩余88%的环境余量.

上述分析结果对于有效制定环境保护措施具有重要参考价值.在治理渤海水域COD污染时，对莱州湾、渤海湾和辽东湾应实行区别对待，尤其是近期应严格控制渤海湾的COD排放量.分析中还发现，由于渤海水域面积较大，对沿岸海域仅按3个分区开展污染容量研究还显不够，尤其是辽东湾面积过大，所以对水质污染程度的分析结果相对该湾北部营口一带水域的实际污染状况过于乐观.因此，还可以按本文思路将研究水域范围进一步缩小，以便得到更贴近实际污染状况的结果，这可作为下一步深入研究的内容.

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COD environmental capacity of different zones of the Bohai Sea with the consideration of self-purification.

YU Tiao-lan， WANG Nuo*， LIU Zhong-bo， LI Hui （College of Transportation Management， Dalian Maritime University，Dalian 116026， China）. China Environmental Science， 2015，35（5）：1579～1585

To determine the partial water quality， it is essential to divide large water area into smaller partitions according to the geographical structure. In present paper， China's Bohai Sea was divided into four zones （i.e.， Laizhou Bay， Bohai Bay， Liaodong Bay and the center of Bohai Sea）. The hydrodynamic induced mass convection and diffusion and the chemical degradation were considered， the former was used to compute the diffusion capability of cumulative chemical oxygen demand （COD） in different zones， and the latter was applied to solve COD decreasing property， thus the degradation ability could be estimated. After the comprehensive consideration of these two parts， the COD environmental capacity was obtained with different water quality standards considered. The result shows that COD capacity is different in these four areas. For Laizhou Bay， the COD concentrations could satisfy the standard of “relatively clean”， and the environmental capacity has additional 26% to reach the standard； For Laizhou Bay， the COD concentrations was very close to the standard of “light pollution”， and the environmental capacity only has 5% left. For Liaodong Bay， COD concentrations met the standard of “relatively clean”， and the environmental capacity remained 88%.

sea；environment；capacity；COD；Bohai Sea

X145

A

100-6923（2015）05-1579-07

郁斢兰（1988-），女，江西吉安人，大连海事大学博士研究生，主要研究方向为交通工程与环境.

2014-10-05

教育部人文社会科学研究规划基金项目（12YJA630128）

* 责任作者， 教授， wangnuodl@126.com