入海排污口布局合理性评估与优化技术研究❋

张宇铭， 张淑芳， 韩成伟

(国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116023)

近年来，随着中国经济和社会的高速发展，沿海地区人口不断聚集，城镇规模不断扩大，其负面效应也日益凸显，企业和生活污水的大量入海和海洋开发力度的加大导致了近岸海洋环境压力持续增加。根据《中华人民共和国海洋环境保护法》第三十条规定，“入海排污口位置的选择，应当根据海洋功能区划、海水动力条件及有关规定，经科学论证后，报设区的市级以上人民政府环境保护行政主管部门审查批准”。而现有诸多入海排污口布设时间较早，并未经过科学论证。因此，对沿岸直接入海排污口进行布局合理性评估并优化，对于充分利用海洋物理自净能力，保障海洋资源开发利用的同时改善近岸海洋环境非常重要。

目前，对入海排污口选址适宜性或排污布局合理性评价主要采用两种方法：一是基于水动力数值模拟方法评估纳污海域的水交换能力或纳污能力[1-5]，并以此为依据对排污口布局合理性进行评估。该方法的优点是充分考虑了海洋水动力条件对污染物扩散的影响，更符合海洋实际情况。缺点是评价因子单一，忽略了海洋敏感功能区等其他要素在排污布局中的重要性；二是构建基于多因子评估的排污口布局优化方法[6-10]。与前一方法相比，该方法同时考虑了生态敏感区、工程稳定性、工程风险和工程经济等多种要素对排污布局的影响，评价因子选取更为全面。然而，该方法由于评价因子众多导致其对基础数据要求高，实用性和针对性较差，同时基于该方法的研究对于评价排污对敏感海洋功能区的影响主要以排污口到敏感功能区的直线距离作为评价指标，忽略了海水可流动性的客观事实，可能造成评价结果缺乏科学性。

综合考虑前人研究的优点和不足，本文为满足防治海洋污染的需要，以充分利用海洋物理自净能力为出发点，构建综合考虑入海排污口邻近海域水交换能力和排污对敏感海洋功能区环境影响的入海排污口布局合理性评估方法。考虑到渤海湾湾顶海域承接了环渤海经济区和海河水系的大量污染，且海域水交换和自净能力较差，海洋环境现状不容乐观。因此，本文以渤海湾湾顶海域为例，应用构建的入海排污口布局合理性评估方法，对沿岸所调查的直接入海排污口进行了布局合理性评估。

1 入海排污口布局合理性评估方法建立

1.1 评估指标

根据《中华人民共和国海洋环境保护法》第三十条规定，评判入海排污口空间布局科学合理的指标应包含两个方面：一方面入海排污后需有利于污染物的稀释扩散；另一方面需注意减轻陆源污染物对海洋敏感功能区的影响。陆源污染物入海后的输运扩散状况主要取决于排污口邻近海域的水交换能力，若排污口邻近海域水动力条件差，水交换能力弱，则污染物易于排污口邻近海域堆积，从而加重局地海域的污染程度；若排污口邻近海域水动力条件好，水交换能力强，则污染物排海后可以快速向外输运扩散，污染物浓度得以稀释，从而缓解局地海域的污染状况。但若在水动力作用下大量陆源污染物向海洋生态保护区等水质要求较高的海洋功能区输运，则易引发严重的海洋生态环境问题。因此，本文将用两项指标来评估入海排污口的布局合理性：一是入海排污口邻近海域水交换能力；二是入海排污对敏感海洋功能区的环境影响程度。

1.2 入海排污口邻近海域水交换能力评估方法

本文中入海排污口邻近海域水交换能力以采用拉格朗日粒子追踪法[11-12]计算半交换时间[13]作为评判指标。具体方法如下：首先，根据入海排污口的地理分布及邻近海域水体输运状况，将空间位置相邻较近、对区域水质影响具有累加效应的入海排污口划分为同一个排污分区，并假定分区内污染物混合均匀，每个分区分别作为所含入海排污口邻近海域水交换能力的评价区域；其次，基于三维水动力数值模型和拉格朗日粒子追踪模型，在各排污分区内均匀释放保守粒子，考察保守粒子在水动力作用下的运移状况，进一步计算排污分区的半交换时间，以表征入海排污口邻近海域水交换能力，定义初始位于某分区的粒子在水动力作用下输运50%至分区外部所用的时间为该分区的粒子半交换时间；最后，为了对各排污分区的水交换能力进行分级排序，将各分区的粒子半交换时间从短到长排列，按照每25%累积率来划分，将各排污分区的水交换能力划分为强、较强、较弱、弱4个等级。水交换能力等级评判方法见表1。

表1 水交换能力评估指标Table 1 Evaluation criteria for water exchange ability

1.3 入海排污对敏感海洋功能区环境影响程度评估方法

由于海洋特别保护区、农渔业区、滨海旅游区等海洋功能区对入海污染物较为敏感，水质要求通常为一、二类，因此本文将需满足一、二类水质要求的海洋功能区统称为敏感海洋功能区。基于三维水动力模型和拉格朗日粒子追踪法，在各排污分区内释放保守粒子来表征陆源污染物，并计算逐时刻粒子进入各敏感海洋功能区内的比例，以此来表征入海排污口在各时刻对各敏感海洋功能区的影响程度。当计算时间足够长，入海污染物在输移扩散作用下离开近岸海洋功能区范围时，入海排污口对敏感海洋功能区的影响减小以至于可以忽略不计。以模型计算中粒子释放时刻至计算时间足够长以至于大部分粒子离开近岸海洋功能区范围时刻的平均粒子比例表征各排污分区对敏感海洋功能区的环境影响程度，该比例越大，说明排污分区内释放的污染物在敏感海洋功能区内的滞留量越大，即对敏感海洋功能区可能造成的环境影响越大。按计算所得各排污分区在各敏感海洋功能区内的平均粒子比例，将入海排污的环境影响划分为4个等级，分别为小、较小、较大、大，评判标准见表2。

1.4 排污布局合理性评估方法

从海洋环境保护角度出发，入海排污口邻近海域水交换能力和排污对敏感海洋功能区的环境影响程度两项指标的相对重要性相当，因此在评估排污布局合理性时取两者权重相同，即排污布局合理性评估分值为水交换能力等级分值与敏感海洋功能区环境影响程度等级分值的等权重加和。

当水交换能力等级为“弱”且敏感海洋功能区环境影响程度等级为“大”或“较大”时，或当水交换能力等级为“较弱”且敏感海洋功能区环境影响程度等级为“大”时，说明污染物入海后易在排污口邻近海域堆积，且排污极易造成敏感海洋功能区的环境影响，说明排污布局不合理，亟需进行排污口空间布局的调整。当水交换能力等级为“强”且敏感海洋功能区环境影响程度为“小”或“较小”时，或当水交换能力等级为“较强”且敏感海洋功能区环境影响程度为“小”时，说明污染物入海后能够较为迅速地扩散，且扩散过程中不易出现污染物在敏感海洋功能区堆积的情况，即排污布局合理。排污布局合理性评估方法见表3。

表2 排污环境影响等级评估指标Table 2 Evaluation criteria for environmental effects of pollution

表3 排污布局合理性评估方法Table 3 Evaluation criteria for the suitability of drain outlets

2 评估方法应用——以渤海湾湾顶海域为例

2.1 渤海湾三维水动力模型的建立与率定

对入海排污口邻近海域水交换能力和排污对敏感海洋功能区环境影响评估均建立在三维水动力模型基础上。本文以区域海洋模式Regional Ocean Modeling System(ROMS)[14-17]为基础，构建渤海湾三维水动力模型。模型岸线和水深地形数据来自于2014年5月止的最新版海图，模拟区域的地形设置见图1。模型网格采用曲线正交网格，分辨率为450～600 m，垂向采用S坐标[18]，均匀分为10层。东边界为开边界，其他均为闭边界。选取了6个主要分潮(M2、S2、K1、O1、N2、Q1)的合成水位作为开边界条件，潮汐调和常数由国家海洋环境监测中心渤海大区三维水动力模型提供[19]。海气界面数据(包括风应力和海气通量数据等)由NCEP再分析资料根据块体公式[20]计算。模型初始场包括水位、流场、温度场和盐度场。考虑到水位和流速在模型运行过程中会迅速调整，因此初始条件中水位和流速均设置为0；温度和盐度的初始场取自《渤海、黄海、东海海洋图集(水文分册)》[21]中的气候态月平均的温度和盐度场。

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为了验证渤海湾三维水动力模型模拟结果的可靠性，将模拟结果分别与该海域内可获得的水动力实测数据进行了比对分析。图2为用于比对验证的水动力实测站位分布图。比对数据来自2014年春季4个调查站位、夏季6个调查站位以及塘沽水文站，比对要素为水位、潮位、海流流速和流向。

图1 渤海湾模型地形Fig.1 Bathymetry of the model of the Bohai Bay

本文采用相关系数、均方根误差和技术评分[22-23]

三项指标评估数值模拟效果。相关系数用以评估数值模拟在趋势上对于实际情况的反映能力；均方根误差用以评估模拟与实测数据之间的差异性；技术评分用以评估数值模拟效果等级，其分级评估标准见表4[22]。三项指标的具体计算方法如下：

图2 渤海湾湾顶海域实测站位分布Fig.2 Location of monitoring sites on top of the Bohai Bay

相关系数CC(Correlation Coefficient)

CC=

(1)

均方根误差RMSE(Root-Mean-Square Error)

RMSE=

(2)

技术评分SS(Skill Score)

(3)

渤海湾三维水动力模型的模拟数据与海水实测数据的比对结果见图4和表5。可以看出，在数据量为23 239个的大样本统计情况下，实测数据与模拟数据的相关系数总体较高，均方根误差较小，模拟效果技术等级为极好，说明采用渤海湾三维水动力模型模拟计算得到的海域水动力场的可靠性较高，可以满足渤海湾湾顶海域入海排污口布局合理性评估指标的计算需求。

表4 数值模型模拟效果技术等级标准Table 4 Evaluation criteria for numerical modeling

图3 模拟(黑线)与实测(红线)水位对比图Fig.3 The comparison between simulated (black line) water level and the observations (red line)

2.2 入海排污口分布现状及排污分区划分

根据2014年渤海湾湾顶海域入海排污口调查结果，沿岸有排污布局规划需求的入海排污口共21个。为了便于评估现有入海排污口对环境的影响，根据排污分区划分原则，将渤海湾湾顶海域共划分为20个排污分区，分区外缘线取自岸线向海延伸5 km(见图4)。其中分区Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ、Ⅹ、ⅩⅢ、ⅩⅣ、ⅩⅦ、ⅩⅩ内目前暂无排污口，可作为排污布局优化的备选分区。每个分区内所包含的排污口情况详见表6。

2.3 渤海湾湾顶海域入海排污口布局合理性评估结果

渤海湾湾顶海域需满足二类水质要求的海洋功能共有7个(见图5)，由北向南依次为A：汉沽浅海生态系统海洋特别保护区、B：北塘滨海旅游休闲娱乐区、C：汉沽农渔业区、D：高沙岭旅游休闲娱乐区、E：天津东南部农渔业区、F：大港滨海湿地海洋特别保护区、G：马棚口农渔业区。在进行排污对敏感海洋功能区的环境影响评估时重点针对以上7个敏感海洋功能区。

采用渤海湾三维水动力模型和粒子追踪方法，计算得到各排污分区水交换能力和敏感海洋功能区环境影响程度，进而评估现有入海排污口的布局合理性。渤海湾湾顶海域入海排污口均采用闸门控制排放量，夏季为主要排污时间，其他季节排污极少，因此仅对夏季进行数值模拟计算并进行排污布局合理性评估。由于排污Ⅲ区外边缘建有防波堤，口门很小，几乎封闭，与外部水交换能力极弱，因此在数值模拟计算中将此港池区域视为全封闭区域，不参与计算。

表5 2014年模拟效果评估Table 5 Evaluation results of simulations in 2014

表6 排污分区与所含的入海排污口信息表Table 6 Pollution zones and their drain outlets

渤海湾湾顶海域入海排污口空间布局合理性评估结果见表7和图6。Ⅲ区较为封闭，难以与外海进行水交换；Ⅴ区和Ⅵ区水交换能力均为较弱，且极易造成敏感海洋功能区(北塘滨海旅游休闲娱乐区和汉沽农渔业区)的污染，因此Ⅲ区、Ⅴ区和Ⅵ区排污布局均不合理。渤海湾湾顶海域共有2个入海排污口位于上述布局不合理区，分别为18号闸涵、19号闸涵(中心渔港)，需优化空间布局；海滨浴场沉淀池排水闸、塘盐扬水站和新马棚口村北排污口I等3个排污口位于布局合理区，在满足达标排放前提下无需进行空间布局优化；其余16个排污口位于布局较合理区，在适当限制排污总量基础上暂不需优化位置。

图4 渤海湾湾顶海域排污分区划分Fig. 4 Pollution zones of the drain outlets on top of the Bohai Bay

图5 渤海湾湾顶海域敏感海洋功能区分布Fig.5 Distribution of sensitive marine functional areas on top of the Bohai Bay

表7 渤海湾湾顶海域各排污分区排污布局合理性评估Table 7 The evaluation results of suitability of the pollution zones on top of the Bohai bay

Note:①Pollution zone；②Water exchange ability；③Evaluation of water exchange ability；④Environmental influences；⑤Evaluation of environmental influences；⑥Total score；⑦Suitability

图6 渤海湾湾顶海域各排污分区排污布局合理性评估结果Fig.6 The evaluation results of suitability of the pollution zones on top of the Bohai Bay

3 结语

本文从近岸海洋环境保护角度出发，建立了入海排污口布局合理性评估方法。该评估方法以水动力数值模拟技术中的拉格朗日粒子追踪法为基础，通过充分考虑水文动力条件对入海污染物的输运扩散作用，对入海排污口邻近海域水交换能力和排污对敏感海洋功能区的环境影响程度两项指标分别进行分级评估，进而综合评估入海排污口的布局合理性。

文中采用建立的评估方法对渤海湾湾顶海域入海排污口空间布局合理性进行了评估。将该海域划分为20个排污分区，对其中包含的21个入海排污口的布局合理性分别评估。结果表明，现有入海排污口中有2个排污口布设不合理，需优化空间布局；3个排污口位于布局合理区，在满足达标排放前提下无需进行空间布局优化；16个排污口位于布局较合理区，在适当限制排污总量基础上暂不需优化位置。

本文建立的入海排污口布局合理性评估方法是针对有限目标的评估方法，重点考虑入海排污对海洋环境的影响因素，而不考虑经济成本、工程风险等其他非海洋因素的影响，主要适用于以改善和保护近岸海洋环境为出发点的入海排污口布局评估，为科学论证区域入海排污口位置提供一种方法。

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