湛江湾内湾环境容量计算与排污治理

2021-08-04 03:44石泳昊贾良文张恒林怡彤

热带海洋学报 2021年4期

石泳昊, 贾良文, 张恒, 林怡彤

1. 中山大学海洋科学学院, 广东广州 510275;

2. 中山大学海洋工程与技术学院, 广东珠海 519082

沿海海湾由于地理环境较封闭, 水体自净能力较弱, 随着经济的快速发展和人口的大幅增长, 很多海湾水质变差, 生态环境问题日益突出, 已成为海洋环境保护和治理的重点区域。湛江湾位于广东西部雷州半岛东北侧, 外围众多岛屿构成天然屏障,为封闭型海湾。近年来, 湛江市经济快速发展, 主要产业为钢铁石化产业、造纸业、水产养殖业等, 人口大量增长, 总人口达到848万人, 生产和生活排污量增大, 湛江湾水质变差。根据《2018年广东省环境状况公报》, 广东省劣四类水质海域主要分布在珠江口、汕头港、湛江港等局部海域, 主要污染指标为无机氮和活性磷酸盐。袁旗等(2016)根据2011—2015年湛江湾海水质量调查数据, 发现2015年湛江湾活性磷酸盐的平均浓度较2011年增加了1倍。张鹏等(2019)根据2018年夏季(7月)湛江湾陆源TDN和TDP入海污染物现场调查, 进行实验室分光光度法分析, 认为湛江湾夏季陆源入海氮磷污染物浓度较高, 氮磷比失衡, 陆源污染物入海通量空间分布呈现西高东低的特征, 并指出要实现湛江湾近海水质的根本改善就必须加强陆源入海污染物的控制。湛江湾内湾深入内陆(图1), 海域更为封闭, 海水流速低, 水体自净能力弱, 污染物难以扩散, 加之近年来海东新区的经济发展和人口快速增长使生产、生活污水排放量增加, 内湾的环境污染问题尤为严重。因此, 急需在研究其环境容量的基础上进行陆源污染控制。

图1 湛江湾内湾地理位置示意图图b中虚线框为本文研究区域。该图基于广东省标准地图服务网站下载的审图号为粤S(2018)093号的标准地图制作, 其中吴川市至湛江市参考2017年海图(图号87001), 雷州半岛参考2018年海图(图号88001), 湛江湾内湾参考2020年海图(图号88103)Fig.1 Schematic diagram of the geographic location of Inner Zhanjiang Bay

环境容量是指在确保人类生存和发展不受危害、自然生态平衡不受破坏的前提下, 某一环境所能容纳污染物的最大负荷值(张永良, 1992)。目前已有众多学者采用不同的方法计算环境容量(周密等,1987; 于雷等, 2007; 冯启申等, 2010; 付意成等,2010)。经总结, 海洋环境容量的计算方法可以分为5类: GIS方法、均匀混合法、分担率法、最优化法、模型试算法, 这5类方法各有优劣及适用范围(朱静,2009; 王晓玮等, 2012)。根据湛江湾内湾特点及基础资料, 本文选用模型试算法计算环境容量, 并在此基础上提出陆源污染控制措施。本研究可为湛江湾海洋环境污染治理和生态环境保护, 以及地区经济可持续发展提供科学依据和数据支撑。

1 数据和方法

1.1 数据来源

本次研究涉及到的主要数据包括排污口水质调查数据和水文实测资料。其中, 排污口数据为课题组于2019年6月21日在湛江湾坡头区6个排污口(图2; 湛江湾内湾主要的排污口)采集的水体样品及测试资料; 水文实测资料为2019年6月18日13时至2019年6月20日14时开展的水文同步观测资料,观测地点分别位于湛江湾海湾大桥南、北两侧的A点和B点(图2)。本文所使用的海底地形数据和岸线数据来源于中国海事局2017年版的博贺港至湛江港海图(比例尺为1:150000)、2018年出版的外罗门至琼州海峡海图(比例尺为1:150000)、2020年出版的东海岛至调顺岛海图(比例尺为1:40000)。海图深度以当地理论最低潮面为统一基准面, 高程为1985国家高程基准。

图2 研究区域排污口位置与定点船只位置分布图定点位置(黑色圆点): A. 海湾大桥以北; B. 海湾大桥以南。各个排污口位置(黑色十字): 1. 南调街麻屈垉 ; 2. 安铺垉侧排洪排污口; 3. 龙头镇消坡垉出入水口; 4. 坡头区科技产业园官渡园区;5. 官渡镇居民生活排污口; 6. 湛江市城市污水处理有限公司坡头水质净化厂。该图基于广东省标准地图服务网站下载的审图号为粤S(2018)093号的标准地图制作, 底图无修改Fig.2 Location of the sewage outlet in the study area, and the locations of the designated ships

1.2 环境容量计算方法

本文采用模型试算法来对湛江湾内湾主要污染物COD(化学溶解氧)、DIN(无机氮)、DIP(无机磷)和石油类的海洋环境容量进行求解。模型试算法的计算流程为: 选定一组水质控制点, 控制水质控制点的水质因子浓度不超过其各自对应的水质标准,逐步增大其中一个排污口的污染量, 控制其余排污口的污染量不变, 当模型计算浓度达到功能区划水质目标的阈值时, 输入的污染量即为最大的环境容量, 依次试算出各个排污口的环境容量。当各排污口所有指标的环境容量都被计算出之后, 将结果全部输入到模型中, 根据各个排污口的超标情况削减污染量, 使整个区域可以在水质目标的范围内, 此时的结果即为各个排污口的污染物环境容量。

1.3 水动力计算条件

1.3.1 模型概况

本文应用TELEMAC数值模拟系统内的二维水动力模块TELEMAC-2D, 加入多个污染源和多个示踪物, 进行湛江湾内湾二维水动力和环境容量计算。TELEMAC-MASCARET是一套用于模拟自由表面流的完整统一的模型求解系统。其中的模拟模块采用基于有限元法的大容量计算程序, 使用三角形非结构性网格形式来离散空间, 这就使感兴趣的区域可以被细化。目前TELEMAC-MASCARET(http://www.opentelemac.org/)在全球范围内的许多研究中得到了应用, 并已成为工业等众多领域的主要标准之一。

模型的控制方程如下:

其中, 式(1)为连续方程, 式(2)和式(3)为动量方程,式(4)为扩散方程。各式中,h为水深(单位: m),u、v为垂向平均流速在x、y方向上的分量(单位: m·s-1),T为盐度(单位: g·L-1)、温度(单位: ℃)、污染物等示踪物,g代表重力加速度(单位: m·s-2),vt和vT分别表示动量和示踪物扩散系数(单位: m2·s-1),Z代表自由表面水位(单位: m),Sh表示流体的源或汇(单位:m·s-1),Sx、Sy表示动力方程中的源或汇(单位: m·s-2)。以上变量中,h、u、v和T是待求解的未知量。示踪物扩散系数采用缺省值10-6。

1.3.2 模型驱动力及设置

模型使用UTM坐标系, 基准面是珠江高程基准面。计算区域范围北起鸡笼山附近(湛江水道), 南至东里镇(雷州湾), 东西和南北空间跨度分别为60km、75km, 共67154个网格单元, 35763个节点。上游窄河道部分网格设置为20～50m, 近岸河道网格设置为100m, 外海网格尺度为500m, 模型网格如图3所示。模型的底摩擦力采用Strickler公式计算, Strickler系数为40～60m1/3·s-1。

图3 模型网格Fig.3 Model grid

本研究模拟两个不同的时间段, 其中一个为2019年5月6日0时—2019年8月3日24时, 总计90d, 代表洪季状况; 另一个为2019年11月8日0时—2020年2月5日24时, 总计90d, 代表枯季状况。水动力模拟的时间步长为60s。初场的设置为模型预热运行365d, 使模型全局范围内都有水质因子的浓度数值。模型的上游边界为遂溪河与湍流河交汇处和南渡河河口, 输入的流量数据参考网上相关公开资料(2017年中国主要河流年径流量、2008年湛江市水文特征等资料)。南渡河发源于湛江遂溪县坡仔, 在雷州市东部的双溪口注入南海雷州湾,年均径流量9亿m3; 遂溪河发源于湛江遂溪独牛岭,于湛江市麻斜注入南海湛江港, 年均径流量14亿m3。遂溪河洪季径流量占到全年平均径流量的70%,枯季径流量占到全年平均径流量的4%。遂溪河年径流量与南渡河年径流量的比值大致为1.56, 洪季设定时取较大值。据此, 洪季上游流量边界的取值分别为1000m3·s-1和600m3·s-1, 枯季上游流量边界的取值分别为50m3·s-1和30m3·s-1。而外海边界输入的逐时水位和流速则从全球 TPXO 数据库(https://tpxows.azurewebsites.net/)取得。

研究的污染物有COD(化学溶解氧)、DIN(无机氮)、DIP(无机磷)和石油类, 以示踪剂的形式输入到模型当中。污染物释放为点源排放, 对应6个排污口(图2), 同时输入各个排污口测得的浓度数据和通过排污口出水流速和排污口面积计算获得的流量数据。

1.3.3 模型的验证

本文采用A点、B点50h(2019年6月18日13:00—2019年6月20日14:00)的逐时数据进行验证。由于潮位站潮位数据的获取受限, 故采用实地考察数据, 以A、B点的定点水深观测数据进行水深验证, 采用同时段的垂向平均流速和流向进行验证(图4—6), 采用平均绝对误差、均方根误差、相关系数以及模型技术评分对模型模拟结果进行评估。设Xmod为模拟值,Xobs为观测值,N为时间序列,则平均绝对误差为:

图4 模型水深验证图Fig.4 Verification of simulated water depth

均方根误差为:

1.4 环境容量计算条件设定

1.4.1 水动力条件

水环境容量是在一定的水动力条件下计算获得的, 不同的水动力条件会导致不同类型的污染物有不同的时空分布特点, 从而导致计算获得的环境容量与实际情况存在一定的偏差。根据对湛江湾内湾洪、枯季水动力模拟的结果, 枯季时内湾潮流流速低, 水体交换能力弱, 水体对污染物稀释能力较弱,自净作用不明显, 计算所得的环境容量低于年平均环境容量。因此, 在计算环境容量时, 枯水期一般被视为最不利的水文条件。本文从最大的环境安全考虑, 选择2019年11月—2020年2月(枯水期)进行湛江湾水环境容量计算。

1.4.2 排污口的设定

根据排污口现场调查, 选取湛江湾内湾6个入海排污口进行环境容量计算, 排污口的位置如图2所示。

1.4.3 海洋环境功能区划

研究区域的海洋环境容量计算依据湛江湾海域环境功能区划所对应的海水水质标准。根据《广东省海洋功能区划(2011—2020年)》(2012), 湛江湾内湾各功能区划分如图7所示。其中, 对湛江港保留区海水水质标准的环保要求为“维持现状”。湛江市海洋与渔业环境监测站于2016年11月在湛江湾附近海域开展了秋季20个站的海洋水质调查, 调查结果显示位于湛江港保留区的6个站点的水质现状未能达到《海水水质标准》(GB3097-1997)中的第三类水质标准。由于海洋功能区划要求维持现状, 本文将其定为四类水体。

图7 湛江湾内湾海水水质标准对应功能区划图该图基于广东省标准地图服务网站下载的审图号为粤S(2018)093号的标准地图制作, 底图无修改Fig.7 Inner Zhanjiang Bay Seawater Quality Standard Corresponding Functional Zoning

1.4.4 水质控制点的选取

在考虑了排污口所在海域的环境功能区, 确定了相应的水质标准之后, 模型试算法还需要提取水质控制点。水质控制点的作用是以水质控制点上的浓度限值来限制排污口的浓度。一旦水质控制点的污染物浓度达标, 就可以认定各个排污口在各个功能区划达标。其做法为: 排污口中心区域的浓度是一个高值, 通常会超过该区域海水水质的要求, 但是只要在这个高值区周围设定的水质控制点的浓度达到标准(即水质控制点的浓度达标), 就可以实现排污口达标的要求。若排污口在第一类海水水质的环境功能区, 其周围水质控制点也选取在第一类海水水质的环境功能区, 控制标准即为第一类海水水质标准。第二类海水水质、第三类海水水质和第四类海水水质的环境功能区以此类推(李适宇等,1999)。

《污水海洋处理工程污染控制标准》(GB18486-2001)中对稀释混合区范围有详细的判定法, 需要污染物高值区的面积范围在3km2以内, 因此水质控制点的选取范围也需要控制在3km2以内。由于本文研究区域内所划分的网格尺度由内湾区域的20～50m到外海的500m, 内湾区域单个网格面积均未超过0.005km2, 内湾区域总体面积也小于3km2, 故未设置稀释混合区, 而是根据排污口位置选取附近的网格点作为水质控制点(水质控制点之间的距离适当减小至200～300m), 所以对排污口的约束是比较严格的。

本文针对湛江湾内湾海域特点, 依照上述实施原则, 最终设置20个水质控制点。其中, 第一类海水水质控制点为6个, 第二类海水水质控制点为11个, 第三类海水水质控制点为3个。各类水质控制点在湛江湾内湾海域的分布位置见图8。

1.4.5 浓度背景值

本文计算背景浓度时, 在全局网格节点上设置污染物浓度为0, 上游边界污染物浓度也为0, 设置外海边界具有一定的污染物浓度。通过外海潮汐的作用, 将污染物扩散至整个网格中。根据本区域前人相关研究成果和水质现状情况, 设置外海边界的COD、DIN、DIP和石油类浓度值分别为1.17mg·L-1、0.466mg·L-1、0.116mg·L-1和0.007mg·L-1(程海鸥等,2009)。TELEMAC模型计算初场设置时间为365d。当整个网格具有浓度的初场时, 在模型中再加入点源(即排污口)污染物的排放浓度和流量, 使模拟结果更加贴近实际。

2 结果与分析

2.1 环境容量计算结果

基于环境容量的概念和模型的设置, 依照模型试算法解决水环境容量计算问题, 最终求得水环境容量。本次研究一共运行109次模拟计算后, 获得了最优情况。其中, COD计算占27次, 无机氮计算占8次, 无机磷计算占11次, 石油类计算占39次;将所有情况叠加在一起之后再进行总体环境容量削减计算, 以消除多个排污口之间存在的叠加问题,其中COD消减计算7次, 无机氮消减计算4次, 无机磷消减计算5次, 石油类消减计算8次。经计算获得的湛江湾内湾排污口主要污染物环境容量如表1所示, 由表可知, 湛江湾内湾2019年排污口点源污染物COD环境容量总量为11721t·a-1, DIN为1388t·a-1, DIP为141t·a-1, 石油类为326t·a-1。在COD方面, 2号(安铺垉侧排洪排污口)、4号(坡头区科技产业园官渡园区)、6号(湛江市城市污水处理有限公司坡头水质净化厂)排污口的环境容量较大; 在DIN、DIP和石油类方面, 4号排污口的环境容量最大。

表1 湛江湾内湾排污口主要污染物环境容量(2019年)Tab. 1 Environmental capacity of main pollutants at the sewage outlet of Inner Zhanjiang Bay (2019)

2.2 排污治理

2.2.1 排污入海通量

根据实地测量的排污口流速数据和排污口横截面积(满阀), 计算主要污染物的入海通量, 计算结果如表2所示。从表2结果可以发现, COD的排放主要来自于2号排污口(安铺垉侧排洪排污口)和3号排污口( 龙头镇消坡垉出入水口), DIN的排放主要来自于4号排污口(坡头区科技产业园官渡园区),DIP的排放主要来自于4号排污口, 石油类的排放主要来自于1号排污口(南调街麻屈垉 )和2号排污口。

表2 湛江湾内湾排污口主要污染物入海通量(2019年)Tab. 2 Fluxes of main pollutants into the sea from the sewage outlet of Inner Zhanjiang Bay (2019)

2.2.2 剩余环境容量

结合上文计算所得的污染物入海通量(表2)和环境容量(表1), 计算了2019年湛江湾内湾排污口的剩余环境容量(表3)。剩余环境容量为0说明该排污口排放污水中的水质因子已经超标, 故无剩余环境容量。

从表3可看出, 2号排污口(安铺垉侧排洪排污口)和5号排污口(官渡镇居民生活排污口)的4个水质因子均不超标, 情况良好; 3号排污口(龙头镇消坡垉出入水口)的3个水质因子(COD、DIN、DIP)均超标, 超标水质因子的数量最多, 情况最为严峻;4号排污口(坡头区科技产业园官渡园区)的DIN超标量为3281t·a-1。综合各排污口可得, 湛江湾内湾2019年排污口点源污染物COD、DIN、DIP、石油类的剩余环境容量总量分别为10426t·a-1、 213t·a-1、70t·a-1和314t·a-1。

表3 湛江湾内湾排污口主要污染物剩余环境容量(2019年)Tab. 3 Residual environmental capacity of main pollutants at the sewage outlet of Inner Zhanjiang Bay (2019)

具体的超标数据为: 1号排污口DIN、DIP排放超标, 排污量分别超出环境容量 38.54t·a-1和15.84t·a-1; 3号排污口COD、DIN、DIP超标, 排污量分别超出环境容量 76.63t·a-1、46.21t·a-1和12.86t·a-1; 4号排污口DIN超标, 排污量超出环境容量3281.31t·a-1, 超标量很大; 6号排污口DIP超标,排污量超出环境容量2.21t·a-1。

根据以上计算与分析结果, 本文制定了研究区陆源污染物总量控制目标, 主要为: 1) 重点对4号排污口的DIN排放量削减3281.31t·a-1以上; 2) 对1号排污口的DIN、DIP排放量分别削减38·54t.a-1和15.84t·a-1以上; 3) 对3号排污口的COD、DIN、DIP排放量分别削减76.63t·a-1、46.21t·a-1和12.86t·a-1以上; 4) 对6号排污口的DIP排放量削减2.21t·a-1以上。

2.2.3 排污治理对策

根据本文对湛江湾内湾环境容量的计算结果和制定的陆源污染物总量控制目标, 结合实地考察情况, 初步提出湛江湾内湾的排污治理对策。坡头区多个排污口均有超标现象, 最有效的方法是污水经过污水处理厂处理后才能排放。湛江市城市污水处理有限公司坡头水质净化厂尚有处理污水余量, 可将其他来源的污水通过管网输送至污水处理厂中,使污水处理厂能够尽其所能。若不能满足需求, 则建议修建新的污水处理厂。湛江市坡头区科技产业园官渡园区排污口为工业污水排污口, 排放的污水中无机氮浓度较高, 需要重点关注, 并大幅削减无机氮排放量。此外, 建议适当将超额排污的排污口调配到排污量少的排污口, 也可将排污口位置迁移到水动力条件好、交换能力强的水域进行排放, 以减少环境压力。

3 结论

通过实测资料分析和数值模拟相结合, 本文计算了湛江湾内湾的环境容量, 并探讨了相应的排污治理对策, 主要结论如下:

1) 通过模型试算法计算得到2019年湛江湾内湾排污口污染物COD、DIN、DIP和石油类的环境容量分别为11721t·a-1、1388t·a-1、141t·a-1和326t·a-1;利用排污口的现场调查和测试数据计算, 得到2019年湛江湾内湾主要污染物COD、DIN、DIP和石油类的入海通量分别为1732t·a-1、4541t·a-1、101t·a-1和12t·a-1; 湛江湾内湾2019年排污口点源污染物COD、DIN、DIP和石油类的剩余环境容量总量分别为10426t·a-1、213t·a-1、70t·a-1和314t·a-1。

2) 2号排污口(安铺垉侧排洪排污口)和5号排污口(官渡镇居民生活排污口)的4个水质因子均不超标, 情况良好; 针对超标情况制定了陆源污染物总量控制目标, 主要是削减1号排污口(南调街麻屈垉)、3号排污口( 龙头镇消坡垉出入水口)、4号排污口(坡头区科技产业园官渡园区)、6号排污口(湛江市城市污水处理有限公司坡头水质净化厂)超标水质因子的排放量。