广西防城港湾水环境质量现状与石油烃环境容量的初步研究

李小维，黄子眉，方龙驹

（1. 中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266003；2. 国家海洋局北海海洋环境监测中心站，广西 北海 536000；3. 广西水文水资源局，广西 南宁 530023）

广西防城港湾水环境质量现状与石油烃环境容量的初步研究

李小维1,2，黄子眉1,2，方龙驹3

（1. 中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266003；2. 国家海洋局北海海洋环境监测中心站，广西 北海 536000；3. 广西水文水资源局，广西 南宁 530023）

环境容量是评估海域污染物最高容纳量的一个重要指标，污染物排放量控制指标的合理性取决于项目所在海域的环境容量的正确估算。本文首先根据近年来对防城港湾海水环境质量的现场调查资料，采用单因子指数法对防城港湾的水环境质量现状进行评价和分析，然后，通过模型和模拟对城港湾的水交换周期进行了计算，最后选取水质评价中出现超标的石油烃作为分析因子，采用改进的标准浓度法估算了防城港湾石油烃的环境容量。结果表明，防城港湾的水环境质量状况良好，石油烃环境容量在一、三、四类水质标准下分别为2023 t/a、51334 t/a、92896 t/a。

防城港湾；水环境质量；石油烃；环境容量

1 概 述

1.1 研究的目的和意义

环境容量是评估海域污染物最高容纳量的一个重要指标，通过对防城港湾水环境质量现状评价，找出海域污染的主要因子，然后对石油烃环境容量进行定量研究，了解该湾水动力情况，探求该湾海水交换率及交换周期，估算该湾石油烃环境容量，提出该湾石油烃污染物总量控制目标，为今后防城港市临海工业项目污染物的排放，特别是石油烃污染物排放总量指标的确定提供理论依据，促进海洋环境保护与社会经济协调发展。

1.2 国内外研究现状

近年来，国内外一些学者相继开展了水环境质量和石油烃环境容量的研究。Graham Copeland、Teofilo Monteiro等 (2003) 采用水动力模型和扩散模型对巴西Sepetiba 湾的水质进行了研究[1]；Gennadi Lessin、Urmas Raudsepp (2006) 采用模拟与实测相结合的方法对芬兰的波斯湾水质进行了研究[2]；任叙合 (1994)分析了现有的计算污染物环境容量的三种方法的不足，提出改进方法，能够较好地计算出石油烃的环境容量[3]；郭良波等 (2005) 采用总量最优化法对渤海的COD和石油烃环境容量进行了计算[4]等等。

目前，海湾水环境质量评价研究基本上均是采用单因子指数法结合海水水质标准来进行，根据评价指数可以得出该海湾的主要污染物种类和污染物的超标率。环境容量的理论研究工作处于由定性描述向定量计算发展的阶段。我国在海洋环境容量研究方面也做了大量工作，例如，通过水动力输运研究自净能力[5]；应用模拟试验方法研究化学自净过程[6]；根据环境治理目标浓度与海水本底浓度之差计算静态环境容量[7]。对广西沿海重点港湾主要污染物环境容量的研究还处于空白阶段。

2 水环境质量监测与评价

2.1 监测与采样

本节资料主要来自2006年2－3月（枯水期）和8月（丰水期）期间防城港湾海域水环境调查资料。本调查在防城港湾共设站位25个，其中有13个底质监测站位（图1）。水质监测项目包括pH、DO、COD、石油类、DIN、DIP、总Hg、Zn、Cd、Pb、Cu和硫化物共12项；底质监测项目包括有机碳、硫化物、总Hg、总Cr、Zn、Cd、Pb、Cu和油类共9项，仅进行了枯水期监测。各项监测因子的采集和分析均按照《海洋调查规范》（GB12763-1991）进行。水质和底质监测结果分别见表1、表2。

图1 水环境质量调查站位Fig. 1 Water quality survey stations

表1 水质要素监测结果Tab. 1 Elements of the monitored results of water quality

表2 底质要素监测结果表Tab. 2 Elements of the monitored results of sediment

表3 水质标准指数统计结果Tab. 3 Results of water quality standards index

由表3可以看出，防城港湾的水质状况较好，按二类水质标准进行评价，除石油类外，各评价因子的评价指数均小于1。而石油类有29%的站位超标，超标原因可能与海上船舶频繁活动等有关。

2.2 底质现状评价

底质选用的评价因子有有机碳、硫化物、总Hg、总Cr、Zn、Cd、Pb、Cu和油类共9项。调查海区水质评价采用《海洋沉积物质量》（GB18668-2002）中的第二类底质标准。评价方法同样采用单因子标准指数法。调查海区沉积物的评价结果见表4。

表4 沉积物标准指数统计结果Tab. 4 Results of sediment standard index

由上表4可以看出，防城港湾的底质状况良好，按海洋沉积物二类标准进行评价，调查海区的各项因子均未超标。只有4号站硫化物和石油类的单项指数稍高，分别为0.41和0.49，其它评价因子在各测站的单项指数均小于0.40。事实上，所有评价因子的单项指数均符合第一类标准的要求。

3 防城港湾流场模拟

潮流是防城港湾污染物扩散的主要动力因素，为了计算防城港湾涨落潮水量和海水交换率，需要对防城港湾的潮流场进行数值模拟。

3.1 基本方程及求解方法

对于海底地形不复杂或密度分层不太显著的浅海，一般采用二维浅水环流模型进行流场模拟，即可满足技术要求。二维模型是基于深度平均二维化的连续方程和动量方程，结合海区的实际初边值条件，通过数值方法求解而形成的。模型计算区域为21°30′～21°42′N，108°16′～108°28′E。

3.1.1 基本方程

式中，ζ为水位，h为水深，u，v分别为东向和北向深度平均的水平流速分量，c为谢才系数，f为科氏力参数。

边界条件为：岸边界vn=0，n为岸边界外法线方向；水边界，给出水位值ζ。

3.1.2 求解方法 求解方法采用ADI方法，在前半步长，即t∈｛n⊿t，（n+1/2）⊿t｝上，首先显式计算v分量，然后沿x方向对水位ζ和流速的u分量作隐式运算。在后半步长，即t∈｛（n+1/2）⊿t，（n+1）⊿t｝上，首先显式计算流速u分量，然后沿y方向对水位ζ和流速的v分量作隐式运算。为了提高流场的计算精度，对潮滩区进行动边界处理。采用矩形网格逼近计算区域，其中x轴为正东方向，y轴为正北方向。网格间距：⊿x=0.1′，⊿y=0.1′，水深从海图上读取并订正到平均海平面。开边界的水位值根据附近验潮站的调和常数给定。闭边界法线向量流速为0。计算域剖分见图2。

图2 防城港湾潮流场模拟区域Fig. 2 Moist flow field breadboard area of the Fangchenggang Bay

3.2 模拟结果验证

模拟结果验证包括水位和潮流两个方面，潮位验证采用防城港海洋环境监测站（108º20′E，21º37′N）实测潮位作验证，时段取2004年3－4月，实测潮位与模拟潮位的潮位过程比较曲线见图3。

由图3可见，大潮期间潮位模拟误差相对较小，误差主要出现在小潮期，以及低高潮与高低潮之间，潮位模拟平均误差为0.21 m。

图3 实测与模拟潮位过程曲线图Fig. 3 Chart of actual and simulated tide level process

潮流验证采用2005年1月15～16日实测流速流向（测流站见图2）和模型计算结果进行比较如图4和图5，从图上可以看到本次计算的潮流场与实际观测结果基本上吻合，说明本次模拟具有良好的重现性，达到了预期的效果。

图4 实测与模拟流速对比图Fig. 4 Actual and simulation flow on speed to the contrast chart

图5 实测与模拟流向对比图Fig. 5 Contrast chart of the directions of actual and simulated flows

3.3 海流特征分析

图6和图7是流场模拟结果。模拟表明：在涨潮过程中，外海潮波传入防城港湾，流向都指向口门，在潮波传播过程中，受地形约束强度较大，到达渔万岛南端分为两支，一支沿牛头岭向西北方向流去，另一支沿暗埠口江向东北方向流去。流速在牛头岭深槽附近流到最大，过了牛头岭和企沙半岛后，潮流进入东、西湾内湾，由于水深变浅，水流阻力增大，流速逐渐减小。无论在外湾还是内湾，潮流都受岸线和深槽的影响，流向有顺着深槽的趋势。落潮是涨潮的逆过程，流场情况类似。在低潮时，渔万岛东北和西北面海域流速较小，较大面积的滩涂露出。这些模拟情况与防城港湾的长期水文观测结果相符。

图6 大潮涨急流场图Fig. 6 Flood tide rises in the jet stream field pattern

图7 大潮落急流场图Fig. 7 Flood tide ebbs in the jet stream field pattern

4 防城港湾石油烃环境容量

4.1 防城港湾的海水交换率

4.1.1 海水交换率公式 海水交换率的计算方法采用匡国瑞学者进行的相关研究成果[8]进行计算。

（1）柏井法

柏井法是把 Parker的海水交换率扩展, 提出外海水与湾内水直接交换, 其交换率定义为：

式中，C0为外海水平均浓度；CB为湾内水平均浓度；CE为落潮时流出水的平均浓度；CF为涨潮流入水的平均浓度; γE为涨潮流入量中流入湾内的浓度为C0的外海水所占的比率；γF为落潮流出量中流出湾外的浓度为CB的湾内水所占的比率。γE和 γF的计算公式为：

（2）中村武弘法

中村武弘法是根据Parker和柏井的提法，提出湾内水对湾外海水的交换率（γ）和外海水对湾内水的交换率（β）分别为：

式中，α= QF/QE，QF为涨潮流入湾内的水量， QE为落潮流出的湾内水量。

4.1.2 计算结果 以盐度作为指标物质，根据2006年2～3月水环境调查中的盐度同步监测资料进行γE和γF值的计算。盐度监测站位共30个，其中湾内25个，湾外5个，取调查区域内各个站位盐度的平均值作为计算参数，则C0为33.077，CB为32.459，CF为32.924，CE为32.846。由①、②式得出，γE= 0.338，γF=0.168。

式中 ζ（x，y）、ζ′（x，y）分别为最高潮时、最低潮时的水位值，h（x，y）为修正后的海图水深，经过计算，求得QF= 2.788 1×109m3，QE= 2.899 4×109m3，从而 α = QF/QE= 0.9616。再由③、④式求得，γ=0.1359，β=0.1505。

4.2 防城港湾的半交换周期

半交换周期是指湾内海水更新一半所需的时间，是衡量海域自净能力的重要因子，海湾的平均半交换周期可由水质模型求出，港湾的零维水质预测模型[9]为：

式中，V为湾内平均海平面下水体体积；T为潮周期数；D为一个潮周期内所有污染源向湾内的排放总量。求解上式，得到水质预测公式：

式中，CB为指标物质的初始浓度。在计算防城港湾的水交换周期时，假定指标物质排放总量为零，指标物质的平均浓度C0为零，于是上式可以简化为：

由此，便得到了指标物质的浓度CB随交换周期T的函数关系。根据半交换周期的定义，当CB=CB′/2，便可求出T1/2=0.693V/（γQE）

防城港湾的海水体积V为3.6642×109m3， QE为2.8994×109m3，γ值为0.1359，从而求出T1/2为6.4个潮周期，防城港湾潮汐为正规全日潮，潮周期约为24.5 h，因此，T1/2为6.5 d。

4.3 石油烃的环境容量

石油烃环境容量的计算方法有多种，目前国内学者普遍采用的为数值模拟法，该方法的优点是准确度较好，但需要海洋水文、气象、理化、生物等各个方面的详细资料，工作量大且开发周期长。本文对防城港湾石油烃当前环境容量的计算方法采用改进的标准浓度法[11]，其计算公式如下：

式中：M为评价海域当前环境容量，t/a；T为评价海域海水半交换周期，a；Ci为海水本底石油烃浓度，mg/L；q0为评价海域石油烃同化速率，参照文献[10]取180 t/a。

CS的取值一般可根据评价海域的环境功能要求采用该类别的海水水质标准的浓度，也可采用渔业水质标准浓度。

根据前面对防城港湾海水体积、海水半交换周期的计算值，通过上式进行估算，防城港湾的石油烃环境容量在第一类、三类、四类海水水质标准下，其值见表5。

表5 不同水质要求下石油烃环境容量值Tab. 5 Petroleum hydrocarbon environmental capacity value under different water quality requests

从表5中可以看出，防城港湾石油烃在第一、三、四类水质要求下，其环境容量分别为2 023 t/a、51 334 t/a、92 896 t/a。

5 结 论

防城港湾为半封闭性港湾，湾口开阔，水交换条件较好，由于海洋资源开发利用起步较晚，因此目前防城港湾的水环境质量状况较好，按二类水质和底质标准进行评价，仅有石油类一项因子在水质中超标，但目前的水质状况完全能够满足整个海湾的海洋功能区划管理要求。通过对防城港湾潮流场的数值模拟，得出防城港湾水体总量和涨落潮水量，进而求得水交换率及半交换周期，为石油烃环境容量计算中参数的选择提供了依据。采用改进的标准浓度法进行计算，得出防城港湾石油烃环境容量在第一、三、四类水质标准下分别为2 023 t/a、51 334 t/a、92 896 t/a。

[1] Graham Copeland, Teofilo Monteiro. Water quality in Sepetiba Bay,Brazil References [J]. Marine Environmental Research, 2003, 55(5):385-408.

[2] Gennadi Lessin, Urmas Raudsepp. Water quality assessment using integrated modeling and monitoring in Narva Bay, Gulf of Finland，Environmental Modeling & Assessment [J]. 2006, 11(4): 258-263.

[3] 任叙合. 石油烃环境容量估算方法浅探 [J]. 中国海上油气（工程）, 1994, 6(1): 41-44.

[4] 郭良波. 渤海COD与石油烃环境容量计算 [J]. 中国海洋大学学报, 2007, 37(2): 310-316.

[5] 陈春华. 海口湾海域重金属自净能力研究 [J]. 海洋学报(中文版), 1997, 19(6): 77-83.

[6] 郑庆华, 何悦强, 张银英. 珠江口咸淡水交汇区营养盐的化学自净研究 [J]. 热带海洋, 1995, 14(2): 68-75.

[7] 贾振邦, 赵智杰, 吕殿录, 等. 柴河水库流域主要重金属平衡估算及水环境容量研究 [J]. 环境保护科学, 1996, 22( 2): 49-52.

[8] 匡国瑞. 海湾水交换的研究——海水交换率的计算方法 [J]. 海洋环境科学, 1986, 5 (3): 45-48.

[9] 匡国瑞, 杨殿荣, 喻祖祥, 等. 海湾水交换的研究——乳山东湾环境容量初步探讨 [J]. 海洋环境科学, 1987, 6 (1): 13-23.

[10] 李克强, 王修林, 阎菊, 等. 胶州湾石油烃污染物环境容量计算[J]. 海洋环境科学, 2003, 22(4): 13-17.

A preliminary study on water environment quality status and petroleum hydrocarbons environment capacity in the Guangxi Fanchenggang Bay

LI Xiao-wei1,2, HUANG Zi-mei1,2, FANG Long-ju3
（1. Ocean University of China, Qingdao 266003, China; 2. Beihai Ocean Environment Monitors Center Station of SOA, Beihai 536000, China;3. Guangxi Hydrology and Water Resources Bureau, Nanning 530023, China）

Environment capacity is an important index to assess the capacity of a given pollution. The limiting size of the given pollution to be released is based on the estimation of the environment capacity. In this study, the worst factor judgment method was used to analyze and evaluate the environment quality of the Fangchenggang Bay, based on the history observations. Simulation of the water exchange period was carried out. At last, by selecting the Petroleum hydrocarbons whose concentration exceeded the limiting size when evaluating the water quality, the environment capacity of Petroleum hydrocarbons in the Fangchenggang Bay was estimated by the improved standard concentration method. The results indicate that the water quality of the Fangchenggang Bay is good, and the capacity of Petroleum hydrocarbons is 2023 t/a, 51334 t/a and 92896 t/a under the first, third, and forth water quality standards, respectively.Keywords: Fangchenggang Bay; water environment quality; petroleum hydrocarbons; environment capacity

X145; X82

A

1001-6932(2010)03-0310-06

2009-07-06；

2009-10-25

国家海洋局南海分局局长基金 ( 0850)

李小维( 1981－)，男，湖北荆门人，工程师，在职研究生，主要从事海域使用论证和海洋环境影响评价工作，电子邮箱：leashoway@163.com