渤海湾主要污染物环境容量的估算

刘浩，戴明新，彭士涛，许文珊

（1. 上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306；2. 交通部天津水运工程研究院，天津 300455）

渤海湾主要污染物环境容量的估算

刘浩1，戴明新2，彭士涛2，许文珊1

（1. 上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306；2. 交通部天津水运工程研究院，天津 300455）

运用一个三维水动力模型模拟了渤海湾潮汐潮流的主要特征，计算与实测结果吻合较好。在此基础上采用保守物质为示踪物估算了渤海湾的水交换特性，结果显示：渤海湾一年的水交换率大约为62%。最后以海水的二类水质为标准，估算了COD，无机氮和活性磷酸盐三种主要污染物在渤海湾的静态容量，分别为3.999×105t，3.999×104t和3.999×103t；进而得到在过程控制情况下三种污染物总的环境容量分别为6.478×105t，6.478×104t和6.478 t，以及在结果控制情况下3种污染物的年环境容量分别为1.052×106t，1.052×105t和 1.052×104t。

渤海湾；环境容量；数值模型；水交换率

环境容量是指在适合人类生存以及自然生态系统不受破坏的前提下，某一环境所能容纳的污染物的最大负荷量，常用年容量来量度，即某一环境在污染物的积累浓度不超过环境标准规定的最大容许值的情况下，每年所能容纳的某污染物的最大负荷量[1]。对于任一环境，它的环境容量越大，可接纳的污染物就越多，反之则越少。污染物的排放必须与环境容量相适应，如果超出环境容量就要采取措施，如降低排放浓度，减少排放量，或者增加环境保护设施等。在实际的环境质量管理过程中一般采用总量控制法，即把各个污染源排进入某一环境的污染物总量限制在一定的数值之内。而要采用总量控制法，就必须首先弄清楚环境容量的大小。

中国学者针对不同污染物的环境容量问题也做了很多相关的研究，如王萱等在厦门同安湾的研究[2]，张静等在深圳湾的研究等[3]。本文关注的是渤海湾的环境容量问题。如图1所示，渤海湾位于渤海的最西端，处于河北、天津和山东3省市的环绕之中。进入新世纪以来，随着环渤海经济区的快速发展以及天津滨海新区的开发和建设，人类用海活动的规模和频率都显著增加，从而对渤海湾的环境质量造成了严重的考验。在全社会都在倡导节能减排的大环境下，深入了解渤海湾主要污染物的环境容量问题，无疑会对相关部门进行污染物排放的总量控制提供理论依据。

图 1（a） 渤海湾的位置和范围；（b）渤海湾内的4个验潮站A、B、C、D和6个测量潮流的船舶站位1、5、9、z3、z5、z9Fig. 1 (a) Location and scope of the Bohai Bay, (b)A, B, C, D are four tidal gages, and 1, 5, 9, z3, z5, z9 indicate six ship moorings

1 研究方案

与其它海域的环境容量问题相似，渤海湾的环境容量除了污染物在海水水质标准下的静态容量外，还包括由于水交换所携带出湾外的污染物的质量。第一部分容量只需知道渤海湾的容积即可确定，而第二部分容量则需要首先了解渤海湾与外部海域的水交换特性。研究水交换特性的方法很多，如示踪物法[4]、ADCP断面监测法[5]，数值模拟法[6,7]等。其中数值模拟法由于运行成本低廉，并且能够模拟长期的水交换过程，因此得到越来越多的应用。本文采用的是一个基于sigma坐标变换的三维海洋动力模型，即所谓的POM模型。关于该模型的特点以及在渤海的应用，之前已经有很多文献进行了相关的介绍，本文就不再重复。本文通过所设计的数值试验来定量描述渤海湾内保守示踪物的浓度（质量）随时间的变化规律，进而了解渤海湾的水交换特性。之所以选定保守示踪物目的在于忽略由于物质性质变化而引起的质量的改变。该方法已经在深沪湾得到较好的应用[6]，具体做法就是以图 1a中的虚线作为渤海湾与外部海域的分界线，在模型运转之初假定渤海湾内的示踪物的初始浓度为1 g/m3（对应的示踪物总质量约为1.333×105t ）；同时假定渤海湾以外海域的示踪物的初始浓度为0。示踪物的对流扩散过程在真实外力作用下进行1年，观察湾内示踪物浓度（质量）的改变，进而得出渤海湾海水的交换率。

研究渤海湾的水交换特性需要以整个渤海作为计算区域（图1a），水平方向采用2´×2´的正交网格，垂向分10个sigma层。8个主要分潮叠加在渤海的侧开边界处模拟潮波的传播过程，多年的月平均风场作用在海水表面。模型运转一年，可以得到湾内的示踪物质量随时间的变化过程曲线。渤海湾潮汐潮流特征的计算是在图 1b所示的小区域内进行的，水平方向采用 0.5´×0.5´的精细化网格，垂向同样采用10个sigma层。小区域侧开边界处主要分潮的调和常数是由渤海大区的计算结果插值得到。模型针对不同的观测时间段分别运转一个月，所得结果进行潮汐潮流的验证和分析

2 潮汐潮流模拟结果的分析

表1列出了环渤海湾4个验潮站上主要半日潮M2和主要全日潮K1调和常数的模拟值和实测值的计算误差。误差分析显示：K1分潮的振幅和迟角的均方根误差分别为2.18 cm 和 2.98 º；M2分潮的振幅和迟角的均方根误差分别为3.64 cm 和 3.16 º。说明本文的计算结果与实测数据吻和较好。另外，从表1还可以看到：两个分潮调和常数的计算值有的大于实测值，有的小于实测值，即二者的差值有正有负，说明计算结果不存在系统误差。

表 1 M2和K1分潮振幅和迟角计算和实测结果的比较误差Tab. 1 Errors of computed and observed harmonic constants of M2 and K1

图 2 给出了M2和 K12个主要分潮在渤海湾的同潮图，可以看到：渤海湾的 M2分潮的振幅更为显著，其在天津近岸海域的振幅超过1 m；K1分潮相对较弱，说明渤海湾的潮汐以半日潮为主，这种情况越靠近天津近岸海域越为显著。由于 M2分潮在老黄河口水域存在振幅接近0的无潮点[8]，因此那里具有全日潮的特征。而本文模型的侧开边界正好选在由老黄河口的全日潮向天津近岸海域正规半日潮的过度区域，呈现混合潮的特征，存在明显的日潮不等现象，即每天的2个高潮或2个低潮潮高可能差别较大。

图 2 渤海湾主要半日潮M2和主要全日潮K1的同潮图：实线为等振幅线（cm），虚线为等迟角线（°）Fig. 2 Co-amplitude (solid lines) and co-phase lag (dashed lines) of M2 and K1 tides in the Bohai Bay

图 2的计算结果与文献[9]的观测资料基本一致。为了进一步较验模型，本文选择了2个时间段的潮流观测数据。观测时间分别为2006年7月27日至28日以及2007年8月2日至3日，观测站位基本选在天津近岸海域，每次观测都选定了9个站点。由于相邻站位距离较近，潮汐潮流的特征也大体相近，因此只挑选有代表性的6个站点进行模拟结果的校验和分析。图 1b显示的标号为 1、5、9的站点，对应的测量时间是2006年，而标号为z3、z5、z9的站点，对应的观测日期是 2007年。图3给出的是6个站点上垂向平均潮流的计算值和实测值的比较情况。可以看到模型和资料也比较吻合。

图 3 船舶站位上潮流计算和观测值的比较Fig. 3 Comparisons between computed currents and observed ones

6个站位的潮流都是典型的半日潮流。对比不同站位的潮流特征可以发现：向海一侧的9号站位潮流流速明显大于向岸一侧的1号站位。显然是水深向岸逐渐变浅，海底对水流的摩擦作用也相应增大。另外，根据潮流的流向分布还可以看到：处于离岸较远位置的9号站位的潮流流矢在一个潮周期依次指向各个方向，显示出较为明显的旋转流的特征；而1号和5号站位由于受到岸线和航道的影响，其潮流流矢基本就是指向相反的两个方向，具有典型的往复流性质。

与1、5、9号站位的模拟情况相比，模型在z3、z5、z9站位的计算结果与实测值相比较误差较大，但是所揭示的流速和流向的变化过程与实际情况基本一致。这里误差大的原因在排除了天气、测量仪器以及数据处理方面的因素之外，海域周边频繁的围填海项目导致当地岸线和水深发生显著变化也可能是造成实测与模拟产生误差的重要原因。根据计算和观测结果，这3个站位的潮流也都呈现典型的半日潮流特征。由于受岸线和地形的显著影响，除 z5站位外，各个站位的潮流类型基本上都是往复流的性质，至于 z5的观测流向为什么显示旋转流的特征有待于进一步研究。

图4进一步给出了渤海湾最大涨潮流和最大落潮流的分布图，可以看到：最大潮流发生在开边界处，超过50 cm/s，天津近岸海域由于水深较浅，潮流受到的海底摩擦作用较强，因此流速较弱。

图 4 渤海湾垂向平均的潮流分布特征：（a）涨急时，（b）落急时Fig. 4 Depth-mean tidal currents: (a) flooding, (b) ebbing

3 主要污染物环境容量的估算

图5显示了渤海湾的水交换特性，它是以湾内污染物的稀释率随时间的变化过程来反映的，这里的稀释率定义为在某一特定时刻湾内现存示踪物的质量与初始质量（1.333×105t）的比值[6]。可以看到：湾内示踪物的质量随时间变化的总趋势是减小的，而且减小的过程是先快后慢，大约在第 280天左右湾内污染物质量降为初始质量的40%，之后进一步缓慢降低，在第 365 d时降为初始质量的38% 左右，从而意味着一年内约有62% 的示踪物通过水交换流出渤海湾。这一结果与魏皓等人[5]的研究结果相吻合。

图 5 渤海湾保守示踪物稀释率随时间变化曲线Fig. 5 Time series of the dilution rate of conservative tracers

本文以海水的二类水质为标准，计算主要污染物 COD，无机氮和活性磷酸盐在渤海湾的环境容量。上述三种污染物在二类水质标准下其浓度上限分别为3，0.3和0.03 gm-3，而根据文献[8]可以确定研究海域的容积约为1.333×1011m3，这样可以计算出渤海湾的固有环境容量分别为 3.999×105t，3.999×104t和3 999 t，上述数值是渤海湾的静态环境容量，即不考虑湾内外水交换情况下的环境容量。下面计算考虑水交换情况下三种污染物在渤海湾总的环境容量。如果用二类水质来控制渤海湾的环境质量，那么存在两种情况：一是过程控制，即在一年的任何时刻都要确保湾内污染物始终不会超过二类水质，只有交换出去多少，才能允许污染源增加排放以补充因交换所损失的量。因此，补充的污染物质量与交换的污染物质量大体相当，于是渤海湾一年COD总的环境容量为

同理可得无机氮和活性磷酸盐在渤海湾的年环境容量分别为6.478×104t和6478 t。

二是结果控制，即保证一年的最终水质不超过二类水质标准，此时COD总的环境容量可写为同理可得在这种情况下无机氮和活性磷酸盐在渤海湾的年环境容量分别为1.052×105t和1.052×104t。就污染物总量控制来说，第一种情况更加安全，而更一般的环境容量可能介于上述两个数值之间。

4 讨论和结论

本文借助一个成熟的三维海流模型模拟了渤海湾主要的潮汐潮流特征，并在此基础上以保守物质作为示踪物估算了渤海湾的水交换特性。选择保守示踪物似乎与COD、氮、磷的海水生化属性不符。而实际上，以上各种物质在渤海湾的年度收支大体相等，只不过期间或直接存在于水体中，或富集在生物体内，即便富集在生物体内最终又会重新释放到水体中[10]。因此以一年为限，将上述物质视为保守的是可行的。渤海湾一年的水交换率约为62%，由此得到 COD环境容量的变化范围为 6.478×105～1.052×106t，无机氮环境容量的变化范围为6.478×104～1.052×105t，活性磷酸盐环境容量的变化范围为6.478×103～1.052×103t。

还需要指出的是，本文的计算工作是以二类水质控制整个渤海湾的水体质量，而实际上不同海区的水质标准是以其功能区划为依据的。因此更精确地研究渤海湾的环境容量需要明确海湾内各局部海区的功能区划特征以及局地的水交换特性，这也意味着需要将目前的计算网格进一步细化以适应更小的海区模拟。

[1] 刘浩, 尹宝树. 辽东湾氮、磷和 COD 环境容量的数值计算 [J].海洋通报, 2006, 25(2): 46-54.

[2] 王萱, 陈伟琪, 江毓武, 等. 基于数值模拟的海湾环境容量价值损失的预测评估——以厦门同安湾围填海为例 [J]. 中国环境科学, 2010, 30(3): 420-425.

[3] 张静, 孙省利, 林建国, 等. 深圳湾海域环境容量及污染总量控制研究—— I. 潮汐、潮流数值模拟 [J]. 海洋通报, 2010, 29(1):22-28.

[4] 姬厚德, 潘伟然, 张国荣, 等. 筼筜湖纳潮量与海水交换时间的计算 [J]. 厦门大学学报(自然科学版), 2006, 45(5): 660-663.

[5] Liu Z, Wei H, Liu G S, et al. Simulation of water exchange in Jiaozhou Bay by average residence time approach [J]. Estuarine,Coastal and Shelf Science, 2004, 61:25-35.

[6] 刘浩, 潘伟然, 骆智斌. 深沪湾水交换特性的研究 [J]. 海洋环境科学, 2008，27(2): 157-160.

[7] 魏皓, 田恬, 周锋, 等. 渤海水交换的数值研究——水质模型对半交换时间的模拟 [J]. 青岛海洋大学学报, 2002, 34(2):519-525.

[8] Liu H. Annual cycle of stratification and tidal fronts in the Bohai Sea: a model Study [J]. Journal of Oceanography, 2007, 63(1):67-75.

[9] 陈国珍, 钮国义, 文圣常, 等. 渤海、黄海、东海地图集—水文分册 [M]. 北京:海洋出版社, 1992.

[10] Liu H, Yin B S. Numerical investigation of nutrient limitations in the Bohai Sea [J]. Marine Environmental Research, 2010, 70:308-317.

Estimation of the environment capacity of the major pollutants in the Bohai Bay

LIU Hao1, DAI Ming-xin2, PENG Shi-tao2, XU Wen-shan1

(1. College of Marine Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
2. Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, M. O. C., Tianjin 300455, China )

A three-dimensional ocean circulation model is used to simulate the tides and currents in the Bohai Bay, and simulations reasonably agree with observations. On the basis of the validated simulations, the conservative tracers are used to estimate water exchange rate of the Bohai Bay. It is found that about 62% of seawaters are transported out of the bay annually. At last, the concentrations of the second type of seawater are taken as the criteria to estimate the environment capacity of three major pollutants, and it is found that the static capacities of COD, inorganic nitrogen and phosphate are 3.999×105t，3.999×104t and 3.999×103t, respectively, if the water exchange is not considered.Otherwise, their environment capacities can be 6.478×105t，6.478×104t and 6.478 t, respectively, if the process is controlled; those values may be even higher, that is, 1.052×106t，1.052×105t and 1.052×104t, respectively, if only the consequence is controlled.

Bohai Bay; environment capacity; numerical model; water exchange rate

X145

A

1001-6932(2011)04-0451-05

2010-10-11；

2011-03-15

上海市教委海洋环境工程重点学科资助项目（J50702）；科技部科研院所技术开发研究专项基金（2008EG124218）。

刘浩 ( 1972－)，男，博士，副教授，主要从事近岸海洋动力过程和海洋模型的研究。电子邮箱：haoliu@shou.edu.cn。