近岸水域环境容量计算及实例应用分析研究

摘要：提出了适用于近岸水域的环境容量计算方法，通过构建三维水动力、三维生态动力模型对近岸水域的水动力、水质过程进行了模拟验证，结合水质功能分区，将容量计算归结为线性规划问题，求解在规划的水污染控制单元划分和排污口位置条件下的水环境容量。以大亚湾水域为实例求解与分析了CODMn环境容量，验证了计算方法的适用性和有效性。

关键词：近岸水域；环境容量；水动力；生态动力；线性规划

中图分类号： X26

文献标识码： A 文章编号： 16749944（2015）06025104

1 引言

环境容量概念最早由日本环境学界在20世纪60年代提出[1]，国内外的研究者对水环境容量提出过多种表述的定义[2～4]，具体可描述为：在一定的排污口位置下，对象水域在水环境质量达到环境标准的前提下所能容纳污染物的最大量。水环境容量的影响因素除了排污口的位置和环境标准之外，还有支配污染物输移、稀释和扩散的水动力条件以及污染物本身的降解速率等。按照计算条件的不同，环境容量可区分为两类，一是天然环境容量，就是在假设各类污染物背景浓度为0时（即假设水体完全不受污染），所求出的各排污口总排放最大负荷量；二是背景环境容量，是指在只考虑外海边界污染物输入时，所求出的各排污口总排放最大负荷量。水环境容量评估工作对近岸区域的可持续发展具有重要意义，本研究具体提出了适用于近岸水域环境容量的评估计算方法，并结合实例应用开展研究分析。

2 计算方法

根据研究水域的地形、水动力特征，建立起反映研究水域实际动力情况的三维水动力，并根据观测数据对建立起来的水动力过程进行模拟，然后根据研究水域的水质及生态现状，建立起反映水质情况的三维生态动力模型，并根据观测数据对建立起来的生态动力模型进行水质过程模拟，并验证模型应用于近岸水域的可靠性，最后根据研究水域现有的水质功能分区，求解在规划的水污染控制单元划分和排污口位置条件下的水环境容量。

2.1 水动力与生态动力过程模拟

采用ECOMSED（Estuaries and Coastal Ocean Model with Sediment Module）模型[5]进行水动力过程模拟。ECOMSED为三维数学模型，模型主要模拟变量包括三维流速、温度、盐度、湍动能、湍流长度等。模型的动力方程为非线性的，考虑由于温、盐导致流体密度差异所产生的上升和下降流，以及流体的水平对流。在进行水动力模型的构建和验证时，首先根据近岸水域的地形、水动力特征，建立起反映近岸水域实际动力情况的三维水动力；接着则根据现场观测数据对建立起来的水动力过程进行模拟，并对结果进行验证，以检验模型的可靠性。模型的雷诺动力方程为：

式中：（U，V）为水平流速矢量，为水平梯度运算符，ρ0为海水密度常数，ρ是实际密度，g是重力加速度，P是压力，KM是垂向湍动能混合的涡粘系数，f是随纬度变化的科氏力参数。

采用RCA生态动力模型（Row-Column Aesop）[6]进行水质过程模拟。RCA模型是从Aesop箱式生态模型及美国环保署的WASP水质模型发展而来，RCA包括溶解氧、碳循环（其中包括了浮游植物的生长）等五个相互作用系统。RCA最明显的特征是耦合了一个底泥营养盐通量模型，可以根据每天沉积到底泥中的颗粒态有机碳等形态的污染物通量及底泥中原有的颗粒态有机碳等形态污染物的含量，动态地模拟研究区域污染物底通量及底泥耗氧量的时空变化过程。RCA水质模型描述各水质因子物理、生化过程的方程的一般形式可用下式表示：

式（4）中：c为水质因子浓度（mg/L），t为时间（s），E为由于潮汐、密度或速度梯度所引起的梯度导致的扩散系数（m2/s），U为对流速度（m/s），S为各水质因子内部源汇项（mg/（L·s）），W为外部源汇项（mg/（L·s））。

用于构建水动力及生态动力模型的数据主要分为四类，分别为模型验证数据、边界条件数据、环境容量水质目标数据及地形数据。模型验证数据主要是用于水动力模型及水质模型中各参数率定及计算结果验证的各类水动力及水质数据；边界条件数据是用于驱动水动力模型及生态动力模型所需的在外海边界、河流边界及海表边界所需要的水位、流量、污染物浓度、气象条件等数据；环境容量水质目标依据是研究水域执行的水环境质量标准的有关规定，近岸水域水质目标参考《中华人民共和国海水水质标准》（GB3097-1997）；地形数据是研究水域的水底地形数据。

2.2 容量求解

为了使环境容量的求解更加科学化与合理化，同时为了避免传统的试算法解环境容量所带来的巨大工作量，环境容量的计算问题可转化为线性规划问题。

根据定义，水环境容量问题可表述为：在选定的一组水质控制断面的指标污染物浓度不超过其各自对应的环境标准值的前提下，使各排污口的污染负荷排放量之和最大，即

式中：L为对象水域所有排污口的总排放负荷量；x为某个排污口的排放负荷量；i为水质控制断面编号；m为水质控制断面数目；j为排污口编号；n为排污口数目；aij为第j个排污口的单位负荷量对第i个水质控制断面的污染贡献度系数；Cbi为水质控制断面处的污染背景浓度；为水质控制断面处的环境标准值。

式（6）左边第一项表示个排污口对控制点的水质浓度贡献量的总和，亦即区域内排污引起的控制点处的浓度增值；第二项是该控制点的背景浓度，这是在没有污染源的条件下，仅仅由边界水质影响而产生的浓度。因此式（6）左边两项之和实际上是控制点处的浓度。由于水质扩散方程是线性的，浓度有可迭加性，所以用线性迭加的方法来求解某一点的浓度是可行的。因此，求解海域环境容量问题可归结到求解式（5）～式（7）所表达的线性规划问题。线性规划问题用单纯型法（Simplex Method）求解。

对于排污口的设置，主要按照三个方面进行统筹划分，这三个方面分别是沿岸排污口调查结果、集水区域分布（面源集污单元）及近岸水域功能区划。沿岸排污口调查主要是指通过对沿岸工厂污水、城镇居民生活污水、水产养殖及入海河流等直接进入近岸水域的污染源进行野外调查。排污口设置还应考虑近岸水域功能区划，因为本研究环境容量的计算，不仅要求出现存排污口的环境容量，还要求出各类未来将设置的排污口的环境容量，这样才能为未来的排污决策提供科学依据。综上所述，近岸水域环境容量计算排污口设置的原则总结为以下4点。

（1）现存沿岸排污口的位置应设置排污口；

（2）每一个集水区域至少要设置一个排污口，集水区域的设置依据各集水区域河流入海口所处位置而定；

（3）每一个水质功能区至少要设有一个排污口；

（4）近岸水域功能区划规划的排污口应考虑设置排污口；

对于水质控制点的选定，根据《海水水质标准》（GB3097-1997）[7]，海水水质分为4类，为了控制各功能区的水质达到其对应的环境标准（图1），对水质控制点的选取须满足以下要求。

（1）对处在采用海水水质第三类标准功能区的排污口，在其周边设第三类水质标准控制点；

（2）对处在采用海水水质第二类标准功能区的排污口，在其周边设第二类水质标准控制点；

（3）对处在采用海水水质第一类标准功能区的排污口，在其周边设第一类水质标准控制点；

（4）在采用第三类与第二类海水水质标准的2种水域的交界线上设第二类水质控制点；

（5）在采用第一类与第二类海水水质标准的2种水域的交界线上设第一类水质控制点，使这些点的浓度不得超过第一类海水水质标准。

对于贡献度系数的计算，由于海洋受潮汐影响，一个连续恒定的污染源对某一控制点的影响是随时间变化的，所以贡献度系数也是时间的函数。如果将贡献度系数的时间变化也加以考虑，就会更加实际，但同时也使得容量计算量剧增。而且如果给出一个潮周期内随时间变化的水环境容量，在现阶段根据环境容量变化来实施管理操作也具有难度。因此贡献度系数以及环境容量都取一个月内的平均值。

3 计算实例应用分析

3.1 水环境容量计算因子的确定

容量计算因子的选择考虑以下几方面的原则：

（1）选择海洋管理部门监测管理和制定海洋污染治理措施一般考虑的控制因子；

（2）选择符合研究海域环境污染特征，能够反映研究海域污染水平，决定水环境质量的主要超标因子或定类因子；

（3）选择能够反映水域污染物排放现状和趋势，决定水污染特征的主要污染负荷因子；

（4）选择各行业污染源主要监控的污染因子；

（5）选择被收入在《海水水质标准》（GB3097-1997）和《污水综合排放标准》（GB8978-1996）之内的因子；

（6）选择具有可靠的监测计量手段和在线监控方法的控制因子；

（7）选择具有切实可行的污染控制和削减措施的控制因子。

根据上述原则要求，重点考虑海洋管理部门需要、研究水域实际情况和掌握资料的充分性三方面因素，本研究选择CODMn作为计算因子。

3.2 计算实例与结果分析

根据掌握的数据资料，以大亚湾水域作为应用实例进行分析。大亚湾是广东省沿岸最大的海湾之一，位于珠江口东侧（114°29′42″～114°49′42″E，22°31′12″～22°50′00″N），正在大力发展海洋经济，石化等产业已成为区域经济发展支柱，而大亚湾又是国家级海龟自然保护区和省级水产资源自然保护区所在地，经济发展与环境保护在并行中博弈。水环境容量对于大亚湾区域的发展至关重要，而摸清大亚湾水域的环境容量是大亚湾区域实施可持续发展战略的前提条件。

根据《大亚湾海洋环境质量现状调查报告》关于污染源和水环境质量现状调查的基础数据[8]，结合大亚湾海域总体规划及社会经济发展与环境保护的需要，以CODMn为指标，在大亚湾水体功能区划的基础上，运用经过验证的水动力模型和生态动力模型求出大亚湾沿岸深圳龙岗区、惠州大亚湾区及惠东县在规划的水污染控制单元划分和排污口位置条件下的水环境容量。用单纯性法求解大亚湾水域环境容量解线性规划问题式（1）～式（3），得到总排放负荷量最大时的各排污口允许排放CODMn环境容量，结果见表1（排污口对应位置见图2）。计算结果包括两种类型的容量，天然容量和背景容量。

从计算结果可以看出，惠州市惠东县占了大亚湾沿岸三个主要行政区天然环境容量的49%，深圳龙岗区和惠州市大亚湾区的CODMn天然环境容量分别占大亚湾各污染物天然环境容量的19%和32%。背景环境容量与天然环境容量有着类似的空间分布特点。环境容量的计算结果与排污口位置、控制点水质标准及水体交换能力有关。由于排污口位置及控制点水质标准是确定的，所以使环境容量存在区域差异的主导因素应该是水体交换能力。

由于惠东的海岸线占据了整个大亚湾东岸，而大亚湾东岸是大亚湾海域水体交换能力最强的区域，因此，惠东占有将近50%的天然环境容量。大亚湾区及龙岗区由于所占有的区域是大亚湾海域中水体交换能力最差的西岸，导致其天然环境容量相对较小。大亚湾沿岸各排污口的天然和背景环境容量空间分布基本与水体交换能力强弱相关。另一方面，结合大亚湾水域的监测数据分析，大亚湾北部范和港及大鹏澳等近岸水域多在三类水或差于三类水，而这些区域的天然环境容量和背景环境容量计算结果都较少，表明本研究对大亚湾环境容量的计算是合理的。

4 结语

根据近岸水域的地形、水动力特征，利用ECOMSED建立起反映近岸水域实际动力情况的三维水动力模型并根据现场观测数据对建立起来的水动力过程进行模拟，采用RCA三维生态动力模型对近岸水域的水质过程进行模拟，并验证模型应用于近岸水域的可靠性，结合水域水质功能分区，将容量计算归结为线性规划问题，从而求解在规划的水污染控制单元划分和排污口位置条件下的水环境容量。以大亚湾水域为实例研究对象，对大亚湾水域的CODMn环境容量进行了求解与分析，计算结果与实际状况相符合理，表明计算方法具有较强的适用性和有效性，为污染物的总量控制提供科学依据，也为近岸水域的环境管理提供决策依据和技术指导。

参考文献：

[1]张永良， 刘培哲. 水环境容量综合手册[M].北京：清华大学出版社，1991：574～575.

[2]张永良，洪继华，夏 青.我国水环境容量研究与展望[J].环境科学研究，1988，1（1）：73～81.

[3]Rauch W.， Henze M.， Koncsos L. et al. River quality modeling： I. State of the art[J].Water Science and Technology，1998，38（11）： 237～244.

[4]Litak B.G. Environmental Engineers Handbook， Vol.1， Water Pollution[R].ChiltonBook Company， 1997（12）：34～37.

[5]Blumberg A.F. A Primer for ECOMSED Version 1.3 Users Manual[R].Mahwah， N.J. USA： HydroQual， Inc.，2002.

[6]Fitzpatrick J.J. USER'S GUIDE FOR RCA（Release 3.0）[R].Mahwah， N.J. USA： HydroQual， Inc.，2004.

[7]国家环境保护局.海水水质标准GB3097-1997[S].北京：国家环境保护局，1997.

[8]李耀初，何智远.大亚湾海洋环境质量现状调查报告[R].中山大学，广东省海洋与渔业局等.