渤海湾入海溶解无机氮总量控制研究

张文亮，刘 泓，冯剑丰，朱 琳，刘 玉，马志华

渤海湾是渤海西部的一个半封闭海湾，位于河北省唐山、天津、河北省沧州和山东省黄河口之间。渤海湾海洋生态系统是天津滨海新区经济与社会赖以生存和发展的基础。近年来，随着人口的增加和经济的快速发展，渤海湾海洋生态系统退化现象严重，特别是氮、磷、化学耗氧量(COD)等污染物排放量的增加，对生态系统的结构和功能造成了巨大的影响［1-4］。

海洋环境容量是在充分利用海洋的自净能力和不造成污染损害的前提下，某一特定海域所能容纳的污染物质的最大负荷量。基准海洋环境容量指整个目标海域海水中化学污染物平均浓度符合一定等级国家海水水质标准条件下的海洋环境容量［5］。容量的大小即为特定海域自净能力强弱的指标，环境容量越大，可接纳的污染物就越多;环境容量越小，可接纳的污染物就越少。只有采取总量控制的办法，才能有效地消除或减少污染的危害。排入某一海域的污染物如果只规定各个污染源容许排放污染物的浓度，而不考虑环境的最大负荷量，则有可能各个排放点污染物的排放量虽然符合标准，但特定海域的污染物总量却可能超过标准，造成污染损害。倘若将流入某一海域的污染物总量限制在允许容纳量之内，并在此总量下限制来自各种排放源的污染物负荷量，就可以使海域环境质量维持良好状态。

多介质的海洋动力学模型已经用于对胶州湾、辽东湾和渤海营养盐的环境容量的评价［5-8］。而实际的海水通过物理、化学和生物的方法对污染物进行分解和净化。因此在评估特定区域某种污染物的环境容量时，应该同时考虑这3 种过程的自净能力。生态物理耦合模型则考虑了这3 种过程，可以更加真实地反映污染物的迁移、转化过程。该文采取生态物理耦合模型，对渤海湾的主要污染物-溶解无机氮(DIN)的基准环境容量进行了计算，在此基础上，对渤海湾的DIN 入海总量提出了控制建议。

1 研究区域与方法

选择遭受严重污染的渤海湾作为研究对象，研究区域如图1所示。

图1 研究区域

海洋生态动力学模型自20世纪40年代产生以来，一直被认为是除了现场调查和模拟实验(包括实验室模拟和现场模拟)之外研究海洋生态系统的另一种有效的研究方法。建立评估海洋生态状况和预测海洋生态平衡和演变的生态动力学模型，已成为国内外海洋研究工作者的关注热点［9］。模型研究从早期的种间竞争、捕食的关系模型发展到生态过程、食物链模型。尤其是近年来计算速度大幅提高，应用数学的理论与方法也在不断完善，使得生态动力学模型能够科学地模拟生态系统的动态过程［10］。

生物物理耦合模型的控制方程可以表示为

式中:Ci是各生物变量的浓度;下标i 分别指代营养盐(硝酸盐、铵盐和磷酸盐)、浮游植物、浮游动物和生物碎屑，i=1，…，7。

PHYSICS(Ci)代表物理过程(主要是对流和扩散)引起的各生物变量浓度的变化，在本研究中采用与POM 模型中温度和盐度相同的对流扩散形式:

对于营养盐而言，Si≠0 表示营养盐能够通过河流径流、大气沉降或沉积物涌起进入海洋;对于其他生态变量，Si= 0 表明浮游生物和碎屑的生物量没有来自水体生态系统以外的补充。式中的x、y 为直角坐标系的水平方向坐标，σ 为sigma坐标系的垂向坐标，U、V、ω 分别为x、y、σ 方向的速度分量，L 为实际水深，AH、KH分别为水平与垂直扩散系数［7，11-12］。

BIOLOGY(Ci)代表食物链中生物过程引起的各生源要素浓度的变化，反映了包括浮游植物、浮游动物、营养盐及碎屑的构成的典型营养物-浮游植物-浮游动物-碎屑(NPZD)模型［11］。其中主要的生物过程包括浮游植物的初级生产过程、藻类呼吸过程、藻类被捕食过程、藻类死亡过程、浮游动物死亡及排泄过程以及碎屑的矿化过程。

该生物物理模型在NPZD 生态模型的基础上，耦合了经过潮流场验证的三维水动力学模型［12］，以国家海水无机氮的I～Ⅳ类水质标准为目标，对渤海湾的无机氮的基准环境容量进行了计算分析。

2 模型的边界条件及验证

海面边界条件:

海底边界条件:

式中，N、A、P 分别代表硝酸盐、铵盐和磷酸盐的浓度，P1、P2代表浮游植物密度，Z 代表浮游动物生物量，D 代表碎屑的浓度，Fn、Fa、Fp为硝酸盐、铵盐和磷酸盐在海底沉积物与水体之间的交换通量。以上垂直边界条件说明各生源要素的海表通量为0，而且除了3 种营养盐外，其他生源要素的海底通量也为0。

侧开边界条件:开边界处的硝营养盐根据渤海大区的计算结果并结合多年的观测数据插值确定的［7，12］。浮游植物、浮游动物和碎屑的开边界条件采用一阶迎风对流格式。

模型安排:生物模型的对流扩散过程由水动力模型计算，生物化学过程则采用4 阶龙格—库塔法求解。生物模块的网格划分与水动力模型相同，即水平方向0.5'×0.5'，垂直方向11 个sigma 层。

3 结果与讨论

天津近岸临港工业区临近水域2 个船舶站位实测的垂向平均潮流和计算结果的比较情况如图2所示。从图2可以看出，浮游植物、浮游动物、营养盐及碎屑的典型NPZD 模型的模拟结果和资料还是比较吻合的。

图2 渤海湾临港工业区临近水域站点潮流的计算和观测值的比较

采用浮游植物、浮游动物、营养盐及碎屑的典型NPZD 模型，对渤海湾典型营养盐进行模拟分析，结果如图3所示。

图3 营养盐浓度随时间变化趋势

由于冬季生物生长受到温度的限制，硝酸盐和磷酸盐在外界输入的影响下，呈现逐渐升高的趋势。到了春季和夏季，浮游生物在较高的温度下开始生长，这时候，硝酸盐和磷酸盐的浓度由于生物生长吸收的作用而降低。到了秋季，随着水温的逐渐降低，浮游生物的生长受到温度的限制，营养盐浓度有所增加。该NPZD 模型的模拟结果基本上反映了渤海湾近海域营养盐的季节变化趋势［13-15］。

在该生态模型的基础上，耦合经过潮流场验证的三维水动力学模型，采用海洋环境中生物物理耦合模型的标准自净容量法，在国家I～Ⅳ类海水水质标准条件下，计算得到渤海湾DIN(N +A)基准海洋环境容量大约为7.4 × 104、9.5 ×104、12.5 ×104、15.8 ×104t/a。

自20世纪50年代以来，特别是70年代末以来，海河径流量从80年代到90年代呈下降趋势，2000年后逐级回升。20世纪50年代的平均入海径流量为144 亿m3，到60年代降至82 亿m3，70年代为45 亿m3，80年代的平均水量仅为9.85亿m3，90年代平均入海径流量为24 亿m3。结合渤海湾海河流域DIN 排海通量的变化趋势［16-17］，可以得到渤海湾DIN 的基准剩余海洋环境容量变化趋势如图4所示。

图4 在国家I类海水水质标准下渤海湾海水DIN 基准剩余海洋环境容量历史变化趋势

目前，渤海湾海河流域DIN 的排海通量与实际蓄存量大约为9 万t/a，基于渤海湾DIN 极小海洋环境容量的计算结果，可以得到渤海湾DIN 的极小剩余海洋环境容量。在国家I类海水水质标准下，渤海湾DIN 的极小剩余海洋环境容量大约为-3 万t/a;在Ⅱ类水质标准下，渤海湾DIN 的极小剩余海洋环境容量大约为-1 万t/a。结合实际的水质管理目标(海水功能区)，应该严格控制DIN 的入海总量。渤海湾入海污染物中，非点源污染排放约占总量的一半。点源污染中，上游携带入境的约占总量的1/4，滨海新区工业排放和生活源排放的各约占排放总量的1/8。因此，对于超标的DIN，需要重点控制非点源的排放，同时应加强上游携带入境污染物的处理［18］，从总量上控制DIN 入海污染通量，改善渤海湾水质。

4 结论

基于渤海湾近岸海域的实际调查结果，通过对天津渤海湾海洋典型污染物溶解无机氮的基准环境容量及入海总量的计算表明:在国家I～Ⅳ类海水水质标准条件下，渤海湾DIN 基准海洋环境容量大约为7.4 ×104、9.5 ×104、12.5 ×104、15.8 ×104t/a;在国家I类海水水质标准下，渤海湾DIN 的极小剩余海洋环境容量大约为-3 万t/a;在Ⅱ类水质标准下，渤海湾DIN 的极小剩余海洋环境容量大约为-1万t/a。渤海湾DIN 的极小剩余海洋环境容量在I类和Ⅱ类水质标准下均为负值，说明渤海湾的DIN 已经超标。为改善渤海湾水质，需要重点控制非点源的排放及上游携带入境污染物的处理，从总量上控制DIN 入海污染通量。

［1］李淑文.环渤海污染问题的原因和对策［J］.经济研究导刊，2007，(3):159-161.

［2］唐启升，孟田湘.渤海生态环境和生物资源分布图集［M］.青岛:青岛出版社，1997:242.

［3］沈艳玲，张洪，马兴，等.渤海湾无机氮、活性磷酸盐的变化对海洋初级生产力(叶绿素)的影响［J］.中国环境监测，2004，20(1):52-54.

［4］马新东，穆景利，林忠胜，等.典型陆源入海排污对邻近海域富营养化及生物毒性的影响［J］.中国环境监测，2014，30(1):25-30.

［5］王修林，李克强.渤海主要化学污染物海洋环境容量［M］.北京:科学出版社，2006:318.

［6］葛明.胶州湾氮-磷营养盐循环收支动力学模型及其应用［D］.青岛:中国海洋大学，2003(6):4-16.

［7］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.

［8］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.

［9］J∅rgensen S E.Integration of Ecosystem Theories:A Pattern，the third edition［M］.Dordrech:Kluwer Academic Publishers，2002.

［10］陈长胜.海洋生态系统动力学与模型［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［11］Franks P J S.NPZ model of plankton dynamics:their construction，coupling to physics and application［J］.J Oceanogr，2002，58:379-387.

［12］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.

［13］吴光红，李万庆，郑洪起.渤海天津近岸海域水污染特征分析［J］.海洋学报，2007，29(2):143-149.

［14］秦延文，孟伟，郑丙辉，等.渤海湾水环境氮、磷营养盐分布特点［J］.海洋学报，2005，27(2):172-175.

［15］赵亮，魏皓.渤海氮磷营养盐的循环和收支［J］.环境科学，2002，23(1):79-81.

［16］郑丙辉，秦延文，孟伟，等.1985 ～2003年渤海湾水质氮磷生源要素的历史演变趋势分析［J］.环境科学，2007，28(3):494-499.

［17］唐启升，苏纪兰.中国海洋生态系统动力学研究-Ⅱ渤海生态系统动力学过程［M］.北京:科学出版社，2002.

［18］招康赛，易雯，钟小兰.关于近岸海域环境监测与管理问题的探讨［J］.中国环境监测，2006，22(4):6-9.