基于GIS的近海剩余环境容量计算模型

2015-12-02柯丽娜王权明徐丽雯杨山力

海洋科学 2015年7期

柯丽娜, 王权明, 徐丽雯, 姜昕, 杨山力

(1. 辽宁省自然地理与空间信息科学重点实验室, 辽宁大连 116029; 2. 国家海洋环境监测中心, 辽宁大连116023; 大连理工大学, 辽宁大连 116024 )

为改善水和大气环境的质量, 日本学者吉川博将环境容量的概念引入到环境保护领域, 并定义为“环境容量是由自然还原能力、人工处理设施和人们对环境的意见等所规定的整个生物圈内所容许的活动容量”[1]。1986年联合国海洋污染专家小组将水环境容量定义为: 水环境容量是指在不影响水的正常用途的情况下, 水体所能容纳的污染物的量或自身调节净化并保持生态平衡的能力[2]。目前海域水环境容量的计算多是在对污染物输移、扩散和转化规律研究的基础上, 建立多维水质方程、水动力学方程, 确定研究区平衡浓度场, 从而与监测区水质目标进行比较, 最终确定研究区水环境容量[3-6]。李适宇等[7]提出基于二维扩散的分区达标控制法, 并将分区达标控制法用于求解海域环境容量。鲍琨等[8]综合考虑水文、水体污染来源等因素, 建立了控制断面水质与污染源的响应关系, 进而进行控制单元水环境容量的计算。谢蓉蓉等[9]以江苏省沿海区域作为研究对象, 根据人海排污口排污方式的不同建立了两种水环境容量计算方法——沿岸排污区域水环境容量计算方法和离岸区域水环境容量计算方法。蔡惠文等[10]提出考虑风向风速联合频率订正及污染带控制的水环境容量计算方法、王华等[11]提出了基于非均匀分布系数的水环境容量计算方法。可以看出水环境容量的计算方法繁多, 对水环境科学管理有着重要意义。但是这些研究方法虽然拥有较强的机理性, 能体现出研究区局部的水质变化信息, 由于污染物在实际环境的变化非常复杂[12], 研究区污染物的扩散与衰减机理性的监测实验难以进行, 且在近海开发利用区的环境管理中, 要更关心海域现状条件下的剩余环境容量。因此, 探讨如何能够针对不同的研究目标和区域情况, 结合不同的资料条件,用不同的模型方法建立可行的海洋剩余环境容量的计算方法, 为控制水环境污染决策服务具有重要的现实意义。因此, 本文将以锦州湾海域为研究对象,探讨一种新的水环境容量计算方法, 通过地理信息系统(GIS)地统计分析插值模型对研究区污染物浓度和水深数据进行离散插值, 从而与控制水质目标比较, 估算锦州湾海域的剩余环境容量, 以期为资料匮乏条件下水环境容量的估算提供一种参考。

1 基于GIS的水环境容量计算模型

GIS在水文水资源、气象领域等多个领域有着非常广泛的应用, 尤其适合于将点源数据插值成连续空间表面数据, GIS表现出无可比拟的优势, 例如数字高程模型插值分析、降雨信息插值、气温空间分布插值、气象要素信息插值等, 这些插值分析方法为水环境容量的计算提供了一种新的解决方案: 把水环境容量计算模型中的污染物浓度和水深作为空间插值模型中的要素等指标进行插值模拟计算, 通过插值模型和参数优化模型建立基于 GIS的水环境容量计算模型。

1.1 基于ArcGIS空间插值

地统计学是以区域化变量理论为基础, 借助变异函数, 研究既具有随机性又具有空间相关性的自然现象的一门学科[13]。ArcGIS地统计分析模块是一个完整的地理信息系统地统计分析的工具包, 通过工具条提供地统计分析向导, 建立在大量随机样本的基础上, 分析样本间规律, 进行相关预测, 帮助用户实现合理的表面插值[14]。ArcGIS地统计分析模块提供了两类插值方法: 确定性内插法和克里格插值法。

克里格插值(Kriging)又称空间局部插值法, 广泛地应用于地下水模拟、土壤制图等领域, 是一种很有用的地质统计格网化方法。它通过协方差函数和变异函数确定空间变量随距离变化的规律, 以距离为自变量的变异函数, 计算相邻变量间的关系权值,从而在有限区域内对变量进行无偏最优估计。它是一种光滑的内插方法, 在数据点较多, 且区域化变量存在空间相关性时, 其内插的结果可信度较高。

克里格方法用公式可表示为:

克里格插值的主要步骤如图1所示。

图1 克里格插值主要步骤Fig.1 The main steps of Kriging

1.2 基于 GIS的水环境容量计算

海洋环境容量实际上是研究目标海域在规定环境目标下容纳的污染物的最大负荷问题, 受到水体环境要素特征、生物化学衰减机理、污染物稀释方式、污染物扩散等多个因素影响[15-16]。本文将该问题简化研究, 将水质模拟问题转化为数学统计问题,充分利用水体水质、沉积物监测数据, 利用克里格插值法对污染物浓度和水深数据进行插值, 将研究区域离散为一个个的均匀栅格单元, 同时栅格单元内污染物均匀分布, 那么该栅格单元的剩余环境容量计算就可以概化为单个栅格内的剩余水体环境容量及沉积物环境容量, 再根据质量守恒原理及文献[14,17-18]的研究结果, 该栅格单元的剩余水环境容量计算公式应为:

式中: w为栅格单元的剩余环境容量, mg; βs为污染物的控制浓度目标, mg/L; βi为污染物的插值模拟值浓度, mg/L; α为不均匀系数; A为栅格单元面积,cm2; h为栅格单元水深, cm; k1为单位重量沉积物释放/吸附量, mg/g, h1为沉积物释放有效深度, cm; di为当前沉积物的污染物浓度, mg/g; ρ为沉积物密度,g/cm3。

该公式没有考虑单元格之间的水量与物质交换,忽略了污染物的迁移扩散及水体的自净能力, 因此,仅在一些水动力条件及水体交换能力较差的滞缓区,在资料匮乏条件下, 该公式可以作为剩余环境容量的一种初步计算方法。因滞缓区与外水体交换较弱,其不均匀系数参考文献[17]的湖泊水域纳污能力,具体参数取值见表1。

表1 不同水域面积及不均匀系数取值Tab.1 The receiving pollution capacity and uneven coefficient of different areas

在计算出每一个单元格的剩余环境容量后, 确定水环境容量最容易超标的区域, 以最易超标区域的环境容量为区域水环境控制标准, 最终计算出研究海域剩余环境容量。

2 实例应用

2.1 研究区域概况

2.1.1 总体概况

锦州湾位于葫芦岛市和锦州市之间, 三面被陆地包围, 湾口开敞, 朝向东南, 常年平均气温9.4 ℃,多年平均降雨量637.6 mm, 常风向为NNW, 次风向为 SW, 葫芦岛和锦州市是国家重要的工业基地, 拥有锦西炼油厂、葫芦岛锌厂、锦西化工总厂等, 2009年葫芦岛市工业企业总产值684.5亿元[18]。作为葫芦岛市和锦州市社会经济发展重要支撑的锦州湾海域,同时承担着容纳两市排放污水的重任, 有必要研究锦州湾的环境容量问题。

2.1.2 水质概况

锦州湾监测点位分布如图 2所示, 共布设了 20个监测点, 监控海域面积160 km2, 水质监测指标为化学需氧量、叶绿素、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、活性磷酸盐、pH、盐度、溶解氧、石油类、汞、镉、铅、铬、砷、锌铜, 沉积物监测指标为石油类、有机碳、硫化物、汞、镉、铅、砷、铜、锌、多氯联苯、六六六、滴滴涕, 监测频率为每年的5月、8月、10月。经过对锦州湾海域水质进行综合分析, 发现无机氮、化学需氧量、活性磷酸盐、铅、镉、锌等几个指标对海湾水质影响较大[19-21], 本文对这些指标的剩余环境容量进行计算, 为水环境的治理与管理提供依据。

图2 锦州湾监测及研究区域图Fig.2 The monitoring area and research region graph of Jinzhou Bay

2.2 无机氮等指标剩余环境容量计算

无机氮是近岸海域主要的污染物之一, 赤潮、富营养化事件都和无机氮有密切的关系, 一般 8月份是最容易发生富营养化的季节[19-21], 分析监测水质资料也说明 8月份的水质状况较差, 因此在本次水环境容量计算中, 以2009年8月为基准计算该区域的水环境容量。

由于研究海域160 km2, 参照表1取不均匀系数为 0.380, 无机氮、活性磷酸盐、化学需氧量、石油类等指标不考虑沉积物的吸附或者释放, 取 k1为0, 以方便管理人员从不同的需求进行环境管理与控制。

利用2.1节所述步骤对水深以及无机氮、活性磷酸盐、化学需氧量、石油类等污染物浓度进行插值,输出水深和无机氮插值结果如图3所示。

图3 水深与无机氮插值结果Fig.3 The interpolation results of water depth (left) and inorganic nitrogen (right)

利用 GIS栅格计算模块, 将不均匀系数, 单元格面积, 水深栅格数据, 污染物浓度插值数据代入公式(2), 计算得到无机氮、活性磷酸盐、化学需氧量、石油类等剩余环境容量见表2。

2.3 重金属剩余环境容量计算

由于锦州湾海域靠近葫芦岛锌厂及来自五里河入海口陆源排污, 沉积物中重金属污染较为严重,其中尤其Cu、Zn、As、Cd元素重金属含量较高, 超过 50%的站位超出一类沉积物质量标准, 重金属大部分以非残渣态存在, 易于进入水相或被生物所利用再次释放出来, 造成二次污染[19-24]。

由于进入水体的大部分重金属常常转移至悬浮颗粒物或底层沉积物中, 因此在对重金属环境容量进行计算时考虑沉积物的吸附作用, 即这里剩余环境容量计算既包括海域海水中重金属的剩余环境容量又包括沉积物中重金属的剩余环境容量。

重金属剩余环境容量计算中不均匀系数参照表1, 取不均匀系数为 0.380; 锦州湾属于港口航运区,执行Ⅳ类海水水质标准, 计算对应海水水质标准下重金属的水环境容量; 参考文献[21-25], 不同粒径的沉积物对重金属吸附作用的影响是不同的, 粒径越小, 沉积物对重金属的吸附作用越大, 按粒径从小到大的最大吸附量分别为 28.760、20.121、15.038、12.579 mg/g, 这里取k1为其平均值为19.12 mg/g; 参考文献[21-25]确定沉积物湿密度为1.65 g/cm3, 含水量为70%, 由此确定沉积物干密度ρ为0.5 g/cm3。由于沉积物吸附和释放在表层10 cm内的影响最大[23],因此这里沉积物深度取为10 cm, 由此得到重金属的总环境容量见表2。

表2 基于GIS的水环境容量计算结果(单位: t)Tab.2 The computing result of water environmental capacity by GIS(unit: t)

3 结论

以锦州湾海域为研究对象, 通过 GIS地统计分析插值模型对研究海域污染物浓度和水深进行离散插值, 建立基于地理信息系统的近海剩余环境容量计算方法, 从而达到对海域剩余环境容量的直接估算。锦州湾海域水环境容量计算结果为无机氮281a,活性磷酸盐 31a, 化学需氧量 3971a, 锌 527.8a, 铅46.7a, 镉 10.34a。由于受来自大兴河和连山河的陆源污染影响, 锦州湾海域的溶解无机氮(DIN)浓度呈现北部高, 南部低的特点, 大兴河、连山河一带海域的DIN浓度高于其他区域。受靠近葫芦岛锌厂及来自五里河入海口陆源排污的影响, 锦州湾海域沉积物中重金属污染较为严重, 尤其 Cu、Zn、As、Cd等元素含量较高。

基于 GIS的水环境容量计算方法不依赖于水动力扩散和污染衰减条件, 将整个研究区域看作均匀混合的水体, 较其他水环境容量计算方法计算过程比较简单。虽然忽略了各点之间污染物的对流扩散,没有考虑排污口的影响, 计算得到的是瞬时的剩余环境容量, 但该环境容量计算方法对水环境管理仍有一定的参考价值, 可以作为海域水环境容量的初步调查分析, 或是资料匮乏条件下作为一种先行的计算方法。本研究中由于锦州湾剩余环境容量计算采用不均匀系数参考湖泊环境容量计算方法, 所以得到的锦州湾的海洋环境容量的结果不够精准, 有待进一步完善。

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