港口区建设对近岸海域环境容量的影响

郝文彬

摘 要：近岸海域环境容量是人类社会经济活动重要的资源，港口区的建设影响周边海域的水动力场条件，同时影响其环境容量。文章以广东省潮州市柘林湾及其周边海域为研究对象，建立了平面二维动态水动力水质数学模型，结合污染源分布，建立污染源-近岸海域水质的响应关系，并计算环境容量，再结合潮州新区规划各港口区的建设，计算港口区建设后的近岸海域环境容量，两者进行对比分析。分析结果表明：港口区的建设改变了海岸线形状，削弱海湾水动力强度，港口区附近海域环境容量明显减小，距离较远则影响不大。

关键词：近岸海域；数学模型；环境容量；港口区

中图分类号：X26 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）08-0064-02

海洋资源是人类赖以生存的自然资源的重要组成部分，除为人类提供海洋生物、海底矿产、油气等巨大的实物以外，同时其天然庞大的水体亦为人类提供了环境资源[1]。水环境容量是指水体在规定的环境目标下所能容纳的污染物的最大负荷，其大小与水体特征、水质目标及污染物特性有关[2]。近岸海域环境容量归根结底是一种水环境容量，其大小由所属海域水动力特征、近岸海域功能区划和污染物排放特征等共同决定。

随着经济社会的高速发展，人们对近岸海域的资源利用日益增大，尤其是港口区的建设较为普遍，此类建设往往工程量较大，且涉及到填海造陆，改变了局部近岸海域的天然岸线分布，一定范围内的海水潮汐、波浪等水动力特征将受到影响，进而影响了环境容量。鉴此，本文以潮州市柘林湾海域为例，讨论区域港口建设对近岸海域环境容量的影响。

1 工程概况

为进一步提升潮州市社会经济发展水平，拟开发所辖近岸海域建设港口区。潮州用海规划拟建港口区共3个，分别为三百门港口区、西澳港口区和金狮湾港口区。

2 近岸海域环境容量计算方法

2.1 环境容量计算方法

2.1.1 计算方法

在同一海域的各个排放源位置确定的情况下，在一定的水质目标约束下计算该海域的允许排放总量及其在各排放源之间的分配，就是海域的总量控制。

一般来说环境容量问题可以表述为：在选定的一组水质控制点的污染物浓度不超过其各自对应的环境标准的前提下，使各排污口的污染负荷量之和为最大，即：

目标函数：maxL=■■j=1■j（1）

约束条件：■■j=1aijxj+c■≤■（i=1，2，...，m）xj≥0（j=1，2...，n）

式中，i为水质控制点编号；m为水质控制点数目；j为排污口编号；n为排污口数目；x为负荷量；L为总负荷量，即环境容量；aij为第j个排污口的单位负荷量对第i个水质控制点的污染贡献度系数；cb为水质控制点的污染背景浓度； 为水质控制点处的环境标准值。

式2左边实际上是控制点处的浓度。由于水质扩散模型是线性的，浓度有可迭加性，所以用线性迭加的方法来求某一点的浓度是可行的。由此，求解海域环境容量问题归结到求解由式1～3所表达的线性规划问题。

其中贡献度系数aij（i=1，…，m；j=1，…，n）的求解是以线性规划法求解环境容量的关键，也是工作量最大的部分。根据定义，可假想在一个排污口给1个单位负荷量，即xj=1，而其它排污口无负荷量排出，即xk=0 （k=1，…，n；k≠j ），然后用二维水质模型计算出在这种情况下的浓度分布，确定出m个水质控制点的浓度值，即为aij（i=1，…，m）。改变排污口，重复以上步骤，就可以求出每个排污口的aij。在以上所有计算中，均不考虑背景浓度。

对于一般工作而言，由于实际环境容量的计算仅限于一个排污口（附近污染源对控制点的贡献通过水质模拟计入背景浓度），即j=1，而相应的约束条件为控制排污口稀释混合区边界上的浓度必须满足水质目标，因此可选取排污口在稀释混合区边界上带来最大浓度增值的点作为控制点，即i=1。相应的，贡献度系数aij退化为amax（amax为控制排污口单位负荷量在稀释混合区边上产生的最大浓度值）。因此，上述的容量计算公式可简化为：

目标函数：maxL=x

约束条件：amaxx+c■≤■x≥0

由此可推出排污口容量：x≤■

2.1.2 关键计算参数选取

本文计算因子选取COD；降解系数根据查阅相关研究材料获取，具体为0.08/d。

2.2 近岸海域二维潮流水质数学模型建立

因各港口区水深较浅，盐度、流场、污染物质浓度等特征在铅垂方向差异不大，因此采用二维浅水方程模拟研究范围水动力水质特征，采用垂向平均的二维对流扩散方程描述污染物进入水体后的时空分布特征，以此为基础计算近岸海域环境容量。

2.2.1 潮流场计算模式

使用平面二维浅水方程作为潮流场计算模式，表达形式如下：

■+■[（h+z）u]+■[（h+z）v）=0

■+u■+v■-fv+g■+g■-■=εx（■+■）

■+u■+v■-fu+g■+g■-■=εy（■+■）

式中，u，v为垂线平均x、y方向的流速；z为基准面以上的潮位；h为水深（基准面以下）；g为重力加速度；τsx、τsy为风应力分量；εx、εy为水平紊动粘性系数；ρ为水密度；Cz为海底阻力系数（谢才系数）；其中，n为海底Manning系数。

2.2.2 水质计算模式

采用二维对流扩散模式评估近岸海域污染物浓度的时空变化，控制方程如下：

■+ ■+■=h[■（E■■）+■（E■■）]■+S

式中，为水深平均的污染物的浓度，mg/L；为沿x、y方向的流速分量，m/s；为x、y方向的扩散系数，m2/s；S为源（汇）项，g/m2/s。

2.2.3 计算范围及网格划分

建立的潮流水质模型计算域划定范围为： 南起23 °26′ 36 ″N，北至23 °39 ′03 ″N；西起116 °51 ′59 ″E，东至117 °10 ′11 ″E所围成的海域，主要包括柘林湾海域。

模型采用三角形无结构网格对研究水域进行划分，并针对填海三大港口区进行局部加密，港口区周边海域采用100 m*100 m进行划分，其余海域使用500 m*500 m进行划分，网格节点数 7 486个，网格单元数14 151个。

2.2.4 关键计算参数选取

二维潮流水质数学模型计算参数主要包含边界条件、水下地形等，选取如下：

对于与海域连接的陆地，取为不可入边界，法向速度设置为0；对于模型外海水文开边界，计算水域共2个开边界，分别为东边界和南边界。本次模型计算时间选取2009年8月16日00：00：00～2009年8月30日23：50：00共15 d作为计算水文条件模拟本项目区域近岸海域的水动力情况，并以此为基础加载污染物进行水环境影响预测评价。开边界以动边界上各点的同时段潮位过程的组合序列为水文输入条件，大洋潮汐同化模式TPXO来获取边界潮位过程。

对于水下地形条件，依据海图（图号80105）、2009年新测柘林湾水下地形图、公用航道水下地形图等，并在模型中应用插值的方法将地形数据赋值到各计算节点上。

对于计算时间步长、糙率柯氏系数等参数，通过借鉴现有成果及模型调试计算进行选取。

3 工程前后环境容量变化分析

3.1 工程建设前后环境容量对比分析

各计算点的COD环境容量计算成果，见表1。

由表1可得出以下结论：①相比港口工程建设之前，工程建设后4个计算点的环境容量均有所下降；②对比各计算点环境容量下降幅度可知，三百门海域下降最多，相比工程前下降了25.7%，而没有港口工程建设的海山岛海域，环境容量则没有明显变化，仅下降了3.54%。

3.2 工程建设对近岸海域环境容量的影响

由表1的对比结果分析，可知港口工程的建设会减弱近岸海域接纳污染物的能力，即降低环境容量，尤其是港口工程建设地点的附近；而在距离较远的海域，环境容量受影响很小。这是因为港口的开发建设，占用了海面，对附近海域的潮流动力形成了遮挡作用，流速变缓，污染物扩散和迁移等作用减弱，进而环境容量较大的削弱；而在远离港口工程区的海域，工程建设对该海域的潮流动力特征影响有限，因此该处环境容量受影响很小。

4 结 语

①近岸海域港口工程的建设，减弱了周边海域潮流动力条件，污染物扩散和迁移等作用减弱，环境容量变小；

②越靠近工程建设地点的海域，潮流动力减弱的效应越强，环境容量降幅越大；而远离工程建设地点的海域，由于工程建设对该海域的潮流动力特征影响有限，因此该处环境容量受影响很小。

参考文献：

[1] 陈伟琪，张珞平.近岸海域环境容量的价值及其价值量评估初探[J].厦 门大学学报（自然科学版），1999，（6）.

[2] 逄勇，陆桂华.水环境容量计算理论及应用[M].北京：科学出版社，2010.