盘锦近岸海域无机氮污染因子削减与预测

2021-04-24李立君

环境保护与循环经济 2021年2期

李立君

（盘锦市绿色发展服务中心，辽宁盘锦 124010）

1 引言

海洋环境容量是为维持某一海域的特定生态环境功能所要求的海水质量标准，在一定时间内所允许的环境污染物最大入海量，它与海水的自净能力有关，是自净能力综合表现的定量描述。海洋环境容量大小取决于两方面因素［1］：一是目标海域水体自身状况，如海洋环境位置、潮流等自然条件，不同的条件差异导致不同的自净能力；二是该目标海域功能区的划定，不同的海洋功能区应有不同的标准。辽东湾属于一面临海、三面环陆的典型半封闭海湾［2］，随着经济发展，辽东湾近岸海域水质状况发生变化［3］，富营养化状态指数的时空分布特征呈现渤海湾顶部高外侧低、东南高西北低的特点［4］，辽东湾近岸海域劣Ⅳ类海水无论各季节还是全年主要分布在盘锦养殖等海域［5］。

盘锦近岸海域位于辽东湾顶部，区域内有大辽河、辽河和大凌河三大河流的入海口，这里分布有盖州滩、大辽河东滩、辽河河口的岛滩等10 多个浅滩，近海海域水道交错。盘锦近岸海域处于Ⅱ类和Ⅳ类功能区范围，进一步增加了研究其环境容量的复杂性。盘锦海域主要污染因子为无机氮，以往该海域无机氮削减研究工作开展不多，因此，加强这方面的研究具有重要的实际意义。

2 污染物输入响应数学模型建立

通过分析潮汐与潮流特征、海域水质现状、河口和污染物排放负荷及海洋功能区划等基础数据并进行汇总，以便形成模型基础边界条件，完成模拟计算。

2.1 海洋功能区划

盘锦近岸海域处于Ⅱ类和Ⅳ类功能区范围，对应执行《海水水质标准》（GB 3097—1997）中的Ⅱ类和Ⅳ类海水水质标准，之外海域属于Ⅱ类功能区，同样执行Ⅱ类海水水质标准。

2.2 潮汐与潮流特征

辽东湾海域的海流以潮流为主，潮波运动系由渤海海峡传入的北黄海潮波系统所控制，潮波沿辽东湾东岸经湾顶反时针方向传播，以半日潮波（M2，S2）和日潮波（K1，O1）为主。半日潮波在辽东湾形成旋转潮波系统，在辽东湾西岸（秦皇岛外海）形成无潮点。海区潮流运动形式基本上为往复流型。半日潮流和日潮流的潮流椭圆长轴方向均与辽东湾纵轴走向一致，大体为东北-西南向。海区内实测最大涨潮流为124 cm/s，位于盖州滩的南侧。河口附近受径流和河口地形的影响，流向分布有一定差异。

2.3 海域水质现状

对表层海水和底层海水的水质环境和生物生态现状进行调查分析，调查结果见表1。

表1 海洋功能区海水水质情况

监测结果显示，盘锦近岸海域无机氮超标严重，主要原因是由于盘锦118 km 海岸线上中间是辽河河口，两侧是界河大辽河河口和大凌河河口，三大河口带着全流域的污染物从盘锦入海，对盘锦的海域水质环境影响较大。

2.4 河口和污染物排放负荷

盘锦海域有3 个主要入海河口：大辽河河口、辽河河口和大凌河河口。根据各河口附近断面的水质监测资料，主要污染物的入海负荷量估算值见表2。

2.5 二维潮流数值模型建立

海流是海水自净过程中最主要的环境动力因素，盘锦海域位于辽东湾东北部，潮流在各种流动成分中占支配地位，潮汐属不正规半日混合潮，潮流属正规半日潮流，且该海域底形相对简单，海水密度分层不太显著。对于此类海域一般采用二维浅水环流模型进行流场模拟，以期用数值再现盘锦海域潮汐潮流的运动过程，为分析本海域的环境自净能力和海洋环境容量计算提供动力学条件。

2.5.1 控制方程和定解条件

深度平均二维浅水潮波方程：

方程（1）～（3）的边界条件是：在海岸边界上，取垂直海岸的流速为零，在水-水边界上，采用水位控制，即水-水边界上的水位描述为已知的时间函数。初始条件为：

网格节点的定义如图1 所示，其中，“+”代表水位点，“｜”代表流速v 分量，“-”代表流速u 分量，“○”代表水深点，一组相邻的水位点、流速和水深点使用相同的网格坐标（i，j）。在对方程（1）～（3）的有限差分离散运算中选用隐式方向交替差分格式。在平流项的处理中，采用迎风格式。首先显式计算流速u 分量，然后沿y 方向对水位η 和流速的v 分量作隐式运算。由于计算格式是半隐式的，计算稳定性好，可适当加大时间步长。

2.5.2 边界处理

盘锦近岸浅海区分布大面积的潮滩，涨潮时淹没，落潮时干出。为了提高流场的计算精度，对潮滩区进行边界处理，依据陆-水边界线随潮水涨落而进退的实际背景，建立边界位置与瞬时水深D＝η＋h 的相关关系。当D≤0 时，潮滩干出，反之，潮滩被淹没。

2.6 潮流场基本特征

利用历史海流实测资料对模型进行验证，按照确定的边界条件，输入计算条件，选择3 个站位，将海流观测值和同站位同时段的实时模拟值绘制在同一张图上，以便直观地显示模拟结果与实际情况的符合程度，考查模型计算结果的重现性，结果如图2所示。由图2 可见，模拟结果与实测值基本吻合，说明本次模拟达到了预期的效果。

盘锦近岸海域位于辽东湾顶部，该区潮流主要受辽东湾潮波系统控制，受地形的约束形成复杂的分布。模拟结果表明，整个海区潮流形式基本为往复流。开阔海区，潮流流速较大，大潮期间在80～120 cm/s的范围，小潮期间在60～100 cm/s 的范围。岸边区域流向多变，流速较小。岸边浅滩区域在低潮位时段出现大面积的干滩。大辽河河口西侧的海滩为中等流速区，潮流主流向为NE-SW 向，涨潮向NE，落潮向SW。大潮期流速一般在50 cm/s 左右，稀释扩散能力较强。

3 海水水质无机氮削减预测

盘锦近岸海域水质较差，主要超标原因是三大河流携带大量无机氮污染物入海。因此，从各河口削减无机氮排放量以改善近岸海域海水水质是合理可行的。

利用模型对无机氮拟制定的不同减排效果进行了预测分析。将减排后的无机氮污染物作为排放源强输入模型中进行计算，得到减排后的浓度场，对浓度场变化情况进行分析。为确保对比清晰，模拟计算以零浓度作为初始值，模拟时长为12 个月。依据模型混合区边缘线上的无机氮浓度超标量和响应系数，计算出各个河口的削减排放量，见表3。

表3 各河口无机氮排放削减量计算结果

减排前后无机氮各类超标区面积比较见表4。

表4 减排前后无机氮各类超标区面积比较

由表3～4 可知，在大辽河、辽河和大凌河河口无机氮的排放削减量分别为1 578.345，1 719.128，104.243 t/a 的情形下，经模型预测盘锦海域的氨氮浓度将大幅度降低，减排后海域水质明显改善，无机氮超标区的面积大幅度缩小，无机氮浓度≥0.5 mg/L的区域仅集中在3 条河流入海口的有限区域范围，近岸海域的Ⅳ类环境功能区边界无机氮浓度介于0.2～0.3 mg/L 之间，已达到了Ⅱ类区的水质要求，无机氮污染因子浓度分布基本满足环境功能区划要求。