绿色港口建设中港区水污染研究综述

2021-10-18贺林林贾瑞焦钰祺梁越

人民长江 2021年9期

贺林林贾瑞焦钰祺梁越

摘要：水路运输由于运载能力大、运输成本低、能耗少，成为世界上很多国家最重要的运输方式之一。港口作为水陆交接的枢纽，由于频繁的贸易往来使得船舶和陆域排放出大量的生活污水和油污水，以及施工期产生的悬浮污染物等，导致港区水域的水污染问题日益突出。为了贯彻实施港口可持续发展战略及绿色港口发展理念，开展港区水污染问题的研究和防治势在必行。首先归纳了港口施工期、运营期主要水污染物来源及危害;然后阐述了这些水污染物排放的时空分布特征;最后在对已有文献归纳分析的基础上，总结了港区水污染的防治措施，建议引入生态工程来处理港区污水，并对比了国内外港口在制定水污染防治计划方面的差距，指出了现有港区水污染研究及防治存在的缺陷与不足。

关键词：绿色港口;水污染;時空分布特征;防治措施

中图法分类号：X824

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0038-08

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.007

0 引言

水路运输由于运载能力大、运输成本低、能耗少，成为世界上很多国家最重要的运输方式之一，承担着石油、煤炭、矿石、机械等大宗重件物资中长距离运输的任务。重庆交通年鉴统计数据显示，自2010年以来重庆市四大运输方式中，水路运输货物周转量在全部货物中的占比均高于60%。而港口作为水陆交接的集结点和枢纽处，也因为频繁的贸易往来而使得船舶和陆域排放出大量的生活污水和油污水，以及施工期产生的悬浮污染物等，导致港区水域的水污染问题日益突出[1]。统计数据显示：① 货船是船舶油污水的主要排放源，但客船和非运输船油污水排放量仍不可忽略;② 船舶生活污水中悬浮物和有机物是主要的污染物，会降低水体透明度，影响水生生物的呼吸和代谢作用[2]。本文分别对张家港和重庆港船舶产生的水污染物进行统计分析得，张家港船舶压载水年均产生量为1.20万t，船舶油污水年均产生量为1.29万t，船舶生活污水年均产生量为0.26万t[3];重庆港2014～2018年船舶污染物产生量如图1所示[4]，对比2014年重庆港船舶垃圾接收量6 731 t和船舶油污水接收量3 273 t现状[5]以及2016年重庆港船舶垃圾接收量6 731 t和船舶油污水接收量3 115吨现状[6]发现，港区产生的船舶水污染物较多，但其中大部分未能通过正规渠道接收处理。同时，由图1可知船舶生活污水产生量较大，而统计数据显示，目前三峡库区各港口码头均未建设生活污水接受处理设施，且各社会接收船不接收协议外船舶的生活污水，导致船舶生活污水极有可能直接排入水体，严重危害港区水环境安全。因此，为了贯彻实施港口可持续发展战略，国际港口界提出了绿色港口的发展理念，即在保护环境和发展经济之间保持均衡的可持续发展理念。目前，在绿色港口建设方面，欧美和日本等发达国家由于起步较早，已取得了显著成效，例如，美国长滩港实施了“码头暴风雨水污染预防计划”、日本港口制定实施了《预防海洋船舶油污染法》、澳大利亚悉尼港实施了“绿色港口指南”（Green Port Guidelines）[7]等。而中国绿色港口建设尚处在起步阶段，相关研究成果较少，有必要对中国港区水污染问题的研究现状与防治措施进行归纳分析，为港区水污染的监测模拟以及制定港区水污染防治政策提供理论和技术支撑。

本文首先归纳了港口施工期和运营期主要的水污染物的来源及危害。然后，阐述了这些水污染物排放的时空分布特征。最后，在对已有文献归纳分析的基础上，总结了港区水污染的防治措施，建议引入生态工程来处理港区污水的方法，并对比了国内外港口在制定水污染防治计划方面的差距，指出现有港区水污染研究与防治存在缺乏完整系统的水污染排放清单、水污染物排放特征的研究不够全面、防治措施仍多停留在理论阶段、污染物处理工艺较单一等问题。

1 港区主要水污染物来源及危害

在对港区水污染防治之前，首先要明确港区水污染的主要污染物及其来源与危害。

1.1 港区主要水污染物的来源

当前港区污染源解析的研究方法有：排放清单法、流域模型法和统计学方法。其中，最常用的方法是多元统计学方法和排放清单法，多元统计法是采用自下而上的方法来确定主要污染物进而寻求污染源，而排放清单法主要采用自上而下的研究方法核算各个污染源的排放量，计算相对简单。白景峰等[8]基于排放清单法总结了施工期、运营期港口水域的污染源，在此基础上，本文归纳出各类污染源对应的主要污染物，具体情况如表1所列。

需要指出的是，港口施工期产生的水污染物通常容易被忽略。而除施工机械所产生的油污水以及施工人员产生的生活污水外，施工过程中港池疏浚挖泥、码头桩基施工等过程均需要在水体中进行，使得河床受到扰动，水体受到污染，导致施工范围内的局部水域水体透明度下降，从而对港区生态环境产生影响[9-11]。据统计，疏浚工程量为80 000 m3时，施工挖泥、抛泥产生的悬浮污染物分别达6 500 t和3 500 t[12]。王云龙等[13]、徐兆礼等[14]研究了疏浚悬沙对浮游动、植物的影响，发现悬浮污染物会对浮游植物的生长以及部分浮游动物的发育和变态造成影响。Newcombe[15]以及东海水产研究所[16]对鱼、虾、蟹进行的相关研究表明，悬浮物浓度增量对其生态环境的影响相当严重。当疏浚施工期为140 d时，即使在半回避产卵期也会造成1 000多万的渔业资源损失。由此可见，港口施工过程中的水污染问题必须引起重视。

此外，在港口运营期间，由船舶和陆域辅助设施产生的水污染方面的研究成果较多[17-24]。而散货码头陆域堆场产生的雨水径流问题较少受到学者们的关注[25-26]。堆场雨水径流产生的污水与降雨量、降雨频次及散货周转量等因素有关。据统计，2017年内河港口煤炭及金属矿石的吞吐量为2 800多万t[4]，而对于像重庆港等长江沿岸雨水较为充沛的港口，不可避免地会产生大量的煤雨水和矿石雨水，若港区储水设施发生溢流，将会导致这些污水直接排入港区水域，造成极其严重的影响。以重庆1961～1970年的降雨数据为例[27]，若港口设定收集和处理60 mm日降雨量，则有19次溢流，未经处理发生的总降雨量约219.7 mm，约占总降雨量的6.3%，即有6.3%的煤雨水、矿石雨水未经处理直接进入港区水域。而随着三峡大坝的修建，重庆地区降雨量逐年增加，因而未经处理排放到港区水域的煤雨水、矿石雨水量仍在逐年增加，必须引起重视。

1.2 港区主要水污染物的危害

港区水环境污染物种类繁多，各类污染物对水生生物及港区生态环境的影响各不相同，因此有必要明确港区施工期和运营期产生的水污染物的危害，为制定相应的防治措施提供依据。

尽管施工期港区水污染物对水生生物的影响具有暂时性，但如果施工持续时间过长仍会造成无法挽回的损失。国内外学者开展了港区施工期对水生生物影响的相关研究，本文将其归纳总结如表2所列。由表2可知，港区施工期对水生生物的影响主要表现在以下3个方面：① 影响水生动物幼体的成活率和胚胎发育率;② 导致水生动物成体的死亡率升高;③ 堵塞水生动物食物过滤系统和消化器官，降低摄食速率和觅食行为。此外，现有研究成果表明，沿海港口的施工期水污染对水生生物影响的研究已经有了一定进展，而相比之下，内河港口的研究较少。实际上，内河港口施工期水污染物的不合理排放与控制将直接威胁沿岸人民群众的饮用水安全和水产品食用安全，因此应当引起重视。

运营期港区水污染物不慎流入水体会对水域水质造成极其严峻的危害，汪亭玉等[42]认为其危害主要体现在以下3个方面：① 污水中所含的有机物在分解时，会消耗水中大量的溶解氧，使大多数水生生物因缺氧而窒息死亡;② 污水中的无机营养盐类，是造成水域富营养化的主要因素，尤其是N、P含量过多时，会使有毒、有害的藻类大量繁殖，造成水生态系统的严重破坏;③ 污水中存在大量的致病微生物，是潜在的传染病源。而通过对已有文献的研究分析，本文认为除上述危害外，还应该考虑：① 船舶洗舱水意外排放对水体中各种生物的危害，据统计，2016年长江干线产生了约600万～800万t有毒有害的船舶洗舱水[43]，会造成严重的水污染。② 粉塵和大气污染物经降雨溶解后流入水体对水生生物以及人类造成的危害，安林昌等[44]借助2014～2016年气象局和环境保护部公布的6种大气污染物浓度数据，对降雨前后的大气污染物浓度进行分析得出，在京津冀、长三角和珠三角区域，降雨后其浓度降低约43%～60%。可见，粉尘和大气污染物的降雨溶解是不容忽视的。

2 港区水污染物排放特征

港区水污染物种类多，在地理、气候等环境因素以及人类活动的影响下呈现出时空分异特征，而明确港区水污染物的时空排放特征是评价港区水质和改善港区水质的前提。

2.1 时间分布特征

港区根据降雨量的多少及水位高低可分为丰水期、平水期和枯水期，不同时期各污染物排放量和排放浓度不同。本文通过对文献分析总结[45-48]，得出寸滩港2016，2018年和2019年主要超标指标CODMn和NH3-N的月值变化情况（研究数据来源于国家地表水环境质量监测网监测数据[48]）如图2所示。

由图2可见：CODMn浓度月值变化规律性较为明显，表现为7～9月浓度较高，12月至次年3月浓度较低。其原因主要在于测定CODMn浓度时采用氧化剂，水体中能被氧化的物质均被作为CODMn检出，而5～9月为丰水期降雨量多，大量还原性物质流入港区，因此CODMn浓度较高，12月至次年3月为枯水期，降雨量少，CODMn浓度较低。

寸滩港近3 a内NH3-N浓度月值变化规律有所差异，其规律表现为1～3月浓度较高、7～9月浓度较低。其原因在于丰水期降雨量增加使NH3-N被稀释，因而浓度相对较低;枯水期降水量少使得NH3-N浓度相对较高;4，10，11月为平水期，NH3-N相对浓度位于丰水期浓度以上，枯水期浓度以下。考虑到港船舶对港区污染物浓度的增加作用与降水量对污染物浓度的稀释作用，对各时期到港船舶与降雨量综合影响进行分析，得到2018年重庆丰水期、平水期、枯水期的水运平均货运量及平均降雨量，如表3所列，其中以水运平均货运量的多少来代表船舶到港的频繁程度。本文对其进行无量纲处理，以两者比值γ作为综合影响系数，计算结果如表4所列。可见综合考虑两种影响因素时，NH3-N排放的时间分布规律依然为：枯水期>平水期>丰水期，与上述分析结果一致。且由图2可知，NH3-N等各类水污染物浓度整体上呈下降趋势，表明水质逐年变优。

2.2 空间分布特征

港区水污染物排放的空间特征主要表现为不同等级河流上的港口水污染物排放浓度不同、干流沿程不同的港口水污染物排放浓度不同。对不同等级河流上的港口而言，河流等级越低，港口水污染物浓度越大，超标也相对越多。对长江干流沿程的港口而言，如图3所示，整体上呈现中游港口污染物排放浓度>下游港口污染物排放浓度>上游港口污染物排放浓度。究其原因可能是中下游港口贸易相对上游更频繁一些，使得港区陆域及到港船舶污染物排放量更多，排放浓度也更大。

3 港区水污染防治措施与规划分析

绿色港口建设必须要制定和实行一系列水污染防治措施，本文首先分析港口废水收集处理现状，然后通过对鞠美庭等[7，8，49]研究成果的分析，归纳总结了4类港区污水防治措施，提出采用生态工程来处理港区污水的建议，并对比了国内外港口在制定水污染防治计划方面的差距，可为国内港口水污染研究与防治提供参考和借鉴。

3.1 国内港区水污染防治现状

随着MARPOL73/78防污公约附则Ⅰ《防止油类污染规则》、附则Ⅳ《防止船舶生活污水污染规则》与附则Ⅴ《防止船舶垃圾污染规则》逐渐生效以及《水污染防治法》和《防治船舶污染内河水域环境管理规定》的颁布实施，港区水环境理论上应趋于好转，但目前国内港区水污染防治仍然面临较大的问题。

徐文文等[50]对江苏省港口码头污水收集处理现状进行调研发现，散货码头的污水接收处理设施不完善，无设施的泊位比例和数量较多。而相比之下，危化品码头总体上污水接收处理设施较完善。沿海码头的水污染防治情况较好。同时，沿江码头的污水接收处理情况好于内河港口，内河码头泊位的接收处理情况相对较差，大部分泊位存在设施不完善、无设施的现象。杨科等[51]、李丽平等[52]也得出相似的结论，认为港区的船舶污水接收处理设施建设不足、利用率普遍不高。

此外，由于生活污水回收利用价值低，回收处理费用相对昂贵，许多港口未建设生活污水接收处理设施，而是依靠社会船舶对其进行接收处理，致使除协议单位以外的船舶生活污水排放困难[53]。同时，国内各港口工作船舶运营效益低，加大了配备生活污水处理设备的困难度。

3.2 港区水污染防治措施

（1）含尘雨水与冲洗水。散货码头因降雨及冲洗而产生的污水，可在散货堆场附近挖掘收集污水的沟渠和调节沉淀池，先利用其密度大于水的特性，使重颗粒在沟渠中沉淀，达到初步清除的目的，然后在调节沉淀池中添加絮凝剂，利用其吸附作用，使小颗粒的悬浮物凝聚成大颗粒，并逐渐形成絮团，在重力的作用下迅速沉淀于底部，从而去除水中绝大部分悬浮物[8]。

（2）集装箱冲洗水。集装箱冲洗产生的废水，可在集装箱堆场附近设置沟渠和调节池，先初步沉淀，后加入化学试剂，从而有效去除污染物。装载有毒物品的集装箱应先清扫再洗箱，含有毒有害物质的洗箱污水应由相关单位接收处理。危险品箱堆场应与普通箱堆场分开，堆场周围应设独立排水沟，事故状态下的冲洗水应经排水沟收集处置[8]。

（3）生活污水。生活污水经污水处理厂处理后，部分进行回收利用，剩余部分通过设置合适的排污口，利用水体自身的稀释扩散能力对污水进行净化。为了做到达标后回收利用或排放，一般可在船上安装生活污水处理设施，或在船上用贮水柜把生活污水集存起来，到港后排入港区的污水处理厂或污水接收处理船[7]。

（4）港区油污水。一般性港区油污水防治，一方面可以改善船舶上的防治措施，如安装油水分离器装置等，对油船采用“装置上部法”和“原油洗舱水法”，新船可建造专用压載水舱;另一方面可以提高港口防治能力，在港口设置专用的船舶污水接收处理船，将接收的污水在船上直接进行处理，或者在岸上设置污水处理厂，将船舶油污水接收后送到污水处理厂集中处理[7]。

事故性港区油污水的善后措施有：① 封航后用围油栏围油，毛毡吸油，再人力捞取，以减少油污;② 利用一些化学试剂使油被分解成细小颗粒，加快其分解、扩散与降解;③ 利用微生物的生化分解作用，将复杂的油类有机物分解为简单的物质，从而使有毒的物质转化为无毒物质，使港口水域能够达到自净的目的[49]。

此外，随着生态工程发展日趋成熟，本文认为应该引入生态工程来处理港区污水，充分利用其建设成本低、维护方便、能耗少、污水处理效率高以及可以对污水进行综合利用等优点。如，董克虞等[54]利用生态工程处理石油化工污水，去除率高达72%且创造出巨大的经济效益;邱园园等[55]通过构建凤眼莲三级串联净化塘生态工程对污水进行深度处理，结果显示N、P去除率均高于60%。

3.3 港区水污染防治计划对比分析

国外绿色港口建设起步较早，部分港口已制定了一系列相对成熟的防治措施与规划，且在推行港口环保方面积累了一定的经验，本文将国外主要港口水污染防治规划进行总结归纳如下，以为国内港口相关规划的制定提供参考和借鉴。

（1）美国的奥克兰港制定了《暴风雨水计划》，对施工建设期及运营期的暴风雨水进行防治，以减少径流污染物;而作为美国第二繁忙的港口——长滩港推出“绿色港口政策”，制订了包括维护水质、可持续发展等7个方面近40个项目的环保方案。

（2）日本港口制定了包括净化污染水的水交换设施、防污染缓冲区、环境防污染设施、废水接收设施和废油处理设施等环保设施清单在内的较完备的港区水污染防治规划与措施。

（3）澳大利亚的吉普斯兰港制定实行了《安全与环境管理计划》，针对港区挖泥规定了具体的时间、地点及方式;弗里曼特尔港开展海洋质量综合监测计划，每两周进行一次水质监测，评估与港口环境污染相关的各种潜在因素。

（4）英国港口则每年必须向港务管理局提供详细的环保及应急计划，需要制定具体的防治目标、措施及实施办法，并明确相应的责任和监督措施。

（5）加拿大的温哥华港制定了《雨水污染预防计划》和《港口信息指南》，以处理与雨水有关的污染和船舶排放的各类污染物;而多伦多港制定实施了《海港清理计划》，每年将从港区清除6.8万t以上的污染物。

相比之下，国内港口只有天津港、上海港、大连港、深圳盐田港等部分沿海港口提出了一些建设绿色港口较为具体的规划，如天津港实施“碧水工程”，对港区生活、生产污水以及船舶含油污水进行了有效的治理[56];上海港建立了中心监测站和船舶废物接收处理系统，有效保护了港区水域环境[57];大连港建立了“三纵三横”的事故水应急系统，最大限度阻止事故水入海[58];深圳盐田港开展“海铁联运”及清洁生产作业，减少靠港船舶对环境的影响[59]。但这些计划并不完善且较粗糙，如在规划设计时缺乏绿色环保理念;施工建设期依旧是“先污染后治理”，缺乏完整的施工期对水生生物影响的论证报告;运营期港区监测数据不公开，无法形成完整的环保监督管理制度等，需要进一步的完善和修正。而内河港口的相关计划相对更少，但如1.1节中分析可知，内河港区水污染不容忽视。因此，需要从港口设计施工、港区运营、船舶监控、水质监测等方面着手，针对不同形式的污染及形成原因，建立完整的污染物控制管理计划，形成较完备的绿色港口评估体系。

4 现存问题及建议

综上可知，目前国内外学者针对港区水污染问题已开展了一定的研究工作，主要集中于港区主要水污染来源及危害、污染物排放的时空分布特征、港区水污染防治措施与规划方面。但是，中国针对港区水污染的研究与防治仍然存在一些缺陷与不足。

（1）针对水污染排放清单的建立，李淼泉等[60]开发了流域非点源水污染排放清单估算系统，但针对港区水污染排放清单建立的系统研究仍较少，缺乏完整系统的港区水污染排放清单。

（2）港区水污染物排放特征的研究目前主要集中于到港船舶，而对于港作机械及集疏运车辆产生的水污染排放特征的研究成果有限，需要开展进一步的研究与探讨。

（3）部分港区的水污染防治措施仅停留在理论阶段，污水处理设施陈旧、工艺单一，处理效率不高，且对水污染问题的严重性认识不足，防治规划也不够完善，部分理念实施情况相对滞后。

鉴于以上存在的问题，首先应该建立完整系统的港区水污染排放清单;然后，开展港作机械及集疏运车辆水污染物排放特征的研究，运用国外的一些排放预测模型来研究水污染物排放的时间分布特征，同时针对不同的污染源开展空间特性研究;最后，应从港口规划建设开始，将港区水污染防治措施具体化，落实到具体的水污染源上，开发新设备、引入新工艺来处理港区污水，提升效率，同时完善港区生活污水接收设施和市政管网建设。

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