基于海洋保护需求的水质目标确定方法探讨❋——以小清河为例

于晓霞, 梁金辉, 杨雪娜, 张启超❋❋, 李爱华, 梁生康

(1. 中国海洋大学, 山东 青岛 266100; 2. 山东省生态环境规划研究院, 山东 济南 250101)

中国是陆地大国,也是海洋大国,拥有约470万km2海域、1.4万km海岛岸线、1.8万km大陆海岸线[1]。据统计测算,陆源排放对近岸海域的污染贡献占80%以上,陆源污染排放是海洋污染的主要来源[2]。近岸海域陆域污染源包括入海河流及入海排污口,其中入海河流承载着上游各类污染物的汇入,对近岸海域水环境质量影响较大[3]。“十四五”时期,海洋生态环境保护要求构建“流域—河口—近海”污染防治的联动机制,加强陆海协同共治。入海河流河口区作为地表水和海水混合区域,是陆海相互作用的过渡地带,其中地表水执行《地表水环境质量标准》(GB3838—2002),近岸海域水体执行《海水水质标准》(GB3097—1997),而两套标准体系存有较大的差异[4]。

目前针对小清河的研究仅考虑水环境质量的评价和入海河口区的环境分析,并未开展小清河污染输入与近岸海域水质超标的关联性分析[5-7],已开展的入海河流对近岸海域水质的影响仅分析了河流的污染分担率[8],对指导确定入海河流需达到的水质目标并无借鉴意义。因此,基于海洋保护需求对不同入海河流水质目标的确定,需合理地分析河口区,研究制定入海河流河口区环境质量标准,构建陆海统筹衔接的标准体。本文通过构建小清河河口区水质数学模型并进行验证,建立河海水质关联关系,基于多情景分析,对设定河口混合区及不设定河口混合区两种方案进行分析,研究提出入海河流水质目标确定的技术方法,为陆海统筹开展入海河流水质目标的确定提供参考。

1 入海河流河口区水环境质量标准衔接的矛盾

随着我国水环境保护工作的逐步推进,水污染物的管控已逐渐由河流向海洋发展,强调“陆海统筹”,实现海洋可持续发展。然而当前我国现行两项水质标准之间的衔接存在诸多问题,例如适用范围存在交叉,在水质分类、水质指标设置、部分指标分析方法及部分指标标准限值衔接上均有较大的差异,导致陆海水质标准无法有效衔接,制约了我国海洋生态环境保护工作,尤其是污染源陆海联防联控工作的开展和实施。两标准之间的衔接问题主要体现在以下几个方面。

1.1 水质分类不衔接

《地表水环境质量标准》和《海水水质标准》根据不同的使用功能和保护目标分别将目标水体分为5类和4类,无法简单地将两项水质标准的不同类别一一对接(见表1)。此外,由于咸淡水生态系统的差异导致其使用功能的不同,从功能归属上也较难将两个水质标准予以衔接。

1.2 水质指标设置、分析方法及指标标准限值不同

《地表水环境质量标准》中基本项目共有24项,《海水水质标准》中基本项目共有39项。两项水质标准的参数类别虽基本一致,但在部分指标参数的设置上存在显著差异(见表1)。基本感官指标方面,在入海河流中存在许多黑臭水体,由于缺少这些基本的感官指标,往往造成部分黑臭或异味水体“达标”排放入海,造成近岸海域水体污染。氮磷物质的指标设置方面,地表水和海水之间关于氮、磷物质的水质评价是两条线,无法直接比对和评价,严重制约了氮、磷等物质的陆海联防联控。指标分析方法及指标标准限值方面,两套标准同一指标限值要求可相差数倍,造成河流达标排放,入海后邻近海域水质超标现象,按照地表水达标排放后,造成陆源入海污染物总量超过海域承载能力、自净能力。

表1 《海水水质标准》和《地表水环境质量标准》存在的差异

2 入海河流地表水与海水混合区的研究

本研究以小清河为典型河流,运用MIKE21建立小清河河口区的水文水质模型。选取2019年12月、2020年3月和2020年5月为典型月份,对小清河入海断面以下及河口近岸海域水质进行采样监测,以三期水质监测数据,验证模型的可靠性,通过模拟(主要指标考虑无机氮)确定河口混合区的范围及不同情境下的水质目标。

2.1 小清河概况

小清河流域是山东省五大流域之一,地处山东腹地,全长237 km,发源于济南西郊睦里庄,经济南、滨州、淄博、东营、潍坊5市18个县(市、区),在潍坊寿光市羊口镇注入渤海莱州湾。本次研究选取小清河为典型河流,通过水文水质模拟,研究入海河流水质目标确定的技术方法。

选取小清河作为研究对象的主要原因包括:一是小清河发源于本省,对小清河开展研究,不涉及责任纠纷;二是小清河对整个莱州湾甚至渤海海域的污染贡献较大,依据2018年山东省主要入海河流污染物入海量贡献比(除黄河外),小清河的贡献率最高,约47.5%,占近一半的入海污染量,小清河的水质是渤海海域水质变化的重要影响因素,因此,小清河管理经验对其他入海河流具有示范性和可复制性;三是小清河干流设有省控及以上水文站3个、省控及以上水质考核断面共7个,相对于其他入海河流而言更为丰富的水文水质资料,便于模拟和对比。

2.2 监测站位布设及监测结果

为了解小清河及附近海域海水水质现状,对小清河羊口断面以下及河水与海水混合区进行污染物监测,共布设17个监测点位,分别监测3次,分别为2019年12月、2020年3月、2020年5月,点位分布情况详见图1。

2.3 数学模型构建

水动力模型采用水深平均的平面二维水动力运动方程,含动量方程、连续性方程及物质输运方程,可较好地反映莱州湾流场中水流运动特征及物质输运过程。具体控制方程如下:

2.3.1 控制方程

连续性方程:

(1)

图1 小清河河口区监测点位分布图

动量方程:

(2)

(3)

垂向平均的物质输运方程:

(4)

2.3.2 网格划分 本研究所建立的海域数学模型计算域范围及网格如图2所示,即为图中莱州港、黄河口两点以及岸线围成的海域。模拟采用非结构三角网格,整个模拟区域内由9 302个节点和15 775个三角单元组成;最小网格间距为20 m。

图2 大海域计算域网格及潮位验证点位置图

2.3.3 边界条件及参数选取 模型设置中陆地边界为闭边界,沿闭边界流速的切向速度的法向梯度、水位法向梯度均为零,传播到闭边界的波浪均完全吸收。开边界采用的是水位边界条件,由渤海潮流模型提供。

水深和岸界根据相关水深地形测量资料以及工程附近海域的最新实测水深地形资料确定。

模型计算时间步长根据CFL条件进行动态调整,确保模型计算稳定进行,最小时间步长0.5 s。底床糙率通过曼宁系数进行控制,曼宁系数n取45～58 m1/3/s。

采用考虑亚尺度网格效应的Smagorinsky(1963) 公式计算水平涡粘系数,表达式如下:

2.3.4 计算工况 本次数值模拟设置了2种方案,一是基于实测调查资料的现状浓度、不设定考核断面的情况,二是不设定河口混合区、水质达到相应近岸海域环境功能区的情况。每种计算方案包括3种工况,分别对应2019年12月、2020年3月、2020年5月三个典型月份。依据海水无机氮考核要求,为方便模拟研究,对小清河地表水3个站位三期监测结果简单分析,初步得出地表水中无机氮(y)与总氮(x)的关系为y=0.892 3x-0.029(R2=0.889 4,仅适用于本次模拟分析),源强无机氮是总氮转换值。模拟了6个工况半月潮条件下,无机氮在河口及附近海域的浓度场时空变化规律。根据小清河各站历年各月平均流量统计情况及小清河河口区污染物监测结果,各工况的主要计算参数如表2。

表2 计算工况信息表

2.3.5 潮流模型验证 潮位采用潍河口、潍坊港的潮位观测资料,潮位验证曲线如图3所示。潮流采用中国海洋大学于2014年5月28日12:00至2014年5月29日13:00观测数据,潮流验证曲线如图4所示。潮位及潮流验证结果表明,模拟值与实测值均基本吻合,能够较好地反映周边海域潮位及潮流状况。

图3 潮位验证曲线

2.3.6 污染物扩散模拟结果及验证 根据流场运动规律,选用2019年12月小清河流量及监测的无机氮浓度数据,选取H1、H2、H3、H4、K52、K53、K103、K153等8个点进行验证,文中给出的预测结果为最大浓度增量,即该格点上各时刻数据中最高的瞬时浓度,浓度增量等值线是各点最高瞬时浓度的连线。图5给出了2019年12月小清河无机氮扩散的预测结果,表3给出了无机氮实测值与模拟值偏差一览表。从表3中可以看出,除H4、K52站位外,各站位无机氮的模拟值与实测值偏差在5%以内,模拟结果能够较好地反映小清河无机氮指标在河口处的扩散趋势。H4、K52站位模拟结果较差可能与采样时间所对应的涨落流变化有关。

2.4 河口混合区划定及水质目标

根据三次水质监测数据,选取2019年12月、2020年3月、5月进行现状条件下河口混合区范围(增量≥ 0.3 mg/L)的模拟(见图6)。结果显示,2019年12月、2020年3月、5月混合区范围分别约184.8、134.05和95.9 km2,对应的总氮浓度目标值约为10.2、11.3和7.38 mg/L。

2.5 无河口混合区情境下的河流水质目标

根据《山东省近岸海域环境功能区划(2016—2020年)》,小清河入海口执行二类海水水质标准(无机氮≤0.30 mg/L),因此,小清河入海污染物导致附近海域无机氮浓度增量应不超过0.30 mg/L(即扣除本底浓度)。

(LZ1站位和LZ3站位。LZ1 station and LZ3 station.) 图4 潮流验证曲线

图5 2019年12月无机氮扩散模拟结果

表3 2019年12月无机氮实测值与模拟值偏差一览表Table 3 List of deviations between measured and simulated inorganic nitrogen values in December 2019

图6 2019年12月(a)、2020年3月(b)及年5月(c)小清河河口混合区范围示意图

图7给出了2019年12月源强为2.3和2.28 mg/L时无机氮的扩散范围(图中给出的为扣除本底后的人为增量,下同)。从中可以看出,当源强为2.3 mg/L时,小清河河口临近海域的无机氮增量>0.3 mg/L,不符合二类海水水质标准;当源强为2.28 mg/L时,小清河河口临近海域水质可达到二类水质标准(无机氮小于0.3 mg/L)。因此,在不设定河口混合区(即只要河流入海,水质即应达到相应近岸海域环境功能区的水质目标要求,下同)的条件下,小清河无机氮排放浓度(羊口断面)不应超过2.28～2.29 mg/L,对应的总氮浓度不应超过2.59～2.60 mg/L。

图7 无机氮源强为2.3 mg/L(左)和2.28 mg/L(右)时对应的扩散范围

图8给出了2020年3月源强为1.32和1.31 mg/L时无机氮的扩散范围。从中可以看出,当源强为1.32 mg/L时,小清河河口临近海域的无机氮增量>0.3 mg/L,不符合二类海水水质标准;当源强为1.31 mg/L时,小清河河口临近海域水质可达到二类水质标准(无机氮小于0.3 mg/L)。因此,在不设定河口混合区的条件下,小清河无机氮排放浓度(羊口断面)不应超过1.31 mg/L,对应的总氮浓度不应超过1.50 mg/L。

图8 无机氮源强为1.32mg/L(左)和1.31mg/L(右)时对应的扩散范围

图9分别给出了2020年5月源强分别为2.93和2.91 mg/L时无机氮的扩散范围,需要说明的是,图中给出的为扣除本底后的人为增量。从中可以看出,当源强为2.93 mg/L时,小清河河口临近海域的无机氮增量>0.3 mg/L,不符合二类海水水质标准;当源强为2.91 mg/L时,小清河河口临近海域水质可达到二类水质标准(无机氮小于0.3 mg/L)。因此,在不设定河口混合区的条件下,小清河无机氮排放浓度(羊口断面)不应超过2.91～2.92 mg/L,对应的总氮浓度不应超过3.29～3.30 mg/L。

图9 无机氮源强为2.93mg/L(左)和2.91mg/L(右)时对应的扩散范围

3 结语及建议

本文尝试通过建立数学模型模拟研究确定小清河水质目标,存在河流流量及污染物扩散连续性、氮污染物形态转化、采样时间和空间连续性等诸多不可控因素,会影响模型精度。但也呈现出一定的规律性,具体如下:

统筹陆域地表水环境功能区划与近岸海域环境功能区划的管理需求,结合小清河水文水质模拟研究,不设定混合区时,小清河入海断面不同水期总氮浓度需在1.5～3.3 mg/L范围内。设定混合区时,不同水期小清河入海断面总氮目标浓度在7.38～11.3 mg/L范围内,接近或大于小清河2020年入海断面总氮年均值(7.3 mg/L)。因此,在根据不同水期水质监测数据模拟确定河口混合区后,需结合混合区边界的近岸海域环境功能区划水质目标、入海河流上游总氮减排的可行性等因素,合理缩小混合区范围,结合确定入海断面的位置和考核目标。

建议综合考虑上述两种情景,基于经济技术可行性,确定入海河流水质目标。针对河口区特殊的水体特征和地理位置,将河口混合区作为单独的水体类型进行管理,制定能够满足水体使用功能并有效维护水体生态系统健康的河口区的水环境质量标准。结合地表水考核位置和考核目标、混合区边界近岸海域环境功能区目标要求,通过水文水质模拟,合理确定混合区的水质考核目标,实现由地表水到近岸海域水质的过渡和有效衔接。可分两步逐步实现入海河流的水质满足海水要求:近期目标,即科学设置过渡期(划定河口混合区),逐步提高入海河流断面水质要求;远期目标,即依据减排措施,逐步取消河口混合区。

当前我国近岸海域水质超标因子主要是无机氮和活性磷酸盐,富营养化问题突出。现行《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中表征河流富营养化的指标为氨氮、总磷,《海水水质标准》(GB3097—1997)中为无机氮、活性磷酸盐,而目前针对地表水及海水中无机氮、氨氮、总氮之间,总磷、活性磷酸盐之间的关系和循环转化过程的研究开展较少,各类指标之间的联系尚不明确,给氮磷污染控制带来了极大不便。建议在地表水及海水水质标准中均设置总氮、总磷指标,以便进一步了解水体中不同形态氮和磷的相互关系、循环转化过程以及与富营养化或赤潮灾害的关系,更好地阐释近岸海域环境质量与陆源污染源之间的关系。通过开展区域性营养物质的海水水质基准研究,制定符合当前社会经济发展状况的地表水和海水中的总氮、总磷水质标准限值。