秦皇岛近岸海域剩余环境容量研究

林振景,陈 婧,任汉英,王雪兰

(1.河北农业大学 海洋学院,河北 秦皇岛 066100；2.河北环境工程学院,河北 秦皇岛 066102；3.河北省生态环境监测中心,河北 石家庄 050018；4.秦皇岛职业技术学院,河北 秦皇岛 066102)

随着经济的发展,人们对于各类资源的需求也日渐增多,海洋中蕴藏着丰富的能源,面对陆域资源的日渐枯竭,显示出了巨大的资源优势。 但与此同时,随着海洋开发强度的增大,海洋遭受严重的陆源污染和自身海洋工程开发的影响,海洋环境,尤其是与人们生活关系密切的近岸海域的环境质量受到严重威胁。 控制入海污染物的排放总量是控制和治理海洋污染的重要途径,而对海域的海洋环境容量的研究,可以为排放污染物的总量控制提供有力的科学依据和坚实的数据支撑[1]。

目前在环境保护的很多领域,均已涉及到环境容量的研究工作,由于其重要性及紧迫性,国内外学者对海洋环境容量进行了颇多研究。 LePape等[2]和Lindahl 等[3]分别对Brest 湾和Koljo 湾进行研究,结果表明,污染物在海水中的累积情况会受到海水交换的显著影响,海湾的生态系统在大尺度水体交换的情况下更易保持稳定；Mahajan等[4]认为在近岸海水水质管理中的核心为污染物负荷的分配过程,并且通过研究污染物排放负荷与海水中污染物浓度之间的关系,确定了各污染物质的处理率。 王芳[5]对天津市近岸海域的COD、无机氮和活性磷浓度分布情况进行研究,采用二维水质模型模拟污染物排放量对近岸海域研究水质指标的影响关系,并对不同排放方案下的环境容量进行分析研究。 郁斢兰等[6]对环境容量的测算考虑了水体自净的作用,对在水体交换扩散和生物降解的共同作用下的渤海区域进行分区分析,并得出了该区域COD 的剩余环境容量较小的结论。 由此可见,水环境容量的计算方式较多,但很多需要对污染物的衰减和扩散机理进行分析,实际实施难度较大。 本研究采用GIS 方法,可在资料数据相对较少的情况下对水环境容量进行统计核算。

1 研究概况

1.1 研究区域

秦皇岛市地处河北省东北部,是环渤海经济发展带中的重要一环,依靠沿海优势,近年来发展势头迅猛。 秦皇岛海岸线东起山海关环海寺地嘴灯塔,西止昌黎县滦河口,总长162.7 km[7]。 根据《河北省海洋主体功能区规划》,河北省管辖海域为海岸线向海一侧12 nmile 以内海域。 根据以上原则,秦皇岛管辖海域包括山海关区海域、海港区海域、北戴河区海域、抚宁区海域和昌黎县海域,面积约1 808.39 km2。 如图1 所示。

图1 研究区域

1.2 研究数据

1.2.1 研究区域水质

本研究采用中华人民共和国生态环境部海水水质监测信息公开系统中秦皇岛海域的监测点位进行分析。 研究区域及附近区域共设10 个监测点位HB0300 ～HB030010。 研究区域水质以COD、无机氮、活性磷酸盐为研究对象,2022 年5月、7 月、11 月共3 个月监测结果,分别代表一年中的春季、夏季、秋季。 COD、无机氮、活性磷酸盐每个监测点位均以3 个月最高值进行分析研究,以最不利的情况进行考虑,如表1 所示。

表1 监测点位及监测结果 mg/L

1.2.2 研究区域功能区划分

根据《河北省海洋功能区划》《海水水质标准》并结合研究区域属性特点,将研究区域分为14 个区块,各区块位置及功能区类别如图2 所示。

图2 研究区域区块及功能区

2 研究方法

采用GIS 方法,应先搜集研究区内生态环境部门的监测数据,将监测点对应数值输入GIS 软件,进行空间插值,得到研究区域内污染物的空间分布情况,并对研究区域进行栅格化,再将插值后的污染物浓度与对应区域水质目标对比,其差值在考虑栅格区域体积的基础上即为该区域剩余环境容量。

2.1 空间插值

研究区域水深、研究因子质量浓度分布采用克里金法进行插值分析。 克里金法是一种基于空间结构的插值方法,其基本思想是利用已知点周围的空间结构信息,来推算待插值点的数值。 克里金法通过构建一个包含空间结构信息的模型,来描述已知点与待插值点之间的关系。 克里金法广泛应用于地质学、生态学等领域。

2.2 栅格化计算

在不考虑不同的单元格之间水量交换、物质交换、也不考虑化学和生物降解等因素的前提下,将问题进行概化[8]。 通过GIS 对研究区域进行栅格化,每个栅格对应水深如图3 所示。 每个栅格的面积与对应水深的乘积可得研究区每个栅格小单元水体体积,标准浓度和监测浓度的差与该小单元水体体积再与不均匀系数相乘,即为该小单元剩余环境容量,研究区域所有小单元的剩余环境容量之和即为该区域的剩余环境容量。 本研究区域不均匀系数取值0.078。

图3 研究区域水深

剩余环境容量=栅格个数×不均匀系数×单个栅格面积×水深×(目标浓度-现状浓度)

2.3 GIS 方法

GIS 方法无需采用二维、三维模型估算所需要的复杂模型,采用生态环境部门的监测结果和实际的地形数据即可。 这种方法不考虑各个栅格点间污染物的对流扩散,忽略陆源的排污口,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[9]。

3 研究结果与讨论

3.1 研究区域现状情况

3.1.1 COD 现状分布及标准指数

研究区域内COD 插值后的浓度范围为1.241～1.269 mg/L,平均浓度1.254 mg/L,标准差0.000 34。 由统计结果来看,研究区域内COD 浓度分布无明显差异,如图4 所示。 研究区域内COD 标准指数范围为0.249 ～0.627,平均标准指数0.468,如图5 所示。 大于0.6 区域主要分布于近岸及西南区域,低于0.3 区域主要分布于东北区域,研究区域呈现出较大差异,东北偏低,西南偏高,近岸偏高,远洋偏低,但均满足标准要求。

图4 研究区域COD 现状分布

图5 研究区域COD 标准指数分布

3.1.2 无机氮现状分布及标准指数

研究区域内无机氮插值后浓度范围为0.161 4～0.231 7 mg/L,平均浓度0.194 1 mg/L,如图6 所示,呈现明显的东北偏低,西南偏高状态。 无机氮标准指数范围为0.323 ～1.14,平均值为0.729,如图7 所示,大于1 区域主要分布于近岸及西南区域,低于0.4 区域主要分布于东北区域,亦呈现东北偏低,西南偏高状态,其中近岸及西南局部区域出现超标现象。

图6 研究区域无机氮现状分布

图7 研究区域无机氮标准指数分布

3.1.3 活性磷酸盐现状分布及标准指数

研究区域内活性磷酸盐插值后浓度为0.001 04～0.017 97 mg/L,平均浓度0.006 9 mg/L,与无机氮分布形式相似,如图8 所示,呈现东北偏低,西南偏高状态。 活性磷酸盐标准指数范围为0.035～1.15,平均值为0.297,如图9 所示。 大于1 区域主要分布于西南区域,低于0.1 区域主要分布于东北区域,与无机氮分布形式相似,亦呈现东北偏低,西南偏高状态,其中西南局部区域出现超标现象。

图8 研究区域活性磷酸盐现状分布

图9 研究区域活性磷酸盐标准指数分布

3.2 剩余环境容量

研究区域共分为180 833 个栅格,研究区域内COD、无机氮、活性磷酸盐剩余环境容量均呈现东北偏高,西南偏低规律。

3.2.1 COD 剩余环境容量

研究区域内COD 剩余环境容量最大栅格为0.045 532 6 t,位于研究区域的东北侧区块3 内；最小栅格为0.000 282 315 t,位于研究区域的近岸区域区块10 内,研究区域COD 总环境容量剩余量为2 362.322 t,如图10 所示。

图10 研究区域COD 总量分布

各区块 COD 剩余环境容量的范围为0.206 083～976.734 012 t,如图11 所示,区块8 剩余环境容量最小为0.206 083 t,区块7 剩余环境容量最大为976.734 012 t。

图11 各研究区块COD 剩余环境容量

根据以上数据分析,表明研究区域内COD 整体情况较好,尚有一定的环境容量,但近岸海域标准指数较高,表明该因子受人类活动的陆域影响明显,仍应引起足够的重视。

3.2.2 无机氮剩余环境容量

研究区域内无机氮剩余环境容量最大栅格为0.004 047 48 t,位于研究区域的东北侧区块3 内；最小栅格为-0.000 190 169 t,位于研究区域的西南侧区块14 内,研究区域内超标栅格个数23 839,无机氮超标区域面积占比为13.2%。 超标区域总剩余环境容量-0.833 958 996 t,未超标区域总剩余环境容量147.174 014 t,研究区域无机氮总环境容量剩余量为146.340 t,如图12 所示。

图12 研究区域无机氮总量分布

各区块无机氮剩余环境容量的范围为-0.211 909～68.274 67 t,如图13 所示,区块14 剩余环境容量最小为-0.211 909 t,区块7 剩余环境容量最大为68.274 67 t。 其中,区块12 和区块14已无剩余环境容量。

图13 各研究区块无机氮剩余环境容量

根据以上数据分析,表明研究区域内无机氮大部分区域内尚有一定的环境容量,但西南海域及近岸海域已有部分区域出现无剩余环境容量或剩余环境容量较低问题,表明无机氮的控制应引起高度重视,对包括氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮在内的各无机氮组成部分均应进行严格控制,采取陆域、海域污染源控制,完善法规管理措施,优化监测方式等综合性应对策略。

3.2.3 活性磷酸盐剩余环境容量

研究区域内活性磷酸盐剩余环境容量最大栅格为0.000 520 686 t,位于研究区域的东北侧区块3 内；最小栅格为-0.000 014 299 5 t,位于研究区域的西南侧区块14 内,研究区域内超标栅格个数为5 502,活性磷酸盐超标区域面积占比为3.04%。超标区域剩余环境容量-0.019 965 582 t,未超标区域剩余环境容量31.659 188 03 t,研究区域活性磷酸盐总环境容量剩余量为31.639 t,如图14 所示。

图14 研究区域活性磷酸盐总量分布

各区块活性磷酸盐剩余环境容量的范围为-0.015 38～15.253 128 t,如图15 所示。 区块14剩余环境容量最小为-0.015 38 t,区块7 剩余环境容量最大为15.253 128 t。 其中,区块14 已无剩余环境容量。

图15 各研究区块活性磷酸盐剩余环境容量

根据以上数据分析,表明研究区域内活性磷酸盐大部分区域内尚有一定的环境容量,但西南海域及近岸海域已有部分区域出现无剩余环境容量或剩余环境容量较低问题,活性磷酸盐在本次研究因子中剩余环境容量最低,体现了其对环境的敏感性,亦应采取陆域、海域污染源控制,完善法规管理措施,优化监测方式等综合性应对策略,减少含磷物质入海量。

GIS 方法在运算过程中,采用插值后模拟的数值存在一定误差,并且是在已有瞬时值的基础上进行的核算,对未来动态的环境容量验证尚需进一步研究。

4 对策及建议

4.1 对陆源污染物入海量进行控制,减少氮磷入海量

秦皇岛海域沿岸主要涉及石河、汤河、饮马河等13 条入海河流,其中饮马河的COD、氨氮、总磷质量浓度在各河流中均是最高的,主要原因可能是饮马河流域工业污染严重[10]。 应对以饮马河为主的13 条入海河流采取措施,对两岸的涉含氮磷污水排放的企业,畜禽养殖等行业进行重点整治,降低入海河流带来的污染问题。 同时应进行精准分配,利用线性规划等方法求出最优解,即得功能区达标且以环境容量的高效利用为原则的环境容量。 明确各入海河流总量及削减量。

完善城市污水管网布置,尽可能杜绝生活污水不经处置直接进入地表水体。 优化产业结构,对污水排放量大、污染物产生浓度高的企业进行淘汰或优化升级。 做大做强休闲度假旅游和现代物流等基础雄厚、规模较大、带动力较强的优势品牌产业,逐步关停淘汰小淀粉、小白薯加工企业,结合旅游立市理念,发展现代观光农业和规模化的淀粉、食品加工企业,有效控制产业结构性污染。

采用测土配方技术,正确合理适量使用氮磷肥料,采用高效、低毒、低残留农药,以降低农业面源对近岸海域造成的污染。

4.2 合理开发海洋,控制氮磷产生量

秦皇岛的海上运输主要涉及煤运输和油运输,在运输过程中近岸海域发生碰撞货物遗撒泄漏的可能性较大,秦皇岛港的大型船舶较多,一旦发生事故会造成大面积的海洋污染事件。 因此,建立健全海上污染应急处置联动机制,包括监测预报、应急救助、组织网络结构、应急措施等内容,以降低突发事件的损失[11]。

海水养殖也是造成近岸海域生态环境问题的主要原因之一。 应合理规划饲料投喂工作,科学规划海水养殖布局,加快发展生态养殖技术和模式,加强海洋生态修复,加大水产养殖入海排污口整治,加强海水养殖区域水质监测力度,出台海水养殖尾水排放标准等多种手段相结合的综合整治方式。

协调好河口与海域的管理关系,科学利用滩涂资源,加强滩涂资源动态保护,维持滩涂湿地面积和生态功能,改善生态环境。

4.3 优化海洋环境监测方式

鉴于对海洋生态规律认知有限,海洋生态问题的形成机理的研究尚有欠缺,因而采取的生态治理措施是否有效具有较大的不确定性,这就需要对海洋环境进行及时监测,以便及时发现生态问题。 建议采取优化监测点位布置、扩大监测面积、重点区域进行在线监测、充分利用遥感数据进行解析等方式,及时高效全面地处理生态问题。

4.4 完善法规政策

对现有法规政策进行补充完善,强化对污水排放量、排放水质的管理。 现有水污染物总量控制指标主要为COD 和氨氮,而氨氮仅为无机氮的组成部分之一,秦皇岛海域主要的超标因子为无机氮和活性磷酸盐,现有总量的控制制度对近岸海域的控制效果有待进一步加强,尽快普及以总氮为控制指标的管理政策,加强各排污口总氮的监控力度,可同时实现对硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的控制。 严格执行排污许可制度,结合近岸海域环境剩余容量,对涉及企事业单位进行合理分配。增强公众保护海洋环境意识,鼓励公众积极主动参与海洋工程、海岸工程等建设项目的环境影响评价工作,并对施工过程进行监督,发现问题及时处理,从源头控制污染。