廣西防城港灣水環境質量現狀與石油烴環境容量的初步研究

李小維，黃子眉，方龍駒

（1. 中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266003；2. 國家海洋局北海海洋環境監測中心站，廣西 北海 536000；3. 廣西水文水資源局，廣西 南寧 530023）

廣西防城港灣水環境質量現狀與石油烴環境容量的初步研究

李小維1,2，黃子眉1,2，方龍駒3

（1. 中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266003；2. 國家海洋局北海海洋環境監測中心站，廣西 北海 536000；3. 廣西水文水資源局，廣西 南寧 530023）

環境容量是評估海域污染物最高容納量的一個重要指標，污染物排放量控制指標的合理性取決于項目所在海域的環境容量的正確估算。本文首先根據近年來對防城港灣海水環境質量的現場調查資料，采用單因子指數法對防城港灣的水環境質量現狀進行評價和分析，然后，通過模型和模擬對城港灣的水交換周期進行了計算，最后選取水質評價中出現超標的石油烴作為分析因子，采用改進的標準濃度法估算了防城港灣石油烴的環境容量。結果表明，防城港灣的水環境質量狀況良好，石油烴環境容量在一、三、四類水質標準下分別為2023 t/a、51334 t/a、92896 t/a。

防城港灣；水環境質量；石油烴；環境容量

1 概 述

1.1 研究的目的和意義

環境容量是評估海域污染物最高容納量的一個重要指標，通過對防城港灣水環境質量現狀評價，找出海域污染的主要因子，然后對石油烴環境容量進行定量研究，了解該灣水動力情況，探求該灣海水交換率及交換周期，估算該灣石油烴環境容量，提出該灣石油烴污染物總量控制目標，為今后防城港市臨海工業項目污染物的排放，特別是石油烴污染物排放總量指標的確定提供理論依據，促進海洋環境保護與社會經濟協調發展。

1.2 國內外研究現狀

近年來，國內外一些學者相繼開展了水環境質量和石油烴環境容量的研究。Graham Copeland、Teofilo Monteiro等 (2003) 采用水動力模型和擴散模型對巴西Sepetiba 灣的水質進行了研究[1]；Gennadi Lessin、Urmas Raudsepp (2006) 采用模擬與實測相結合的方法對芬蘭的波斯灣水質進行了研究[2]；任敘合 (1994)分析了現有的計算污染物環境容量的三種方法的不足，提出改進方法，能夠較好地計算出石油烴的環境容量[3]；郭良波等 (2005) 采用總量最優化法對渤海的COD和石油烴環境容量進行了計算[4]等等。

目前，海灣水環境質量評價研究基本上均是采用單因子指數法結合海水水質標準來進行，根據評價指數可以得出該海灣的主要污染物種類和污染物的超標率。環境容量的理論研究工作處于由定性描述向定量計算發展的階段。我國在海洋環境容量研究方面也做了大量工作，例如，通過水動力輸運研究自凈能力[5]；應用模擬試驗方法研究化學自凈過程[6]；根據環境治理目標濃度與海水本底濃度之差計算靜態環境容量[7]。對廣西沿海重點港灣主要污染物環境容量的研究還處于空白階段。

2 水環境質量監測與評價

2.1 監測與采樣

本節資料主要來自2006年2－3月（枯水期）和8月（豐水期）期間防城港灣海域水環境調查資料。本調查在防城港灣共設站位25個，其中有13個底質監測站位（圖1）。水質監測項目包括pH、DO、COD、石油類、DIN、DIP、總Hg、Zn、Cd、Pb、Cu和硫化物共12項；底質監測項目包括有機碳、硫化物、總Hg、總Cr、Zn、Cd、Pb、Cu和油類共9項，僅進行了枯水期監測。各項監測因子的采集和分析均按照《海洋調查規范》（GB12763-1991）進行。水質和底質監測結果分別見表1、表2。

圖1 水環境質量調查站位Fig. 1 Water quality survey stations

表1 水質要素監測結果Tab. 1 Elements of the monitored results of water quality

表2 底質要素監測結果表Tab. 2 Elements of the monitored results of sediment

表3 水質標準指數統計結果Tab. 3 Results of water quality standards index

由表3可以看出，防城港灣的水質狀況較好，按二類水質標準進行評價，除石油類外，各評價因子的評價指數均小于1。而石油類有29%的站位超標，超標原因可能與海上船舶頻繁活動等有關。

2.2 底質現狀評價

底質選用的評價因子有有機碳、硫化物、總Hg、總Cr、Zn、Cd、Pb、Cu和油類共9項。調查海區水質評價采用《海洋沉積物質量》（GB18668-2002）中的第二類底質標準。評價方法同樣采用單因子標準指數法。調查海區沉積物的評價結果見表4。

表4 沉積物標準指數統計結果Tab. 4 Results of sediment standard index

由上表4可以看出，防城港灣的底質狀況良好，按海洋沉積物二類標準進行評價，調查海區的各項因子均未超標。只有4號站硫化物和石油類的單項指數稍高，分別為0.41和0.49，其它評價因子在各測站的單項指數均小于0.40。事實上，所有評價因子的單項指數均符合第一類標準的要求。

3 防城港灣流場模擬

潮流是防城港灣污染物擴散的主要動力因素，為了計算防城港灣漲落潮水量和海水交換率，需要對防城港灣的潮流場進行數值模擬。

3.1 基本方程及求解方法

對于海底地形不復雜或密度分層不太顯著的淺海，一般采用二維淺水環流模型進行流場模擬，即可滿足技術要求。二維模型是基于深度平均二維化的連續方程和動量方程，結合海區的實際初邊值條件，通過數值方法求解而形成的。模型計算區域為21°30′～21°42′N，108°16′～108°28′E。

3.1.1 基本方程

式中，ζ為水位，h為水深，u，v分別為東向和北向深度平均的水平流速分量，c為謝才系數，f為科氏力參數。

邊界條件為：岸邊界vn=0，n為岸邊界外法線方向；水邊界，給出水位值ζ。

3.1.2 求解方法 求解方法采用ADI方法，在前半步長，即t∈｛n⊿t，（n+1/2）⊿t｝上，首先顯式計算v分量，然后沿x方向對水位ζ和流速的u分量作隱式運算。在后半步長，即t∈｛（n+1/2）⊿t，（n+1）⊿t｝上，首先顯式計算流速u分量，然后沿y方向對水位ζ和流速的v分量作隱式運算。為了提高流場的計算精度，對潮灘區進行動邊界處理。采用矩形網格逼近計算區域，其中x軸為正東方向，y軸為正北方向。網格間距：⊿x=0.1′，⊿y=0.1′，水深從海圖上讀取并訂正到平均海平面。開邊界的水位值根據附近驗潮站的調和常數給定。閉邊界法線向量流速為0。計算域剖分見圖2。

圖2 防城港灣潮流場模擬區域Fig. 2 Moist flow field breadboard area of the Fangchenggang Bay

3.2 模擬結果驗證

模擬結果驗證包括水位和潮流兩個方面，潮位驗證采用防城港海洋環境監測站（108o20′E，21o37′N）實測潮位作驗證，時段取2004年3－4月，實測潮位與模擬潮位的潮位過程比較曲線見圖3。

由圖3可見，大潮期間潮位模擬誤差相對較小，誤差主要出現在小潮期，以及低高潮與高低潮之間，潮位模擬平均誤差為0.21 m。

圖3 實測與模擬潮位過程曲線圖Fig. 3 Chart of actual and simulated tide level process

潮流驗證采用2005年1月15～16日實測流速流向（測流站見圖2）和模型計算結果進行比較如圖4和圖5，從圖上可以看到本次計算的潮流場與實際觀測結果基本上吻合，說明本次模擬具有良好的重現性，達到了預期的效果。

圖4 實測與模擬流速對比圖Fig. 4 Actual and simulation flow on speed to the contrast chart

圖5 實測與模擬流向對比圖Fig. 5 Contrast chart of the directions of actual and simulated flows

3.3 海流特征分析

圖6和圖7是流場模擬結果。模擬表明：在漲潮過程中，外海潮波傳入防城港灣，流向都指向口門，在潮波傳播過程中，受地形約束強度較大，到達漁萬島南端分為兩支，一支沿牛頭嶺向西北方向流去，另一支沿暗埠口江向東北方向流去。流速在牛頭嶺深槽附近流到最大，過了牛頭嶺和企沙半島后，潮流進入東、西灣內灣，由于水深變淺，水流阻力增大，流速逐漸減小。無論在外灣還是內灣，潮流都受岸線和深槽的影響，流向有順著深槽的趨勢。落潮是漲潮的逆過程，流場情況類似。在低潮時，漁萬島東北和西北面海域流速較小，較大面積的灘涂露出。這些模擬情況與防城港灣的長期水文觀測結果相符。

圖6 大潮漲急流場圖Fig. 6 Flood tide rises in the jet stream field pattern

圖7 大潮落急流場圖Fig. 7 Flood tide ebbs in the jet stream field pattern

4 防城港灣石油烴環境容量

4.1 防城港灣的海水交換率

4.1.1 海水交換率公式 海水交換率的計算方法采用匡國瑞學者進行的相關研究成果[8]進行計算。

（1）柏井法

柏井法是把 Parker的海水交換率擴展, 提出外海水與灣內水直接交換, 其交換率定義為：

式中，C0為外海水平均濃度；CB為灣內水平均濃度；CE為落潮時流出水的平均濃度；CF為漲潮流入水的平均濃度; γE為漲潮流入量中流入灣內的濃度為C0的外海水所占的比率；γF為落潮流出量中流出灣外的濃度為CB的灣內水所占的比率。γE和 γF的計算公式為：

（2）中村武弘法

中村武弘法是根據Parker和柏井的提法，提出灣內水對灣外海水的交換率（γ）和外海水對灣內水的交換率（β）分別為：

式中，α= QF/QE，QF為漲潮流入灣內的水量， QE為落潮流出的灣內水量。

4.1.2 計算結果 以鹽度作為指標物質，根據2006年2～3月水環境調查中的鹽度同步監測資料進行γE和γF值的計算。鹽度監測站位共30個，其中灣內25個，灣外5個，取調查區域內各個站位鹽度的平均值作為計算參數，則C0為33.077，CB為32.459，CF為32.924，CE為32.846。由①、②式得出，γE= 0.338，γF=0.168。

式中 ζ（x，y）、ζ′（x，y）分別為最高潮時、最低潮時的水位值，h（x，y）為修正后的海圖水深，經過計算，求得QF= 2.788 1×109m3，QE= 2.899 4×109m3，從而 α = QF/QE= 0.9616。再由③、④式求得，γ=0.1359，β=0.1505。

4.2 防城港灣的半交換周期

半交換周期是指灣內海水更新一半所需的時間，是衡量海域自凈能力的重要因子，海灣的平均半交換周期可由水質模型求出，港灣的零維水質預測模型[9]為：

式中，V為灣內平均海平面下水體體積；T為潮周期數；D為一個潮周期內所有污染源向灣內的排放總量。求解上式，得到水質預測公式：

式中，CB為指標物質的初始濃度。在計算防城港灣的水交換周期時，假定指標物質排放總量為零，指標物質的平均濃度C0為零，于是上式可以簡化為：

由此，便得到了指標物質的濃度CB隨交換周期T的函數關系。根據半交換周期的定義，當CB=CB′/2，便可求出T1/2=0.693V/（γQE）

防城港灣的海水體積V為3.6642×109m3， QE為2.8994×109m3，γ值為0.1359，從而求出T1/2為6.4個潮周期，防城港灣潮汐為正規全日潮，潮周期約為24.5 h，因此，T1/2為6.5 d。

4.3 石油烴的環境容量

石油烴環境容量的計算方法有多種，目前國內學者普遍采用的為數值模擬法，該方法的優點是準確度較好，但需要海洋水文、氣象、理化、生物等各個方面的詳細資料，工作量大且開發周期長。本文對防城港灣石油烴當前環境容量的計算方法采用改進的標準濃度法[11]，其計算公式如下：

式中：M為評價海域當前環境容量，t/a；T為評價海域海水半交換周期，a；Ci為海水本底石油烴濃度，mg/L；q0為評價海域石油烴同化速率，參照文獻[10]取180 t/a。

CS的取值一般可根據評價海域的環境功能要求采用該類別的海水水質標準的濃度，也可采用漁業水質標準濃度。

根據前面對防城港灣海水體積、海水半交換周期的計算值，通過上式進行估算，防城港灣的石油烴環境容量在第一類、三類、四類海水水質標準下，其值見表5。

表5 不同水質要求下石油烴環境容量值Tab. 5 Petroleum hydrocarbon environmental capacity value under different water quality requests

從表5中可以看出，防城港灣石油烴在第一、三、四類水質要求下，其環境容量分別為2 023 t/a、51 334 t/a、92 896 t/a。

5 結 論

防城港灣為半封閉性港灣，灣口開闊，水交換條件較好，由于海洋資源開發利用起步較晚，因此目前防城港灣的水環境質量狀況較好，按二類水質和底質標準進行評價，僅有石油類一項因子在水質中超標，但目前的水質狀況完全能夠滿足整個海灣的海洋功能區劃管理要求。通過對防城港灣潮流場的數值模擬，得出防城港灣水體總量和漲落潮水量，進而求得水交換率及半交換周期，為石油烴環境容量計算中參數的選擇提供了依據。采用改進的標準濃度法進行計算，得出防城港灣石油烴環境容量在第一、三、四類水質標準下分別為2 023 t/a、51 334 t/a、92 896 t/a。

[1] Graham Copeland, Teofilo Monteiro. Water quality in Sepetiba Bay,Brazil References [J]. Marine Environmental Research, 2003, 55(5):385-408.

[2] Gennadi Lessin, Urmas Raudsepp. Water quality assessment using integrated modeling and monitoring in Narva Bay, Gulf of Finland，Environmental Modeling & Assessment [J]. 2006, 11(4): 258-263.

[3] 任敘合. 石油烴環境容量估算方法淺探 [J]. 中國海上油氣（工程）, 1994, 6(1): 41-44.

[4] 郭良波. 渤海COD與石油烴環境容量計算 [J]. 中國海洋大學學報, 2007, 37(2): 310-316.

[5] 陳春華. 海口灣海域重金屬自凈能力研究 [J]. 海洋學報(中文版), 1997, 19(6): 77-83.

[6] 鄭慶華, 何悅強, 張銀英. 珠江口咸淡水交匯區營養鹽的化學自凈研究 [J]. 熱帶海洋, 1995, 14(2): 68-75.

[7] 賈振邦, 趙智杰, 呂殿錄, 等. 柴河水庫流域主要重金屬平衡估算及水環境容量研究 [J]. 環境保護科學, 1996, 22( 2): 49-52.

[8] 匡國瑞. 海灣水交換的研究——海水交換率的計算方法 [J]. 海洋環境科學, 1986, 5 (3): 45-48.

[9] 匡國瑞, 楊殿榮, 喻祖祥, 等. 海灣水交換的研究——乳山東灣環境容量初步探討 [J]. 海洋環境科學, 1987, 6 (1): 13-23.

[10] 李克強, 王修林, 閻菊, 等. 膠州灣石油烴污染物環境容量計算[J]. 海洋環境科學, 2003, 22(4): 13-17.

A preliminary study on water environment quality status and petroleum hydrocarbons environment capacity in the Guangxi Fanchenggang Bay

LI Xiao-wei1,2, HUANG Zi-mei1,2, FANG Long-ju3
（1. Ocean University of China, Qingdao 266003, China; 2. Beihai Ocean Environment Monitors Center Station of SOA, Beihai 536000, China;3. Guangxi Hydrology and Water Resources Bureau, Nanning 530023, China）

Environment capacity is an important index to assess the capacity of a given pollution. The limiting size of the given pollution to be released is based on the estimation of the environment capacity. In this study, the worst factor judgment method was used to analyze and evaluate the environment quality of the Fangchenggang Bay, based on the history observations. Simulation of the water exchange period was carried out. At last, by selecting the Petroleum hydrocarbons whose concentration exceeded the limiting size when evaluating the water quality, the environment capacity of Petroleum hydrocarbons in the Fangchenggang Bay was estimated by the improved standard concentration method. The results indicate that the water quality of the Fangchenggang Bay is good, and the capacity of Petroleum hydrocarbons is 2023 t/a, 51334 t/a and 92896 t/a under the first, third, and forth water quality standards, respectively.Keywords: Fangchenggang Bay; water environment quality; petroleum hydrocarbons; environment capacity

X145; X82

A

1001-6932(2010)03-0310-06

2009-07-06；

2009-10-25

國家海洋局南海分局局長基金 ( 0850)

李小維( 1981－)，男，湖北荊門人，工程師，在職研究生，主要從事海域使用論證和海洋環境影響評價工作，電子郵箱：leashoway@163.com