環渤海排污口臨近海域水交換能力研究＊

張宇銘，宋朝陽，吳克儉＊＊，張淑芳

（1.中國海洋大學物理海洋實驗室，山東 青島266100；2.國家海洋環境監測中心，遼寧 大連116023）

渤海作為我國最大的內陸海，以有限的海洋資源為沿海地區創造了巨大的經濟財富。然而，經濟和社會快速發展的1個負面影響是自然環境的污染與破壞。前人的研究結果顯示，渤海沿岸海域污染嚴重，海洋生態環境遭到嚴重破壞，赤潮等災害頻發[1]，而陸源排放，包括排污口排污和入海河流排污等，是渤海污染物的1個主要來源[2]。在對陸源入海排污口進行管理和整治時，如何在不影響經濟發展的前提下實現改善海洋環境的目的成為沿海各級政府部門關心的重要問題。由于海洋本身有一定的自凈能力，海洋可以通過自身的物理、化學和生物的作用，使污染物的濃度自然地逐漸降低。因此海洋行政部門可以在排污口臨近海域的海水自凈能力的基礎上探討陸源入海排污口的減排方案，根據海洋水動力條件合理分配排污量和規劃排污時間。

前人對入海排污口臨近海域水交換及物理自凈能力進行了一系列的研究。從研究方法的角度大體可分為兩類：一是基于水質濃度模型分析在不同的排污量下的污染物擴散情況[3－4]，計算環境容量，以對排污量進行合理分配；二是利用質點追蹤方法分析入海污染物的輸運軌跡[5－6]，分析結果可對排污口選址起到一定的指導作用。然而前人的研究多針對小區域內的特定排污口進行分析，如果考慮較大區域和排污口密集的情況，上述評價方式將會失效。本文在質點追蹤方法的基礎上改進了前人的量化評價指標，定義了影響距離的概念，在歸并排污口的基礎上分析了環渤海主要排污口鄰近海域的水交換狀況。若排污口附近水交換狀況良好，則污染物可通過海水的對流擴散作用迅速遠離排污口，與外海水混合，以實現排污口臨近海域的自凈；反之，污染物將在排污口附近堆積，造成海洋環境的惡化。因此該研究可為相關海洋環境管理部門對各排污口排污量的分配以及未來排污口的選址提供參考。同時本文探討了季節和潮汐對排污口臨近海域水交換能力的影響，以期為管理者規劃設閘排污口的開閘排污時間提供一定的參考依據。

1 渤海三維水動力模型

本文利用區域海洋模式ROMS（Regional Oceanic Modeling System）建立渤海三維水動力模型。模型的計算范圍為整個渤海與部分北黃海，水深數據來自渤海海圖，網格分布與地形見圖1。除東邊界為開邊界外，其他均為閉邊界。模型垂向為S坐標系統，均勻分為10層。

圖1 模型計算網格與地形Fig.1 Model grid and bathymetry

計算區域的初始條件涉及水位、流速、溫度和鹽度的初始值。由于水位和流速對外界動力響應較快，初值均取為零；溫度初值和鹽度初值按照《渤海、黃海、東海海洋圖集》[7]的溫鹽分布插值得到。渤海海峽設置為開邊界，并以水位變化作為模式的驅動，開邊界不考慮入流及溫度、鹽度。在本模式中取8個分潮來計算水位，包括 M2、S2、K1、O1、K2、N2、P1和 Q1。其中M2、S2、K1、O1分潮的調和常數來自《渤海、黃海、東海海洋圖集》，K2、N2、P1和Q1分潮的調和常數由華東師范大學河口海岸國家重點實驗室基于FVCOM建立的東中國海模型的潮汐計算結果[8]線性插值得到。模型中采用的海氣熱通量及風應力驅動數據由NCEP再分析資料根據塊體公式[9]計算得到。黃河、海河、遼河的總流量占渤海淡水輸入的80%[10]，是渤海最主要的3條河流，因此模型中選用這3條河流的流量數據作為模型的點源輸入數據。河流流量數據來自國家水利部發布的《中國河流泥沙公報》[11－17]，鹽度統一取為1。為了使模式更貼近渤海近幾年的實際情況，本文采用2001—2010年多年6h平均的海表通量和風應力數據以及2003—2009的多年月平均河流流量數據循環驅動模型，模式積分24個月達到穩定。垂向采用GLS[18]紊流封閉方程。

圖2為ROMS模擬得到的M2、S2、K1、O1分潮的等振幅線和同潮時線，模擬結果與《渤海、黃海、東海海洋圖集》較為相似。M2分潮振幅在渤海最大可達1.2m左右，其他分潮振幅均在0.5m以下。

圖2 渤海 M2（a）、S2（b）、K1（c）、O1（d）分潮等振幅線（紅線；單位：cm）和同潮時線（藍線；單位：度）Fig.2 Co－tidal lines（blue line，unit：degree）and iso－amplitude lines（red line，unit：cm）for M2（a），S2（b），K1（c）and O1（d）tidal components in the Bohai Sea

2010年5～6 月和9～10月分別在金州－普蘭店灣和渤海灣進行了海流的半個月連續觀測。測流儀器為海床基固定的ADCP，垂向間隔為1m，時間間隔為1h，站點位置見表1。其中J3、J4分別位于遼寧省附近的普蘭店灣和金州灣，H7位于渤海灣。通過對模擬結果與大、小潮期間底層監測海流數據進行對比可知（見圖3），該模型可以較好地模擬海流情況。

2 排污口臨近海域水交換狀況評價

2.1 方法介紹

《2008年渤海海洋環境質量公報》顯示，本年度國家海洋局共監測了96個環渤海入海排污口。考慮到環渤海入海排污口數量較多，對臨近海域水交換狀況評價帶來不便，因此首先將環渤海主要入海排污口按位置歸并至31個點（見圖4）。各歸并點代表其附近的若干排污口，并將行政邊界作為劃分歸并點的界限，即各歸并點不跨省代表排污口。

表1 監測站點位置Table 1 Observation stations location

圖3 站位J3、J4、H7底層實測（線）與模擬（點）流速、流向對比Fig.3 Comparison of observed（line）and calculated（point）current speed and direction of the bottom layer at station J2，J3and H7

假設在歸并點附近存在1個初始高污染區，本文通過Lagrangian質點追蹤的方法計算位于初始高污染區的質點經過一段時間所能到達的最遠距離，并將其定義為影響距離。若影響距離較大，證明水交換能力較強。以此來評價各歸并點所代表的排污口臨近海域的水交換狀況。

Lagrangian質點追蹤方法通過如下方程進行質點軌跡的求解：

圖4 歸并點位置Fig.4 The location of the attaching points

本文為了體現季節和潮汐對排污口臨近海域水交換狀況的影響，釋放質點的時間定為三維水動力模型計算穩定后的夏季（7月）大潮、夏季小潮、冬季（1月）大潮和冬季小潮。由于歸并點分布于渤海沿岸的不同區域，大、小潮時間略有差別，所以各歸并點釋放質點的時間起點是根據數值模擬得到的該點附近的水位數據篩選而定。從選定的時間起點開始，每2h釋放一次質點，持續1d（即13次），這種方式也比較符合多數排污口連續排污的特點。由于對排污方式（表層排污還是底層排污）的不確定，本文選取垂向網格的第1、3、5、7、9層釋放質點。

為了定量地評價排污口臨近海域的水交換能力，本文定義從釋放首個質點的時刻起30d之內全部質點所達的最遠距離為“30d影響距離”，以符號D30表示。對于1個指定的排污口，30d影響距離的計算如下：從釋放首個質點起的30d內，每天計算1次從表層到底層的所有質點距離排污口的位置，并得到當天的質點到達最遠距離，將這30d的最大距離定義為30d影響距離。

2.1.1 初始高污染區范圍的敏感性實驗 在渤海三維水動力模型的基礎上，在各歸并點附近選取距離最近的N個水平網格點代表該歸并點的初始高污染區，通過進行敏感實驗選取N值。渤海三維水動力模型采用的是正交曲線網格，導致了不同歸并點附近網格密度有所差別，本文采用敏感實驗檢驗N值的選取對結果在多大程度上有影響。隨機選取了2個歸并點（8、24號歸并點），在其附近分別選擇距離最近的10、6和3個網格點，并按照上述方式在夏季大潮持續1d釋放質點。結果顯示（見圖5），初始選取水平網格點的個數對于模型計算30d質點所達到的最大距離影響很小，而模型計算30d質點所達范圍內的質點密度和影響范圍略有差別，然而該項指標并不影響對排污口臨近海域水交換狀況的評價。因此綜合考慮計算資源等問題，本文在水平上選取距離歸并點最近的6個網格點作為初始高污染區，并在此釋放質點。

圖5 夏季大潮30d影響范圍Fig.5 The 30－day influence distances in the period of spring tide in summer

2.1.2 質點釋放時間的敏感性實驗 考慮到質點追蹤方法存在一定的隨機性，在同一時刻、同一位置釋放質點可能出現不同的運動路徑，因此實驗結果的可重復性關系到方法的有效性和結論的可靠性。本文在模擬夏季大潮期間，進行了2次質點釋放實驗，質點釋放方式見上文（即在N＝6的初始高污染區內選取垂向5層，并持續1d釋放質點）。2次實驗的首個質點釋放時間均位于大潮最大水位出現附近，兩者相差24h，以評估質點釋放時間對于結果的影響。經過對比，2次實驗中31個歸并點的30d影響距離幾乎一致。在統計意義上，2次實驗得到的1～31號歸并點30d影響距離的標準偏差僅為0.46%，說明在1次潮汐過程中，質點釋放時間相差24h不會引起30d影響距離的計算結果出現大的偏差，從而證明了該方法對于評估水交換能力的可靠性。

2.2 模擬結果分析

從釋放首個質點的時刻起30d之內全部質點所達的最遠距離即為30d影響距離D30。對于1個指定的排污口，30d影響距離的計算如下：從釋放首個質點起的30d內，每天計算一次從表層到底層的所有質點距離排污口的位置，并得到當天的質點到達最遠距離，取這30d的最大距離定義為30d影響距離。由于模型計算區域有限，對于30d內質點運移已到達計算邊界的排污口，其影響距離在表2中以“＞”（大于）的形式表示（如29、30、31號歸并點）。

由表2可見，位于遼東灣頂（遼寧省管轄海域）的5號歸并點的平均30d影響距離最小，僅為40.39km，說明該點所代表的排污口臨近海域水交換能力最差，這意味著該排污口的入海污染物極易在排污口臨近海域堆積，造成近岸水環境的惡化。其他影響距離較小的有位于河北省管轄海域的22號歸并點和位于山東省管轄海域的23號歸并點，2個排污口位于河北與山東交界處。對于這類臨近海域水交換能力差的排污口，應采取相應的措施限制其排海污染物總量，如提高污水處理技術等，同時新建排污口應避免在其附近選址。

平均30d影響距離最大的是位于河北省的9號歸并點。說明該歸并點所代表排污口的污水在排放后可以迅速遠離排污口，與海水進行混合，從而降低排污口附近的污染物濃度。其附近的8、10號歸并點的30d影響距離也較大。然而，影響距離較大并不意味著該排污口可以肆意排污，因為海水的納污及自凈能力是有限的。本文僅從水動力角度分析水交換能力，但排污量的設定還需綜合考慮海洋功能區劃的要求等多方面因素。

2.2.1 大、小潮對排污口臨近海域水交換能力的影響

由表2可見，總體上，大潮期所釋放質點的影響距離相對于小潮期的影響距離更大，但是夏季有8個歸并點（1、2、5、14、16、17、25、26）例外，冬季有6個歸并點（2、5、13、24、25、29）例外。

從水動力角度分析，大潮期釋放的質點在最初的幾天時間運移距離較遠。相對而言，離岸越遠，質點本身的運動能力就越強。因此大潮期釋放的質點迅速離岸后獲得更強的運動能力，從而導致其影響距離相對于小潮期更大。但是由于地形、岸線等其他因素的影響，個別歸并點也出現了例外的情況。

表2 30天影響距離Table 2 30－day influence distances /km

為了表征大、小潮對于30d影響距離的作用，定義了大潮相對于小潮的距離增加率Rtide

對滿足大潮影響距離大于小潮影響距離的歸并點，分別按照上述定義計算夏季和冬季的大小潮距離增加率Rtide，并對所有歸并點取平均，得到大小潮影響的平均距離增加率為15.8%，意味著大潮期所釋放質點的影響距離相對于小潮期所釋放質點的影響距離有15.8%的提高。因此，對于滿足該特性的歸并點所代表的排污口可以通過設閘的方式控制污染物的排放時間和排放量，以達到降低污染的目的。

2.2.2 季節對排污口臨近海域交換能力的影響 季節對排污口臨近海域水交換能力的影響主要體現為季風對流場的影響。

將無風情況和季風作用情況下排污的30d影響范圍進行對比可知（見圖6，7），在季風和岸線的聯合作用下，7～24號歸并點均體現為夏季的30d影響范圍位于歸并點偏北側，而冬季的30d影響范圍位于偏南側，這是由于渤海在東亞季風的影響下，夏季盛行東南風，冬季盛行西北風。由Ekman理論可知，對于海面邊界層，北半球的風引起向右的體積輸送。

此外，當排污口位于海域的上風向時，污染物有更大的空間擴散，因此影響距離會更大。由圖4可知，位于渤海西北（遼寧及河北沿岸）的6～12號歸并點在冬季處于渤海的上風向，而夏季處于渤海的下風向，因此6～12號歸并點冬季30天影響距離大于夏季（見表2）。

圖6 7號（a）、11號（b）、24號（c）和29號（d）歸并點的30d影響范圍Fig.6 The 30－day influence scopes of No.7（a），11（b），24（c）and 29（d）attaching point

圖7 無風情況下7號（a）、11號（b）、24號（c）和29號（d）歸并點的30d影響范圍Fig.7 The 30－day influence scopes of No.7（a），11（b），24（c）and 29（d）attaching point under windless condition

3 結語

本文將環渤海主要排污口按位置劃分至31個歸并點，在渤海三維水動力模型的基礎上，利用質點追蹤的方法研究了初始高污染區的30d影響距離，并以此作為排污口臨近海域水交換能力的衡量標準。若計算得到的30d影響距離較大，說明該歸并點所代表的排污口的污水在排放后30d運移距離較遠，臨近海域水交換能力強；反之，則水交換能力弱，大量污染物易聚集，水環境易惡化。

通過在夏季大潮、夏季小潮、冬季大潮、冬季小潮4個時間段釋放質點，研究了季節和潮汐對影響距離的作用?？傮w上看，大潮期的30d影響距離大于小潮期，說明大潮期間入海排污口臨近海域的水交換能力更強。管理部門可據此對排污行為進行合理性規劃，控制排污口的污水排放時間和排污量，如大潮期間適當增加排污量，小潮期間相對減少排污量等，以使污水可以盡快擴散，降低污染危害。然而，上述建議只適用于設置閘門的排污口，而現階段環渤海入海排污口并非均設置了閘門。顯然，以設置閘門的方式對排污行為進行控制對海洋環境保護有積極意義。因此，首先應建議管理部門對入海排污口增設閘門，進而對排污行為合理規劃。

環渤海入海排污口臨近海域水交換能力存在明顯的季節變化，在東亞季風的作用下，各歸并點附近釋放的污染物在擴散范圍、方向和距離上于冬季和夏季存在明顯差別。然而本文在季節分析方面具有一定的局限性，主要原因在于渤海冬季海冰覆蓋率較高，而本文并未考慮海冰的作用，因此冬季的分析結果可能存在較大偏差。

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