入海排污口選址生態適宜性分析與比選研究
——以深圳近岸海域為例

石　紅，翟雅男,李　媛，海熱提，劉　睿

(1.北京化工大學化學工程學院，北京 100029;2.北京化工大學北京市水處理環保材料工程技術研究中心，北京 100029)

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入海排污口選址生態適宜性分析與比選研究
——以深圳近岸海域為例

石紅1,2，翟雅男1,2,李媛1,2，海熱提1,2，劉睿1,2

(1.北京化工大學化學工程學院，北京 100029;2.北京化工大學北京市水處理環保材料工程技術研究中心，北京 100029)

摘要：入海排污口選址和方案比選對保護海洋環境資源，維護海洋生態系統安全起著非常重要的作用。針對近岸海域的區域特點，在廣泛咨詢與調研的基礎上，辨析入海排污口選址的影響要素，從水域納污適宜性和排污口工程建設可行性兩方面構建入海排污口選址的生態適宜性評價指標體系；通過專家咨詢與層次分析法相結合的方式確定單因子的權重，并采用生態適宜性方法進行綜合評價；最后以深圳固戌污水處理廠為研究對象，通過計算分析確定其最優的入海排污口位置。該研究可為入海排污口的選址提供技術與決策支持，對于科學地開展海洋環境管理具有重大意義。

關鍵詞：入海排污口選址；決策模型；適宜性分析；方案比選

改革開放以來，我國沿海地區成為了社會經濟高速發展和人口不斷積聚的熱點地區，市政生活污水、水產養殖行業廢水、各類工業廢水及港口交通設施廢水大量產生，最終都排入附近海域，給近岸海域環境帶來巨大壓力。據《2013年中國海洋環境狀況公報》統計的數據顯示[1]，2013年我國符合第二類、第三類和第四類海水水質標準的海域面積分別為47 160km2、36 490km2和15 630km2，劣于第四類海水水質標準的海域面積為44 340km2，其中入海直排源的貢獻不可小視；2013年實施監測的431個陸源入海排污口中，工業排污口占34%，市政排污口占38%，排污河占23%，其他類排污口占5%；3月、5月、8月和10月入海排污口達標排放比率分別為47%、49%、54%和52%，全年入海排污口的達標排放次數占監測總次數的50%。由于排污口設置論證缺乏統一的科學方法，審批和監管缺乏嚴格的依據，導致一些排污口設置不盡合理，混合區范圍和入海污染物總量的控制也不夠嚴格，有的排污口污染物遷移擴散不佳，有的距離敏感點太近，正常情況下則會引起污染問題，而一旦發生事故，更會釀成嚴重危害。

目前，我國在入海排污口選址的問題上尚未形成一套完整的技術方案，眾多學者對排污口選址問題進行的研究也僅僅是針對某一具體排污工程展開，并不具備區域的普適性。本文針對近海域的區域特點，在廣泛咨詢與調研的基礎上，辨析入海排污口選址的影響要素，首次構建了以水域納污適宜性和入海排污口工程建設可行性為基礎的入海排污口選址生態適宜性評價指標體系，并采用層次分析法與生態適宜性方法相結合的多目標決策模型，綜合考慮了海洋動力、擴散能力、生態風險、工程造價與安全等要素的影響來實現對各預選方案的優劣排序，確定最佳的排污口比選方案。本研究豐富了入海排污口比選的研究思路與方法，可為排污口選址提供技術與決策支持。

1入海排污口選址的影響要素

1.1水域納污適宜性分析

1.1.1排污混合區

排污混合區(也稱污染混合區)，是指污水排放口附近不滿足受納水體功能所要求的水質標準的空間區域，即環境管理中認可的污水排放口附近的允許超標區，一旦該區域范圍確定下來，一個排放口的污染物最大允許排放量也就確定了。

針對入海排污口污染混合區的面積大小和范圍的確定問題，目前學者們進行了大量的研究，如周富春等[2]采用二維水質模型，基于概化的數值區域，對污染混合區進行數值模擬，研究重慶主城兩江匯流口污染混合區變化規律，結果表明污染混合區范圍基本與排污負荷成正比；陳永燦等[3]采用量綱分析-數據擬合方法計算重慶江段桃花溪排污口的污染混合區范圍，并對其特性進行分析，結果顯示污染混合區范圍隨排污口排污負荷增大而增大，彎道外側、漸縮江段處排污口的污染混合區范圍比順直河段處排污口要小；王征等[4]采用三維數值模型EFDC對研究區域內污染物的超標面積進行模擬計算，結果表明支流回水區內排污口的混合區面積比干流河段處排污口要大，順直江段處的排污口的混合區面積較彎段內側處排污口要小，排污口應選在流速和水深較大的順直河段，避免選擇支流回水區；劉昭偉等[5]采用斜分層有限元模型計算了龍寶河和苧溪河排污口附近水域的混合區范圍，分析了水位流速、蓄水前后排污口的位置等影響因素，結果表明排污口所處位置不同，即使在排污負荷相同的情況下，形成污染混合區的范圍相差仍然很大；江春波等[6]計算了長江三峽水庫庫區主要城市排污口與重要支流匯流口附近污染水域的混合區范圍,結果表明當蓄水后，水面隨著水位上升變寬，流速減小，污染物的輸送擴散能力減小，當排污負荷不變時，水流流速與混合區大小成反比。

從以上研究中可見，污染混合區的面積大小和范圍與排污口位置、污水流量、污染物濃度、平均流速、平均水深、橫向擴散系數、背景濃度等因素有著重要的關系，此外污染混合區范圍也取決于總量控制目標、功能區敏感目標和綜合管理目標等條件。污染混合區范圍隨著排污負荷增加而逐漸增大，污染混合區長度與排污負荷基本成正比，其寬度與排污負荷也有著相同的增長趨勢。因此，采用污染混合區面積大小表征排污口附近水域對污染物的擴散降解能力，對指導岸邊排污口的設計、排污負荷的控制有著重要意義。

1.1.2生態風險

近岸海域不僅面臨由傳統污染物引起的水環境富營養化和耗氧有機物污染等問題，而且還面臨著近海水環境毒物污染，尤其是面臨有機毒物污染的挑戰[7]。因此，研究近岸海域的生態風險具有重要意義，而導致近岸海域生態系統退化的風險主要為累積性生態風險。

累積性生態風險指自然及人類活動中潛在的對人類健康和生態環境產生危害的行為，通常是指具備持久的富集性的有毒有害污染物，通過常規、日常排放進入到環境中，在環境介質或生物介質中長期累積可能造成的對生態系統損害的生態風險。由此可見，累積性生態風險指的是現有狀態(自然活動和人類活動)對未來發展(人類健康和生態和諧)所可能產生的不利后果。累積性生態風險包含的內容復雜，它是構成環境風險的基礎，也是環境風險的核心。通過整理相關資料可知，累積性生態風險主要由敏感/指示種生態風險、關鍵生物種群生態風險和生態系統風險來表示[8]。

1.2入海排污口工程建設的可行性分析

在進行入海排污口的設置時，除了需要考慮水域的納污適宜性之外，排污口的工程建設可行性也是需要考慮的因素之一。

1.2.1工程可行性

對于污水的離岸排放問題，目前的研究較少，僅有汪晨[9]以江蘇射陽海域作為重點研究區域，研究了開敞海域離岸排污口的選劃技術與方法,認為對開敞海域最佳離岸排污口的選劃，除了考慮海區的地形、水文條件外，還要考慮排海設施的建設成本、運行維護安全以及污水排放對海洋生態環境、敏感目標的影響，并最終確定影響要素為工程可行性、工程環境影響兩方面。對排放管道和污水擴散器來說，海床越穩定，工程越安全；反之，若海床沖淤變化較為強烈，則可能對排污設施造成損害。排污設施在施工、運營期間存在著各種風險，包括海底地震、滑坡等地質災害，以及由輪船碰撞排污設施造成的損害，所以還需考慮污水排放設施的建設成本。因此，在工程可行性要素中，選取海床穩定性、工程造價、工程風險作為工程可行性要素的3個評價指標。

1.2.2工程環境影響

在排污口選址的生態環境要素限制條件中，可以從陸域和海域兩方面進行分類。當污水從排污口排放進入海水之后，海域中的水生動植物原有的生長規律會受到一定的影響，當排污量與水質嚴重超出水生態的生存條件時，則會對水生態環境產生破壞性的影響，因此在進行排污口選址時，應當充分考慮滿足水生態環境保護的要求，并對影響排污口選址的生態環境要素展開全面調查。對于陸域的生態環境影響要素，主要要考慮排污口的選址對陸域受保護的生態敏感區的影響，包括對海岸重要保護區、旅游風景區以及居民生活區的影響；對于海域生態環境影響要素，則要考慮排污口的污水排放對重點漁業水域、海洋重要保護區的影響。因此，在對入海排污口選址進行生態適宜性分析時，所構建的評價指標主要包含了水域納污適宜性和排污口工程建設可行性兩個方面。水域納污適宜性評價指標體系具體指標有：與環境功能區劃的一致度、與海洋環境保護法規定的一致度、允許混合區面積大小、生態風險指標；排污口工程建設可行性評價指標體系具體指標有：海岸沖淤情況、管道敷設長度、污水入海方式、近20年5級以上地震次數、每年發生臺風暴潮次數、排水管路徑上有無海底電纜、距海岸重要保護區距離、距旅游風景區距離、距居民生活區距離、距海洋重要保護區距離、距重點漁業水域距離。

2入海排污口選址與方案比選

2.1入海排污口選址與方案比選的原則

入海排污口優化選址應按照可持續性發展戰略，注重海洋生態系統功能的維持與優先發展，為居民生活環境改善與經濟發展提供良好的生態環境支持。首先，要考慮與環境功能區劃一致的原則，使排污口設置遠離生態敏感區；其次，污染混合區面積大小是排污口選址布局的關鍵因素，通過對污染混合區面積大小進行模擬來表征排污口附近水域對污染物的擴散降解能力，實現不僅能充分利用海域的稀釋擴散與自凈能力，而且能有效保護生態敏感區域的目標；再次，從環境風險管理的角度出發，考慮入海排污口的超標排放對生態環境所造成的潛在威脅，將生態風險減少到最低限度，維護生態環境的穩定，保障和提高生態環境的安全度；最后，要考慮技術經濟可行原則，充分論證排污口位置的變化及排放強度的約束而可能導致的收集與處理費用的增加，尋求有效利用污染混合區范圍，節省污水收集與處理費用，實現經濟效益的最優[10-12]。

2.2入海排污口選址生態適宜性評價指標體系構建

2.2.1水域納污適宜性評價指標體系

根據入海排污口選址與方案比選的目標和原則，以及現行的排污口批復相關規定，確定水域納污適宜性分析的評價指標體系(見表1)，綜合污染污染混合區面積大小[2-6]、生態風險指標[7-8]、海洋功能區劃等限制因子，進行排污口位置的確定。

2.2.2入海排污口工程建設可行性評價指標體系

在排污口工程建設可行性分析的評價指標體系中，主要考慮到工程可行性和工程環境影響兩個評價要素，每層下面又有具體的限制因子，其評價指標為11項，詳見表2。

表1　水域納污適宜性分析的評價指標體系

表2　入海排污口工程建設可行性評價指標體系

2.3入海排污口選址的生態適宜性分析

2.3.1入海排污口選址的生態適宜性分析步驟

(1) 確定研究對象與單元。根據研究目標要求確定要分析的對象與研究單元，研究單元通常采用劃分網格的形式確定，每個網格作為一個基本的評價單元[12-14]。

(2) 選取評價因子及分級。考慮差異性、主導性、綜合性、代表性，選取能全面反映研究對象狀況、具有當地特色且與評價目標密切相關的因素作為評價因子，即為構建的評價指標體系中準則層、指標層中所列要素，并在廣泛調研的基礎上，參考相關規定，采用適當的準則，對評價單元的評價因子按照指標體系評分標準進行評分分級，分為適宜、基本適宜和不適宜三個級別，對應的評分分值為3分、2分、1分[15]。

(3) 分析單因子適宜性。確定各個研究單元中各單因子適宜性分布[16]，并用如下公式表示：

(4) 確定各單因子的權重值。在對入海排污口優化選址進行適宜性分析時，單因子指標權重采用層次分析法[16]來確定。首先建立層次結構模型，依據同一層次的各項指標的相對重要性程度，針對上一層的準則構造判斷矩陣，重要性判斷結果的量化通常采用1～9標度，采用專家評分法可得到判斷矩陣，并進行一致性檢驗，各單級具體指標的權重即為判斷矩陣的最大特征根對應的特征向量；然后將各級指標單級權重連乘，得各項細分指標的綜合權重[17-18]；最后得到單因子的權重向量Wk。

(5)綜合分析排污口適宜性。通過綜合加權可計算得到研究區域內每個網格的適宜性強度：

式中:V為研究區域內每個網格的適宜性強度分布；bij為研究區域中第ij個網格的適宜性強度。

2.3.2入海排污口選址生態適宜性分析結構模型

設總目標層為M，二級目標層為A，準則層為B，指標層為C，構建入海排污口選址生態適宜性分析結構模型，并采用層次分析法[18]確定各指標權重，見圖1。

圖1　入海排污口選址生態適宜性分析結構模型Fig.1　Hierarchy model of ecosystem suitability analysis for location of marine outfalls

2.3.3入海排污口選址生態適宜性評價指標體系的評分標準

由于各指標對入海排污口選址的影響方式不同，所以對每個單因子指標依據相應的保護條例及標準進行評價分級，詳見表3。

表3　入海排污口選址生態適宜性評價指標體系的評分標準

注：允許混合區面積大小近區污染物模擬采用VisualPlumes軟件，模擬因子為CODCr，遠區污染物彌散系數采用FVCOM模型的結果進行校正;評分標準參考《近岸海域環境功能管理辦法》、《2013年環境質量公報》、《城市排水工程規劃規范》、《城市基礎設施工程規劃實用手冊》以及相關風景區保護條例、近岸水域的具體狀況及計算結果，按照指標的大小劃分排污口選址的適宜程度。

2.4入海排污口選址與方案比選流程

入海排污口選址與方案優化比選流程為(見圖2)：首先根據海岸地形特點、水深條件、水質狀況、海流流速、敏感區分布特征等，確定預選排污海區；然后采用層次分析法確定各單因子的權重值；最后利用線性加權綜合評價模型對各個預選方案進行綜合評價。

圖2　入海排污口選址與方案優化比選流程Fig.2　Site selection and scheme optimization process　　　of marine outfalls

3案例——深圳近岸海域入海排污口選址生態適宜性分析與比選

3.1珠江河口及預選排污海區概況

3.1.1珠江河口水質狀況

珠江河口附近海域主要污染物為無機氮、活性磷酸鹽和石油類。其中，無機氮含量均超過《海水水質標準》(GB3097—1997)第四類水平；活性磷酸鹽含量處于《海水水質標準》第四類或劣四類水平；局部海域石油類含量處于《海水水質標準》第三類水平；其他指標處于《海水水質標準》第一類或第二類水平。

2013年對珠江口入海污染物監測顯示，由珠江八大口門徑流攜帶入海主要污染物的總量為93.06萬t。其中，化學需氧量53.62萬t，約占總量的57.62%；氨氮(以氮計)1.50萬t，約占總量的1.62%；硝酸鹽氮(以氮計)31.89萬t，約占總量的34.27%；亞硝酸鹽氮(以氮計)2.57萬t，約占總量的2.76%；總磷(以磷計)2.01萬t，約占總量的2.17%；石油類1.13萬t，約占1.21%；重金屬0.3萬t和砷0.045萬t，共占0.35%。

近十年來珠江口生態監控區生態系統多數處于不健康狀況，浮游植物種類多樣性指數和均勻度水平較差，浮游動物個體數量、生物量和多樣性指數近年來有下降趨勢。珠江口生態系統存在的主要問題是受陸源排污及海上污染雙重影響，水質的富營養化狀況尚無改善，生物群落狀況不樂觀，漁業資源衰退，濕地退化現象日趨嚴重，環境調控和修復的速度嚴重滯后。目前珠江口已成為我國船舶溢油的高風險區和赤潮多發區，整個河口生態系統承受的壓力仍在增大。

3.1.2預選排污海區概況

本案例選取深圳寶安區固戌污水處理廠進行研究。固戍污水處理廠工程總投資2.7億元，規劃建設面積約31.67×104m2，一期設計規模為24萬t/d，采用改良A2/O二級生化處理工藝，出水可達到國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級B標準，附近水質控制達到《海水水質標準》Ⅲ類標準(CODCr值為4mg/L)。

本次研究中，根據海岸地形特點、水深條件、水質狀況、水流流速、敏感區分布特征等，確定了7個預選排污海區，預選排污海區的地理位置、環境條件和資源分布詳見圖3和表4。

圖3　預選排污海區地理位置及污水處理廠周圍水深Fig.3　Pre-selected sewage discharge areas and　　　depth around sewage treatment plants

3.2排污口選址生態適宜性分析

對該排污口選址生態適宜性評價指標體系中17個評價指標的權重進行計算后，依據權重計算結果對總目標7個預選排污海區的定量選擇基準進行確定，得出7個預選排污海區方案評分值見表5。

排污海區適宜性強度計算如下：

表4　預選排污海區位置、環境條件和資源分布

說明：海岸地形特點、濕地分布、風景名勝區、漁業水產資源等分布情況來自廣東省農業規劃局和《2013年廣東省環境質量公報》；水質狀況、水流流量監測數據來自當地環保局。

表5　各預選排污海區方案評分值

由上述計算結果可知，A區、B區C區、D區、E區、F區、G區的生態適宜性強度分別為2.916 2、2.887 5、2.918 6、2.931 1、2.822 2、2.933 2、2.916 7，7個預選排污海區生態適宜性強度大小排序為：F區>D區>C區>G區>A區>B區>E區。

3.3排污海區比選

通過對7個排污海區的生態適宜性進行分析可知：A區離污水處理廠距離較近，屬于近岸排放，排污管道工程投資成本較小，但是該區水深約為3m，水深較淺、水流流速較小，導致水的稀釋擴散能力較差，而且A區又離岸邊生活區較近，將對珠江口深圳海域的環境造成較大影響，所以A區不適宜建設排污口；B、C、D三區水深約為5m左右，水的稀釋擴散能力相比海岸附近較好，就對敏感區域影響而言，以D區最優，其次是C區，但B區不適宜；E、F、G區同處于10m左右的水深范圍內，稀釋能力相差不大，E區離小鏟島附近的幼魚幼蝦保護區較近，污水在E區排放會對附近水域的漁業水產資源造成一定的威脅，而且該區距離污水處理廠約3.7km，排污管線耗資大，又處于灣口航道區，因此不適宜建設排污口，而F、G區離敏感區域較遠，相比之下，F區排污管道長度較G區短，其耗資較少。

綜上所述，深圳珠江口沿岸固戌污水處理廠的污水不適宜岸邊排放，應當通過海底管道將排污口設置在深海，當排污位置選在F區時，可實現環境、經濟、社會三個效益的協調統一。

4結論

深圳珠江口水域面積達8 000km2，污水排海位置選擇不可能涉及每一處海區，應該采取先定性預選后定量計算的決策方法。首先根據海岸地形特點、水深條件、水質狀況、敏感區分布特征等，確定7個預選排污海區；然后通過所構建的入海排污口選址生態適宜性評價指標體系，從水域和陸域兩方面對水域納污適宜性和入海排污口工程建設的可行性進行分析；最后采用生態適宜性方法進行綜合評價，確定最佳排污海域的位置。通過定性和定量的優化選擇，可實現水、陸、岸統籌考慮，將中觀尺度的適宜性分析與微觀尺度的精準動態模擬有機結合，將局部改善與整體優化相結合，實現排污口選址與排放方案的比選。

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Ecology Suitability Evaluation and Comparison for the LocationofMarineOutfalls—ACaseStudyofCoastalAreasinShenzhenCity

SHIHong1,2,ZHAIYanan1,2,LIYuan1,2,HAIReti1,2,LIURui1,2

(1.School of Chemical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;2.Engineering Research Center of Environment Material for Water Purification,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

Abstract:The location of marine outfalls plays a vital role in protecting marine environment resources and maintaining marine ecosystem security.Considering regional characteristics of coastal water,on the basis of extensive consultation and investigation,this paper first identifies the factors affecting the location.Then,based on suitability evaluation of sewage assimilation of water areas and feasibility evaluation of outfall construction,the paper constructs the evaluation index system of ecology suitability of marine outfalls location,and choses analytic hierarchy process (AHP) to decide the weights of the eco-suitability indices.Next,the paper proposes the eco-suitability method for comprehensive evaluation.Finally,the paper takes Shenzhen GU-Xu sewage treatment plant as a case study,determines the optimal locations of marine outfalls through computational analysis.The research can provide technical and decision-making support for the selection of the marine outfalls,and has great significance for scientifically developing marine environmental management.

Key words:location of marine outfalls；decision-making model；ecology suitability evaluation；scheme comparison

文章編號：1671-1556(2016)03-0075-08

收稿日期：2015-08-20修回日期：2016-01-18

基金項目：環保公益性行業科研專項項目(201309006)

作者簡介：石紅(1990—)，女，碩士，主要研究方向為環境科學與工程。E-mail:shihong3452@163.com

中圖分類號：X826

文獻標識碼：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.013

通訊作者：李媛(1980—)，女，副教授，主要從事環境科學與工程方面的研究。E-mail：yuanli@mail.buct.edu.cn