大連灣海域排污狀況分析及防治

趙 輝

（大連市生態(tài)環(huán)境事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116023）

1 研究背景

海洋占地球表面積的71%，是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，對(duì)人類的發(fā)展至關(guān)重要。然而海洋資源開發(fā)程度高的同時(shí)，排污問題也會(huì)隨之而來。隨著我國(guó)沿海城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，濱海城市工業(yè)廢水和生活污水所攜帶的污染物相應(yīng)增加，近岸海域環(huán)境質(zhì)量污染呈加劇趨勢(shì)[1]。排污是否超量，如何防治海域污染成為許多臨海城市尋求可持續(xù)發(fā)展的重要課題。大連灣位于遼東半島最南端，其岸線長(zhǎng)125 km[2]，是北方最大的水產(chǎn)品交易中心，海域資源高度開發(fā)，有較高的生態(tài)敏感性；大連市有近600萬人口，排污量大；大連灣為半封閉性海域，海水交換周期長(zhǎng)，水體內(nèi)無機(jī)氮，無機(jī)磷等含量較高[3]，這些都給大連灣的污染防治工作帶來極大的考驗(yàn)。該文對(duì)大連灣附近的排污狀況進(jìn)行了量化分析，并通過數(shù)學(xué)模型等手段分析污染物的演變規(guī)律，這些模型可以合理推斷污染物對(duì)相關(guān)海域的影響，以及對(duì)相應(yīng)防治策略的有效性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 研究對(duì)象與研究思路

2.1 研究范圍

該文主要研究了大連灣海域的排污及防治措施。大連灣海域隸屬于大連市甘井子區(qū)，根據(jù)《海灣志》對(duì)大連灣海域的劃分，結(jié)合環(huán)境管理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我們研究的區(qū)域范圍是東經(jīng) 121°36'—121°52'，北緯 38°55'—39°4'，總研究海域面積為161 km2。

2.2 研究方法

該文認(rèn)為，科學(xué)防治大連灣海域污染大致分為3個(gè)步驟。1）基于數(shù)據(jù)分析大連灣排污現(xiàn)狀，根據(jù)污染狀況的比例，找出重要的污染源。2）建立數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)大連灣水質(zhì)的演化規(guī)律，對(duì)無干預(yù)情況下大連灣水域的發(fā)展演化做出預(yù)測(cè)。3）提出科學(xué)防治的措施，結(jié)合數(shù)學(xué)模型分析為什么相應(yīng)的措施可以有效解決污染狀況。該文的研究思路框圖如圖1所示。

圖1量化分析研究策略

3 大連灣污染物數(shù)據(jù)分析

根據(jù)2016年監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，大連灣廢水排量為50 325萬噸，其中18 892萬噸來自工業(yè)源排放，25 510萬噸來自生活源，剩余5 923萬噸來自降雨徑流排放。各種廢水排放的源頭比例情況如圖2所示。

圖2 大連灣陸源廢水排放量分布

大連灣總氮排放量為9 293 t，其中627 t為工業(yè)源排放，7 352 t為生活源排放，1 314 t位降雨徑流排放，各源頭總氮排放量如圖3所示。

我們也對(duì)其他幾種污染物進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，大連灣化學(xué)需氧量（COD）排放為53 951 t，其中4 264 t為工業(yè)源排放，37 466 t為生活源排放，12 321噸則來自于降雨徑流排放;氨氮排放總量為4 702 t，其中111 t來自工業(yè)源排放，3 814 t來自生活源排放，777 t為降雨徑流排放;總磷排放量為613 t，其中27 t來自于工業(yè)排放，489 t來自于生活排放，而97 t來自于降雨徑流排放。

圖3 大連灣陸源總氮排放量分布

從大連灣各種污染物排放源頭的數(shù)據(jù)來看，生活源是大部分污染物的主要來源，其次是降雨徑流，然后是工業(yè)源，但是對(duì)于廢水排放來說，工業(yè)源排放遠(yuǎn)大于降雨徑流排放。從污染物來源的數(shù)據(jù)分析可以看出，生活源是污染防治的重點(diǎn)，然而對(duì)于廢水污染的防治，工業(yè)源的污染減少也十分重要。

4 污染物傳播模型與數(shù)值模擬

在上一節(jié)中，我們統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析了水中污染物的來源，可以幫助我們從源頭處防治，減少污染物排放。然而污染程度不僅僅取決于排放狀況，相關(guān)環(huán)保指標(biāo)依賴于排放污染物在海域內(nèi)濃度，因此了解污染物在水中擴(kuò)散規(guī)律至關(guān)重要。該文提出了基于數(shù)學(xué)模型來模擬各種污染物在大連灣內(nèi)擴(kuò)散狀況，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，我們可以對(duì)海域內(nèi)污染物的濃度及擴(kuò)散趨勢(shì)進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，掌握科學(xué)防治的重點(diǎn)，也可以嘗試采取不同措施對(duì)濃度的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而判斷措施的有效性。

污染物擴(kuò)散模型基于三維流場(chǎng)模型，在近岸海域內(nèi)，污染物會(huì)隨著海水輸運(yùn)擴(kuò)散，在運(yùn)輸過程中自然衰減，同時(shí)源頭處又不斷有新的污染物輸入，使得整個(gè)過程變得非常復(fù)雜。物理上，我們用偏微分方程來描述以上污染物擴(kuò)散規(guī)律。根據(jù)水質(zhì)模型，在近岸處污染物的排放滿足以下方程：

式中：x，y為二維平面坐標(biāo)，t為時(shí)間，S為任意時(shí)刻污染物的濃度，S0為污染物排放濃度，ζ表示海面水體上升的高度，H為靜水面下水深，D、w在以三角形節(jié)點(diǎn)為中心的控制體上計(jì)算，而u和v則基于三角形單位控制體。Kh和Ah為波流聯(lián)合作用下的垂向紊動(dòng)系數(shù)和水平湍流擴(kuò)散系數(shù)，可以根據(jù)疊加法得到。

結(jié)合邊界條件，我們可以對(duì)偏微分方程離散化，使用有限差分或者有限元方法來得到迭代格式，然后通過Matlab進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬的結(jié)果是，我們可以得到任意時(shí)刻，污染物濃度在海域內(nèi)不同位置的數(shù)值，了解不同時(shí)間段海域內(nèi)污染物的濃度，判斷污染程度S。基于水動(dòng)力模擬模型，我們以無機(jī)氮濃度為例進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)不同時(shí)間段大連灣海域附近的無機(jī)氮濃度，結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)過對(duì)比，數(shù)值模擬的結(jié)果和真實(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果類似。我們可用同樣的方法，對(duì)磷、氨氮等污染物進(jìn)行類似的預(yù)測(cè)，根據(jù)邊界條件、污染物排入、海域特點(diǎn)等預(yù)測(cè)海灣各處污染物濃度。

5 大連灣海域排污防治建議

在前面兩節(jié)，我們提出數(shù)據(jù)分析的方法和數(shù)學(xué)模型方法來分析污染物的源頭以及污染物在大連灣海域內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律，可以根據(jù)這些量化手段來合理防治。

5.1 污染物入海排污源頭總量控制

首先可以對(duì)污染入海的源頭進(jìn)行控制，針對(duì)每種污染物，根據(jù)污染物來源統(tǒng)計(jì)，對(duì)每種源頭的總量進(jìn)行確定，例如對(duì)于無機(jī)氮控制，應(yīng)主要考察并限制生活來源的氮排放，而對(duì)于廢水污染，同時(shí)考察和限制生活來源廢水排放和工業(yè)源廢水。首先根據(jù)大連地區(qū)排污口分布，對(duì)大連各地區(qū)排污總量加以限制。可將調(diào)整口的排污量代入上一節(jié)的擴(kuò)散模型中，檢驗(yàn)海域內(nèi)污染物是否超標(biāo)。

圖4 大連夏季雨后灣海域無機(jī)氮濃度分布數(shù)值結(jié)果

5.2 排污分配方法

在大連灣的排污總量合理的前提下，可以綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，來分配入海污染物允許排放量和消減量。依據(jù)“陸海聯(lián)動(dòng)、海陸統(tǒng)籌”的原則、重視歷史和現(xiàn)狀的原則、兼顧公平和效益的原則等，從目前廣泛應(yīng)用的等比例分配法、動(dòng)態(tài)層次分析法和基于容量總量分配法中選取等比例分配法作為分配方法。確定分配方法后，可以用上一節(jié)的方程模型來預(yù)測(cè)相應(yīng)分配策略下海域各處污染物濃度是否達(dá)標(biāo)。

我們建議可以指定討論減排方案，這些方案會(huì)影響模型中的邊界條件和污染輸入項(xiàng)，從而影響模擬的結(jié)果，對(duì)相應(yīng)措施的效果進(jìn)行分析。

6 結(jié)論

大連灣是大連市工業(yè)廢水和生活污水的主要受納海域[4]，其環(huán)境治理極其重要。量化分析是多個(gè)學(xué)科的基石，通過量化分析，我們往往可以找出解決問題的關(guān)鍵，并且預(yù)測(cè)相應(yīng)措施的效果。該文用數(shù)據(jù)分析來找出不同污染物的源頭，并提出用數(shù)學(xué)模型來預(yù)測(cè)防治措施的有效性，可以大大降低項(xiàng)目成本，高效篩選出行之有效的策略。這些研究方法不僅適用于大連灣海域，也適合推廣到其他海域。