欽州灣三墩作業(yè)區(qū)排污閾值的數(shù)值模擬研究*

裴木鳳，高勁松

(1.國家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西北海 536000；2.南寧師范大學(xué)北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西南寧 530001)

0 引言

欽州灣位于廣西壯族自治區(qū)南部欽州市以南，是廣西北部灣重點開發(fā)的海灣之一，隨著向海經(jīng)濟的發(fā)展，欽州灣大面積海域被圍填成陸，如2005-2015年間，欽州灣圍墾規(guī)模近3 000 hm2[1]，欽州灣岸線發(fā)生較大改變。與之對應(yīng)的是近年來欽州灣近岸海域局部水質(zhì)下降和海洋生態(tài)環(huán)境發(fā)生劇烈變化[2-4]，尤其是欽州市茅尾海水質(zhì)長期達不到功能區(qū)目標(biāo)。導(dǎo)致欽州灣近岸海域水質(zhì)下降的原因，主要是入海河流攜帶大量污染物入海、非法及不合理設(shè)置入海排污口或不達標(biāo)廢水排放入海，使得污染物的入海量超出河口海灣的環(huán)境承載能力。為逐步改善欽州市近岸海域環(huán)境質(zhì)量，欽州市政府部門提出欽州市入海排污口環(huán)境綜合整治和污水外遷至三墩排放口的方案，并確立欽州灣海域水質(zhì)“近期有所改善，遠期全部達標(biāo)”的目標(biāo)。

排污容量是水污染防治和污染減排工作的重要依據(jù)，其研究對保護海洋生態(tài)環(huán)境有重要意義。早期排污量主要基于實測數(shù)據(jù)進行計算[5]，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，使用數(shù)值模型計算區(qū)域環(huán)境容量和排污量取得了長足發(fā)展[6,7]。目前，關(guān)于欽州灣的數(shù)值模擬有較多的研究成果[6,8-11]，但關(guān)于欽州灣排污量的研究仍然少見于研究文獻中，其中夏華永等[6]采用二維潮流數(shù)值模型和水質(zhì)模型探討了欽州灣污染物的擴散規(guī)律，利用1993年海域現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)計算了欽州灣大規(guī)模填海之前的海水交換率、平均半更換期及環(huán)境容量；郭森等[8]采用多源線性迭加的方法計算了欽州灣金鼓江東、西兩側(cè)兩個排污口的排污量。

在夏華永等[6]的研究中，排污總量是基于整個海灣整體納污能力的計算，無法為實際排污口的污染減排提供依據(jù)，而郭森等[8]的研究則主要考慮金鼓江東、西兩側(cè)兩個排污口的排污情況，對欽州灣的水污染防治參考有限，此外，兩者的研究均沒有考慮近年來欽州灣大規(guī)模填海造成的岸線及地形的變化。三墩作業(yè)區(qū)位于欽州灣外灣中部，已規(guī)劃為廣西欽州石化產(chǎn)業(yè)園和中國(廣西)自由貿(mào)易試驗區(qū)的重要組成部分，將與金鼓片區(qū)形成國家級石化產(chǎn)業(yè)基地，區(qū)域的環(huán)保設(shè)施服務(wù)水平亟需提升，而該區(qū)域的排污管理也是改善欽州灣水質(zhì)的重要部分。本研究基于欽州灣的現(xiàn)狀海岸線及地形情況(圖1),建立欽州灣二維數(shù)值模型，結(jié)合實測資料，對三墩作業(yè)區(qū)的排污口進行選劃及最大排污量計算，可為管理部門提供決策依據(jù)，保護欽州灣的海洋生態(tài)環(huán)境。

圖1 欽州灣水深地形

1 材料與方法

1.1 EFDC數(shù)值模型

數(shù)值模型采用Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC)模型。該模型是由美國弗吉尼亞海洋科學(xué)研究所開發(fā)，并由數(shù)家科研單位后期維護下發(fā)展起來的，可用于近岸海洋及陸地地表水水動力-水質(zhì)模擬的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型[12,13]，該模型也是美國最大日負荷總量(TMDL)等環(huán)境保護計劃主要使用的模型。

1.1.1 水動力數(shù)學(xué)模塊

水動力數(shù)學(xué)模型基于靜水壓假定和Boussinesq近似，對不可壓縮的自由表面水體進行描述，其控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

1.1.2 水質(zhì)模塊

水質(zhì)變量的質(zhì)量控制方程由物理輸運、平流擴散和動力學(xué)過程組成，公式如下：

(4)

其中C為物質(zhì)濃度，u、v為x、y方向的速度，Kx、Ky分別為x、y方向上的擴散系數(shù)，K為一階降解速率，R為源匯項。

1.2 模型配置與驗證

1.2.1 模型配置

模型計算區(qū)域北至茅尾海頂部21.95°N，南至欽州灣灣口21.37°N，西至108.389°E，東至108.856°E(圖1)，水平網(wǎng)格為520行×411列，有效網(wǎng)格數(shù)共104 875個，網(wǎng)格依據(jù)地形及工程區(qū)域而大小不一，三墩作業(yè)區(qū)附近海域的網(wǎng)格分辨率約為60 m×100 m，動邊界的處理采用干濕節(jié)點法。

海底地形數(shù)據(jù)由海圖水深插值處理得到；潮汐開邊界采用調(diào)和常數(shù)(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、Sa)確定；模型的初始條件，包括流速初始場和水位場(開邊界除外)均為0，預(yù)熱運行30 d后達到穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)果作為正式計算的初始條件；時間步長為5 s。

1.2.2 模式驗證

國家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站于2012年3月3日、4日、6日、7日于欽州灣布設(shè)了4個站位進行海流觀測(觀測儀器：亞力克AEM-USB)。本研究使用該實測數(shù)據(jù)對欽州灣的潮流進行驗證，此外還使用國家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站在欽州站2012年3月的實測潮汐資料進行潮位驗證。各站位分布見圖1。

對比模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)，模擬潮位與實測潮位基本吻合(圖2)，小高潮時的潮位誤差略大，驗證時段潮位的平均誤差約0.2 m，相關(guān)系數(shù)為0.97；流速、流向驗證見圖3，模擬的流速、流向與實測值的變化趨勢大體一致，基本反映了區(qū)域漲落潮的往復(fù)流特性。總體上，模擬結(jié)果可代表模擬區(qū)域的流場狀況，可以為區(qū)域污染物的擴散模擬提供實際的潮流場。

圖2 欽州站潮位驗證結(jié)果(2012年3月1日0：00-31日23：00)

圖3 站位H1-H4流速、流向驗證結(jié)果(2012年3月)

2 結(jié)果與分析

2.1 欽州灣流場分布

從圖4可以發(fā)現(xiàn)欽州灣落潮流大于漲潮流，航道和深槽處流速最大，流向與航道、深槽走向基本一致，淺灘和岸邊流速相對較小，流向多變，最大流速位于龍門灣頸處，漲潮流最大約1.8 m/s，落潮流最大約2.0 m/s。外海的西南向流在三墩作業(yè)區(qū)前沿轉(zhuǎn)為北偏西進入欽州灣，通過3條主要深槽在青菜頭匯合后以西北向直達龍門，在龍門口以西北向茅尾海發(fā)散，落潮流流向則基本與之相反，欽州灣的潮流呈往復(fù)流性質(zhì)。漲、落潮時，保稅港區(qū)、三墩作業(yè)區(qū)和三墩公路所圍區(qū)域為相對弱流區(qū)，三墩公路東側(cè)進、出鹿耳環(huán)江的潮流基本與公路平行，三墩作業(yè)區(qū)西北側(cè)漲潮流為東北向、落潮流為西南向。本研究的欽州灣潮流場特征與前人的模擬結(jié)果相似[6,10,11]。

(a) 漲急流場，(b) 落急流場

2.2 排污口的設(shè)置

根據(jù)《廣西壯族自治區(qū)近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃調(diào)整方案》(桂政辦發(fā)〔2011〕74號)[17]，排污口擬選范圍為三墩污水深海排放區(qū)(GX071DⅣ)，具體以108.679 167°E、21.603 056°N為中心，半徑1 km的海域，海域主導(dǎo)功能為港口、工業(yè)、生活排污用海，水質(zhì)目標(biāo)為《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[18]第四類標(biāo)準(zhǔn)，此區(qū)域也是《欽州市海洋功能區(qū)劃(2008-2020)》[19]劃定的三墩污水深海排放區(qū)。

根據(jù)規(guī)劃排污區(qū)、三墩規(guī)劃填海區(qū)等情況，初步選擇4個排污口位置，分別為規(guī)劃排污區(qū)西端(A0)、中部北端(B0)、東端(C0)和中部南端(D0)，此后根據(jù)模擬結(jié)果再進行局部加密(A1、B1和C1)，規(guī)劃排污區(qū)和排污口位置設(shè)置情況見表1和圖5。

圖5 三墩區(qū)擬選排污口位置示意

表1 排污口位置

在擬選排污口設(shè)置相同的污水排放量及出水標(biāo)準(zhǔn)(污水排放量2 800 m3/h，無機氮濃度40 mg/L)，模擬計算一個大小潮周期(15 d)，輸出每個小時的計算結(jié)果進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。根據(jù)模擬結(jié)果，不同排污口的物質(zhì)擴散方向基本為SW-NE向，其中西端即A0處排污的最大濃度值和物質(zhì)擴散范圍最小，東端C0處排污的最大濃度值和擴散范圍最大，其余位置的相應(yīng)值在兩者之間，總體呈現(xiàn)西南區(qū)排污口的污染物擴散范圍小于東北區(qū)排污口的污染物擴散范圍，而不同排污口物質(zhì)濃度增量較大(大于0.5 mg/L)的范圍均近乎圓形。因此三墩排污口的最優(yōu)位置可設(shè)置在A0處。

表2 不同排污口的無機氮擴散情況統(tǒng)計

2.3 三墩作業(yè)區(qū)的排污閾值

三墩作業(yè)區(qū)擬納入廣西欽州石化產(chǎn)業(yè)園，該產(chǎn)業(yè)園重點布置石化產(chǎn)業(yè)及石化物流倉儲，因此污水排放標(biāo)準(zhǔn)以《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)[20]一級和《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 31571-2015)[21]中的表2“水污染物特別排放限值”的低值為執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，即CODCr為60 mg/L，折算成CODMn為24 mg/L，總氮為40 mg/L，磷酸鹽為0.5 mg/L。在擬定的排污點A0周圍半徑約1.0 km處設(shè)置水質(zhì)控制點，水質(zhì)控制點處的模擬計算值疊加現(xiàn)狀值基本滿足四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時，即為相應(yīng)物質(zhì)的最大允許排污量。

表3 三墩排污口的排污閾值

3 結(jié)論

本研究構(gòu)建了欽州灣水動力模型，模擬值與實測值吻合較好。同時構(gòu)建一階降解系數(shù)的物質(zhì)對流-擴散模型，研究三墩作業(yè)區(qū)不同排污口的污染物擴散情況，選取欽州灣三墩作業(yè)區(qū)的最優(yōu)排放口，并依據(jù)環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)計算該海區(qū)化學(xué)需氧量(CODCr)、總氮(TN)和總磷(TP)的排污閾值。研究結(jié)論如下：

欽州灣落潮流大于漲潮流，漲潮流最大約1.8 m/s，落潮流最大約2 m/s，外海的西南向潮流在三墩作業(yè)區(qū)前沿轉(zhuǎn)為北偏西入灣，之后在青菜頭以西北向通過龍門向茅尾海發(fā)散，落潮時流向則相反，三墩作業(yè)區(qū)西北側(cè)漲潮流為東北向、落潮流為西南向。欽州灣流場呈往復(fù)流特征。

三墩排污區(qū)內(nèi)不同位置排放的物質(zhì)擴散方向為SW-NE向，總體呈現(xiàn)西南端排放的污染物擴散范圍小于東北端排放的污染物擴散范圍，最優(yōu)排污口可設(shè)置在排污區(qū)的西南端(21.601 101°N，108.670 364°E)。

在CODCr、TN和TP的出水標(biāo)準(zhǔn)分別執(zhí)行≤60 mg/L、≤40 mg/L和≤0.5 mg/L情況下，滿足四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時擬選三墩深海排放口的CODCr、TN和TP的排污閾值依次為76 845.25，1 581.7和150.2 t/a。