苏北灌河口邻近海域陆源COD总量控制研究.doc

苏北灌河口邻近海域陆源COD总量控制研究 张丽1，3，毕文静1，盛建明2，魏爱泓2，林伟波2，罗锋2，王艳1，李克强1， 张龙军3，王修林1 （1.海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，中国海洋大学化学化工学院，山东青岛266100；2.江苏省海洋环境监测预报中心，国家海洋局海涂研究中心，南京210036；3.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100） 摘要：研究了江苏省北部灌河口邻近海域陆源COD污染物分配容量，并给出了总量控制建议。基于苏北灌河口近岸海域三维COD水质模型，采用自净过程积分方法，计算了沿岸主要入海河流的CODMn分配容量。结果表明，苏北灌河口附近10条入海河流的CODMn分配容量合计约为1.8104t/a。其中，废黄河单元分配容量最大，约为8000t/a，中山河单元最低，不足2000t/a。根据现状排放量分析表明，排淡河和废黄河单元还有剩余容量，而车轴河和灌河单元需要进行大幅削减，分别相当于当前入海负荷的80%以上。 关键词：总量控制；cod；灌河口；分配容量 ：P736.22；X55：A：（15）03497 ：1490 基金项目：海域使用金使用项目（江苏省重点海域海洋环境容量研究），相关计算工作在中国海洋大学计算服务中心完成。 作者简介：张丽（76），女，山东招远人，硕士，副教授，主要从事海洋环境管理研究。 人类活动对近海生态系统造成了严重威胁，限制了人类社会经济的可持续发展1。大量污染物通过河流、排污口等进入近岸海域,使全球海洋环境持续恶化23。陆源污染物总量控制是近海环境污染防控的有效管理措施45，日益受到重大国际组织的重视。如联合国“海洋污染科学专家组”（GESAMP）6；联合国环境规划署负责的“保护海洋环境免受陆源污染全球行动计划”（GPA）7等都指出加强陆源控制是近海环境可持续发展的重要举措。国际上也开展了众多陆源污染物总量控制方面的研究和实践。如欧盟制定了保护海洋环境的欧盟海洋战略框架指令8；美国提出了TMDL（TotalMaximumDailyLoad）计划9；日本提出了污染物负荷总量控制（TotalPollutantLoadControl，TPLC）计划，分别对波罗的海、切萨皮克湾、东京湾和濑户内海等海域实施了总量控制管理1012。我国自20世纪70年末开始进行总量控制的研究，1980年制定的第一松花江COD总量控制标准，对总量控制进行了最早的探索实践13。 近年来，随着江苏省北部的连云港、灌云、灌南、响水、滨海等沿海地区化工行业的快速发展，大量有毒有机物和耗氧有机物（以CODMn计）排放入海1416，造成邻近的灌河口邻近海域富营养化等环境问题突出1718。加强苏北陆源COD排放总量控制显得尤为重要，其核心在于核算入海河流和排污口最大允许排放数量。国家“十一五”和“十二五”也都把COD列入了总量削减的指标，然而当前削减数量采用“一刀切”的等比例削减核算，没有把海域水质与削减数量联系起来，因此，对近岸海域水质的改善也就缺乏科学依据。 科学核算陆源污染物入海最大允许排放数量愈来愈受到关注，如美国在切萨皮克湾等开展了大量研究，建立了水质模拟验证的陆源最大允许排污数量核算方法1011。国内也开展了大量入海污染物总量控制方面的研究，采用优化分配方法计算了渤海、胶州湾、莱州湾、廉州湾等海域的陆源COD、氮、磷等污染物的最大允许排放数量1921。在江苏近岸海域也有相关研究，有学者基于二维水量水质模型采用混合区约束的排海通量试算法估算了江苏省沿海城市COD和氨氮的允许排放数量22。 上述研究推动了陆源污染物总量控制方面的研究，丰富了陆源污染物允许排放数量的计算方法，但相关研究大多在海湾或内海进行，对于开放海域的研究还比较少。由于开放海域水深变化较大，从计算模型的选择上来讲，更适合采用三维水质模型，同时在计算方法上，优化分配方法难以解决水质响应系数场的非线性叠加问题。因此，本研究选择受近岸人类活动压力较大的苏北灌河口邻近海域（旗台咀废黄河口）为研究区域，基于FV海洋水质模型23，建立灌河口邻近海域三维水动力COD水质模型，采用自净过程积分方法，计算了主要入海河流的COD最大允许排放数量（即分配容量），并在此基础上，提出了苏北灌河口海域总量控制的管理对策与建议。 1研究方法 1.1研究区域概述 研究区域位于黄海中部，海州湾南缘，苏北沿海的北段，地理位置为11929E12017E，3418N3445N。北起连云港市的旗台咀，南至盐城市废黄河口（以下简称研究海域），位于连云港市南端，盐城市北端，涉及连云港市的连云区、灌云县、灌南县、盐城市响水县、滨海县港等5个县区。该区域xx年常驻人口接近300万，GDP约为960亿元。研究区域内主要有排淡河、烧香河、善后河、车轴河、五图河、新沂河、灌河、中山河、翻身河、废黄河10条入海河流，年径流总量约55.5108m3。 对于同一个入海口的河流予以归并，10条河流可归并为排淡河、车轴河、灌河、中山河、废黄河等5个入海河流单元。其中，排淡河单元主要接纳了连云区的污染物，车轴河单元主要包括烧香河、善后河和车轴河等3条河流，接纳了部分连云区和灌云县的污染物，灌河单元主要包括五图河、新沂河和灌河等3条河流，同时接纳灌云、灌南和响水3个污水处理厂的排污废水，中山河单元主要接纳了响水和滨海部分地区的污染物，废黄河单元主要包括翻身河和废黄河，接纳了滨海县污水处理厂的排污废水。 研究海域入海河流、入海口归并及混合区范围见表1。 1.2现场监测和入海通量 按照海洋环境监测规范的要求24，分别在河流感潮段以上设置监测站位，其中新沂河和灌河分别设置3个监测站位，海上监测站位针对河口在研究海域设置6个断面。分别于xx年10月1517日（丰水期）和xx年1月1617日（枯水期）进行了2次陆海同步监测，监测项目主要包括河流流量，河流及海域COD浓度等25。对海水和河流COD测 定分别采用碱性和酸性高锰酸钾法2627。 研究海域河流单元COD入海污染物数量见图1。 监测结果表明，研究海域5个入海河流单元CODMn入海总量约为48700t/a，其中灌河单元入海数量为26700t/a,所占比例最大，约占55%，其次是车轴河单元，入海数量为16250t/a，约占34%，其他3个入海河流单元占比较少，仅占11%。 1.3COD三维水质模型构建 基于三维、无结构网格、有限体积方法的水动力模型FV（finite-volumecoastaloceanmodel）建立灌河口邻近海域三维COD水质模型28。 水质方程为： 式中，kbioc为COD降解速率常数。 模型网格采用不规则三角网格，网格步长为500m3km，垂向采用坐标，分6层计算，计算基面统一采用85国家高程基面。其中，自由表面忽略大气干湿沉降，取海面的净通量为零，海底边界物质通量取0，开边界给定潮位、温度、盐度和COD浓度值，陆地边界将10个入海河流污染物入海负荷作为输入项。内模时间步长设为10s，外模时间步长设为1s。底层相关模型参数通过模型模拟校正确定，其中，垂直涡粘系数背景值取10-6（m2/s），海底粗糙高度取值为0.001m，最小底部拖曳力系数取0.0015。海洋开边界以潮位作为驱动力，潮位值由东中国海潮波模型预报所得，COD降解系数根据文献确定，取值0.03d-130。 研究海域模型计算网络见图2。 1.4分配容量计算方法 污染物进入海洋后，在水动力及各种生物地球化学过程作用下，污染物从水体中去除而自净31，在稳态情况下，源强输入量就近似等于自净量，这样，污染物允许排海量就可通过积分自净过程计算。 式中，右边第一项为纳污海域污染物浓度积分，表示纳污海域一定时间、空间范围内的静态纳污数量。当稳态时等于零，当初始浓度为海洋本底浓度时为海洋静态环境容量；方程第二项为纳污海域内生物地球化学自净过程积分，表示生物地球化学自净量；第三项为纳污海域内水动力过程积分，表示水动力自净量。 这样，若控制排放口混合区范围，并设定混合区外海域水质控制标准，通过方程（3），采用积分方法即可计算河流入海口的分配容量。 2结果与讨论 2.1模型模拟结果 研究结果表明，研究海域海水COD浓度模拟分布趋势和主要特征等方面与实际海上观测结果基本吻合。xx年8月，研究海域表层COD浓度呈现由近岸向离岸方向依次递减趋势。近岸局部区域COD浓度均超过国家一类海水水质标准（2mg/），高值区主要集中在灌河口、车轴河口和中山河口附近，超过国家二类海水水质标准（3mg/）。xx年1月，研究海域表层COD浓度仍然呈现由近岸向离岸方向依次递减趋势，只是浓度数值上略超过xx年8月份，其中，近岸局部区域COD浓度均超过国家一类海水水质标准（2mg/）,高值区主要集中在灌河口附近，超过国家二类海水水质标准（3mg/）。 进一步通过模拟结果与监测站位观测结果比较表明，二者相对偏差平均为30%27%。其中，xx年8月份模拟结果偏低，平均偏低31%27%，而xx年1月份模拟结果偏高，平均偏高27%27%。总体上，COD模拟结果与监测结果从变化趋势和浓度数值上基本一致。这说明研究海域所构建三维COD水质模型基本可以满足分配容量计算的要求。 xx年8月与xx年1月研究海域COD监测值及模拟值比较见表2。 2.2分配容量计算 分配容量计算首先要设定混合区范围，综合采用Fetterolf公式、Mackenthun公式和新田公式32，并结合GB18486-xx有关直排口混合区的相关规定，采用中值设定混合区范围。根据河流入海口以及混合区范围大小，结合岸边界三角网格面积（0.10.15km2），将入海河流混合区概化为模型网格，以混合区网格相邻网格作为水质控制点。在研究海域共设置了5组水质控制点，分别对应排淡河、车轴河、灌河、中山河和废黄河5个河流排放口。水质控制标准根据国家海水水质标准和江苏省海洋功能区划确定，以相应网格中污染物浓度平均值作为水质标准控制值。河流入海通量通过给定混合区污染物浓度确定，具体数值以确保水质控制点浓度达标。COD污染物浓度背景场通过给定开边界条件中COD浓度模拟确定，开边界COD浓度由监测结果确定。 河口混合区和开边界COD污染物浓度及研究海域背景场浓度见图3。 应用所构建的三维COD水质模型，在混合区范围和海水水质控制标准条件下，分别计算5个河流单元的CODMn分配容量。结果表明，研究海域5个河流单元CODMn分配容量合计为1.8104t/a。其中，废黄河单元最大允许排海数量最大，约为8000t/a，其次为排淡河单元和灌河单元，分别约为3200t/a和2700t/a左右，而中山河单元最低，约为1700t/a。 入海河流单元CODMn分配容量见图4。 2.3削减数量 根据入海河流CODMn入海通量，在满足江苏省海洋功能区划海水水质标准下，废黄河和排淡河单元还有余量，分别可增加排放量约为当前入海负荷的1.5倍和4.5倍；车轴河、灌河和中山河等3个河流单元需要进行削减。其中灌河单元削减量最大，达2.4104t/a，其次为车轴河单元，约1.4104t/a，中山河单元消减最小，约相当于当前入海负荷的8%。研究海域河流单元CODMn分配容量和削减量见表3。 进一步分析表明，目前研究海域车轴河、灌河和中山河等3个陆域河流单元对于COD污染物已没有余量，废黄河单元、排淡河还有余量。这样，可探讨将车轴河、灌河和中山河等3个河流单元的部分COD污染物通过废黄河单元和排淡河单元排放入海，但仍然需要大幅削减COD污染物排放数量。 2.4总量控制管理对策与建议 1建立总量控制制度，加强陆源污染控制 根据江苏省“十二五”碧海行动计划的要求结合海域环境总体目标，建立基于海洋环境容量的陆源污染物排海总量控制制度，将现有“目标总量控制”逐步过渡到“容量总量控制”，以海定陆。 监测结果表明，研究海域生态环境恶化趋势长期得不到有效遏制14，原因之一在于缺失“容量总量控制”指标。因此，按照本研究结果，充分利用研究海域5个河流单元的最大允许排放量，对车轴河、灌河和中山河等3个陆域河流单元进行总量削减，可有效改善研究海域生态环境质量。 2利用海域自净能力，优化排污口布局 研究表明，研究海域车轴河、灌河和中山河等3个陆域河流单元对于COD已没有余量，废黄河和排淡河单元还有较大余量。因此，理论上可将车轴河、灌河和中山河等3个陆域河流单元的污染物通过废黄河和排淡河单元排放入海，充分利用海域自净能力，但具体实施还有很多工作要做。 2.4.3建立区域协作机制，加强流域合作和统一管理 江苏省地处社会经济发达的长江三角洲地区，河网众多，因此必须加强流域合作，建立健全跨省、跨市和跨县（区）等各级区域协作机制。协调产业发展和流域环境综合治理，逐步建立流域管理与区域管理相结合的管理体制和运行机制。强化流域管理，严格执行跨行政区域河流的交接断面水质保护管理制度，促进区域社会经济和生态环境的协调发展，逐步实现区域上下游之间人与自然和谐相处。 2.4.4强化政府责任，跟进管理措施 严格海域使用管理制度，降低污染物入海量，全面实行以环境容量总量控制为基础的排污许可制度。近期控制工业污染，远期控制生活污染。实行海域使用者收费、污染物排放收费、部分产业超标排放高收费相结合的动态收费制度。合理规划布局，优化产业结构，减少结构性污染。加快城市污水处理厂及其配套管网建设，集中处理，达标排放污水。积极发展生态农业，控制农业面源污染。 2.4.5加强海洋环保意识，加大对违法的处罚力度 工业源是陆源污染的重要，对海洋环境污染的治理必须加大对污染企业的整治，使海洋环境保护的成本内部化，加大对海洋污染者的惩罚力度。同时积极进行海洋环境保护重要性的宣传，广泛普及海洋知识及海洋环境知识，要在全社会树立起牢固的海洋保护观念，动员广大民众自觉参与海洋环境保护。 3结论 在构建苏北灌河口邻近海域COD三维水质模型的基础上，采用自净过程积分方法，计算了沿岸主要入海河流的CODMn分配容量。结果表明，CODMn分配容量合计约为1.8104t/a，其中，废黄河单元分配容量最大，约为8000t/a，其次为灌河单元和排淡河单元，而中山河单元和车轴河单元最低。根据现状排放量和分配容量，当前，总体上除废黄河单元、排淡河还有剩余容量外，车轴河、灌河和中山河等3个河流单元需要进行削减。其中，灌河单元和车轴河单元削减量较大，分别相当于当前入海负荷的80%以上。 参考文献 1HalpernBS，WalbridgeS，SelkoeKA，etal.AglobalmapofhumanimpactonmarineecosystemsJ.Science319：948952. 2李建勋，钟革资.陆源污染防治的全球性法律机制研究J.环境与可持续发展，xx，（3）：4-7. 3程庆贤.海洋环境污染的诸种影响J.海洋科技资料，1981，（1）：85-96. 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