（环境科学专业论文）渤海环境动力学数值模拟及环境容量研究.pdf

a s t u d yo n t h e b o h a i s e a i n e n v i r o n m e n t a lc a l ；a c i t yo fp e t r o l e u mh y d r o c a r b o n a b s t r a c t m e nt h e1 a n dr e s o u r c ei u n so u ta n dt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tr u l l sd o w nd a yb yd a y , t h e i m m e n s eo c e a n ，c o v e t i n g7 1 o ft h eg l o b a ls u r f a c e ，a t t r a c t sm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o nf o r h e rv a s t r e s o u r c e ，e n e r g y a n de n v i r o n m e n t a lf u n c t i o n n o d o u b t l y , t h es t u d yo f o c e a n e n v i r o m n e n t a lc a p a c i t y ( e c ) q u a n t i t a t i v e l yw i l lp r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i sf o rd r a w i n go u t e n v i r o n m e n t a lp o l i c y c o n s i d e r i n gt h i sp o i n t ，t h ed i s s e r t a t i o nm a k e sa l le x p l o r a t i o no i le co fb o h a i s e a f i r s t , t h et h e s i si n t r o d u c e sm a i nv i e w p o i n ta n dp r a c t i c a ld e f i n i t i o no fe n v i r o n m e n t a ic a p a c i t y ( e c ) ，t h e ns u m m a r i z e sa n da n a l y z e st h em a i n l y3m e t h o d sf o rc a l c u l a t i n gm a r i n ee c ，i e ，b o x m o d e l ，s h a r i n gc o e f f i c i e n ta n do p t i m i z a t i o nm e t h o d b o xm o d e ls e r v e st h et u r no fs m a l l e rs e aa n d w i l lo v e re s t i m a t ei t se c ；s h a r i n gc o e f f i c i e n tm e t h o di sc o n v e n i e n tf o rm a l l a g e m e n ta n di se q u a lt o a s s i g ne cw i t hc u r r e n tr a t i o ；m a x i m n me c o n o m ym e t h o da c c o r d st ot h et h i n k i n go fs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n tb u ti sc o m p l e xi no p e r a t i o n a f t e rc o m p a r i s o na n da n a l y s i s ，t h et h e s i sd e c i d e st oa d o p t m a x i m u mv o l u m em e t h o dt oc o m p u t ee co f b o h a is e a t h e n h a m s o mm o d e li sa d o p t t e dt os i m u l a t eb o h a is e a sc u r r e n tf i e l d t e m p e r a t u r ef i e l d a n ds a l i n i t yf i e l dw i t ht h ed r i v i n gf o r c eo f f i v et i d a lc o m p o n e n t s ，m 2 ，s 2 ，n 2 ，k 1 ，0 1 ，a to p e n b o u n d a r ya n dt h ew i n df i e l d h e a tf l u xa ts e as u r f a c e 1 1 1 er e s u l t sa c c o r dt of o r m e rs t u d y , t h e r e f o r e t h en m d e li sr e l i a b l e n e x t ，t h ep a r t i c l e t r a c i n gm o d e l i s a p p l i e dt os i m u l a t eb o h a is e a s c o n c e n t r a t i o nf i e l dt oo b t a i nt h er e s p o n d i n gf i e l do f4r i v e r s ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o no fe c c a l c u l a t i o n c o m p a r e dw i t ho t h e rn u m e r i c a lm e t h o d s t h i so n eh a st h ea d v a n t a g eo f g o o dn u m e r i c a l s t a b i l i t ya n db e i n gp r o n et oa p p e n dn e wb i o c h e m i c a lp r o c e d u r e s ， n e x t ，m a x i m u md i s c h a r g ev o l u m em e t h o di sa p p l i e dt oc o p u t e re co fc o d i nb o h a is e ao n t h eb a s i so fsc u r r e n tf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l da n ds a l i n i t yb ys e l e c t i n gs e a w a t e rc o n t r o lp o i n t s c o r r e c t l y t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s a c c o r d i n gt on a t i o n a ls e a w a t e rq u a l i t ys t a n d a r dc l a s slt oc l a s s 4 b o h a i se co fc o da r e3 6 5 9 1 0 4 t a , 5 4 8 8 1 0 4 t a 7 3 1 3 1 0 4 t aa n d9 1 4 5 1 0 4 t a r e s p e c t i v e l y t h e nt h et h e s i se m p l o y sa ne x i s t e de co fp h sm o d e l ，w h i c hc o n t a i n sm i c r o b i o l o g y m o d u l e ，a t m o s p h e r em o d u l ea n dh y d r o d y n a m i cm o d u l e ，t oc a l c u l a t ee co fp h si nb o h a is e a ，t h e r e s u l t sa r e a c c o r d i n gt on a t i o n a ls e a w a t e rq u a l i t ys t a n d a r dc l a s s1t oc l a s s4 b o h a i se co fp h sa r e 2 8 2 l o 。如1 6 8 6 1 矿“aa n d2 8 1 7 1 0 a l j ar e s p e c t i v e l y t h e ni n p u tt h er e s u l tt ob o h a is e at o o b t a i no p i m i z e dc o n c e n t r a t i o nf i e l d 1 1 l eo p i m i z e dc o n c e n 仃a t i o nf i e l da c c o r d st oc o r r e s p o n d s t a n d a r d ，t h e r e f o r et h er e s u l t sa r er e l i a b l e f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o np o i n t so u ts o m ef l a w i ni ta n db r i n go u ts o m eq u e s t i o nf o rf u r t h e rs t u d y j a sa r et h em e c h a n i s m so fa l lk i n d so fs e l f - p u r i f i c a t i o n ，t h ed e t e r m i n a t i o no fs p e c i f i cp a r a m e t e ra n d e s p e c i a l l yt h em o r es c i e n t i f i ca n dm o r em t i o n a 】m e t h o d sf o re cc a l c u l a t i o n k e yw o r d s ：b o h a is e a ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e n v i r o n m e n t a lc a p a c i b , , c o d ， 。petroleum h y d r o c a r b o n 一一 i v 图同录 幽2 1 水质控制点设肖( 引白李适宇等，1 9 9 9 ) 1 1 幽3 1 水3 f 网格分布示意幽1 9 图3 - 2 垂向网格分布示意圈2 0 图3 3 欧拉一拉格朗日格式示意图2 8 圈4 一l粒子，f 流过程示意图3 1 幽4 2 渤海地形3 3 例4 - 3 计算海域网格划分3 4 图4 _ 4m 2 分潮同涮圈3 4 圈4 5s 2 分潮同剐图3 5 图4 - 6n 2 分潮同潮幽3 s 图4 7k 1 分潮同潮图3 5 图4 80 1 分潮同潮图3 6 图4 - 9 点1 2 0 、0 0 e ，3 93 0 7 n ) 2 0 0 2 年3 月1 口9 ：0 0 - 2 2 ：0 0 潮位曲线3 6 、， 图4 1 0 点f 1 2 0 0 0 e ，3 9 3 0 n 1 2 0 0 2 年3 月潮位曲线3 6 图4 t l2 0 0 2 年1 2 e j1 日0 时0 分渤海表层流场，3 7 图4 1 2 渤海表层欧拉余流场3 7 图4 13 模拟3 0 1 ) 后的深度平均浓度分布3 8 圈5 1 黄河c o d 响应系数场( 单位：m g l ) 4 0 图5 - 2 海河c o d 响应系数场( 单位：m g l ) 4 0 图5 3 滦河c o d 响应系数场( 单位：m g l ) 4 1 图5 - 4 辽河c o d 响成系数场( 单位：m g l ) 4 1 图5 5 浓度对源强的响应( 单位：m c l ) 4 3 图5 - 6 渤海沿岸省市c o d 入海总量4 3 图5 7 渤海c o d 环境容量“ 图5 - 8 根据计算值优化后的浓度场( 单位：m g l ) 4 5 圈5 - 92 0 0 4 年渤海污染海域分布示意图4 6 图6 _ l 石油烃环境容量模型结构4 8 圈6 _ 1 黄河石油烃响应系数场( 单位：aa l ) 一5 1 图6 - 2 海河石油烃响应系数场( 单位：a o l ) 一5 1 酗6 - 3 滦河石油烃响应系数场( 单位：“g l ) 一5 2 图6 - 4 辽河石油烃响应系数场( 单位：a g l ) 5 2 图6 _ 5 渤海石油烃环境容量计算结果5 4 图6 - 6 箱式模型汁算结果( 李克强，2 0 0 4 ) 5 4 图6 72 0 0 1 年渤海沿海省市石油类污染物入海总量5 5 图6 - 82 0 0 1 年8 月渤海表层石油类浓度分布5 5 幽6 - 92 0 0 4 年渤海污染海域分布示意图5 5 幽6 - 1 0 优化后的石油烃浓度场( 单位：ue l ) 5 6 i x 1 概述 石油烃作为近海主要污染物之一，一直倍受关注。随着工业发展，特别是海上石油开采， 海上交通运输各类船舶活动排放的石油类污染物大量增加，对我国近海造成了不同程度的污 染。近年来，随着海洋环保意识的加强以及保护措施的实施，我国海洋石油烃污染的状况有 所缓解，但是石油烃的海洋环境容量直未有恰当的量化，这直接, n g , j 了海洋环境规划的制 定，影响了沿海经济的发展。 1 1 我国近海污染现状 我国既是陆地大国，也是海洋大国，拥有近1 8 ，0 0 0 千米的海岸线，6 ，5 0 0 多个岛屿， 3 0 0 多万平方千米的辽阔海域，以及丰富的海洋资源。浩瀚无垠的大海同样是中华民族赖以 生存发展、繁衍生息的宝贵资源。但是，近年来沿海经济的高速发展，给我国的海洋环境造 成越来越大的压力。自上世纪七i 年代末尤其是八十年代以来，我国海洋环境总体质量持续 恶化，海洋污染事件频发，海洋环境质量恶化的总趋势至今未得到有效地遏制( 国家海洋局， 2 0 0 0 ) 。主要表现在： - 污染范围不断扩大，大部分河口、海湾以及大中城市附近海域污染日趋严重： 一近海海域主要受营养盐和有机物污染，并有逐年加重的趋势；局部海域油污染和重金 属污染仍较突出； 近岸海洋生物污染损害日趋显著，赤潮等环境损害事件频发，海洋生态破坏加剧。 监测结果表明，2 0 0 4 年全海域术达到清洁海域水质标准的面积约1 6 9 万平方公坐，比上 年增加约2 7 万平方公里。近岸海域污染严重，污染海域主要分布在渤海湾、江苏近岸、长 江口、杭州湾、珠江口等局部海域。近岸海域沉积物总体质量较好，但局部海域贝类体内的 污染物残留水平较高，污染程度加剧。大部分陆源入海排污口污水超标排海，其邻近海域环 境污染严重。近岸海域海洋生态系统脆弱，大部分海湾、河口、滨海湿地等牛态系统处于亚 健康或不健康状态，主要表现在水体富营养化及营养盐失衡、河口产卵场严重退化、生境丧 失或改变、生物群落结构异常等。大面积赤潮和有毒赤潮的次数增加，赤潮多发区丰要集叶_ i 在东海及渤海海域( 国家海洋局，2 0 0 4 ) 。 石油烃作为近海主要污染物之一，一直倍受关注。随着我国工业化进程加快，特别是海 上石油的开发和海上交通运输，排放到海洋的石油类污染物大大增加，对我国近海造成了不 同程度的污染。据统计，全国每年直接排入近海的石油烃1 0 0 ，0 0 0 多吨，其i j ，陆源排入 4 2 ，0 0 0 多吨，海上石油开采、船舶运输排入4 6 ，0 0 0 多吨，其它船舶活动排入1 2 ，0 0 0 多 吨( 张玉珍，2 0 0 3 ) 。2 0 0 0 年我国海水巾油类含量超过、二类海水水质标准的面积达5 6 万 平方千米。沿海省市区扣，河北、天津、福建、浙江、上海油污染比较严重；烟台近岸、湄 洲湾、厦门近岸等1 0 多个近岸重点海域的油含量已超过二类海水水质标准。近年来，石油类 的污染程度有所减轻，但局部海域污染仍然严重。 渤海环境动力学数值模拟及环境容觉研究 1 2 石油烃生态环境效应 各利t 途径米源的石油烃进入海洋后，经过生物、化学、物理等一系列过程，最终以溶解 组分或柏应的降解组分存在于海洋( 尚龙生等，1 9 9 7 ) 。在海洋生态环境巾，海洋浮游植物分 布最广，数量最多，处于食物链的最底层，是海洋中主要的初级生产力，受石油烃的影响最 大，在石油烃进入生物链的过程扣起着关键作用，是石油烃被生物富集和积累的起点 ( s w a c k h a m e r a te 1 ，1 9 9 3 ) 。油类污染物通过海洋生物富集，食物链放大最终影响人类的健康。 石油烃不仅对海洋生物有直接的毒性效麻，而且可以破坏海洋牛态环境，限制光合作用， 破坏食物链平衡，使海洋牛态系统中的生物种类趋于单调，生物多样性降低，生物生产能力 下降( 袁有宪，1 9 9 6 ) 。 近年来，国际上越米越重视低浓度油类污染物长期对海洋生态环境的影响，认为由近岸 输入而产生的长期低浓度石油污染作用，比一次性溢油事故对海洋生物的毒害更大，对海洋 生态系统，特别是近岸生态系统的影响，难以在短时间内恢复，其影响往往达数十年之久 ( g r a y ，1 9 8 2 ) 。 1 3 海洋环境容量研究现状 近年来，国内外一些学者相继开展了海洋环境容量的研究。m a r g e t a r 等( 1 9 8 9 ) 提出了 研究南斯拉夫k a s t e l a 湾环境容量的具体方法；d u k a 等( 1 9 9 6 ) 利用模拟系统估算了自然水 体中有机物的自净容量；e m e s t o v a 等( 1 9 9 4 ) 讨论了光化学氧化活化产物对自然水体游离自 由皋自净过程的机理和影响因子；张银英等( 1 9 9 5 ) 研究了珠江口油类的自净规律，发现油 类降解最为迅速，并估计了油类的自净系数；陈慈美等( 1 9 9 3 ) 研究了厦门西海域磷的环境 容量；沈明球等( 1 9 9 6 ) 计算了石浦港重金属、油类的环境容量，并预测了三门港开发中的 下洋涂围涂、岳井洋堵港两大工程对石浦港容量的影响；y c 等( 1 9 9 5 ) 利用细菌动力学估 算了厦门湾西海域的c o d 和b o d 环境容量；张存智等( 1 9 9 8 ) 则基于质量守恒原理和线性 叠加原瑚，导出了纳污海域对污染源的响应关系，建立了海域污染总量控制的计算模式，计 算了大连湾的容许入海负荷总量，各排污口的污染分担率和削减率。 海洋环境容量的研究在我国开始于上世纪7 0 年代，大致经历了以下三个发展阶段： - 上世纪8 0 年代初：结合环境质量评价等项目，研究集中在水污染自净规律，水质模 型，水质排放标准制定的数学方法上，从不同角度提出和应用了环境容量的概念； 一 “六五”期间：高校和科研机构联合攻关，把环境容量理论与水污染控制规划相结合， 对污染物在水体中的物理、化学行为进行了比较深入、系统的探讨； “七五”期问：把环境容量理论推向系统化、实用化的新阶段。 1 9 8 5 年以来，随着我国环保事业的发展，一些重点城市和地区相继提出了城市综合整治 规划、水污染综合防治规划、污染物总量控制规划以及水环境功能区划，为环境容量理论研 究和实际应用提供了广阔天地。上世纪8 0 年代以后我国海洋环境容量研究项目主要有： - 上世纪8 0 年代中期，国家环保局”七五”项日，我国渤海和十个海湾水质预测及物 2 l 概述 理自净能力研究 一上世纪8 0 9 0 年代，国家海洋局”九五”项口，大连湾、胶州湾和长江口环境容量研 究 本世纪初，国家自然科学重点基金，渤海典型环境负荷物的迁移、转化过程及环境容 量研究 口前，环境容量的理论研究工作处于由定性描述向定量计算发展的阶段。联合国海洋污 染专家组1 9 8 6 年给出了海洋环境容量的计算方法，即建立箱式模型，该模型包括污染物输入， 输出和悬浮物吸附等三个过程。环境容量等于在最大允许浓度下，由水动力和悬浮物去除量 减去水质本底量。 我国在海洋环境容量研究方面也做了大量- 丁作，例如，通过水动力输运研究自净能力( 康 兴伦等，1 9 9 0 ；贾振邦等，1 9 9 6 ；陈春华，1 9 9 7 ) ：应，h 模拟试验方法研究化学自净过程( 郑 庆华等，1 9 9 5 ) ；通过围隔实验研究悬浮物吸附和生物自净过程( w a n ge ta 1 ，2 0 0 2 ) ；根据环 境治理日标浓度与海水本底浓度之差计算静态环境容量( 贾振邦等，1 9 9 6 ) 。但是，综合考虑 物理、化学、生物过程研究中国近海环境容量的还不多见。 1 4 本文思路及主要工作 首先，回顾了有关环境容量的各种观点，总结分析了目前海洋环境容量计算的三类方法， 指出其适用条件和存在的不足，并选择修正的总量最优法作为本文使川的方法。 然后，刚h a m s o m 模式对渤海的流场进行模拟。这是个三维斜匿模式，开边界输入 m 2 ，s 2 ，n 2 ，k l ，0 15 个分潮，从n c e p 下载的9 个点的风速、温度、湿度、云量插值到整 个海域。与已有文献比较，模拟的结果基本一致，说明h a m s o m 比较真实地再现了渤海流 场，此流场可以作为求解水质方程的背景流场。 接着，用过程分裂法和粒子追踪法求解了水质方程，分散在海水巾的物质被视为离散的 粒子，它们在海水中的迁移、衰减被分为三个过程研究，即平流过程、扩散过程和衰减过程， 在每个时间步长内，粒子经历这3 个过程以后，位置及质量就被确定了，统计各个网格的粒 子数日及质量就可以获得此时的浓度分布。 然后，在前面模拟的渤海流场、温盐场和浓度场的基础上，适当选取水质控制点，计算 了一至四类水质标准下渤海的c o d 环境容量，并对结果进行了分析和验证。 最后，建立了渤海石油烃环境容量模型，主要考虑了水动力输出，大气挥发和微生物降 解。然后，计算了渤海的石油烃环境容量。与已有研究相比，方法和结论更为合理。 3 2 海洋环境容量计算方法 2 1 从浓度控制到总量控制 早在上世纪7 0 年代，我国就从控制污染源排放着手，开始对污染物实行浓度控制，并颁 布了系列海洋污染物浓度排放标准。然而，长期以来的实践表明，以达标排放为原则的环 境保护政策，不能有效改变近岸海域环境质量下降的趋势。从1 9 9 5 年国家海洋局组织的重点 排污口监测结果来看，虽然许多陆源污染物排放浓度较以前有所降低并有相当数量的污水 实现了达标排放，但沿岸海域污染物排放总量却不断增加，即实际进入的累税量增加了。冈 此，在污染物入海总量增加的情况下，即使实现达标排放，也小能实现海域环境保护的管理 闩标和和海域使j 1 】功能。 随着人们开发海洋、保护海洋意识的提高，阻及海洋科学研究的深入，人们逐渐认识到： 海洋具有定的纳污能力，亦即具有一定的环境容量，低于此值，海洋可以对排入的污染物 净化，高于此值则会超出海洋的自净能山，海洋功能和海洋环境就要受到破坏。总之，仪对 污染物实行浓度控制，无法达到改善环境质量的目的。只有同时对污染物排放的绝对量进行 控制，才能有效控制和消除污染。 因此，近岸海域污染物总量控制的筇一步，就是要确定总量控制值的大小。确定排放入 某特定海域污染物质量的大小，也就是总量基数，有两种方法，一是日标总量控制，二是容 量总量控制。 2 1 1 目标总量控制 日标总量控制苒先要确定总量控制的r 标值，确定方法主要有以下几种： ( i ) 以维持某时期污染物排放水平为基本日标，或以某一时期污染物排放水平为基数； ( 2 ) 维持某一时期或某一标准的海水水质为控制目标确定的总量； ( 3 ) 以技术经济条件、社会因素等所确定的定的目标值。 排放总量确定以后，经过一段时问的实施，如果海域环境能够达到规定的使用目标要求， 则继续执行该排放总量；如果达不到，则继续削减排放总量，直到海域环境能够达到规定的 海域使用要求。这应是- - t e l 简便、行之有效的方法。国务院在关于国家环境保护“九五” 计划和2 0 1 0 年远景日标的批复中，批准了“九五”期间全国主要污染物排放总量控制计划， 采j h 的就是这种目标总量控制的方法。计划规定县及县以上工业污染物排放量以1 9 9 5 年环境 统计数值为基数。但这种方法实际上是把污染源和环境r 标之闸的关系作为种灰箱，而不 考虑二者之问的输入响应关系。 2 1 2 环境容量控制 国内外许多学者对环境容量进行了研究，并分别对环境容量的含义进行了阐述，主要有 以下几种： 一环境容量是环境的自净同化能力； 一环境容量是指不危害环境的晟大允许纳污能力： 一环境容量是指不危害环境的最大允许纳污能力： 4 2 海洋环境容量计算方法 2 。1 从浓度控制到总量控制 早在上世纪7 0 年代，我国就从控制污染源排放着手，开始对污染物实行浓度控制，并颁 布了一系列海洋污染物浓度排放标准。然而，长期以来的实践表明，以达标排放为原则的环 境保护政策，不能有效改变近岸海域环境质量下降的趋势。从1 9 9 5 年国家海洋局组织的重点 排污口监测结果来看，虽然许多陆源污染物排放浓度较以前有所降低，并有相当数量的污水 实现了达标排放，但沿岸海域污染物排放总量却不断增加，即实际进入的累积量增加了。因 此，在污染物入海总量增加的情况下，即使实现达标排放，也不能实现海域环境保护的管理 目标和和海域使用功能。 随着人们开发海洋、保护海洋意识的提高，以及海洋科学研究的深入，人们逐渐认识到： 海洋具有定的纳污能力，亦即具有一定的环境容量，低于此值，海洋可以对排入的污染物 净化，高于此值则会超出海洋的自净能力，海洋功能和海洋环境就要受到破坏。总之，仅对 污染物实行浓度控制，无法达到改善环境质量的r 的。只有同时对污染物排放的绝对量进行 控制，才能有效控制和消除污染。 因此，近岸海域污染物总量控制的第一步，就是要确定总量控制值的大小。确定排放入 某特定海域污染物质量的大小，也就是总量基数，有两种方法，一是目标总量控制，二是容 量总量控制。 2 1 1 目标总量控制 目标总量控制首先要确定总量控制的目标值，确定方法主要有以下几种： f 1 ) 以维持某一时期污染物排放水平为基本目标，或以某一时期污染物排放水平为基数； ( 2 ) 维持某一时期或某一标准的海水水质为控制目标确定的总量； ( 3 ) 以技术经济条件、社会因素等所确定的一定的日标值。 排放总量确定以后，经过一段时问的实施，如果海域环境能够达到规定的使用目标要求， 则继续执行该排放总量；如果达不到，则继续削减排放总量，直到海域环境能够达到规定的 海域使用要求。这应是一种简便、行之有效的方法。国务院在关于国家环境保护“九五” 计划和2 0 1 0 年远景口标的批复中，批准了“九五”期问全国主要污染物排放总量控制计划， 采用的就是这种目标总量控制的方法。计划规定县及县以上工业污染物排放量以1 9 9 5 年环境 统计数值为基数。但这利- 方法实际上是把污染源和环境目标之问的关系作为一种灰箱，而不 考虑二者之问的输入响应关系。 2 1 2 环境容量控制 国内外许多学者对环境容量进行了研究，并分别对环境容量的含义进行了阐述，主要有 以下几种： _ 环境容量是环境的自净同化能力； 一环境容量是指不危害环境的最大允许纳污能力； 4 渤海环境动力学数值模拟及环境容罱研究 _ 环境容量是指水体在规定的环境日标下允许容纳的污染物量 一环境容量是污染物允许排放总量与相应的环境标准浓度的比值； 一环境容量是指环境标准与本底值确定的基本环境容量，与自净同化能力确定的变动环 境容量之和； _ 环境容量可以定义为在不影响生态系统的前提下，环境所能承纳的最大的污染物负荷 总量； - 环境容量就是遵循环境质量标准，在一定范用内环境所能承纳的最大的污染物负荷总 量。 这些概念从不同角度反映了环境容量的含义，但都不全面。联合国海洋污染专家组 ( g e s a m p ) 1 9 8 6 年正式定义了这一概念：环境容量是环境的特性，指在不造成环境不可承 受的影响的前提下，环境所能容纳某物质的能力，例如单位时问内的排污量，倾废量或矿物 提取量。这个概念包含三层含义：首先，污染物在海洋环境t 1 存在，只要不超过一定的阚值， 就不会对海洋环境造成损害；其次，在不影响生态系统功能的前提下，任何环境都有有限的 容量容纳污染物；第三，环境容量可以量化。总之，环境容量就是在一定时问范围内，环境 的最大容许纳污量。 环境容量的大小取决于以下三个因素：第一，海洋环境本身的水文地质条件。如海洋环 境空间大小，地理位置，潮流状况，自净能力等自然条件，以及海洋生态系统的种群特征等。 第二，人们对特定海域使用功能的规定。不同的海域功能区执行不同的水质标准，从而水环 境容量不同。第三，污染物的理化特性。污染物的理化特性不同，被海洋净化的能力不同， 其环境容量不同；不同污染物对海洋生物和人类健康的毒性不同，允许存在的浓度不同，环 境容量随之变化。 污染物进入水体后，通过物理、化学、生物自净过程得以去除。但是，i ；1 前关于海洋环 境容量的计算主要考虑水动力输运的自净过程，而往往忽视生物自净和化学自净等作用。其 主要原因是，日前缺乏有关动力学参数和化学、生物等自净过程分配系数的报道( z a i k a ，1 9 9 2 ) 。 另一个重要原因是，1 3 前人们主要依据的急性毒性、毒理分析和对生物生长影响等试验，只 能定性描述环境负荷物对生物群落结构及数量变化现状的影响，无法定量描述环境负荷物在 食物链中的分布，也难于预测生物群落结构及数量变化的趋势( 唐森锦等，1 9 9 3 ) 。实际上， 海洋生物特别是浮游生物和底栖生物，通过生物宦集和食物链的生物放大过程，吸收环境负 荷物而使海水净化。因此，综台考虑物理、化学和生物等自净过程对环境容量的贡献，是全 面了解海洋环境容量和水质变化趋势的关键，也是科学评价环境负荷对海洋生态环境影响的 重要基础。 以污染物在水体巾的标准值为水质日标，则水体的允许纳污量称为管理环境容量。管理 环境容量反映以满足人为规定的水质标准值为约束条件，它不仅与自然属性有关，而且与技 术上能达到的治理水平及经济上能承受的支付能力有关。在自然水体中，点污染源、面污染 源、自然背景值都对水体的总污染负荷有所贡献，都要占用相应的环境容量。 自然背景值一般是无法改变的，非人为所能控制，因而其所占用的环境容量也就不可再 5 2 海洋环境容量计算方法 分配使川。要改变| ；1 前面污染源往往需要很大的财力和很长的时问，因而其所占j 1 1 f 的环境容 量实际上大部分也是难以再分配使用的。点污染源也不是全部都能控制改变的。因而实际控 制的污染物主要是点污染源。i ，的工业污染源和部分生活污染源。当不可控污染源所占用的环 境容量小于管理环境容量时，其差值为可分配环境容量，即还可再分配使用。若大于管理环 境容量，则表示可控污染源即使全部削减，也满足不了水质标准，必须采取工程措施加大管 理环境容量，或降低功能要求。 2 2 海洋环境容量计算方法 环境容量包括绝对容量和年容量。绝对容量丰要表征的是自然环境的特性，而年容量主 要表征的是环境污染物的特性，一般而言环境容量是指年容量。这样，为满足当前我国海洋 环境污染物总量控制的要求，可将海洋环境容量定义为：为维持某一海域的特定生态环境功 能所要求的海水质量标准，在一定时问内所允许的环境污染物最大入海数量( 王修林等， 1 9 9 8 ) 。其中环境污染物是指，由于人类活动向自然环境输入、并对自然生态环境产生危害的 化学物质及其混合物。海洋环境污染物主要包括油类、重金属、农药和需氧有机化学污染物， 以及无机氮和无机磷等富营养化物质( 国家海洋局，2 0 0 0 ) 。 海洋环境容量与海水自净能力有关，它是自净能力的综合表现的定量描述。基于不同的 观点，环境容量的计算方法也不同。普遍接受的观点有两种：一种认为，环境容量应该是环 境本底值和环境标准值之问这一浓度范围内，环境所允许容纳的污染物质量；另一种则从总 量控制和管理的角度出发，认为环境容量是在水质不超过某环境标准值的前提下，污染物的 最大允许排放量。由此，环境容量可以表示为 e c = e c c + e b + e g( 2 2 一1 ) e c c = 呲( e c 6 ) a v ( 2 2 2 ) e q 2 j 儿c ( x , y ，毛t ) a v ( 2 2 - 3 ) e c s = e c s 一出v + e c s b i ，+ e c s 一矗。+ e c s 蚋t 1 3 2 4 1 其中，e c 代表环境容量，e c c 代表蓄存容量，即标准浓度与背景浓度的差的体积积分， 是一个静态的容量，不具有时间的概念，与其它两项相比可以忽略。e g 代表自净容量，包 括挥发、沉降等物理自净容量，微生物吸收、富集、分解等生物自净容量，氧化、络合等化 学自净容量，以及悬浮颗粒的吸附、沉降与解吸等地球化学自净容量。e g 代表输运容量， 是指通过海水的平流，物质浓度的扩散、弥散等作用向外海的输运物质量，等于单位时间内 输入输出计算海域的物质量的差值，输出( 输入) 的物质量等于海水中的物质浓度与单位时 问内输出( 输入) 的海水体积的积分。 目前，海洋环境容量计算方法大致有以下三类。 6 渤海环境动力学数值模拟及环境容景研究 2 2 1 箱式模型 该方法曾被广泛应用于海湾河口的环境评价研究( 葛明等，2 0 0 3 ；李克强，2 0 0 4 ) ，它的 思想是：将研究水体视为混合均匀的箱体，箱内物质浓度的时问变化率等于进入j = 孑流出箱子 的物质量之差，即 y 筹= 鲍q 一恐。c + s ( 2 2 5 ) 其中，c 表示箱内海水平均浓度，g 表示外海水平均浓度，q k 表示流入箱内水量，q o 。 表示流出箱内水量，表示外海水对箱内水的交换率，表示箱内水对外海水的交换率，s 表示单位时问内排入箱内的物质总量。 具体应用时，又分为单箱模型和多箱模型。 2 - 2 - 1 1 单箱模型 吴俊等( 1 9 8 3 ) 在研究大连湾的海水交换及自净能力时，提出一个潮周期内的物质输运 量为 矿= q o 一绋o( 2 2 6 ) 其中，q 、q _ 为流出和流入水量，岛，、c _ 为流出和流入海水的物质浓度。如果流入水 量q _ 与流出水量q _ 相等，即 则 q = 绯= q( 2 2 7 ) 矿- - q ( c 。一o )( 2 - 2 8 ) 把q 称为潮差移动量，把( c e - - c r ) 称为涨落潮浓度差。 夏永华等( 1 9 9 6 ) 研究钦州湾物理自净能力时提出，一个潮周期内最大排放量为 q 呲= ，q e 一尸q 0 c o( 2 2 9 ) 式中，c 表示水质标准，c 0 表示外海水平均浓度，其他符号意义同前。 马绍赛( 1 9 9 8 ) 刚箱式模型和事村武弘水质预测模式，对乳山湾的c o d 、无机氮和无机 磷环境容量进行估算。当湾内某一物质的当前浓度为g ，外海水浓度为0 ，水质标准浓度为 g ，则一个潮周期的环境容量为 q ；踢( e q ) 当外海水浓度不为0 时，一个潮周期的环境容量为 r 2 2 1 0 ) 7 2 海洋环境容量计算方法 q = 唑箸一触c o 亿2 式巾，丁表示潮周期，矿表示高潮时湾内水体，其它符号意义同前。 2 - 2 1 2 多箱模型 由于甲箱模式与实际情况有较大的误差，多箱模式的出现在一定程度上弥补了这种缺陷。 多箱模式的质量守恒公式可以表示为 警2 莩。一手气+ 莓昂 f 2 2 - 1 2 ) 其巾，m 为第i 箱的某物质量，f j 为第j 箱向第i 箱的物质输入量，为第i 箱向第j 箱的物质输出量，。n 为物质的第k 利一反应而使第i 箱物质增加或减少的量。 李家科( 2 0 0 4 ) 用多箱模型研究了博斯腾湖的水环境容量，他把博斯腾湖分成5 8 * 4 8 个 分箱，认为每个分箱是混合均匀的，然后分别计算了各箱的贮存容量、输运容量和自净容量， 然后相加得到总体水环境容量。 2 _ 2 _ 1 3 应用分析 箱式模型假定污染物一进入水体，马上被混合均匀，整个计算水体被看作一个浓度均匀 的箱体。这在范围不大、混合均匀的水库、湖泊或者海湾是一种比较好的近似，但对于面积 较大，混合不均匀，具有一定环流结构的海岸海洋，这种假设就不再成立。因此，该方法的 前提假设注定了它有两个缺陷： 首先，所有进入海洋的污染物立刻混合均匀，不能体现不同污染源对浓度分布的影响， 因此不能给出各个排污口单独的排放量，只能给出海域总体的环境容量； 其次，水体中空问各点并不孤立，而是通过平流扩散等物理过程相互联系，某些区域的 容量尚有剩余的前提下，其它区域的水体却已经超标。 可见，使用该计算方法一般会过高估计环境容量，但依据此定义得到的环境容量仍不失 参考价值，可以将其理解为环境容量的上限。 2 2 2 分担率法 2 2 2 1方法原理 在流速和扩散系数己知的前提下，对流扩散方程可视为线性方程，满足叠加原理，从而 多个污染源共同作用下所形成的平衡浓度场，等于各个污染源单独存在时形成的浓度场的线 性叠加，即 c ( x ，y ，z ) = q ( 墨y ，z ) ( 2 2 1 3 ) f = l 其次，每个点源单独形成的浓度场，又可以看作该点源单位源强排放时，所形成的浓度 场一一称为响应系数场一一的倍数，即 8 渤海环境动力学数值模拟及环境容摄研究 c ：( x ，y ，z ) = q q ( x , y ，z ) ( 2 2 1 4 ) 式叫1 ，q 为第i 个排放口排放量，吼为筇f 个排放口的响应系数场，表示在单位源强下 点( 工弦z ) 的浓度，它反映了该点对笕i 个排放源的响应程度。q ( x , y ，z ) 括号内不显含时问 变量，意指定常场或者时问平均。 再定义分担率场一【z ，y ，“，用来反映各个j 囊源对浓度的贡献比例 一( x ，y ，z ) = e ( 算，y ，z ) c ( z ，y ，z ) ( 2 2 - 1 5 ) 设e ( x ，y ，z ) 为该海域的水质标准，g ( 墨y ，z ) 为满足水质标准条件下的第f 个点源的分 担浓度值，于是有 e ，( x ，y ，z ) = ( x ，y ，z ) q ( 墨y ，z ) ( 2 2 一1 6 ) 注意，在这里假设分担率场是不变的( 后面将对这一假设的合理性进行讨论) ，即各点源 对控制点的浓度贡献是不变的 ( 五y ，z ) = 一( x ，y ，z ) ( 2 2 1 7 ) 然后，用实测数据计算此分担率场，再以此分担率场计算允许排放量，即 g ( z ，y ，z ) = ”( x , y ，z ) e ( x ，y ，：) ( 2 2 1 8 ) 根据( 2 2 1 5 ) 式，有 鳊= g a i ( 而y ，z ) ( 2 2 - 1 9 ) 由以上两式，可得 q ，=f 2 2 2 0 ) 2 2 2 2 应用分析 这利t 方法适用于海域面积不太大，浓度场模拟不太长的时问就能达到平衡，能够得到比 较稳定的响应系数场；对所有排放源资料掌握比较全面，因而能够得出比较准确的分担率场； 水质现状控制较好，基本满足水质同标的情况。 这种方法思想容易理解，方便管理和实际操作，但有以下三个问题值得探讨： 其一，响应系数场是不是唯一、稳定的，即它是不是时问、源强的函数，是不是随时问 推移不断演变，是不是随源强变化而变化。这里主要有两个因素影响响应系数场：潮流的周 期波动