（环境科学专业论文）珠江口水体交换及主要污染物环境容量的研究.pdf

中山大学硕士学位论文：珠江口水体交换及主要污染物环境容量的研究 洋，其范围为3 6 4 至1 2 9 d 。 ( 4 )珠江口的总环境容量随着降解系数的变化呈斜率为正的一次多项 式关系，其相关系数为0 9 7 8 。 ( 5 )不考虑背景浓度时，珠江口的c o d 、p 0 4 和d i n 的环境迁移容量 分别为1 3 7 3 万吨年、1 1 万吨年和1 3 7 万吨年，考虑背景浓度时，c o d 和 d i n 均无物理迁移环境容量，p 0 4 的迁移容量为6 7 0 6 4 吨年。 ( 6 )珠江口c o d 、p 0 4 和d i n 的天然环境容量分别为2 8 4 0 ，1 9 和1 5 5 万吨年，减去港澳区域的之后分别变为为：1 9 2 9 、1 3 和1 1 6 万吨年；c o d 和p 0 4 的背景环境容量分别为2 5 6 1 和1 7 万吨年，减去港澳地区的容量后剩 下1 6 5 0 和1 2 万吨年。珠江口的d i n 无背景环境容量，当上游边界浓度为海 水水质一类标准时d i n 才有相应的环境容量1 3 1 万吨年。 ( 7 )对2 0 0 6 年八大口门c o d 和p 0 4 削减量的分析表明，除了崖门外， 八大口门需要消减的c o d 和p 0 4 均比较大，削减幅度都在6 3 以上。 综合而言，本文较为合理的计算了了珠江口的水体交换和环境容量，能为 开展珠江口污染物总量控制提供重要的参考信息。 关键词：珠江河口，水体交换，环境容量，一维与三维水环境数学模型，线性 规划 中山大学硕上学位论文：珠江口水体交换及主要污染物环境容量的研究 a b s t r a c t t h ep e a r lr i v e rd e l t ai so n eo ft h em o s td e n s e l yp o p u l m e da n de c o n o m i c a l l y d e v e l o p e dr e g i o n si nc h i n a t h ew a t e rb o d yr e c e i v e sah i g hl o a do fa n t h r o p o g e n i c p o l l u t a n t sf r o mu p s t r e a mr i v e r sa n dw a s t e w a t e rd i s c h a r g e si nt h er e g i o n ，t h u st h e w a t e rp o l l u t i o ni ss e r v e r s t u d yo fw a t e re x c h a n g ea n de n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yw i l l n o to n l yp r o v i d ee x p e r i e n c ea n dr e f e r e n c ef o ro t h e rl a r g ef i v e rs y s t e m s ，p a r t i c u l a r l y f o rc o m p l i c a t e df i v e r - n e t w o r k ，b u ta l s op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o re f f e c t i v et o t a l a m o u n tc o n t r o li np e a r lr i v e rd e l t a i nt h i ss t u d y , b e c a u s eo ft h ec o n t i n u i t yo fw a t e ra n dm a t e r i a lf l o wi nt h ep e a r l r i v e rn e t w o r ka n dt h ee s t u a r y , a1 - da n d3 一dc o u p l e dm o d e l ，w h i c hi n t e g r a t e st h e f i v e rn e t w o r k ( w i t h1 一dm o d e l ) ，t h ee s t u a r ya n di t sa d j a c e n tc o a s t a ls e a ( w i t h3 一d m o d e l ) a sa l le n t i t y , h a sb e e nu s e dt oe v a l u a t et h ea v e r a g er e s i d e n c et i m ei np e a r l r i v e re s t u a r y , a n da n a l y s i so ft h e t e m p o r a la n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o no fw a t e r e x c h a n g ec a p a b i l i t yi sp e r f o r m e d b a s e do ne q u a l i t yb e t w e e nt h ee i g h to u t l e t si n p e a r lr i v e rd e l t a , t h ee n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo ft h r e em a i np o l l u t a n t sh a v eb e e n c a l c u l a t e d ，w h i c ha r ec h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d ) ，a c t i v ep h o s p h a t e ( p 0 4 ) a n d d i s s o l v e di n o r g a n i cn i t r o g e n ( d i n ) m a j o rc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i n f l u e n c e db yt h ew a t e rf l o wf r o mt h en e t w o r k , t h ea v e r a g er e s i d e n c et i m e i np e a r lr i v e re s t u a r ys h o ws i g n i f i c a n ts e a s o n a lv a r i a t i o n s a v e r a g er e s i d e n c et i m e b e t w e e nt h ee i g h to u t l e t sa n dt h e2 0 mo fi s o b a t hi nw e ts e a s o ni s 8 9d a y s ，w h i l e 2 7 8d a y si nd r ys e a s o n t h ed i s c r e p a n c yi s18 9d a y s t h ea v e r a g er e s i d e n c et i m eo f i n n e ra n do u t e rl i n g d i n ge s t u a r y , m o d a o m e ne s t u a r y , a n dh u a n g m a oe s t u r a yi n w e ts e a s o ni sr a n g ef r o m3 6 4t o1 2 9 d a y s ，w h i l e2 4 7 7t o3 8 0 1 d a y si nd r ys e a s o n , t h ed i s c r e p a n c yi sr a n g ef r o m19 5t o2 5 1d a y s a st ot h em a t e r i a lr e l e a s et i m e ，t h e a v e r a g er e s i d e n c et i m ew i l lb e1d a yl o n g e rw h e nm a t e r i a lr e l e a s e di ns p r i n gt i d e t h a ni nn e a pt i d e ，m o r eo rl e s s ( 2 ) a n a l y s i so ft h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fr e s i d e n c et i m ei nt h ep e a r lr i v e r m 中山大学硕士学位论文：珠江口水体交换及主要污染物环境容量的研究 e s t u a r yi n d i c a t e st h a t ，t h er e g i o n sn e a rt h eo u t l e t sa n do nt h es o u t h - w e s to fl a n t a u i s l a n dh a st h ec o m p a r a b l es h o r ta v e r a g er e s i d e n c et i m e ，w h i l es h e n z h e nb a yh a s l o n g e ra v e r a g er e s i d e n c et i m eb e c a u s eo ft h ee n c l o s e dt o p o g r a p h y b e c a u s eo ft h e t h r o u g h o u tm i x i n gi nd r ys e a s o n , d i s t r i b u t i o no fr e s i d e n c et i m ei sa l m o s tt h es a m e v e r t i c a l l y ；h o w e v e ri ti sn o tt h ec a s ei nw e ts e a s o nb e c a u s eo ft h el a r g ed i s c h a r g e t h er e s i d e n c et i m ed i f f e r sr e m a r k a b l yf r o mf i r s tl a y e rt ot h eb o t t o ml a y e ri nw e t s e a s o n ；t h ee v i d e n c ei st h a tal a r g ew a t e rm a s sw i ml o n g e rr e s i d e n c et i m ee x i s t s b e t w e e ng a o l a ni s l a n ga n dh e n g q i ni s l a n d i ti st h o u g h tt ob er e l a t e dt ot h el i t t l e r e s i d u a lv e l o c i t y ( 3 ) a n a l y s i so fa v e r a g er e s i d e n c et i m ei nt h ef o u rs u br e g i o n si n d i c a t e st h a t ，t h e s h o r t e s tt ot h el o n g e s ta v e r a g er e s i d e n c et i m ea l eo r d e r e da si n n e rl i n g d i n ge s t u a r y , h u a n g m a oe s t u a r y , m o d a o m e ne s t u r a ya n do u t e rl i n g d i n ge s t u a r y , r a n g ef r o m 2 4 7 7t 038 old a y s ，w h i l ei nw e ts e a s o n , t h eo r d e ri si n n e rl i n g d i n ge s t u a r y , m o d a o m e ne s t u r a y , h u a n g m a oe s t u a r ya n do u t e rl i n g d i n ge s t u a r y , r a n g ef r o m 3 6 4t 01 2 9d a y s ( 4 ) t h er e l a t i o nb e t w e e ne n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yi np e a r lr i v e re s t u a r ya n d t h e d e c a yr a t e i so n eo r d e rp o l y n o m i a l 谢t l lp o s i t i v e s l o p e ，t h ec o r r e l a t i o n c o e 伍c i e n ti s0 9 7 8 ( 5 ) t h ep h y s i c a le n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo fc o d 、p 0 4a n dd i ni np e a r lr i v e r e s t u a r yi s 1 3 7m i l i o nt a 、1 11 9 1 2 6t aa n d0 1 4m i l i o nt a , r e s p e c t l y ；i ft h e b a c k g r o u n dc o n c e n t r a t i o ni sn o ti nc o n s i d e r a t i o n , t h e yc h a n g et on o n ef o rc o d a n d d i n ，a n dp 0 4o n l yh a s6 7 0 6t al e f t ( 6 ) t h en a t u r a le n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo fc o d 、p 0 4a n dd i n i s2 8 4m i l l i o n ， 18 6 0 9a n d0 16m i l l i o nv a , a n dt h e yt u r nt o1 9 3 ，13 0 5 6a n do 12m i l l i o nw i t h o u t h o n g k o n ga n dm a c r o t h eb a c k g r o u n de n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yc o m e st ob e2 5 6 m i l l i o na n d17 0 9 5t af o rc o da n dp 0 4 ，a n dt h e yc h a n g et o1 6 5m i l l i o na n d115 4 9 w i t h o u th o n g k o n ga n dm a c r o , r e s p e c t l y t h e r ew i l lb en oe n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yf o r d i nw h e nc o n s i d e r i n gb a c k g r o u n dc o n c e n t r a t i o n , o n l yw h e nt h ec o n c e n t r a t i o ni nt h e u p p e rb o u n d a r ys e c t i o nm e e tt h eo n ec l a s so fs e aw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d , t h e r ew i l l b ee n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yf o rd i n 谢t l la m o u n to fo 13m i l l i o nf l a 中山大学硕士学位论文：珠n - d 水体交换及主要污染物环境容量的研究 ( 7 ) t h ea n a l y s i so fr e d u c i n ga m o u n to fc o da n dp 0 4i nt h ee i g h to u t l e t s i n d i c a t e s ，e x c e p ty a m e n ，m o r et h a n6 3 a m o u n to fc o da n dp 0 4h a v et ob e r e d u c e di nt h el e f ts e v e no u t l e t s i ns u m m a r y , t h i sw o r kh a sc a l c u l a t e dw a t e re x c h a n g ea n de n v i r o n m e n t a l c a p a c i t yf o rc o d ，p 0 4a n dd i ni nar e l a t i v e l yr e a s o n a b l ev a l u e ，t h u sc a np r o v i d e i m p o r t a n ti n f o r m a t i o nf o rt h et o t a la n a o u n tc o n t r o li np e a r lr i v e re s t u a r y k e y w o r d s ：p e a r lr i v e re s t u a r y ，w a t e re x c h a n g e ，e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y ，1 - d a n d3 - dc o u p l e dm o d e l ，l i n e a rp r o g r a m m i n g v 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：裴木风 日期：oi o 年石月4 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅。有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索。可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 保密论文保密期满后适用本声明。 学位论文作者签名：装水凤 导师签名：右迄弓 日期：2 0f ，年月争日 中山大学硕士学位论文：珠江u 水体交换及主要污染物环境容量的研究 第一章绪论 1 1 研究背景和选题意义 珠江三角洲位于广东省中南部，毗邻港澳，其行政辖域包括深圳、东莞、 广州、佛山、中山、珠海、江门，以及惠州市的惠城区、惠阳、惠东、博罗和 肇庆的端州区、鼎湖区、高要与四会( 图1 - 1 ) ，是我国人口和产业集中程 度最高的地区之一。 随着经济的快速发展和人口的急剧增长，大量的各类污染物从上游和沿岸 排入珠江三角洲水体，致使其水环境污染状况极其严重。分析水利部珠江水利 委员会公布的2 0 0 0 到2 0 0 7 年水资源公报的数据，统计西江、北江、东江和珠 江三角洲河网的水质状况，各类水质河道的长度占总河长的百分比如图1 - 2 所 示，其中等于和劣于类水的河段长度占总河段长度比例由2 0 0 0 年的1 7 4 2 升为2 0 0 7 年的3 3 0 7 ，水质状况逐年恶化；河网区呈现明显的有机污染，随 着整治工作的深入，有机类污染物得到一定的控制，而氮、磷污染则有逐年加 重的趋势，城市河段尤其是河涌呈现复合污染的态势口1 ，城市饮用水源受到威 胁从而导致跨界水污染纠纷突出d 1 。珠江河口区水质也呈现逐年下降的趋势， 主要的污染物质由初期的重金属转为现在的营养盐，无机氮和活性磷酸盐浓度 普遍超标，河口的富营养化程度很高，富营养化程度从沿岸到外海呈递减趋势， 枯水期、丰水期、平水期的富营养化程度依次降低h 。1 ，在近河口区表现为磷限 制，逐渐过渡到磷、硅复合限制，再到外海的氮限制细1 。过量的营养物质、繁 多的赤潮生物种类和适宜的物理条件等导致珠江口赤潮爆发的频率与规模日益 增大 1 2 - 1 5 j ，此外底层水体也出现了季节性缺氧现象n h 胡。 - m 大学+ 学位论文珠￥jl 1 m 体变换主耍污染物虾艇容量的研究 6 0 5 0 知 比3 0 ； 、，2 0 1 0 0 孽淫灞 黝 、 1 1 31 1 351 1 4 1 1 45 l o 雌i m d e ( 。e 】 哪卜l 珠江三角洲河阿水系与河口湾示意图 2 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 6 2 0 0 7 年份 图i - 2 两江、采江、北江和珠江河网区备类水质河道占总河道的百分比 珠三角的水环境状况堪忧为减轻珠江r l 的环境污染状况，必须对珠江口 进行有效的环境管理。总量控制将污染物的排放总量与环境目标紧密相连，能 确保环境目标的实现，有利于促进资源节约、产业结构优化和治理污染，以及 一z，一u口ni；日 中山大学硕：l = 学位论文：珠江口水体交换及主要污染物环境容量的研究 推动经济增长方式的转变，因此是改善水体环境和推行可持续发展战略的重要 保证1 引。 水环境容量的计算是实施污染物总量控制的首要步骤，其定义为水体环境 在规定的环境目标下所能容纳的污染物量。污染物特性、排污口位置、水质 目标和水体环境特征是影响区域水环境容量的主要因子。对一定的污染物和研 究区域，水质目标和排污口位置都是确定的，因此水体的环境特征是引起容量 计算结果差异的主要因素，水体交换能力表征了区域水体对污染物输移能力的 强弱。水体交换强劲的水体，污染物通过对流输运和稀释扩散等物理过程与周 围水体混合、与外海水交换，浓度降低从而水质得到改善，研究区域的环境容 量较大；而交换不畅的水体，则会由于污染物的持续累积，即使是很小的污染 物排放量也会导致水质恶化，区域的环境容量小。 珠江三角洲是一个典型的复合水域，河网区和河口湾水流相互贯通，敏感 互动，河网区的污染物在径流的作用下源源不断的汇入珠江口，而对珠江口的 模拟范围多是从八大口门( 虎门、蕉门、洪奇沥、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳 门和崖门) 向外海延伸乜旧3 ，河网区物质的影响只能通过在口门处给定年或水 期平均意义上的物质通量，不具有随时间变化的特性，也不能代表模型计算时 刻的真实情况，在一定程度上影响了水动力和物质的模拟精度。此外，珠江河 网和河口同时受径流和潮汐作用，物质在八大口门附近随着潮水的涨落在河道 和口门外海间的大范围内反复振荡，涨潮时物质上移到模型的计算范围以外， 落潮时又重新进入计算区域内，目前的解决方法是将模型计算的上边界延伸至 不受潮汐影响的河网上游。为合理的再现河网与河口湾物质的传递过程，从而 提高动力和水质的模拟精度，有必要将河网与河口区及其近岸海域结合起来视 作一个整体，构建珠江三角洲河网与河口耦合的水环境数学模型，国内不少学 者在这方面做了相关的研究，取得了一定的进展口4 。3 2 3 。 目前有关珠江三角洲水体交换和环境容量的研究鲜见报道，结合以上的分 析可见，建立河网一维和河e l - - - 维水环境数学模型，对珠江口水体交换和环境 容量进行研究具有较大的学术价值和极大的现实意义。 首先，珠江三角洲是一个极为复杂的大尺度河口系统3 ，其地貌特征与物 质输送形态十分独特。计算珠江口不同区域水体的平均停留时间，能够深入了 3 中山大学硕士学位论文：珠江口水体交换及主要污染物环境容量的研究 解水体的交换能力和对物质的输移情况，评估区域水体对污染物的滞留作用， 从而为分析珠江口的缺氧等环境问题和水体生态环境状况的变化提供参考依 据。 其次，本文在基于数值模拟的基础上，考虑河口公平分配的原则，用线性 规划的数学优化方法对珠江口的环境容量进行计算，并设置了几种不同的上游 边界条件，分析相应情况下珠江口主要污染物环境容量的分布状况，以较为合 理的方法确定了珠江口的环境容量，为珠江口污染物的总量控制提供了坚实的 基础，为珠江口建立一套完整有效的水环境管理机制提供技术支持。 最后，本文计算了珠江口的物理迁移环境容量，同时分析了不同降解率情 况下主要污染物环境容量的计算结果和分布情况，有助于了解物理迁移和生物 化学降解作用对珠江口容量的作用。 1 2 研究进展 1 2 1 水体交换 水体交换表征了河口、海湾水体和外海水之间的交换能力，是研究海洋物 理特性的一个重要方面。目前研究河口、海湾水体交换的主要概念为交换率和 各种不同的时间尺度如寿命( a g e ) 、停留时间( r e s i d e n c et i m e ) 、更新时间 ( r e n e w a lt i m e ) 、传输时间( t r a n s i tt i m e ) 、更替周期( t u r n - o v e rt i m e ) 、半 交换周期( h a l fl i f e ) 、冲刷时间( f l u s h i n gt i m e ) 等m 1 ，各种概念主要基于现 场的实测数据和数值模型的模拟值进行计算。 海水交换率在水交换研究中应用较早，其定义为主要由潮汐、潮流的作用 引起湾内水和湾外水的交换，p a r k e r 汹3 定义的海水交换率是涨潮时流入湾内 的海水中含第一次进入湾内的外海水的比率，k a s h i w a i 啪1 的定义和p a r k e r 类 似，但统计的时机不同，为落潮时流出水中含第一次流出湾外的湾内水的比率； 中村武弘汹例则在p a r k e r 和k a s h i w a i 的基础上提出了湾内水对外海水的交换 率和外海水对湾内水的交换率，给出了相应的计算方法，并在交换率的基础上 建立了水质预测模式。 水交换率主要通过使用大量的实测数据来计算，早期被广泛用于不同海湾 4 中山人学硕士学位论文：珠江口水体交换及主要污染物环境容量的研究 的水交换问题研究中。匡国瑞等h 0 1 用中村武弘的方法计算了乳山东湾的水体交 换率，并用相应的水质预测公式探讨了该区域的环境容量；王寿景等h 应用 p a r k e r 方法和k a s h i w a i 的定义分别计算了嵩屿一鼓浪屿和厦n - 鼓浪屿断面的 海水交换率；韩舞鹰等h 2 1 基于大亚湾冬夏两个航次的调查资料，运用p a r k e r 方 法、k a s h i w a i 的定义和中村武弘法分别计算了区域涨、落潮的海水交换率和湾 内外海水的平均交换率。海水交换率的计算需要在湾内外进行物质的同步或准 同步大面观测，经常出现缺乏实测数据的问题，而且公式中假设了湾内物质是 混合均匀的，用一个浓度值来代表湾内物质的平均浓度，因此交换率在实际应 用中往往受到实测数据的限制，并且多适用于尺度较小，无多大径流，混合能 力比较强的河口和海湾，何磊h 砧的研究证实了这点。 除了水交换率外，各文献中也出现了描述水体交换快慢的时间尺度。由于 定义和计算条件的不同，不同文献中不同的时间尺度有可能是相近的，也有可 能相同的时间尺度出现较大差异1 。冲刷时间( f l u s h i n gt i m e ) 为以开边界进入 整个或部分河口的物质通量的速度充满整个或部分河口所需要的时间h 钉。 b o l i n 和r o d h e m l 则引入了年龄( a g e ) 的概念，即考虑稳定流条件下物质在研究 水域中经历的时间，在此基础上总结了t u r n o v e rt i m e 、a v e r a g ea g e 、a v e r a g e t r a n s i tt i m e 等概念，并给出了相应的严格定义；z i m m e r m a n h 刀定义物质离开 研究区域所需要的时间为停留时间( r e s i d e n c et i m e ) ，而t a k e o k a 4 4 在 z i m m e r m a n 的基础上通过建立残留函数( r e m n a n tf u n c ti o n ) 来计算平均停留时 间，用于描述研究水体对所含物质的输移特性；l i u 等m 1 的分析表明，在对流 作用远大于扩散作用的水体，水体所含物质基本以线性衰减的方式与外海进行 交换，此时t a k e o k a 定义的平均停留时间和l u f f 等删定义的半交换时间相等， 当区域水体以指数衰减的方式与外海水进行交换时，t a k e o k a 的停留时间和 s i g n e l l 咖1 定义的平均存留时间一致。没有一种时间尺度能够完全适用于所有 水体的水交换过程啼，冲刷时间和停留时间分别是从两个相反的角度对水体交 换进行描述，但冲刷时间的计算也是假设研究水体混合均匀瞄，不适用于分层 较明显的区域，同时难以比较水体交换的空间差异。水体停留时间能分析水体 交换的空间差异，更直接的与区域生物的生命周期等进行比较，从而明晰水体 交换特性对区域生物和生态的影响。t a k e o k a 定义的平均停留时间可以描述不 中山大学硕士学位论文：珠江口水体交换及主要污染物环境容量的研究 同的水交换类型，并能在较多的其他定义之间进行转化，从而方便分析和比较 伯】 0 早期多基于实测资料对描述水体的各种概念进行计算，随着计算机技术的 发展，数值模拟方法逐渐占据了水体交换计算的舞台。目前的数值模型主要包 括标识质点的拉格朗日数值跟踪方法和对流一扩散型的水交换模式。拉格朗日数 值跟踪方法在计算出欧拉意义上的潮流场之后，通过分析越过分界线的标志点 数量来研究水体的交换能力，而对流一扩散型则以溶解态的保守性物质作为湾内 示踪剂，给定研究区域示踪剂的初始浓度，根据区域内示踪剂浓度的变化来分 析区域的水体交换特性啼羽。 孙英兰等嘞1 通过拉格朗日数值跟踪方法对胶州湾水交换能力进行了定性 的分析，将胶州湾分为湾顶滞留区、黄岛附近活跃区和湾口良好区；赵亮等嘲1 则用此方法对胶州湾的水体交换进行了模拟，更加定量化胶州湾各区域的水体 交换时间。胡建宇等汹1 建立了罗源湾二维潮波模型，并在高潮时假定某区域上 物质浓度为l o p p m 的初始浓度，通过求解每个潮周期高潮时刻该物质的总量与 初始物质总量的比值计算了海湾的海水半更换期；董礼先和苏纪兰陬5 刀使用水 平二维对流一扩散型水交换模式模拟研究象山港的水交换，通过象山港湾内示踪 剂浓度的变化计算了湾内各点水体被外海水的置换比率，从而对不同区域的水 交换控制机理做了初步探讨；孙英兰等嘞1 建立丁字湾的三维潮流模式，通过污 染物输运模式定量分析了丁字湾的水交换能力；王聪等嘞3 利用对流一扩散型的水 交换模式计算了年平均风场下大亚湾水交换的数值模拟；魏皓等呻1 用保守物质 浓度输运的水质模型对渤海湾的半交换时间进行了计算，结果表明交换时间与 物质初始浓度无关，与投放时刻、外源强迫密切相关；刘哲等呻1 使用对流一 扩散数值模型，计算被动溶解保守物质在胶州湾的平均停留时间( a v e r a g e r e s i d e n c et i m e ) ，并与其他研究结果进行了比较分析。 河口和海湾是岸线不同的两种近岸水体，戚定满1 1 用对流扩散模型计算了 长江口的水体交换，并对入河径流和水体交换能力的关系进行了分析；刘新成 等晦2 1 用无结构的三角形网格建立了长江口和杭州湾平面二维有限元潮流数学模 型，通过分析水交换通量的手段对水体的交换范围进行了定量计算和讨论； c h i - f a n gw a n g 等使用h e m - 2 d 模型计算了台湾淡水河的水体平均停留时间，并 6 中山大学硕士学位论文：珠江u 水体交换及主要污染物环境容量的研究 分析了河流径流、风场和潮汐作用对水体交换所产生的影响阳；y u a n 等旧1 为 了了解英国m e r s e ye s t u a r y 的水动力特征和物质传输过程，用数值模拟的方法 计算了河口的水体平均停留时间，分析该河口的水体交换能力。 标识质点的拉格朗日数值跟踪方法考虑了流场的非均匀性和由水体流动引 起的对流输送作用，能够描述水体交换的不均匀性和质点的去向与来源，但此 方法却忽略了水体对物质的扩散作用，对流一扩散性的水交换模式则考虑了对流 和扩散的作用，在物理上与河口、海湾水的问题更加一致。 关于珠江口水体交换能力的研究较少，早期只有林洪瑛嘲1 利用多河流河口 海区海水混合交换简单的数学模式，以1 9 8 7 年3 月的实测资料对珠江口伶仃洋、 内伶仃、磨刀门海域和崖门海域进行了海水交换率、水的统计更新时间及替代 率进行了计算和分析。珠江河口多口门入海，是一个极为复杂的大尺度河口系 统，上游径流量大，季节变化明显，河口垂向混合不均尤其丰水期水体强烈层 化，通过统计现场实测数据来分析区域的水体交换，一方面需要大量的实测数 据，资料凸显不足，另一方面假设与实际不符导致计算结果不合理；采用对流一 扩散性的水交换模式对t a k e o k a 定义的平均停留时间进行计算，全面考虑了水 体对物质的对流一扩散作用，能有效分析水体交换的空间差异，从而充分的了解 珠江口的水体交换特性。 1 2 2 环境容量 1 9 3 8 年，比利时数学家、生物学家弗胡斯特( p e f o r e s t ) 根据马尔萨斯的 人口论最早提出环境容量的概念，之后美国、日本和欧洲等国家陆续展开 了水环境容量的研究和实施。日本为改善水和大气的环境质量状况，提出了污 染排放总量控制，是最早提出环境容量理论的国家，其后修改了部分水污染防 治法，开始了以化学需氧量c o d 为对象的总量控制工作，并在1 9 8 4 年推广到东 京湾和伊势湾两个水域汹1 。美国环保总局( u s e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n a g e n c y ，u s e p a ) 积极推行的是一个称为最大日负荷总量( t o t a lm a x i m u md a i l y l o a d ，t m d l ) 的水污染控制模式，该模式根据水体在满足水质标准前提下所能容 纳的污染负荷量控制各污染源，考虑的因素包括点源、非点源的污染负荷分配 7 中山大学硕士学位论文：珠江口水体交换及主要污染物环境容量的研究 部分，以及为考虑水环境的不确定性而给出了一个安全距离的安全系数嘲1 ；欧 洲各国也都较早的进行了污染物总量控制的研究，如英国的泰晤士河，德国的 内卡河和莱茵河，均采用了各类治理措施，消减污染物入河总量，使水质恢复 到良好状态哺胡。 我国在2 0 世纪7 0 年代后期引入容量概念，在“六五 期间的探索阶段， 主要是研究水环境容量的概念及污染物自净规律，“六五 早期主要是对小河或 者是局部河段用简单数学模型进行计算，研究对象主要为耗氧有机物，中后期 模型的模拟对象相对来说有所扩大，包括了溶解氧、氮等；“七五 期间是初步 实践阶段，相比“六五 ，“七五期间 容量研究的应用模型复杂化、研究内容 从一般耗氧有机物扩展到氮、磷负荷和油污染等，研究范围也扩大到海湾河口 等，“七五 构建了中国水污染物总量控制的初步框架；“八五”期间继续对环 境容量深化研究，水质规划与总量控制的研究工作也进入了政府的有效实施阶 段，标志着中国总量控制工作的正式展开；“九五 、“十五 期间是全面深化阶 段，理论上进一步完善现有的水污染总量核定、分配和监控技术，对模型和参 数的选取进行研究，应用实践上，c o d 、氨氮排放总量控制先后被列为环境保护 的考核目标旧1 。 统观国内外，总量控制的理论和应用研究正在如火如荼的进行。总量控制 的理论依据是环境容量，一般包括容量计算和负荷分配。国外一般使用“同化 容量 的概念，其计算和负荷分配在同一过程中进行，使用的方法主要为线性 规划和非线性规划。早期主要使用线性规划方法，并逐渐结合了灰色、模糊、 随机等各种要素的应用，近几年非线性规划也逐渐兴起，而随着模型复杂程度 的增加，遗传算法、神经网络等现代技术受到了越来越多的重视，此外，用于 环境风险管理的随机水环境数学模型和多目标求解方法也应用得十分广泛n 叼。 国内环境容量的计算，早期主要是混合均匀法，即用水体体积乘以水质目 标值与水质现状值之差求得，如吴俊等对大连湾的计算、饶海燕等旧1 利用陆 地卫星图像对珠江口n 、p 的静态环境容量进行了估算，叶德赞等口们利用细菌动 力学估算污染物的动力学参数，从而计算厦门西海域的环境容量等。这些结果 求的是环境的静态容量，不对排污口数目和分布做任何规定，所得到的结果无 法作为总量控制、负荷分配的依据啪3 。 8 中山大学硕士学位论文：珠江口水体交换及主要污染物环境容量的研究 随着技术的发展，人们逐渐使用数值模拟的方法对环境容量进行计算。韩 保新等口在用a d i 法模拟澳门周围水域水质的基础上计算了该区域的环境容 量，张存智等口2 1 基于质量守恒原理和污染物浓度的线性叠加原理，导出了受纳 水体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，并用于大连 湾的容许入海负荷总量的计算，此后，龚艳君口3 1 、张学庆等盯钔等分别用此方 法对威海湾和胶州湾进行了环境容量的计算。李适宇等订明根据环境容量的定 义，设定了求解环境容量的目标函数和相应的约束条件，并用于汕头的海域环 境规划，以后许多关于海域环境容量的计算多基于此方法啡1 ；栗苏文等口力用模 型试算法计算了大鹏湾的环境容量。裴相斌等盯刚等开发了基于g i s 的海湾陆源 总量控制的空间优化分配方法，研究了陆源污染排海总量控制的空间优化分配 问题。由于环境容量的计算需要考虑非点源等不可控因素的影响，因此方秦华 等m 1 使用二步分配法计算象山港海域的环境容量，把部分环境容量留给非点 源。 纵观目前对海域环境容量的计算方法，可以看出，可归纳为三大类，为栗 苏文的模型试算法、张存智提出的污染源一水质相应方法和李适字等人提出的分 区达标法。模型试算法根据排污情况和模拟结果进行多次计算，通过人为调节 各区域的排污最终达到水质目标值，在此过程中包含很多的人为因素，计算结 果不一定是最优方案，而且，若存在多个污染源的情况，则计算量巨大；污染 源一水质响应方法基于浓度可以线性叠加的原理，计算各排污口形成的分担率场 ( 为单个排污口对水质控制点的影响与区域总排污所产生影响的百分比) ，各排 污口的允许排污量则根据分担率乘以区域总容量所得，n 个水质控制点则排污 口有n 个值，取其最大值，因此有可能最终各排污口的允许排污量之和大于计 算得到的总环境容量，从而导致水质超标。分区达标法考虑的情况比较全面， 是应用比较广泛的计算方法，但是由于其只考虑环境效益的最大化，因此会导 致排污口被“优化掉”的现象。结合区域的经济、社会信息，增加线性规划 问题的约束条件，可以避免分区达标法所产生的极端化现象，因此本文对珠江 口环境容量的计算增加了八大口门排污公平的约束条件。 9 中山大学硕一：学位论文：珠江口水体交换及主要污染物环境容量的研究 1 3 研究内容和技术路线 1 3 1 相关概念说明 本文对珠江口的水体交换和环境容量进行研究，而文献中描述水体交换和 环境容量的定义各不相同，故在此对涉及到的相关概念做具体的说明。 本文对珠江口水体交换特性的研究使用t o k e o k a 1 定义的水体平均停留时 间来描述，即研究区域内物质到达出口所需要的时间，如公式( 1 - 1 ) 所示，式 中，r 为初始时刻研究水体所含物质的量，足为t 时刻仍留在研究水体中的物 质的量，( ，) 为t 时刻研究水体所含物质的残留值，平均停留时间f ，为r q ) 对时 间的积分。 铲肌渺= j c o 挚 ( 1 - 1 ) 环境容量是指，在选定一组水质控制点的污染物浓度不超过其各自对应的 环境标准的前提下，使各排污口的污染负荷排放量之和最大时所得到的区域所 有排污口容许纳污量之和口钉。本文对环境容量的计算对象为化学需氧量( c o d ) 、 活性磷酸盐( p 0 4 ) 和无机氮( d i n ) ，各对应物质的物理迁移容量为不考虑综合 降解系数情况下所得到的环境容量，具体再分为考虑背景浓度和不考虑背景浓 度两种情况；各对应物质的天然环境容量为在不考虑背景浓度和考虑综合降解 系数情况下所得到的环境容量值，而背景环境容量则为同时考虑背景浓度和考 虑综合降解系数情况下所得到的环境容量值。 1 3 2 研究内容 基于珠江三角洲河网和河口湾水动力和物质输运的连续性，本文通过使用 一个涵盖珠江三角洲河网、河口及其近岸海域大范围的水环境数学模型，在模 型率定、验证的基础上，分析珠江三角洲的水体交换能力，并以c o d ，p 0 4 和 d i n 作为研究对象，通过考虑口门公平分配的数学最优化技术，科学合理的确 1 0 中山大学硕士学位论文：珠江口水体交换及主要污染物环境容量的研究 定珠江口的海域环境容量。 结合上述目标，确定本文的研究内容如下： ( 1 ) 利用实测数据对珠江三角洲一维河网和三维河口耦合水环境数学模型 进行率定和验证，确定珠江口的主要化学污染物c o d ，p 0 4 和d i n 的综合降解 系数等参数。 ( 2 ) 利用耦合水环境模型，计算丰、枯水条件下珠