夏季膠州灣入海污染物總量控制研究.pdf

1、近年來，隨著沿岸社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展，人口趨海化、經(jīng)濟趨?；蝿萑找婕觿?，近岸水體環(huán)境污染面臨著嚴峻的形勢。入海污染物總量控制作為一種有效連接陸域、海域的管理措施，已成為近岸水體污染防治的一項重要舉措，是進行近岸污染控制規(guī)劃的基礎。
　　 本文以中國北方受人為活動影響較為顯著的典型海灣-膠州灣為研究對象，針對目前研究中存在的時間尺度、動力過程、不確定性等研究不足，在分析膠州灣水質及污染負荷現(xiàn)狀基礎上，從季節(jié)尺度、潮周期尺度研究入

2、海污染物總量控制。針對夏季水動力過程、污染負荷的季節(jié)特征和潮過程的周期性特征，采用基于POM的三維漫灘水質模型與優(yōu)化模型，計算了夏季和潮周期的膠州灣入海污染物總量及其優(yōu)化分配量，討論了源強隨機變化和響應系數(shù)場的不確定性，并借助情景分析、決策分析探討了污染物總量控制的管理措施。主要工作和結論如下：
　　 1、在對膠州灣歷史資料和文獻資料分析的基礎上，總結膠州灣面臨的主要環(huán)境壓力。為全面了解膠州灣環(huán)境狀態(tài)，根據(jù)2010年8月多船58

3、小時同步觀測資料，分析膠州灣夏季主要水質因子的空間分布特征。結果表明，2010年夏季膠州灣DIN、PO4-P、COD、SiO4-Si的平均濃度分別為31.41±17.07μmol L-1、1.63±0.96μmol L-1、1.36±0.15 mg L-1和9.01±3.88μmol L-1，NH4-N、NO3-N和NO2-N所占DIN比例分別為45.6％、47.2％和7.16％，其中NO3-N比例較歷史平均結果明顯偏高，觀測前期由于降

4、水過程引起的地面非點源徑流輸入是導致NO3-N比例增大的主要原因，改變了營養(yǎng)鹽結構；各類水質因子空間分布規(guī)律相似，表現(xiàn)為灣東北部為高值區(qū)、西北部為次高值區(qū)，并向灣中部和灣口呈遞減趨勢。水質評價結果表明，膠州灣氮磷比約為19.28±2.02，夏季膠州灣富營養(yǎng)化指數(shù)E平均值為7.13，從北向南，從東北、西北向灣中心，呈現(xiàn)富營養(yǎng)-中度營養(yǎng)-貧營養(yǎng)過渡，膠州灣總體呈現(xiàn)輕度磷限制。根據(jù)文獻資料等，總結膠州灣陸源污染物輸入的主要方式是河流輸入，其次

5、是污水處理廠輸入。并估算了八大排污單元主要污染物的夏季入海通量。
　　 2、在對膠州灣水質及污染負荷評估的基礎上，采用耦合水動力模型的水質模塊，數(shù)值模擬了膠州灣夏季余流特征和水質因子分布特征。水動力模型基于POM建立，綜合考慮風、潮(M2、S2、O1、K1)、徑流、斜壓效應等過程，水質模塊包含營養(yǎng)鹽、浮游植物、浮游動物等10個生態(tài)變量。通過與同潮圖、驗潮站水位、典型觀測站流速對比等手段驗證了水動力模型的可靠性；通過生態(tài)變量的年內(nèi)

6、變化(年尺度)、平面分布(月尺度)以及與觀測值(潮周期尺度)對比驗證了水質模型的可靠性。同時，分析了膠州灣余流特征，并通過與僅有潮過程的余流對比，證實了將多種水動力過程納入夏季污染物總量控制分析的必要性。
　　 3、利用已建立的水質模型，在選取水質控制點的基礎上，采用基于響應系數(shù)場的線性規(guī)劃方法，以排海污染物總量最大為目標函數(shù)，以海洋功能區(qū)劃水質標準和排海通量非負為約束函數(shù)，計算出夏季膠州灣DIN、DIP、COD的環(huán)境容量分別為

7、1848.1t、182.0 t和35456.1t，并在各排污單元進行優(yōu)化分配，其中團島排污單元分配的容量最大。數(shù)值驗證結果表明該分配方案合理，滿足海洋功能區(qū)劃要求。進而，考慮排污單元的經(jīng)濟、社會、地理等因素差異，引入公平性，再次分配的DIN、DIP、COD海洋環(huán)境容量均有所降低，各排污單元中，團島排污單元減少量最大，大沽河、墨水河排污單元分配量有所提高，符合實際需求。
　　 4、考慮到膠州灣是典型的潮控型海灣，水質要求不僅是潮周

8、期內(nèi)平均值達標，也要保證潮周期達標率，且污染源強是隨機變化的。采用源強為對數(shù)正態(tài)分布的優(yōu)化分配模型，將潮周期達標率作為約束條件，利用遺傳算法求解。計算的分配結果與傳統(tǒng)的分配方法有明顯差異，各排污單元排污量均有不同程度的減少。
　　 5、考慮到海洋生態(tài)系統(tǒng)中各元素轉化的復雜機制屬非線性過程，討論了基于響應系數(shù)場線性疊加原理的優(yōu)化分配可能帶來的誤差。分析表明，當某一元素處于限制狀態(tài)時，會導致分配結果和環(huán)境容量偏大，當處于過量狀態(tài)時，

9、會導致分配結果和環(huán)境容量偏小。
　　 6、將數(shù)值模型、優(yōu)化分配與情景分析法結合，應用膠州灣三維漫灘水質模型，采用情景分析法，進行數(shù)值實驗，評估各方案環(huán)境影響，并綜合環(huán)境、經(jīng)濟、社會效益進行情景方案的決策分析。結果表明污染負荷轉移方案環(huán)境治理效果最好，可作為備選方案；濕地建設方案各方面效益均較高，是首選的決策方案；污可與濕地建設配合，分別針對河流非點源和污水處理廠點源實施；深水排放方案暫不推薦實施。污染負荷隨潮位相排放方案，各種排