山東省入海污染物分配容量計算——精準化近海三維水質(zhì)數(shù)值模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃法.pdf

1、山東近海由渤海中南部和黃海西北部組成,主要接納山東省99個縣級行政區(qū)COD、氮等污染物,占全省陸域面積約70％,可統(tǒng)稱為山東近海源區(qū)。按照國家二類海水水質(zhì)標準衡量,當前山東近海DIN濃度超標率約4%,但一些臨城海灣,如膠州灣可高達約40%。按照“一刀切減排”方式,山東省分別于2006年和2011年開始實行陸源COD和氨氮排污總量控制管理,完成國家考核指標。但按照“提前全面建成小康社會”,尤其是新型工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的總體目標要求,山東省依然

2、面臨產(chǎn)污總量剛性增長的壓力。近海DIN濃度超標率需年均降低約0.5%,特別是膠州灣等海灣至少需降低6%,到2020年才能實現(xiàn)《山東省海洋功能區(qū)劃(2011-2020年)》的目標要求。然而,《中國近岸海域環(huán)境質(zhì)量公報》顯示,隨著陸源排污數(shù)量減少,山東近海DIN超標率卻增加約3.5%,部分海灣超標率甚至高達約7%。這樣,如果仍然按照現(xiàn)有減排方式,難以實現(xiàn)山東近海尤其是臨城海灣水質(zhì)的改善。
　　造成當前減排方式難以實現(xiàn)山東近海水質(zhì)改善的

3、原因是多方面的,其中最主要的是現(xiàn)行陸源排污總量控制管理指標體系的構(gòu)成過于單一,在指標制定方法方面沒有采用國際上廣泛公認的“水質(zhì)標定”(water quality-based)方法,結(jié)果無法為實行“差別化減排”方式提供量化的科學(xué)依據(jù)。關(guān)于山東省陸源排污總量控制管理“水質(zhì)標定”指標體系,目前只有膠州灣、萊州灣等源區(qū)入海排污口分配容量的研究報道。因此,有必要按照《山東省環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃》中關(guān)于“入海排污口達標率要達到100%”的目標要求

4、,加快建立完善山東近海源區(qū)排污總量控制管理“近海水質(zhì)標定”指標體系。
　　陸源排污總量控制管理指標體系制定方法,可分為“經(jīng)驗技術(shù)方案核定”(technology-based)和“水質(zhì)標定”兩大類方法,兩者在陸源排污壓力與水質(zhì)響應(yīng)量化關(guān)系方面有本質(zhì)區(qū)別,以后者為量化科學(xué)依據(jù),美國和日本自20世紀70年代初分別開始探索實施污染物最大日負荷(TMDL)和污染物負荷總量控制( TPLCS)計劃。自20世紀60年代中期,相繼提出發(fā)展了試算模

5、擬法(Trial-and-error simulation)、數(shù)學(xué)規(guī)劃法、不確定性優(yōu)化法和水質(zhì)數(shù)值模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃法等“水質(zhì)標定”法。由于陸源排污與管理水域水質(zhì)連接方式及程度等不同,不同“水質(zhì)標定”法計算得出的指標體系不僅在構(gòu)成方面有顯著差別,而且各個指標的“波動幅度”也有顯著差別,結(jié)果造成不同方法的適用性有所差異。其中,水質(zhì)數(shù)值模型數(shù)學(xué)規(guī)劃法可以得到在水質(zhì)準確達標“剛性約束”條件下的分配容量,但由于陸源排污與水質(zhì)間存在復(fù)雜的量化關(guān)系,特別

6、是因為水質(zhì)約束條件空間布設(shè)的不合理性及模擬計算的波動性等原因,分配容量的計算結(jié)果往往會產(chǎn)生較大偏差。
　　這樣,本文的研究目的是圍繞現(xiàn)行“行政區(qū)等比例減排”方式難以使山東近海水質(zhì)明顯改善的突出問題,針對傳統(tǒng)的近海三維水質(zhì)模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃法計算的分配容量準確性偏低的難題,完善發(fā)展精準化近海三維水質(zhì)模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃法,計算了山東近岸海域入海源區(qū)99個縣級行政區(qū)的分配容量,為實現(xiàn)由―一刀切減排‖向―差別化減排‖方式的轉(zhuǎn)變提供量化科學(xué)依據(jù)。要實現(xiàn)

7、上述研究目的,不僅要對傳統(tǒng)方法進行修正,而且也要建立完善相應(yīng)的計算流程,特別是按照陸源排污壓力與近海水質(zhì)之間量化關(guān)系的要求,既要使入海排污數(shù)量計量結(jié)果更加準確,又要使近海水質(zhì)時空分布模擬計算結(jié)果更加準確。因此,本文的研究內(nèi)容主要有4個方面:(1)傳統(tǒng)的近海三維水質(zhì)數(shù)值模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的修正。(2)山東近海源區(qū)COD和氮排污數(shù)量的計算,主要包括排污數(shù)量計量區(qū)域的合理劃分、產(chǎn)污/自衰系數(shù)估算法校核等。(3)山東近海 COD和氮污染物濃度時空

8、變化的分步模擬計算,主要包括納污范圍界定、近海三維水動力耦合過程水質(zhì)數(shù)值模型(以下簡稱水質(zhì)模型)構(gòu)建、分步模擬計算及驗證等。(4)山東近海源區(qū) COD和氮污染物“近海水質(zhì)標定”分配容量的精準化計算和“差別化減排”技術(shù)方法構(gòu)架。
　　綜合采用調(diào)查數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計、理論分析和數(shù)值模型等方法,主要得到3個方面的研究結(jié)果:
　　(1)針對傳統(tǒng)近海三維水質(zhì)數(shù)值模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃方法中,分配容量計算結(jié)果準確度偏低問題,完善發(fā)展了傳統(tǒng)近海三維水質(zhì)模

9、擬數(shù)學(xué)規(guī)劃方法,特別在修正了因響應(yīng)系數(shù)矩陣隨陸源排污數(shù)量波動,和水質(zhì)空間布設(shè)不完整所產(chǎn)生的計算誤差基礎(chǔ)上,建立了實現(xiàn)修正的水質(zhì)-規(guī)劃雙模型循環(huán)優(yōu)化計算流程。
　　(2)改進了實現(xiàn)分配容量“精準化”計算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。①系統(tǒng)劃分了區(qū)域計量單元,篩選了產(chǎn)強系數(shù)自衰法和監(jiān)測核算法等陸源污染物入海排污數(shù)量的適用方法。②通過水質(zhì)數(shù)值模型的水動力場、鹽度場、污染物濃度場模擬計算結(jié)果的分步驗證,建立了山東近岸海域三維水質(zhì)數(shù)值模型。③通過復(fù)合響應(yīng)系數(shù)

10、場細化確定污染物納污海域,統(tǒng)籌考慮了水動力以及生物地球化學(xué)情況。
　　(3)基于改進的方法以及計算流程,計算了山東近海48個排污口及23個入海源區(qū)COD和TN的―近海水質(zhì)標定‖分配容量。①改進方法計算結(jié)果的準確性比傳統(tǒng)方法有所增加,相對偏差平均由45%±0%降低到38%±5%。②入海源區(qū)COD和TN分配容量空間分布有顯著差別,可用于―差別化減排‖,分別有25個及31個排污口需要進行COD和TN減排,其削減比例分別占現(xiàn)狀排放量的83

11、%和92%,嚴重超載源區(qū)主要位于山東北部,分別涉及90個和86個縣級行政區(qū),排污余載源區(qū)主要位于東部和西部,分別涉及9個和5個縣級行政區(qū)。
　　本文的創(chuàng)新點是完善發(fā)展了傳統(tǒng)近海三維水質(zhì)模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃方法,特別在修正了因響應(yīng)系數(shù)矩陣隨陸源排污數(shù)量波動和水質(zhì)空間布設(shè)不完整所產(chǎn)生的計算誤差基礎(chǔ)上,建立了實現(xiàn)修正的計算流程;特色是首次計算了山東近海48個排污口、23個入海源區(qū)COD和TN污染物―近海水質(zhì)標定‖分配容量,為實現(xiàn)由現(xiàn)行―行政區(qū)等