夏季膠州灣入海污染物總量控制研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著沿岸社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口趨?；?、經(jīng)濟(jì)趨?；蝿?shì)日益加劇，近岸水體環(huán)境污染面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)。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(xiàng)重要舉措，是進(jìn)行近岸污染控制規(guī)劃的基礎(chǔ)。
　　 本文以中國(guó)北方受人為活動(dòng)影響較為顯著的典型海灣-膠州灣為研究對(duì)象，針對(duì)目前研究中存在的時(shí)間尺度、動(dòng)力過(guò)程、不確定性等研究不足，在分析膠州灣水質(zhì)及污染負(fù)荷現(xiàn)狀基礎(chǔ)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(duì)夏季水動(dòng)力過(guò)程、污染負(fù)荷的季節(jié)特征和潮過(guò)程的周期性特征，采用基于POM的三維漫灘水質(zhì)模型與優(yōu)化模型，計(jì)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(qiáng)隨機(jī)變化和響應(yīng)系數(shù)場(chǎng)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(jié)論如下：
　　 1、在對(duì)膠州灣歷史資料和文獻(xiàn)資料分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)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(shí)同步觀測(cè)資料，分析膠州灣夏季主要水質(zhì)因子的空間分布特征。結(jié)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(jié)果明顯偏高，觀測(cè)前期由于降

4、水過(guò)程引起的地面非點(diǎn)源徑流輸入是導(dǎo)致NO3-N比例增大的主要原因，改變了營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)；各類水質(zhì)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?yàn)持胁亢蜑晨诔蔬f減趨勢(shì)。水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，膠州灣氮磷比約為19.28±2.02，夏季膠州灣富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)E平均值為7.13，從北向南，從東北、西北向?yàn)持行模尸F(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)-中度營(yíng)養(yǎng)-貧營(yíng)養(yǎng)過(guò)渡，膠州灣總體呈現(xiàn)輕度磷限制。根據(jù)文獻(xiàn)資料等，總結(jié)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(duì)膠州灣水質(zhì)及污染負(fù)荷評(píng)估的基礎(chǔ)上，采用耦合水動(dòng)力模型的水質(zhì)模塊，數(shù)值模擬了膠州灣夏季余流特征和水質(zhì)因子分布特征。水動(dòng)力模型基于POM建立，綜合考慮風(fēng)、潮(M2、S2、O1、K1)、徑流、斜壓效應(yīng)等過(guò)程，水質(zhì)模塊包含營(yíng)養(yǎng)鹽、浮游植物、浮游動(dòng)物等10個(gè)生態(tài)變量。通過(guò)與同潮圖、驗(yàn)潮站水位、典型觀測(cè)站流速對(duì)比等手段驗(yàn)證了水動(dòng)力模型的可靠性；通過(guò)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(cè)值(潮周期尺度)對(duì)比驗(yàn)證了水質(zhì)模型的可靠性。同時(shí)，分析了膠州灣余流特征，并通過(guò)與僅有潮過(guò)程的余流對(duì)比，證實(shí)了將多種水動(dòng)力過(guò)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(zhì)模型，在選取水質(zhì)控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用基于響應(yīng)系數(shù)場(chǎng)的線性規(guī)劃方法，以排海污染物總量最大為目標(biāo)函數(shù)，以海洋功能區(qū)劃水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和排海通量非負(fù)為約束函數(shù)，計(jì)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(jìn)行優(yōu)化分配，其中團(tuán)島排污單元分配的容量最大。數(shù)值驗(yàn)證結(jié)果表明該分配方案合理，滿足海洋功能區(qū)劃要求。進(jìn)而，考慮排污單元的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、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(tuán)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(shí)際需求。
　　 4、考慮到膠州灣是典型的潮控型海灣，水質(zhì)要求不僅是潮周

8、期內(nèi)平均值達(dá)標(biāo)，也要保證潮周期達(dá)標(biāo)率，且污染源強(qiáng)是隨機(jī)變化的。采用源強(qiáng)為對(duì)數(shù)正態(tài)分布的優(yōu)化分配模型，將潮周期達(dá)標(biāo)率作為約束條件，利用遺傳算法求解。計(jì)算的分配結(jié)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(zhuǎn)化的復(fù)雜機(jī)制屬非線性過(guò)程，討論了基于響應(yīng)系數(shù)場(chǎng)線性疊加原理的優(yōu)化分配可能帶來(lái)的誤差。分析表明，當(dāng)某一元素處于限制狀態(tài)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致分配結(jié)果和環(huán)境容量偏大，當(dāng)處于過(guò)量狀態(tài)時(shí)，

9、會(huì)導(dǎo)致分配結(jié)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(jié)合，應(yīng)用膠州灣三維漫灘水質(zhì)模型，采用情景分析法，進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，評(píng)估各方案環(huán)境影響，并綜合環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益進(jìn)行情景方案的決策分析。結(jié)果表明污染負(fù)荷轉(zhuǎn)移方案環(huán)境治理效果最好，可作為備選方案；濕地建設(shè)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(shè)配合，分別針對(duì)河流非點(diǎn)源和污水處理廠點(diǎn)源實(shí)施；深水排放方案暫不推薦實(shí)施。污染負(fù)荷隨潮位相排放方案，各種排