一種陸源氮入海分配容量估算方法
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作者：鄭曉蒙
近年來，隨著江蘇北部的連云港、灌云、灌南、響水、濱海等沿海地區(qū)化工行業(yè)的快速發(fā)展，大量氨氮污染物排放人海，造成鄰近的灌河口附近海域富營養(yǎng)化等環(huán)境問題突出。因此，加強(qiáng)蘇北陸源氮污染物排放總量控制顯得尤為重要，其核心在于核算人海河流和排污口最大允許排放數(shù)量。國家“十二五”把氨氮列入了總量削減的減排指標(biāo)，然而當(dāng)前削減數(shù)量采用“一刀切”的等比例削減核算，沒有把海域水質(zhì)與削減數(shù)量聯(lián)系起來，對近岸海域水質(zhì)的改善也就缺乏科學(xué)依據(jù)。科學(xué)核算陸源污染物人海最大允許排放數(shù)量愈來愈受到關(guān)注，如美國在切薩皮克灣等開展了大量研究，建立了基于水質(zhì)模擬的情景分析方法核算陸源最大允許排污數(shù)量。國內(nèi)也開展大量人海污染物總量控制方面的研究，采用優(yōu)化分配方法計算了渤海、膠州灣、萊州灣、廉州灣等海域的陸源氮、磷等污染物的最大允許排放數(shù)量。在江蘇近岸海域也開展了一些研究，有學(xué)者基于二維水量水質(zhì)模型采用混合區(qū)約束的排海通量試算法估算了江蘇省沿海城市氨氮的允許排放數(shù)量。
上述研究推動了陸源污染物總量控制方面的研究，豐富了陸源污染物允許排放數(shù)量的計算方法，但相關(guān)研究大多在海灣或內(nèi)海進(jìn)行，對于開放海域的研究還比較少。由于開放海域水深變化較大，從計算模型的選擇上來講，更適合采用三維水動力一水質(zhì)模型，同時在計算方法上，優(yōu)化分配方法難以解決水質(zhì)響應(yīng)系數(shù)場的非線性疊加問題。因此，本文選擇受近岸人類活動壓力較大的蘇北灌河口鄰近海域（旗臺咀——廢黃河口）為研究海域（圖1），基于FVCOM海洋水質(zhì)模型，建立灌河口鄰近海域DIN三維水動力一水質(zhì)模型，采用自凈過程積分方法，計算了主要人海河流的氮污染物最大允許排放數(shù)量（即分配容量），可為沿海城市“十二五”氮污染物減排提供技術(shù)支撐。
1材料與方法
1.1研究區(qū)域概述
灌河口海域位于黃海中部，海州灣南緣，蘇北沿海的北段，北起連云港的旗臺咀南至鹽城廢黃河口，位于連云港市南端，鹽城市北端，涉及連云港的連云區(qū)、灌云縣、灌南縣、鹽城的響水縣、濱海縣5個縣區(qū)，2012年常駐人口接近300萬，GDP約為960億元。研究區(qū)域內(nèi)主要有排淡河、燒香河、善后河、車軸河、五圖河、新沂河、灌河、中山河、翻身河、廢黃河10條人海河流，年徑流總量約為55.5x108 m3，見圖1。
將相同人�？诘暮恿饔枰詺w并，10條河流可歸并為排淡河、車軸河、灌河、中山河、廢黃河5個人海河流單元（表1）。其中，排淡河單元主要包括連云區(qū)；車軸河單元包括燒香河、善后河和車軸河3條河流，涵蓋部分連云區(qū)和灌云縣；灌河單元包括五圖河、新沂河和灌河3條河流，同時接納灌云、灌南和響水3個污水處理廠的排污廢水；中山河單元主要包括響水和濱海部分地區(qū)；廢黃河單元包括翻身河和廢黃河，接納了濱海縣污水處理廠的排污廢水。
1.2現(xiàn)場監(jiān)測
海域水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測分別于2012年8月和2013年1月進(jìn)行，陸域河口排污量監(jiān)測分別于2012年10月和2013年1月進(jìn)行，按照海洋環(huán)境監(jiān)測規(guī)范的要求，分別在河流感潮段以上設(shè)置10個監(jiān)測站位（圖1），其中新沂河和灌河分別設(shè)置3個監(jiān)測斷面，海上分別針對河口在研究海域設(shè)置6個斷面，共計30個監(jiān)測站位，（圖1）。監(jiān)測內(nèi)容主要包括河流流量，河流及海域溶解無機(jī)氮（以DIN計）等污染物濃度。其中，亞硝酸鹽氮采用重氮—偶氮法測定，硝酸鹽氮采用鋅一鎘還原法測定，銨氮采用次溴酸鈉氧化法測定。
根據(jù)河流多年徑流量計算排污通量表明（圖2）．研究海域5個人海河流單元DIN人�？偭繛�13 984t/a，其中灌河單元排放數(shù)量為10 970t/a約占79%，所占比例最大；其次是車軸河單元，人海數(shù)量為1540 t/a，約占11%；其他3個人海河流單元占比較少，僅占10%。
1.3灌河口鄰近海域DIN三維水動力一水質(zhì)模型
基于三維、無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、有限體積方法的水動力模型( FVCOM)，建立灌河口鄰近海域DIN三維水動力一水質(zhì)模型，水質(zhì)方程為：
式(1)中，（dc/dt）adc和（dc/dt）dif表示因平流遷移和湍流擴(kuò)散作用引起的研究海域海水中化學(xué)污染物濃度變化，（dc/dt）bio和（dc/dt）geo分別表示因生態(tài)動力學(xué)和地球化學(xué)遷移引起的濃度變化，具體動力學(xué)方程和參數(shù)來自南黃海近岸圍隔實驗，詳見文獻(xiàn)[27]。
模型網(wǎng)格采用不規(guī)則三角網(wǎng)格，網(wǎng)格步長為500m—3 km(圖3)，垂向采用σ坐標(biāo)，分6層計算，計算基面統(tǒng)一采用85國家高程基面。其中，自由表面忽略大氣干濕沉降，海面的凈通量取0，海底邊界物質(zhì)通量取0，開邊界給定潮位、溫度、鹽度和DIN濃度值，陸地邊界將10個人海河流污染物人海負(fù)荷作為輸入項（表1）。內(nèi)模時間步長設(shè)為10 s，外模時間步長設(shè)為Is。底層相關(guān)模型參數(shù)通過模型模擬校正確定，其中，垂直渦粘系數(shù)背景值取10-6 m2/s，海底粗糙高度取值為0.001 m，最小底部拖曳力系數(shù)取0.001 5。海洋開邊界
以潮位作為驅(qū)動力，潮位值由東中國海潮波模型預(yù)報所得。
1.4分配容量計算方法
污染物進(jìn)人海洋后，在水動力及各種生物地球化學(xué)過程作用下，使污染物從水體中去除而自凈，在穩(wěn)態(tài)情況下，源強(qiáng)輸入量近似等于自凈量，污染物允許排海量就可通過積分自凈過程計算。
式(2)中，（ac/at）為納污海域污染物濃度積分，表示納污海域一定時間、空間范圍內(nèi)的靜態(tài)納污數(shù)量，當(dāng)穩(wěn)態(tài)時等于零，當(dāng)初始濃度為海洋本底濃度時為海洋靜態(tài)環(huán)境容量，（dc/dt）k為納污海域內(nèi)生物地球化學(xué)自凈過程積分，表示生物地球化學(xué)自凈量，（ac/av )Hyd為納污海域內(nèi)水動力過程積分，表示水動力自凈量。
2結(jié)果與討論
2.1模型模擬結(jié)果
應(yīng)用灌河口臨近海域DIN三維水動力一水質(zhì)模型模擬計算，得到2012年8月和2013年1月研究海域海水中DIN濃度分布場的變化趨勢。結(jié)果表明，盡管研究海域海水DIN濃度分布模擬結(jié)果在濃度數(shù)值上與實際海上觀測結(jié)果不完全一致，但是在分布趨勢和主要特征等方面與實際海上觀測結(jié)果基本吻合(圖4)。具體講，2012年8月，研究海域表層DIN濃度呈現(xiàn)由近岸同離岸方向依次遞減的趨勢(圖4(a)、(b》，近岸區(qū)域DIN濃度均超過國家一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(0.2mg/L)，局部超過國家三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)( 0.4mg/L)，高值區(qū)主要集中在灌河口附近，超過國家四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)( 0.5 mg/L)。2013年1月，研究海域表層DIN濃度仍然呈現(xiàn)由近岸向離岸方向依次遞減的趨勢，只是濃度數(shù)值上超過8月份(圖4(c)、(d））其中，近岸區(qū)域DIN濃度均超過國家三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，局部超過國家四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，高值區(qū)主要集中在灌河口附近，遠(yuǎn)超過國家四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
為了進(jìn)一步量化評估模型模擬結(jié)果，分別計算了監(jiān)測站位觀測結(jié)果和模擬結(jié)果之間的夾角余弦相似度和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（表2）。其中，夾角余弦相似度計算公式為：
式(3)中，n表示監(jiān)測站點的數(shù)量，Ci0、Cip分別表示第i個監(jiān)測站點的監(jiān)測值和模擬值結(jié)果表明（表2)，相似度均在0.7以上，表明模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果在分布趨勢上吻合較好；相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均在：40%以下，表明模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果在數(shù)值上吻合較好。
總體上，DIN模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果從變化趨勢和濃度數(shù)值上基本一致，所構(gòu)建DIN三維水動力一水質(zhì)模型基本可以滿足分配容量計算的要求。
2.2分配容量計算
分配容量計算條件設(shè)置主要包括4個步驟。(1)設(shè)定排污口混合區(qū)范圍。綜合采用Fetterolf公式、Mackenthun公式和新田公式，結(jié)合GB 18486-2001有關(guān)直排口混合區(qū)的相關(guān)規(guī)定．采用中值設(shè)定混合區(qū)范圍（表1）。(2)設(shè)定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)控制點位置，根據(jù)河流人�？谝约盎旌蠀^(qū)范圍大小，結(jié)合岸邊界三角網(wǎng)格面積（0.1~0.15 km2）．將．入海河流混合區(qū)概化為模型網(wǎng)格，以混合區(qū)網(wǎng)格相鄰網(wǎng)格作為水質(zhì)控制點，分別對應(yīng)排淡河、車軸河、灌河、中山河和廢黃河5 個河流單元排放口設(shè)置5組水質(zhì)控制點。（3）沒定水貢控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和江蘇省海洋功能區(qū)劃確定水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)（圖5 ）．以相應(yīng)網(wǎng)格中污染物濃度平均值作為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)控制值。通過給定混合區(qū)污染物濃度確定河流入海通量，具體數(shù)值要確保水質(zhì)控制點濃度達(dá)標(biāo)（圖6）。（4）設(shè)定污染物濃度背景場。DIN污染物濃度背景場通過給定開邊界條件中DIN濃度模擬確定，開邊界DIN濃度由監(jiān)測結(jié)果確定（圖6）。
應(yīng)用所構(gòu)建的DIN三維水動力一水質(zhì)模型，在混合區(qū)范圍內(nèi)和海水水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)條件下，分別計算5個河流單元的DIN分配容量．計算結(jié)果表明，DIN河流最大年允許排海數(shù)總量為2 200 t/a。其中，廢黃河單元最大允許排海數(shù)量最大，約為1 000 t/a；其次為灌河單元和排淡河單元，分別約為400和350 t/a；而車軸河單元和中山河單元最低，分別約為280和180t/a(圖7)。
2.3 分配容量季節(jié)變化
分配容量季節(jié)變化表明（圖8），排淡河單元、車軸河單元、灌河單元、中山河單元、廢黃河單元DIN 4個季節(jié)最大允許排海量平均分別為70、20、70、110、15t，季節(jié)變化幅度分別為20—150 t、-90～450 t、40~160 t、90—310 t、-30~300 t，呈現(xiàn)出明顯季節(jié)變化。其中，排淡河單元、中山河單元、廢黃河單元夏季最高，最大允許排海數(shù)量分別約為150、300和200 t；灌河單元春季最高，車軸河單元秋季最高，允許排海量分別可達(dá)160和450 t；然而，車軸河單元在春季和夏季，中山河單元在秋季和冬季則沒有容量。計算結(jié)果可為研究海域季節(jié)差異化減排提供科學(xué)依據(jù)。
2.4削減建議
根據(jù)人海河流DIN人海通量，在滿足江蘇省海洋功能區(qū)劃海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下，廢黃河和排淡河單元還有余量，分別可增加排放量約為當(dāng)前人海負(fù)荷的1.69倍和0.13倍。車軸河、灌河和中山河3個河流單元需要進(jìn)行削減，灌河單元削減量最大，達(dá)10 578 t/a；其次為車軸河單元，為1 262 t/a；中山河單元削減量最小，為614 t/a，見表3。
3結(jié)論
本文在構(gòu)建蘇北灌河口鄰近海域DIN三維水動力一水質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，采用自凈過程積分方法，計算了沿岸主要人海河流的DIN分配容量。結(jié)果表明，DIN分配容量合計約為2 200 t/a。其中，廢黃河單元分配容量最大，約為1 000 t/a；其次為灌河單元和排淡河單元；而中山河單元和車軸河單元最低。DIN分配容量呈現(xiàn)出明顯季節(jié)變化，夏季最高，其次是春季、秋季和冬季，特別是車軸河單元和中山河單元分別在春季和秋季沒有容量。根據(jù)現(xiàn)狀排放量和分配容量，當(dāng)前，除廢黃河、排淡河單元還有剩余容量外，車軸河、灌河和中山河3個陸域河流單元大多需要進(jìn)行削減。其中，灌河單元和車軸河單元削減量較大，都相當(dāng)于當(dāng)前人海負(fù)荷的80%以上。
4 摘要：
在高強(qiáng)度人類活動影響下，近海環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，實施陸源污染物排�？偭靠刂剖巧鐣�(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然需求。文章基于三維、無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、有限體積方法的水動力( FVCOM)模型的DIN三維水動力一水質(zhì)模型，在2012、2013年的監(jiān)測結(jié)果對模型校正的基礎(chǔ)上，采用自凈過程積分方法，計算研究了江蘇北部灌河口鄰近海域沿岸主要人海河流的DIN分配容量。結(jié)果表明，蘇北灌河口附近10條人海河流的DIN分配容量合計約為2 200t/a。其中，廢黃河單元分配容量最大，約為1 000 t/a;中山河單元最低，約為180t/a。進(jìn)一步根據(jù)現(xiàn)狀排放量分析表明，廢黃河、排淡河單元還有剩余容量，而灌河和車軸河河流單元均需要進(jìn)行大幅削減，都相當(dāng)于當(dāng)前人海負(fù)荷的80%以上。
