一种陆源氮入海分配容量估算方法

     作者：郑晓蒙

    近年来，随着江苏北部的连云港、灌云、灌南、响水、滨海等沿海地区化工行业的快速发展，大量氨氮污染物排放人海，造成邻近的灌河口附近海域富营养化等环境问题突出。因此，加强苏北陆源氮污染物排放总量控制显得尤为重要，其核心在于核算人海河流和排污口最大允许排放数量。国家“十二五”把氨氮列入了总量削减的减排指标，然而当前削减数量采用“一刀切”的等比例削减核算，没有把海域水质与削减数量联系起来，对近岸海域水质的改善也就缺乏科学依据。科学核算陆源污染物人海最大允许排放数量愈来愈受到关注，如美国在切萨皮克湾等开展了大量研究，建立了基于水质模拟的情景分析方法核算陆源最大允许排污数量。国内也开展大量人海污染物总量控制方面的研究，采用优化分配方法计算了渤海、胶州湾、莱州湾、廉州湾等海域的陆源氮、磷等污染物的最大允许排放数量。在江苏近岸海域也开展了一些研究，有学者基于二维水量水质模型采用混合区约束的排海通量试算法估算了江苏省沿海城市氨氮的允许排放数量。

    上述研究推动了陆源污染物总量控制方面的研究，丰富了陆源污染物允许排放数量的计算方法，但相关研究大多在海湾或内海进行，对于开放海域的研究还比较少。由于开放海域水深变化较大，从计算模型的选择上来讲，更适合采用三维水动力一水质模型，同时在计算方法上，优化分配方法难以解决水质响应系数场的非线性叠加问题。因此，本文选择受近岸人类活动压力较大的苏北灌河口邻近海域（旗台咀——废黄河口）为研究海域（图1），基于FVCOM海洋水质模型，建立灌河口邻近海域DIN三维水动力一水质模型，采用自净过程积分方法，计算了主要人海河流的氮污染物最大允许排放数量（即分配容量），可为沿海城市“十二五”氮污染物减排提供技术支撑。 

    1材料与方法

    1.1研究区域概述

    灌河口海域位于黄海中部，海州湾南缘，苏北沿海的北段，北起连云港的旗台咀南至盐城废黄河口，位于连云港市南端，盐城市北端，涉及连云港的连云区、灌云县、灌南县、盐城的响水县、滨海县5个县区，2012年常驻人口接近300万，GDP约为960亿元。研究区域内主要有排淡河、烧香河、善后河、车轴河、五图河、新沂河、灌河、中山河、翻身河、废黄河10条人海河流，年径流总量约为55.5x108 m3，见图1。 

    将相同人海口的河流予以归并，10条河流可归并为排淡河、车轴河、灌河、中山河、废黄河5个人海河流单元（表1）。其中，排淡河单元主要包括连云区；车轴河单元包括烧香河、善后河和车轴河3条河流，涵盖部分连云区和灌云县；灌河单元包括五图河、新沂河和灌河3条河流，同时接纳灌云、灌南和响水3个污水处理厂的排污废水；中山河单元主要包括响水和滨海部分地区；废黄河单元包括翻身河和废黄河，接纳了滨海县污水处理厂的排污废水。 

    1.2现场监测

    海域水质现状监测分别于2012年8月和2013年1月进行，陆域河口排污量监测分别于2012年10月和2013年1月进行，按照海洋环境监测规范的要求，分别在河流感潮段以上设置10个监测站位（图1），其中新沂河和灌河分别设置3个监测断面，海上分别针对河口在研究海域设置6个断面，共计30个监测站位，（图1）。监测内容主要包括河流流量，河流及海域溶解无机氮（以DIN计）等污染物浓度。其中，亚硝酸盐氮采用重氮—偶氮法测定，硝酸盐氮采用锌一镉还原法测定，铵氮采用次溴酸钠氧化法测定。

    根据河流多年径流量计算排污通量表明（图2）．研究海域5个人海河流单元DIN人海总量为13 984t/a，其中灌河单元排放数量为10 970t/a约占79%，所占比例最大；其次是车轴河单元，人海数量为1540 t/a，约占11%；其他3个人海河流单元占比较少，仅占10%。 

    1.3灌河口邻近海域DIN三维水动力一水质模型

    基于三维、无结构网格、有限体积方法的水动力模型( FVCOM)，建立灌河口邻近海域DIN三维水动力一水质模型，水质方程为： 

    式(1)中，（dc/dt）adc和（dc/dt）dif表示因平流迁移和湍流扩散作用引起的研究海域海水中化学污染物浓度变化，（dc/dt）bio和（dc/dt）geo分别表示因生态动力学和地球化学迁移引起的浓度变化，具体动力学方程和参数来自南黄海近岸围隔实验，详见文献[27]。

    模型网格采用不规则三角网格，网格步长为500m—3 km(图3)，垂向采用σ坐标，分6层计算，计算基面统一采用85国家高程基面。其中，自由表面忽略大气干湿沉降，海面的净通量取0，海底边界物质通量取0，开边界给定潮位、温度、盐度和DIN浓度值，陆地边界将10个人海河流污染物人海负荷作为输入项（表1）。内模时间步长设为10 s，外模时间步长设为Is。底层相关模型参数通过模型模拟校正确定，其中，垂直涡粘系数背景值取10-6 m2/s，海底粗糙高度取值为0.001 m，最小底部拖曳力系数取0.001 5。海洋开边界

以潮位作为驱动力，潮位值由东中国海潮波模型预报所得。 

    1.4分配容量计算方法

    污染物进人海洋后，在水动力及各种生物地球化学过程作用下，使污染物从水体中去除而自净，在稳态情况下，源强输入量近似等于自净量，污染物允许排海量就可通过积分自净过程计算。 

    式(2)中，（ac/at）为纳污海域污染物浓度积分，表示纳污海域一定时间、空间范围内的静态纳污数量，当稳态时等于零，当初始浓度为海洋本底浓度时为海洋静态环境容量，（dc/dt）k为纳污海域内生物地球化学自净过程积分，表示生物地球化学自净量，（ac/av )Hyd为纳污海域内水动力过程积分，表示水动力自净量。

    2结果与讨论

    2.1模型模拟结果

    应用灌河口临近海域DIN三维水动力一水质模型模拟计算，得到2012年8月和2013年1月研究海域海水中DIN浓度分布场的变化趋势。结果表明，尽管研究海域海水DIN浓度分布模拟结果在浓度数值上与实际海上观测结果不完全一致，但是在分布趋势和主要特征等方面与实际海上观测结果基本吻合(图4)。具体讲，2012年8月，研究海域表层DIN浓度呈现由近岸同离岸方向依次递减的趋势(图4(a)、(b》，近岸区域DIN浓度均超过国家一类海水水质标准(0.2mg/L)，局部超过国家三类海水水质标准( 0.4mg/L)，高值区主要集中在灌河口附近，超过国家四类海水水质标准( 0.5 mg/L)。2013年1月，研究海域表层DIN浓度仍然呈现由近岸向离岸方向依次递减的趋势，只是浓度数值上超过8月份(图4(c)、(d））其中，近岸区域DIN浓度均超过国家三类海水水质标准，局部超过国家四类海水水质标准，高值区主要集中在灌河口附近，远超过国家四类海水水质标准。 

    为了进一步量化评估模型模拟结果，分别计算了监测站位观测结果和模拟结果之间的夹角余弦相似度和相对标准偏差（表2）。其中，夹角余弦相似度计算公式为：

     式(3)中，n表示监测站点的数量，Ci0、Cip分别表示第i个监测站点的监测值和模拟值结果表明（表2)，相似度均在0.7以上，表明模拟结果与监测结果在分布趋势上吻合较好；相对标准偏差均在：40%以下，表明模拟结果与监测结果在数值上吻合较好。 

    总体上，DIN模拟结果与监测结果从变化趋势和浓度数值上基本一致，所构建DIN三维水动力一水质模型基本可以满足分配容量计算的要求。

    2.2分配容量计算

    分配容量计算条件设置主要包括4个步骤。(1)设定排污口混合区范围。综合采用Fetterolf公式、Mackenthun公式和新田公式，结合GB 18486-2001有关直排口混合区的相关规定．采用中值设定混合区范围（表1）。(2)设定水质标准控制点位置，根据河流人海口以及混合区范围大小，结合岸边界三角网格面积（0.1~0.15 km2）．将．入海河流混合区概化为模型网格，以混合区网格相邻网格作为水质控制点，分别对应排淡河、车轴河、灌河、中山河和废黄河5 个河流单元排放口设置5组水质控制点。（3）没定水贡控制标准。根据国家海水水质标准和江苏省海洋功能区划确定水质控制标准（图5 ）．以相应网格中污染物浓度平均值作为水质标准控制值。通过给定混合区污染物浓度确定河流入海通量，具体数值要确保水质控制点浓度达标（图6）。（4）设定污染物浓度背景场。DIN污染物浓度背景场通过给定开边界条件中DIN浓度模拟确定，开边界DIN浓度由监测结果确定（图6）。

     应用所构建的DIN三维水动力一水质模型，在混合区范围内和海水水质控制标准条件下，分别计算5个河流单元的DIN分配容量．计算结果表明，DIN河流最大年允许排海数总量为2 200 t/a。其中，废黄河单元最大允许排海数量最大，约为1 000 t/a；其次为灌河单元和排淡河单元，分别约为400和350 t/a；而车轴河单元和中山河单元最低，分别约为280和180t/a(图7)。

     2.3  分配容量季节变化

    分配容量季节变化表明（图8），排淡河单元、车轴河单元、灌河单元、中山河单元、废黄河单元DIN 4个季节最大允许排海量平均分别为70、20、70、110、15t，季节变化幅度分别为20—150 t、-90～450 t、40~160 t、90—310 t、-30~300 t，呈现出明显季节变化。其中，排淡河单元、中山河单元、废黄河单元夏季最高，最大允许排海数量分别约为150、300和200 t；灌河单元春季最高，车轴河单元秋季最高，允许排海量分别可达160和450 t；然而，车轴河单元在春季和夏季，中山河单元在秋季和冬季则没有容量。计算结果可为研究海域季节差异化减排提供科学依据。 

    2.4削减建议

    根据人海河流DIN人海通量，在满足江苏省海洋功能区划海水水质标准下，废黄河和排淡河单元还有余量，分别可增加排放量约为当前人海负荷的1.69倍和0.13倍。车轴河、灌河和中山河3个河流单元需要进行削减，灌河单元削减量最大，达10 578 t/a；其次为车轴河单元，为1 262 t/a；中山河单元削减量最小，为614 t/a，见表3。   

    3结论

    本文在构建苏北灌河口邻近海域DIN三维水动力一水质模型的基础上，采用自净过程积分方法，计算了沿岸主要人海河流的DIN分配容量。结果表明，DIN分配容量合计约为2 200 t/a。其中，废黄河单元分配容量最大，约为1 000 t/a；其次为灌河单元和排淡河单元；而中山河单元和车轴河单元最低。DIN分配容量呈现出明显季节变化，夏季最高，其次是春季、秋季和冬季，特别是车轴河单元和中山河单元分别在春季和秋季没有容量。根据现状排放量和分配容量，当前，除废黄河、排淡河单元还有剩余容量外，车轴河、灌河和中山河3个陆域河流单元大多需要进行削减。其中，灌河单元和车轴河单元削减量较大，都相当于当前人海负荷的80%以上。 

    4 摘要：

    在高强度人类活动影响下，近海环境污染问题日益严重，实施陆源污染物排海总量控制是社会经济可持续发展的必然需求。文章基于三维、无结构网格、有限体积方法的水动力( FVCOM)模型的DIN三维水动力一水质模型，在2012、2013年的监测结果对模型校正的基础上，采用自净过程积分方法，计算研究了江苏北部灌河口邻近海域沿岸主要人海河流的DIN分配容量。结果表明，苏北灌河口附近10条人海河流的DIN分配容量合计约为2 200t/a。其中，废黄河单元分配容量最大，约为1 000 t/a;中山河单元最低，约为180t/a。进一步根据现状排放量分析表明，废黄河、排淡河单元还有剩余容量，而灌河和车轴河河流单元均需要进行大幅削减，都相当于当前人海负荷的80%以上。