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1、第 29卷 第 1期海 洋 环 境 科 学Vol.2 9,No.12 0 1 0 年2 月MARINE ENVIRONMENTAL SCIENCEFeb.2 0 1 0区域规划中纳污海域海洋环境容量计算方法研究*郑洪波1,刘素玲1,陈 郁1,崔 荣2(1.大连理工大学 工业生态与环境工程教育部重点实验室,辽宁 大连 116023;2.大连海关化验中心,辽宁 大连 116001)摘 要:由于影响海洋污染物变化的海洋学和生态学过程的复杂性,尚没有建立起来计算海洋环境容量的普遍方法。本文运用分区达标控制法对大连市金港区总体规划中纳污海域的 COD,无机氮,PO4-P和石油类污染物的海洋环境容量进行了
2、计算。通过分区达标控制法计算结果为 21500、2942、126和 763 t/a。关键词:区域规划;海洋环境容量;分区达标控制法中图分类号:TU982 文献标识码:A 文章编号:1007-6336(2010)01-0145-03Calculation of coastal environmental capacity in regional progra mZHENG Hong-bo1,LI U Su-ling1,CHEN Yu1,CU I Rong2(1.Key Laboratory of Industria lEcology and Env iron mental Engineering
3、(MOE)Dalian University of Technology,Dalian 116023,China;2.Dalian Customs,Dalian 116001,China)Abstract:Due to the complex ity of oceanography and ecology processwhich affects the variation ofmarine pollutants,a commonmeth-od which can calculate the coastalwaters environmenta l capacity has not been
4、established yet.The calculations of the marine environ-ment capacity ofCOD,inorganic nitrogen,reactive phosphate and PHAO s(petroleu m hydrocarbons associated w ith oil)were done inthe program of Jingang area of Dalian using the gradationa l standards management.The calculating results are 21500,294
5、2,126 and763 t/a,respectively.Key words:regional programm ing;coastalwaters env ironmental capacity;gradational standardsmanagement 海洋环境容量把海洋环境容纳污染物的能力与允许污染源排放的量联系起来,是指在维持目标海域特定海洋学、生态学等功能所要求的国家海水质量标准条件下,一定时间范围内所允许的化学污染物最大排海数量 1。涉海区域规划中探索具体纳污海区的自净规律,计算受纳水体的海洋环境容量,并由此确定允许排海的污水量及其必须处理的程度,可以达到既节省费用,又有效地
6、防止海洋污染的目的。由于影响海洋污染物变化的海洋学和生态学过程的复杂性,很多学者对相关的概念和理论以及计算方法进行了研究 2,3,但还没有建立起来计算海洋环境容量的普遍方法,严重制约着环评总量控制方案制定的科学性和实施的可操作性。本文根据大连市金港区总体规划中受纳海域排污口的分布和排放情况,以及受纳海域自身的环境现状和特点,通过分区达标控制法计算了 COD,无机氮,PO4-P和石油类污染物的海洋环境容量,以期为涉海区域规划中水环境容量的估算提供参考。1 纳污海域的海洋环境容量的计算方法按照环境影响评价技术方法中水环境容量分析要求,在确定排污口位置和合理的混合区范围情况下,在对受纳海域水动力学深
7、入研究的基础上,利用水质模型建立污染物排放和受纳水体水质之间的输入响应关系 4。李适宇等5提出了可考虑二维扩散的分区达标控制法用于求解海域环境容量,使各类水功能区在达到所对应的环境标准的前提下各排污口污染物允许排放量之和最大。中国海洋大学的王修林等1认为海洋环境容量(EC)在数值上等于标准自净容量(SPC)与相应海域海水浓度本底值所确定的污染物蓄存量(M)之和。对于具有一定污染物浓度的目标海域,为了达到一定等级国家海水水质的标准所额外需要或者需去除的排海污染物数量为剩余环境容量(SEC)。剩余环境容量(SEC)在数值上等于海洋环境容量(EC)与污染物排海总量(F)和现状污染物蓄存量*收稿日期:
8、2008-3-10,修订日期:2008-05-23 基金项目:第 41批中国博士后科学基金项目(20070411072);教育部留学回国人员科研启动基金项目(20071108)作者简介:郑洪波(1970-),男,河北省唐山市人,博士,副教授,主要从事环境系统工程及影响评价研究146 海 洋 环 境 科 学第 29卷(M)之差。即:EC=SPC+M;SEC=EC-(F+M)。污染物质进入海洋以后,在海水中进行复杂的物理、化学和生物过程。通过这三种过程的作用,污染物质在海水中被稀释、吸收、沉降或转化,环境逐渐恢复到原来的状况,这些过程即为海水自净过程。影响海水自净能力的因素主要有海岸地形、水文条件
9、、水中微生物的种类和数量、海水温度和含氧状况,以及污染物的性质和浓度等。因而海域的标准自净容量的计算需要多年的水动力学、水化学和水生物学方面的研究工作作为积累,通过污染物质在多介质海洋环境中的分布动力学模型进行计算 1,2,6。在涉海区域规划中往往需要通过类比分析的方法获得规划海域的标准自净容量,再通过规划海域的污染物蓄存量(M)获得该海洋的环境容量。2 大连市金港区总体规划中纳污海域的海洋环境容量计算实例2.1 污染因子的确定海洋环境容量估算中应考虑国家和地方规定的重点污染物、规划区域可能产生的特征污染物和受纳海域敏感污染物。大连市金港区的城区功能定位为综合性新城区,航运中心、制造业和高新技
10、术产业基地、地区性金融中心和商业中心。规划海域的主要受纳污染物为污水处理厂排放污水和临港工业可能的石油污染,因此确定海水环境容量分析所考虑污染因子主要为:COD,无机氮,PO4-P和石油类。金港区规划中共设立 6个排污口7(见图 1),各排污图 1 排污口位置及水质监控点位置F ig.1 Outfall andwater quality monitoring locations口附近海域按照 2006年调整的大连市近岸海域功能区划选用相应的海水水质标准。大连市环境监测站于 2006年1月 7日和 14日对金港区规划海域海水水质监测两天,每天于高潮、低潮各采样一次,监测点位即图 1中的水质控制点
11、。取监测均值为海水水质现状值,各排污口附近海域的水质现状和达标控制水质浓度值见表 1。对比排污口附近海域水质现状和达标浓度控制值可见,1-马桥子排污口所在的红土堆子湾海域的无机氮浓度已经远超过三类(0.4 mg/L)、四类(0.5mg/L)水质标准,没有剩余容量接纳排污,需要采取控制措施缩减现状无机氮污染源;无机磷已经接近三类水质控制标准,容量很小。除此以外,各排污口现状水质浓度值均较低,具有一定的剩余纳污容量。表 1 各排污口附近海域水质现状和达标控制水质浓度值Tab.1W ater quality and up-to-standard concentration around sea ar
12、ea by outfall项目现状水质浓度123456达标控制水质浓度123456COD/mg#L-10.820.760.640.670.670.65455333无机氮/mg#L-10.960.150.230.170.170.110.40.50.50.30.30.3PO4-P/mg#L-10.0270.0140.0160.0100.010.0090.030.0450.0450.030.030.03石油/mg#L-10.0330.0210.0190.0160.0160.0140.30.50.50.050.050.05 注:1-马桥子排污口;2-韭菜坨子排污口;3-新港排污口;4-大地半岛南端排污
13、口;5-小窑湾顶排污口;6-黄嘴子湾顶排污口2.2 分区达标控制法计算海洋环境容量2.2.1 分区达标水质监控点位置设定参照 2006年调整的大连市近岸海域功能区划图,为保证分区达标控制,在排污口附近不同功能区水质分界线处设立水质控制点。具体为:1-马桥子排污口东 2.1km,三类、四类、二类水质功能区分界线处,按二类水质设立水质控制监控点;2-韭菜坨子排污口以南 1 km,四类、二类水质功能区分界线处设置水质监控点,按二类水质控制;3-新港排污口以东 1 km,四类、二类水质功能区分界线处设置水质监控点,按二类水质控制;6-黄嘴子湾顶排污口以东 1.2 km,二类、一类水质功能区分界线处设置
14、水质监控点,按一类水质控制;4-大地半岛南端和 5-小窑湾顶排污口附近均只按照二类水质功能区划控制故不再设立水质监控点。各水质监控点站位的位置图见图 1,水质现状和控制目标浓度值见表 2。2.2.2 分区达标控制和水质模型根据定义,环境容量可表述为:在选定的一组水质控制点的污染物浓度不超过其各自对应的环境标准的前提下,使各排污口的污染负荷排放量最大4,即:目标函数:max L=2nj=1xj约束条件:2nj=1aijxj+cbiF cis,i=1,m;xjE 0,j=1,n式中:i为水质控制点编号;m 为水质控制点数目;j为排污口编号;n为排污口数目;x 为负荷量;L 为总负荷量;aij为第
15、j个排污口的单位负荷量对第 i个水质控制点的污染贡献度系数;cbi为水质控制点的污染现状浓度;cis为水质控制点处的环境标准控制水质浓度值。贡献度系第 1期郑洪波,等:区域规划中纳污海域海洋环境容量计算方法研究147 数 aij由海域环境影响预测部分二维浅水潮波方程和污染物二维平流扩散方程的模拟结果得到。各排污口附近混合区范围通过控制混合区范围的水质监控点选取实现。其水质现状和达标浓度值要求同表 2。m 为混合区范围控制和分区达标水质控制点总数。混合区的范围按照5污水海洋处置工程污染控制标准6GB18486-2001确定。表 2 监控点位置及相应现状和目标水质浓度Tab.2 Positions
16、 ofmonitor spots and corresponding situation and concentration of targetwater quality项目现状水质浓度/mg#L-11236控制水质浓度/mg#L-11236COD0.820.760.640.653332无机氮0.960.150.230.110.30.30.30.2PO4-P0.0270.0140.0160.0090.030.030.030.015石油0.0330.0210.0190.0140.050.050.050.052.2.3 海域环境容量计算结果用线性规划的方法求解满足约束条件的目标函数值,得到总排放负
17、荷最大时的各排污口允许排放负荷,即环境容量。计算结果列于表 3。表 3 方案 A 海域环境容量计算结果Tab.3Result ofEnvironment capacity in Sea area in ProjectA项目各排污口海域环境容量/t#a-1123456总环境容量/t#a-1COD3227588646523602666266121500无机氮*16422724641124522942PO4-P4522425516126石油18935513740735763 *由于 1-马桥子排污口所在海域的无机氮现状值已经超过控制水质标准,没有容量接纳排污,建议将其与 2-韭菜坨子排污口合并,缩减
18、无机氮排放污染源。2.2.4 规划排海量与环境容量的相容性分析按照 1-马桥子污水厂和 3-新港污水厂执行二级排放标准,2-韭菜坨子、4-大地半岛南端、5-小窑湾顶及 6-黄嘴子湾顶污水处理厂执行一级 B类排放标准的规划,2010年达标污染物的排放量列于表 4。由于污水处理厂排放标准中无磷酸盐排放浓度限制,故表 4中所列排放量为总磷排放量。由表可见,1号污水处理厂所处大连湾海域不仅无机氮现状浓度超标,不具有纳污能力,另外三种污染控制因子的排放总量也均超过该海域的纳污容量,建议将其与 2号污水处理厂合并,合并后的排污总量未超出 2号排污口海域的环境容量。其余四个排污口的近期达标排放量均未超过所在
19、海域的环境容量。若按照排污口位置布设的推荐方案,5号与 4号污水处理厂合并,其规划排污总量仍小于 4号排表 4 近期规划(2010年)达标处理情况下排放量及海域剩余纳污总量Tab.4 Quantity discharged and totalquantity of remaining pollutants in situationof recent progra m(in 2010)about up-to standard disposal项 目排污口123456排污总量/t#a-1剩余纳污容量/t#a-1排污量与总容量比/(%)COD35041752131488110657742514075
20、35无机氮73043827422271631654128856PO4-P291511115626449石油1758866453337139249污口附近海域的环境容量。近期规划中所选定的四种污染因子排放总量均未超出规划海域的环境总容量,整个排污海 域的污水总排放量不 超过海域纳 污总容量的57%。尚具有一定的短期事故应急纳污处理能力。2.3 金港区海洋环境容量分析小结分区达标控制法的计算是在固定排污口数量及布局情况下的容量计算,不能完全反映纳污海域的整体环境容量,受到排污口附近污染物浓度超标和混合区范围的限制,计算结果偏小。3 结 论分区达标控制法计算的环境容量与污染物的排放位置和分布密度密切
21、相关,更注重局部小区域的污染物浓度值变化,其值随排放口数量增减和排污位置的改变而变化,可以理解为纳污海域当前状态的纳污容量。涉海区域规划中可将动力学模型的计算结果作为纳污海域的海洋环境容量上限,综合考虑经济、社会和生态利益,通过排污口数量和位置的调剂来确定允许排海的污水量及其必须处理的程度,以求既节省费用又充分利用海洋潜能。致谢:本论文工作受到大连理工大学引进人才科研启动基金;大连理工大学环境与生命学院教育部工业生态与环境工程重点实验室开放课题基金资助。(下转第 164页)164 海 洋 环 境 科 学第 29卷tion genes,but has neglig ible denitrific
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