夏季胶州湾入海污染物总量控制研究
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摘要
近年来，随着沿岸社会、经济的快速发展，人口趋海化、经济趋海化形势日益加剧，近岸水体环境污染面临着严峻的形势。入海污染物总量控制作为一种有效连接陆域、海域的管理措施，已成为近岸水体污染防治的一项重要举措，是进行近岸污染控制规划的基础。
本文以中国北方受人为活动影响较为显著的典型海湾—胶州湾为研究对象，针对目前研究中存在的时间尺度、动力过程、不确定性等研究不足，在分析胶州湾水质及污染负荷现状基础上，从季节尺度、潮周期尺度研究入海污染物总量控制。针对夏季水动力过程、污染负荷的季节特征和潮过程的周期性特征，采用基于POM的三维漫滩水质模型与优化模型，计算了夏季和潮周期的胶州湾入海污染物总量及其优化分配量，讨论了源强随机变化和响应系数场的不确定性，并借助情景分析、决策分析探讨了污染物总量控制的管理措施。主要工作和结论如下：
1、在对胶州湾历史资料和文献资料分析的基础上，总结胶州湾面临的主要环境压力。为全面了解胶州湾环境状态，根据2010年8月多船58小时同步观测资料，分析胶州湾夏季主要水质因子的空间分布特征。结果表明，2010年夏季胶州湾DIN、PO_4-P、COD、SiO4-Si的平均浓度分别为31.41±17.07μmol L~(-1)、1.63±0.96μmol L~(-1)、1.36±0.15mg L~(-1)和9.01±3.88μmol L~(-1)，NH4-N、NO3-N和NO_2-N所占DIN比例分别为45.6%、47.2%和7.16%，其中NO_3-N比例较历史平均结果明显偏高，观测前期由于降水过程引起的地面非点源径流输入是导致NO_3-N比例增大的主要原因，改变了营养盐结构；各类水质因子空间分布规律相似，表现为湾东北部为高值区、西北部为次高值区，并向湾中部和湾口呈递减趋势。水质评价结果表明，胶州湾氮磷比约为19.28±2.02，夏季胶州湾富营养化指数E平均值为7.13，从北向南，从东北、西北向湾中心，呈现富营养—中度营养—贫营养过渡，胶州湾总体呈现轻度磷限制。根据文献资料等，总结胶州湾陆源污染物输入的主要方式是河流输入，其次是污水处理厂输入。并估算了八大排污单元主要污染物的夏季入海通量。
2、在对胶州湾水质及污染负荷评估的基础上，采用耦合水动力模型的水质模块，数值模拟了胶州湾夏季余流特征和水质因子分布特征。水动力模型基于POM建立，综合考虑风、潮（M2、S2、O1、K1）、径流、斜压效应等过程，水质模块包含营养盐、浮游植物、浮游动物等10个生态变量。通过与同潮图、验潮站水位、典型观测站流速对比等手段验证了水动力模型的可靠性；通过生态变量的年内变化（年尺度）、平面分布（月尺度）以及与观测值（潮周期尺度）对比验证了水质模型的可靠性。同时，分析了胶州湾余流特征，并通过与仅有潮过程的余流对比，证实了将多种水动力过程纳入夏季污染物总量控制分析的必要性。
3、利用已建立的水质模型，在选取水质控制点的基础上，采用基于响应系数场的线性规划方法，以排海污染物总量最大为目标函数，以海洋功能区划水质标准和排海通量非负为约束函数，计算出夏季胶州湾DIN、DIP、COD的环境容量分别为1848.1t、182.0t和35456.1t，并在各排污单元进行优化分配，其中团岛排污单元分配的容量最大。数值验证结果表明该分配方案合理，满足海洋功能区划要求。进而，考虑排污单元的经济、社会、地理等因素差异，引入公平性，再次分配的DIN、DIP、COD海洋环境容量均有所降低，各排污单元中，团岛排污单元减少量最大，大沽河、墨水河排污单元分配量有所提高，符合实际需求。
4、考虑到胶州湾是典型的潮控型海湾，水质要求不仅是潮周期内平均值达标，也要保证潮周期达标率，且污染源强是随机变化的。采用源强为对数正态分布的优化分配模型，将潮周期达标率作为约束条件，利用遗传算法求解。计算的分配结果与传统的分配方法有明显差异，各排污单元排污量均有不同程度的减少。
5、考虑到海洋生态系统中各元素转化的复杂机制属非线性过程，讨论了基于响应系数场线性叠加原理的优化分配可能带来的误差。分析表明，当某一元素处于限制状态时，会导致分配结果和环境容量偏大，当处于过量状态时，会导致分配结果和环境容量偏小。
6、将数值模型、优化分配与情景分析法结合，应用胶州湾三维漫滩水质模型，采用情景分析法，进行数值实验，评估各方案环境影响，并综合环境、经济、社会效益进行情景方案的决策分析。结果表明污染负荷转移方案环境治理效果最好，可作为备选方案；湿地建设方案各方面效益均较高，是首选的决策方案；污可与湿地建设配合，分别针对河流非点源和污水处理厂点源实施；深水排放方案暂不推荐实施。污染负荷随潮位相排放方案，各种排放方式的湾口通量差异并不显著，不推荐实施。直排外海方案可作为极端条件下的备选方案。最后，从陆海统筹、以海定陆，重点实施、先易后难，终端-源头过程控制，跨界补偿、交易机制和公众参与等角度提出了陆源污染物总量控制的减排建议，尤其是加强不同时间尺度上的入海污染物总量控制与管理。
In recent years, due to the rapid development of coastal society and economy, theincreasing serious water quality problems have widely caused the concerns for thehealth of ocean ecosystem. The total pollutant loads control was used as a valid tool toimprove coastal management.
Jiaozhou Bay (JZB), located at the southern coast of Shandong Peninsula, is atypical semi-enclosed bay with intensive influence of human activity. As a case, thetotal pollutant loads control and potential management scheme of JZB are discussed.
A3-dimension physical-biological coupled model with the combined effect oftides (M2、S2、O1、K1), wind, river flow and baroclinic gradient, is used to simulatewater quality response field of pollutants. With the response field and the linearoptimization model, the maximum pollutant loads of DIN, DIP and COD to the bayare calculated and optimally redistributed to eight pollutant sectors in JZB in summer.Scenarios are designed to discuss the management schemes. The major contents,significant results and useful conclusions have been achieved in the following:
The major environment pressures are summarized from the historical data andliterature. To understand the state of JZB, a18-vessels synchronized biogeochemicalobservation was carried out from Aug28th to31st2010in JZB. The result shows thatthe average concentration of DIN, PO_4P, COD and SiO4-Si are31.41±17.07μmolL~(-1),1.63±0.96μmol L~(-1),1.36±0.15mg L~(-1)and9.01±3.88μmol L~(-1), respectively insummer. The contribution of NH_-N, NO3-N and NO_-N to DIN are45.6%,47.2%and7.16%, respectively. The horizontal distribution of COD, DIN and DIP are similar,which shows a downward trend from two higher-concentration areas includingnortheast area and northwest estuary to low-concentration areas including the centerand mouth. In addition, the contribution of precipitation to nutrients increase, especially NO3-N, is qualitatively analyzed by compared to the historical data andmeteorological record. The evaluation of potential eutrophication index shows thatphosphorus limitation is common (general) in JZB, and PO4-P is the major limitingfactor. Rich eutrophication gradually transit to pool nutrient from north to south.According to the literature, the land-source pollutant loads of DIN, DIP and COD areestimated at eight Pollutant Discharge Sectors (PDSs).
To simulate the characteristic of residual current and distribution of water qualityparameters in JZB in summer, a3-D hydrodynamic model (POM), including tidal flatthrough WAD (Wet And Dry) technology, with the tides (M2、S2、O1、K1), wind, riverflow and baroclinic effect in consideration, coupling to biological model whichincludes ten biological state variables representing nutrients, phytoplankton andzooplankton, was developed. The model is calibrated and verified by co-tidal chart,water elevation observations at Dagang tide station and current at typical observedstation for hydrodynamic model, and by annual variations (annual scale), distribution(monthly scale) and observed value (tidal scale) for water quality model. The featureof simulated residual current is compared with the result with only tidal process,which indicates that it is necessary to take tide, wind, and river flow and barocliniceffect into account.
Based on the simulated response field, reference point of water quality and linearoptimization model, the marine environment capacities of DIN, DIP and COD areestimated. And the optimization model is known as the maximum total pollutant loadsto meet water quality standard. If functional standard of seawater quality is set as thetarget, the environment capacity is1848.1tons,182.0tons and35456.1tons in JZB insummer, respectively. The allocation results show that the Tuandao and Moshui RiverPDS allocation discharges are the largest and least percentage, respectively.Furthermore, considering efficiency and fairness among the PDSs, the economic,society and location index are introduced to optimize the maximum allowable loads.The results suggest that the allocated discharge in Tuandao PDS should be decreasedand that of Dagu River and Moshui River PDSs should be increased.
In addition, if taking into account the impacts of stochastic pollutant dischargeand the fluctuation of water quality in a tide-dominated bay, the source loads obeyinglogarithmic normal distribution and constraint condition expressed in a probabilityform in tidal period are introduced to the above optimization procedure with GeneticAlgorithm to solve The results show that the outcomes are different from the previousresults because this model is more strict on water quality target in tide-dominated bay.
Due to the complex nonlinear mechanism of transformation among various statevariables in marine ecosystems, the error is unavoidable with the hypothesis thatresponse field obeys the principle of linear superposition. The qualitative analysissuggests that the environment capacity and allowable discharge would beoverestimated when some element is limit, and vice versa.
With the help of physical-biological coupled model, scenarios of managementare designed and estimated considering environment, economic and society benefit.The results show that scenario Ⅱ with moving excess pollutant loads to the sectorswhere there is residual environment capacity can be an alternative scheme, due to itsmaximum environment benefit and les economic and social benefit. Scenario Ⅴwith wetland construction is the best scheme due to the maximum environmental,economic and social benefit. Scenario Ⅳ with wastewater reuse is the secondscheme with the second highest score and conjunct with scenario Ⅴ for sewagetreatment plant and nonpoint sources, respectively. Scenario Ⅲ with deep seawastewater discharge and scenario Ⅵ with pollutant loads discharging at differenttidal phase are not recommended.
At last, the author gives the suggestion for the pollutant loads control from theview of structural reduction, engineering reduction and management reduction andcalls on managers to strengthen management for water pollutant loads at differenttime scale.
本文以中国北方受人为活动影响较为显著的典型海湾—胶州湾为研究对象，针对目前研究中存在的时间尺度、动力过程、不确定性等研究不足，在分析胶州湾水质及污染负荷现状基础上，从季节尺度、潮周期尺度研究入海污染物总量控制。针对夏季水动力过程、污染负荷的季节特征和潮过程的周期性特征，采用基于POM的三维漫滩水质模型与优化模型，计算了夏季和潮周期的胶州湾入海污染物总量及其优化分配量，讨论了源强随机变化和响应系数场的不确定性，并借助情景分析、决策分析探讨了污染物总量控制的管理措施。主要工作和结论如下：
1、在对胶州湾历史资料和文献资料分析的基础上，总结胶州湾面临的主要环境压力。为全面了解胶州湾环境状态，根据2010年8月多船58小时同步观测资料，分析胶州湾夏季主要水质因子的空间分布特征。结果表明，2010年夏季胶州湾DIN、PO_4-P、COD、SiO4-Si的平均浓度分别为31.41±17.07μmol L~(-1)、1.63±0.96μmol L~(-1)、1.36±0.15mg L~(-1)和9.01±3.88μmol L~(-1)，NH4-N、NO3-N和NO_2-N所占DIN比例分别为45.6%、47.2%和7.16%，其中NO_3-N比例较历史平均结果明显偏高，观测前期由于降水过程引起的地面非点源径流输入是导致NO_3-N比例增大的主要原因，改变了营养盐结构；各类水质因子空间分布规律相似，表现为湾东北部为高值区、西北部为次高值区，并向湾中部和湾口呈递减趋势。水质评价结果表明，胶州湾氮磷比约为19.28±2.02，夏季胶州湾富营养化指数E平均值为7.13，从北向南，从东北、西北向湾中心，呈现富营养—中度营养—贫营养过渡，胶州湾总体呈现轻度磷限制。根据文献资料等，总结胶州湾陆源污染物输入的主要方式是河流输入，其次是污水处理厂输入。并估算了八大排污单元主要污染物的夏季入海通量。
2、在对胶州湾水质及污染负荷评估的基础上，采用耦合水动力模型的水质模块，数值模拟了胶州湾夏季余流特征和水质因子分布特征。水动力模型基于POM建立，综合考虑风、潮（M2、S2、O1、K1）、径流、斜压效应等过程，水质模块包含营养盐、浮游植物、浮游动物等10个生态变量。通过与同潮图、验潮站水位、典型观测站流速对比等手段验证了水动力模型的可靠性；通过生态变量的年内变化（年尺度）、平面分布（月尺度）以及与观测值（潮周期尺度）对比验证了水质模型的可靠性。同时，分析了胶州湾余流特征，并通过与仅有潮过程的余流对比，证实了将多种水动力过程纳入夏季污染物总量控制分析的必要性。
3、利用已建立的水质模型，在选取水质控制点的基础上，采用基于响应系数场的线性规划方法，以排海污染物总量最大为目标函数，以海洋功能区划水质标准和排海通量非负为约束函数，计算出夏季胶州湾DIN、DIP、COD的环境容量分别为1848.1t、182.0t和35456.1t，并在各排污单元进行优化分配，其中团岛排污单元分配的容量最大。数值验证结果表明该分配方案合理，满足海洋功能区划要求。进而，考虑排污单元的经济、社会、地理等因素差异，引入公平性，再次分配的DIN、DIP、COD海洋环境容量均有所降低，各排污单元中，团岛排污单元减少量最大，大沽河、墨水河排污单元分配量有所提高，符合实际需求。
4、考虑到胶州湾是典型的潮控型海湾，水质要求不仅是潮周期内平均值达标，也要保证潮周期达标率，且污染源强是随机变化的。采用源强为对数正态分布的优化分配模型，将潮周期达标率作为约束条件，利用遗传算法求解。计算的分配结果与传统的分配方法有明显差异，各排污单元排污量均有不同程度的减少。
5、考虑到海洋生态系统中各元素转化的复杂机制属非线性过程，讨论了基于响应系数场线性叠加原理的优化分配可能带来的误差。分析表明，当某一元素处于限制状态时，会导致分配结果和环境容量偏大，当处于过量状态时，会导致分配结果和环境容量偏小。
6、将数值模型、优化分配与情景分析法结合，应用胶州湾三维漫滩水质模型，采用情景分析法，进行数值实验，评估各方案环境影响，并综合环境、经济、社会效益进行情景方案的决策分析。结果表明污染负荷转移方案环境治理效果最好，可作为备选方案；湿地建设方案各方面效益均较高，是首选的决策方案；污可与湿地建设配合，分别针对河流非点源和污水处理厂点源实施；深水排放方案暂不推荐实施。污染负荷随潮位相排放方案，各种排放方式的湾口通量差异并不显著，不推荐实施。直排外海方案可作为极端条件下的备选方案。最后，从陆海统筹、以海定陆，重点实施、先易后难，终端-源头过程控制，跨界补偿、交易机制和公众参与等角度提出了陆源污染物总量控制的减排建议，尤其是加强不同时间尺度上的入海污染物总量控制与管理。
In recent years, due to the rapid development of coastal society and economy, theincreasing serious water quality problems have widely caused the concerns for thehealth of ocean ecosystem. The total pollutant loads control was used as a valid tool toimprove coastal management.
Jiaozhou Bay (JZB), located at the southern coast of Shandong Peninsula, is atypical semi-enclosed bay with intensive influence of human activity. As a case, thetotal pollutant loads control and potential management scheme of JZB are discussed.
A3-dimension physical-biological coupled model with the combined effect oftides (M2、S2、O1、K1), wind, river flow and baroclinic gradient, is used to simulatewater quality response field of pollutants. With the response field and the linearoptimization model, the maximum pollutant loads of DIN, DIP and COD to the bayare calculated and optimally redistributed to eight pollutant sectors in JZB in summer.Scenarios are designed to discuss the management schemes. The major contents,significant results and useful conclusions have been achieved in the following:
The major environment pressures are summarized from the historical data andliterature. To understand the state of JZB, a18-vessels synchronized biogeochemicalobservation was carried out from Aug28th to31st2010in JZB. The result shows thatthe average concentration of DIN, PO_4P, COD and SiO4-Si are31.41±17.07μmolL~(-1),1.63±0.96μmol L~(-1),1.36±0.15mg L~(-1)and9.01±3.88μmol L~(-1), respectively insummer. The contribution of NH_-N, NO3-N and NO_-N to DIN are45.6%,47.2%and7.16%, respectively. The horizontal distribution of COD, DIN and DIP are similar,which shows a downward trend from two higher-concentration areas includingnortheast area and northwest estuary to low-concentration areas including the centerand mouth. In addition, the contribution of precipitation to nutrients increase, especially NO3-N, is qualitatively analyzed by compared to the historical data andmeteorological record. The evaluation of potential eutrophication index shows thatphosphorus limitation is common (general) in JZB, and PO4-P is the major limitingfactor. Rich eutrophication gradually transit to pool nutrient from north to south.According to the literature, the land-source pollutant loads of DIN, DIP and COD areestimated at eight Pollutant Discharge Sectors (PDSs).
To simulate the characteristic of residual current and distribution of water qualityparameters in JZB in summer, a3-D hydrodynamic model (POM), including tidal flatthrough WAD (Wet And Dry) technology, with the tides (M2、S2、O1、K1), wind, riverflow and baroclinic effect in consideration, coupling to biological model whichincludes ten biological state variables representing nutrients, phytoplankton andzooplankton, was developed. The model is calibrated and verified by co-tidal chart,water elevation observations at Dagang tide station and current at typical observedstation for hydrodynamic model, and by annual variations (annual scale), distribution(monthly scale) and observed value (tidal scale) for water quality model. The featureof simulated residual current is compared with the result with only tidal process,which indicates that it is necessary to take tide, wind, and river flow and barocliniceffect into account.
Based on the simulated response field, reference point of water quality and linearoptimization model, the marine environment capacities of DIN, DIP and COD areestimated. And the optimization model is known as the maximum total pollutant loadsto meet water quality standard. If functional standard of seawater quality is set as thetarget, the environment capacity is1848.1tons,182.0tons and35456.1tons in JZB insummer, respectively. The allocation results show that the Tuandao and Moshui RiverPDS allocation discharges are the largest and least percentage, respectively.Furthermore, considering efficiency and fairness among the PDSs, the economic,society and location index are introduced to optimize the maximum allowable loads.The results suggest that the allocated discharge in Tuandao PDS should be decreasedand that of Dagu River and Moshui River PDSs should be increased.
In addition, if taking into account the impacts of stochastic pollutant dischargeand the fluctuation of water quality in a tide-dominated bay, the source loads obeyinglogarithmic normal distribution and constraint condition expressed in a probabilityform in tidal period are introduced to the above optimization procedure with GeneticAlgorithm to solve The results show that the outcomes are different from the previousresults because this model is more strict on water quality target in tide-dominated bay.
Due to the complex nonlinear mechanism of transformation among various statevariables in marine ecosystems, the error is unavoidable with the hypothesis thatresponse field obeys the principle of linear superposition. The qualitative analysissuggests that the environment capacity and allowable discharge would beoverestimated when some element is limit, and vice versa.
With the help of physical-biological coupled model, scenarios of managementare designed and estimated considering environment, economic and society benefit.The results show that scenario Ⅱ with moving excess pollutant loads to the sectorswhere there is residual environment capacity can be an alternative scheme, due to itsmaximum environment benefit and les economic and social benefit. Scenario Ⅴwith wetland construction is the best scheme due to the maximum environmental,economic and social benefit. Scenario Ⅳ with wastewater reuse is the secondscheme with the second highest score and conjunct with scenario Ⅴ for sewagetreatment plant and nonpoint sources, respectively. Scenario Ⅲ with deep seawastewater discharge and scenario Ⅵ with pollutant loads discharging at differenttidal phase are not recommended.
At last, the author gives the suggestion for the pollutant loads control from theview of structural reduction, engineering reduction and management reduction andcalls on managers to strengthen management for water pollutant loads at differenttime scale.
引文
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