鄭軍勇, 毛新燕, 生小萱, 孫健安, 江文勝

象山港溶解無機氮環(huán)境容量研究

鄭軍勇1, 毛新燕1, 生小萱1, 孫健安2, 江文勝3

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 寧波市環(huán)境保護科學(xué)研究設(shè)計院, 浙江 寧波 315012; 3. 中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100)

綜合考慮鳧溪、顏公河、郭巨大碶等10個陸源污染物入海口的影響, 建立了象山港三維水質(zhì)模型并對該海域溶解無機氮(Dissolved Inorganic Nitrogen, DIN)時空分布進行了數(shù)值模擬。結(jié)合象山港海域功能區(qū)劃要求, 通過調(diào)整各入?？贒IN最低排海濃度(min)的取值范圍設(shè)置了四類情境, 基于排海通量最優(yōu)化法計算了對應(yīng)情境下象山港DIN的環(huán)境容量。結(jié)果表明, 象山港DIN環(huán)境容量隨min的增大而減小, 其范圍介于127.16~274.17 t/a; 同時min的增大也導(dǎo)致各入?？贒IN排海通量需要削減, 按削減優(yōu)先程度, 可將各入海口劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四級, 入?？谒幒Ｓ蛩w半交換時間越長、DIN年排海通量越大, 相應(yīng)的削減優(yōu)先程度越高。

溶解無機氮; 環(huán)境容量; 排海通量最優(yōu)化法; 數(shù)值模擬; 象山港

象山港位于浙江省北部沿海, 由象山港峽灣、牛鼻水道和佛渡水道三大部分構(gòu)成(圖1), 海域面積為563 km2, 平均水深為10 m, 是一個縱長約為70 km的典型的狹長型半封閉海灣[1]。自20世紀90年代初, 該海域大力發(fā)展臨港工農(nóng)業(yè), 推進網(wǎng)箱養(yǎng)殖等多種漁業(yè)生產(chǎn)方式, 區(qū)域海洋經(jīng)濟水平迅猛提高, 現(xiàn)已發(fā)展成為重要的海水增養(yǎng)殖基地和漁業(yè)資源基地[2-4]。隨著臨港工農(nóng)業(yè)、海洋漁業(yè)等的快速發(fā)展, 大量溶解無機氮(Dissolved Inorganic Nitrogen, DIN)經(jīng)河流、水閘等入?？趨R入港內(nèi)[5-7], 同時由于象山港是一個半封閉海灣, 港內(nèi)(尤其是狹灣處)水交換能力較弱, 水交換時間較長[1], 使得DIN難于向外海輸運并滯留灣內(nèi), 致使象山港海域富營養(yǎng)化狀態(tài)日益嚴峻[4, 8-10]。Zhu等[11]指出DIN是象山港海域主要的污染物且自1982年至2011年DIN含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。根據(jù)《2017年象山港海洋環(huán)境公報》數(shù)據(jù), 象山港DIN含量在0.16~1.19 mg/L, 平均含量為0.65 mg/L, 劣于第四類海水水質(zhì)標準, 赤潮等有害藻華現(xiàn)象頻發(fā), 對海洋生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益產(chǎn)生了嚴重影響[12-14], 因而對DIN實行總量控制是很有必要的。

計算、優(yōu)化分配DIN的環(huán)境容量是進行DIN總量控制的基礎(chǔ)。環(huán)境容量是指目標海域在滿足某一海水水質(zhì)標準的要求下, 一定時間范圍內(nèi)污染物的最大允許排海通量[15-17]。針對象山港DIN環(huán)境容量, 前人多基于濃度場分擔(dān)率法進行計算[16-17], 該方法雖簡便易行、計算量小, 但其無法對各入海口的排海通量進行優(yōu)化分配。排海通量最優(yōu)化法針對該方法的不足, 通過優(yōu)化分配各入?？诘呐藕Ｍ? 使各水質(zhì)控制點在滿足一定海水水質(zhì)標準的前提下, 其允許排海通量總和達到最大進而得到目標海域的環(huán)境容量。目前該方法已應(yīng)用于渤海、膠州灣、萊州灣等海域環(huán)境容量的計算[15, 18-20]。本文將建立象山港三維水質(zhì)模型, 對該海域DIN濃度進行數(shù)值模擬, 基于排海通量最優(yōu)化法優(yōu)化分配各入海口的排海通量并計算該海域DIN的環(huán)境容量。

1 研究方法

1.1 模型配置

本文通過耦合ROMS(Regional Ocean Model System)及NEMURO(North Pacific Ecosystem Model for Understanding Regional Oceanography)模式, 建立了象山港三維水質(zhì)模型。其中ROMS模式基于三維非線性斜壓原始方程開發(fā), 在近海水動力環(huán)境模擬中是一種常用模型; NEMURO模型是一個低營養(yǎng)級水質(zhì)模型, 最初被應(yīng)用于北太平洋中部, 后被應(yīng)用于包括東中國海在內(nèi)的多個海區(qū)[21-23]。模型模擬海區(qū)經(jīng)緯度范圍為121.41°E—122.13°E, 29.25°N—29.88°N, 水平方向采用正交經(jīng)緯網(wǎng)格, 網(wǎng)格數(shù)為360×360, 分辨率為(1/500)°, 垂直方向采用地形跟隨的S坐標, 共分10層。地形數(shù)據(jù)由分辨率為600 m的海圖數(shù)據(jù)插值得到[24]。模型綜合考慮了風(fēng)場、潮流、密度流及陸源污染物入海口的共同作用, 其中風(fēng)場、海表熱通量、淡水通量等數(shù)據(jù)來自COADS(Comprehensive Ocean Atmosphere Data Set)數(shù)據(jù)集; 潮汐強迫考慮了8個主要分潮M2, S2, K1, O1, N2, K2, P1, Q1的影響; 開邊界處水位及流速數(shù)據(jù)來自SODA(Simple Ocean Data Assimilation)數(shù)據(jù)集; 陸源污染物入?？诳紤]了鳧溪、顏公河、郭巨大碶等10個入?？?圖1)的影響, 各入?？趶搅髁考癉IN數(shù)據(jù)由寧波市環(huán)境保護科學(xué)研究設(shè)計院提供。鳧溪(S6)為港內(nèi)年徑流量最大的河流, 圖2給出了其徑流量及DIN排海濃度的季節(jié)變化。同時為簡化模型, 本文將DIN視作保守物質(zhì), 水質(zhì)模型中部分參數(shù)借鑒王玉衡[25]及Liang等[26]的工作。模型對象山港DIN時空分布進行了氣候態(tài)模擬且運轉(zhuǎn)一年后穩(wěn)定, 下文工作主要基于第二年模擬結(jié)果展開。

圖1 象山港水深及各入海口、水質(zhì)控制點、水位觀測站分布

注: S1—S10, P1—P10對應(yīng)郭巨大碶、聯(lián)勝新碶、獅子口閘、下陳江、朱娘橋河、鳧溪、顏公河、西周排污口、雅林溪、賢庠河的入?？诩八|(zhì)控制點(各入?？诳谕?00 m處); B2, D2為水位周日觀測站點

1.2 排海通量最優(yōu)化法

排海通量最優(yōu)化法的目標是求解一類最優(yōu)化問題, 其要求各污染源的允許排海濃度之和達到極大值, 所以目標函數(shù)為:

同時各水質(zhì)控制點的污染物濃度符合目標海域海水水質(zhì)標準要求, 即:

而水質(zhì)控制點污染物濃度大小取決于其與各入?？谖廴疚锱藕舛戎g的水質(zhì)響應(yīng)函數(shù), 就保守物質(zhì)而言, 水質(zhì)響應(yīng)函數(shù)一般呈線性關(guān)系[15], 所以其約束條件為:

此外, 可對各入?？诘奈廴疚镒畹团藕舛茸龀黾s束:

其中為水質(zhì)控制點個數(shù),為入海口個數(shù),R為第個入?？诘奈廴疚锱藕舛?min為各入海口的污染物最低排海濃度,0為各水質(zhì)控制點處的污染物濃度,C為各水質(zhì)控制點處由目標海域海水水質(zhì)標準所要求的污染物濃度,為第個水質(zhì)控制點處污染物濃度與第個入?？诘奈廴疚锱藕舛戎g水質(zhì)響應(yīng)函數(shù)的系數(shù),第個水質(zhì)控制點處污染物濃度與各入海口的污染物排海濃度之間水質(zhì)響應(yīng)函數(shù)的截距之和。求解上述目標函數(shù)(式1)與約束條件(式2—4)所界定的最優(yōu)化問題即可得到目標海域污染物的環(huán)境容量[15]。

圖2 鳧溪(S6)徑流量及DIN排海濃度季節(jié)變化

2 模型驗證

首先, 利用灣頂和灣口處的水位周日觀測數(shù)據(jù)進行潮位驗證(圖3a, b), 其中內(nèi)灣B2站(121.56°E, 29.50°N)水深11.5 m, 觀測時間為2012年12月19日至20日; 灣口D2站(122.07°E, 29.71°N)水深3.0 m,觀測時間為2012年4月9日至11日[27]。兩站相對誤差分別為15.08%、16.51%, 變化趨勢基本一致; 其次, 參考Jiang等[2]于2010年1、4、7、11月觀測所得表層水溫數(shù)據(jù), 模型能夠重現(xiàn)象山港水溫的季節(jié)變化(圖3c); 第三, 選取寧波市環(huán)境保護科學(xué)研究設(shè)計院提供的DIN濃度現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)與模擬DIN濃度進行比較(圖3d), 兩者相對誤差(表1)最大為–19.15%, 最小為–1.82%, 且DIN空間分布均呈現(xiàn)自灣頂至灣口降低的變化趨勢。最后, 對水位及表層、數(shù)據(jù)進行潮汐、潮流調(diào)和分析(圖4), 象山港潮汐類型屬于非正規(guī)半日潮, M2分潮占主導(dǎo)地位, 其振幅與遲角自灣口向灣頂逐漸增大。潮流呈往復(fù)流特征, M2分潮流橢圓長軸走向基本與岸線平行。潮流流速值最大出現(xiàn)在灣口, 往灣頂流速逐漸減小, 與韓松林等[28]刻畫的潮汐潮流特征較為一致?？傮w來看, 該模型模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本吻合, 能夠反映該海域水動力場及DIN濃度的變化規(guī)律。

圖3 B2、D2站點水位(a, b)、月平均海表面溫度(c)與DIN濃度(d)模擬與實測數(shù)據(jù)對比

表1 模擬DIN濃度與實測數(shù)據(jù)對比(單位: mg/L)

圖4 象山港M2分潮同潮圖(a)與潮流橢圓分布圖(b)

3 計算結(jié)果

3.1 水質(zhì)響應(yīng)函數(shù)的建立

參考虞蘭蘭等[20]選取水質(zhì)控制點的原則, 設(shè)置各入?？?S1, S2, …, S10)口外400 m處作為水質(zhì)控制點(P1, P2, …, P10)。在保持各入?？贒IN排海濃度不變的基礎(chǔ)上, 利用水質(zhì)模型依次計算其中一個入?？诘腄IN排海濃度增大為原來的2、4、6、8、10倍時水質(zhì)控制點處DIN濃度的變化, 經(jīng)函數(shù)擬合即可建立起該水質(zhì)控制點處DIN濃度與各入?？诘腄IN排海濃度之間的水質(zhì)響應(yīng)函數(shù)。各水質(zhì)響應(yīng)函數(shù)均呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系, 主要是由于在模擬過程中, DIN被視為保守物質(zhì)[15, 19-20]。受篇幅限制, 本文只列出鳧溪(S6)口外的水質(zhì)控制點P6與郭巨大碶(S1)、聯(lián)勝新碶(S2)、獅子口閘(S3)、下陳江(S4)之間的水質(zhì)響應(yīng)函數(shù)(圖5)。

3.2 入?？贒IN排海通量的線性規(guī)劃

結(jié)合各水質(zhì)控制點水質(zhì)要求及其與各入?？谥g的水質(zhì)響應(yīng)函數(shù), 目標函數(shù)(式1)與約束條件(式2—4)所確定的最優(yōu)化問題有解的充分條件為各入?？贒IN最低排海濃度min介于0~0.17 mg/L。基于此將min自0開始, 以0.01 mg/L遞增至0.17 mg/L設(shè)置18組線性規(guī)劃實驗, 實驗發(fā)現(xiàn)不同min的取值對應(yīng)需要削減的入?？诓⒉幌嗤? 由此可將上述18組線性規(guī)劃實驗結(jié)果歸納為a(0≤min≤0.10 mg/L)、b(0.10

結(jié)合表2可以發(fā)現(xiàn)隨著min的逐漸增大, 各入?？贒IN排海通量需要依次削減, 因而可以按削減優(yōu)先程度對各入?？谧鋈缦路旨? Ⅰ級: 鳧溪(S6)、顏公河(S7); Ⅱ級: 西周排污口(S8); Ⅲ級: 下陳江(S4)、朱娘橋河(S5); Ⅳ級: 聯(lián)勝新碶(S2)、獅子口閘(S3)、雅林溪(S9)、賢庠河(S10)。水體交換時間指某一海域內(nèi)保守物質(zhì)濃度稀釋至初始濃度值的一半時所需要的時間, 是描述海灣物質(zhì)輸運的重要指標之一[29]。圖6為各入?？诘乃w半交換時間及DIN年排海通量分布情況, 由圖6可知Ⅰ級入?？谒幒Ｓ蛩w半交換時間最長且DIN年排海通量最大, 表明該海域水體交換能力較弱, DIN難于向外海輸運并滯留于該海域, 因而Ⅰ級入?？诘腄IN排海通量削減優(yōu)先程度最高;雖然Ⅲ級入?？?下陳江與朱娘橋河)所處海域水體半交換時間長于Ⅱ級(西周排污口), 但由于西周排污口的DIN年排海通量比III級入海口高了近2.3倍, 因此西周排污口削減優(yōu)先程度高于兩者; Ⅳ級入?？诳拷夂? 水體半交換時間較短、水體交換能力較強, 其削減優(yōu)先程度最低。

圖5 水質(zhì)控制點P6的DIN濃度與部分入?？?S1, S2, S3, S4)的DIN排海濃度的水質(zhì)響應(yīng)函數(shù)

注: 子圖a、b、c、d中,對應(yīng)各水質(zhì)響應(yīng)函數(shù)的系數(shù)及截距

表2 四類情境下各入海口的DIN排海通量及環(huán)境容量(單位: t/a)

注: 數(shù)字加粗表示該入?？贒IN排海通量需要削減

4 結(jié)論

本文基于ROMS及NEMURO數(shù)值模型, 綜合考慮鳧溪、顏公河、郭巨大碶等代表性入海口的影響, 建立了象山港三維水質(zhì)模型, 經(jīng)檢驗, 模擬結(jié)果與觀測結(jié)果基本一致, 可用于象山港海域DIN環(huán)境容量的計算。在各水質(zhì)控制點滿足海域功能區(qū)劃要求的前提下, 通過調(diào)整min的取值設(shè)置了a、b、c、d四類情景并計算了對應(yīng)情境下的DIN環(huán)境容量。結(jié)果表明:

(1) 不同情境下, 象山港海域DIN環(huán)境容量為127.16~274.17 t/a, 且隨著min的增大, DIN環(huán)境容量逐漸減小。

圖6 各入海口削減優(yōu)先程度、所處海域水體半交換時間及DIN年排海通量分布

注: a、b、c、d對應(yīng)不同min取值范圍下的四類情境; 灰度塊對應(yīng)削減優(yōu)先程度, 自Ⅰ至Ⅳ優(yōu)先程度逐漸降低; 黑色誤差棒中心點及上下界限分別為各入?？谒幒Ｓ蛩w半交換時間平均值及極大、極小值

(2) 隨著min的逐漸增大, 各入?？贒IN排海通量依次需要削減, 按削減優(yōu)先程度可將各入?？趧澐譃棰?、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四級, 即Ⅰ級鳧溪、顏公河, Ⅱ級西周排污口, Ⅲ級下陳江、朱娘橋河, Ⅳ級聯(lián)勝新碶、獅子口閘、雅林溪、賢庠河。削減優(yōu)先程度與各入?？谒幒Ｓ虻乃w半交換時間及其DIN年排海通量有關(guān): 水體半交換時間越長、DIN年排海通量越大, 削減優(yōu)先程度越高。

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Environmental capacity assessment of dissolved inorganic nitrogen in the Xiangshan Bay

ZHENG Jun-yong1, MAO Xin-yan1, SHENG Xiao-xuan1, SUN Jian-an2, JIANG Wen-sheng3

(1. College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Ningbo Scientific Research and Design Institute of Environmental Protection, Ningbo 315012, China; 3. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

A three-dimensional water quality model was established to simulate the distribution of dissolved inorganic nitrogen (DIN) in the Xiangshan Bay, considering 10 land-based discharge sources (including Fuxi, Yangonghe, and Guojudaqi). Under the condition of water functional regionalization, the discharge optimization method was applied to calculate the environmental capacity (EC) of DIN with the minimum DIN discharge concentration (min) getting larger. The results show that the EC of DIN in the Xiangshan Bay is 127.16~274.17 t/a. The capacity will decrease when themingets larger, which means the discharge flux of DIN needs to be reduced. Moreover, according to the reduction priority, which mainly depends on the water half-exchange time and the annual DIN discharge flux, the 10 discharge sources can be divided into four levels.

dissolved inorganic nitrogen; environmental capacity; the discharge optimization method; numerical simulation; the Xiangshan Bay

May 7, 2019

[the National Pilot Program on controlling total nitrogen in the Xiangshan Bay, No. ZJZC-183087]

P76

A

1000-3096(2020)04-0013-08

10.11759/hykx20190507002

2019-05-07;

2019-06-21

象山港入海總氮控制國家試點項目(ZJZC-183087)

鄭軍勇(1995-), 男, 山東濰坊人, 碩士, 主要從事淺海動力學(xué)研究, 電話: 0532-66782269, E-mail: junyongzheng@outlook.com; 毛新燕,

, 電話: 0532-66782269, E-mail: maoxinyan@ouc.edu.cn

(本文編輯: 叢培秀)