王 軍，朱天依，逄 勇,3，李 森

(1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，合肥 230088；2.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，南京 210098； 3.河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

1 研究背景

近年來，我國河口地區(qū)的水環(huán)境現(xiàn)狀不容樂觀，主要超標(biāo)的水質(zhì)因子包括無機(jī)氮和石油類[1-2]。而其中無機(jī)氮是導(dǎo)致河口地區(qū)水體富營養(yǎng)化，引發(fā)海水赤潮的主要因素之一[3]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大量生活生產(chǎn)廢水、海水養(yǎng)殖廢水等排放入海，大大加劇了無機(jī)氮超標(biāo)的現(xiàn)象[4]。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對河口地區(qū)無機(jī)氮的主要來源展開了大量研究。侯昱廷等[5]通過實(shí)驗(yàn)測定水體中的無機(jī)氮含量、懸浮物含量及沉積物中的總氮含量，并對各形態(tài)的氮進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)閩江河口區(qū)氮元素大都來源于陸源輸入；劉勝玉等[6]通過計(jì)算珠江無機(jī)氮年入海通量并將其與國內(nèi)生產(chǎn)總值等經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到河口地區(qū)污染物通量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈正相關(guān)的結(jié)論；江濤[7]采用污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)模型對長江水體中的氮來源進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示畜禽養(yǎng)殖造成的氮流失和大氣中氮的干濕沉降對河口地區(qū)水體中的氮貢獻(xiàn)最大；除此之外，歐美等國利用ECOM和FVCOM海洋數(shù)學(xué)模型模擬了洋流、咸潮入侵、污染物輸運(yùn)等過程[8～11]，更好地研究了無機(jī)氮在河口地區(qū)的物理化學(xué)循環(huán)過程，從而提出有效的監(jiān)測手段及管理措施。

閩江口海域是福建省重要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)，但其環(huán)境污染問題也較為嚴(yán)重。楊玉波[12]通過對閩江口陸源入海排污口開展調(diào)查和監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)陸源排污口中的氨氮、總氮和總磷超標(biāo)嚴(yán)重。鄭小宏[13]根據(jù)2008年閩江口海域水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對COD、DO的分布狀況進(jìn)行分析，并計(jì)算了其環(huán)境容量，得出近岸海域COD容量仍然較大的結(jié)論。這些大都是以實(shí)驗(yàn)或監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對閩江口海域水質(zhì)展開研究，而本文將以構(gòu)建二維水質(zhì)模型的方式，從超標(biāo)污染權(quán)重入手，對閩江口近岸海域無機(jī)氮污染來源進(jìn)行分析，從而提出合理可行的無機(jī)氮水質(zhì)提升措施，為近岸海域水環(huán)境監(jiān)測管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)域和計(jì)算方法

2.1 研究區(qū)域

閩江為福建省最大河流，主流全長541 km，流域面積60 992 km2，福州市境內(nèi)流域面積8011 km2，長約117 km，貫穿整個城區(qū)。本文研究范圍包括閩江上游水口水庫以上(三明和南平)至外海馬祖列島、白犬列島在內(nèi)的區(qū)域。為了更好地研究各區(qū)域無機(jī)氮源來源和貢獻(xiàn)，確定各污染源對閩江口近岸海域無機(jī)氮超標(biāo)的影響權(quán)重，本文把閩江口近岸海域劃分為4個區(qū)域開展研究(圖 1)，分別為閩江干流福州區(qū)界外(水口電站以上)區(qū)域、水口電站至閩安區(qū)域、閩江口區(qū)域和閩江口外海區(qū)域。其中，閩江口近岸海域現(xiàn)有兩個國控站位，閩江口川石島監(jiān)測站位和閩江口外監(jiān)測站位，一個省控站位，閩江口梅花東監(jiān)測站位。2015～2018年《近岸海域環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》顯示，2016年閩江口近岸海域水質(zhì)類別為“極差”，其余三年水質(zhì)類別均為“差”，因此，急需提出合理可行的水環(huán)境管理措施改善閩江口近岸海域水質(zhì)。

圖1 閩江口近岸海域無機(jī)氮來源研究區(qū)域分布圖Fig.1 Distribution of the sources of inorganic nitrogen in Minjiang estuary coastal waters

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 水動力基本方程

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

2.2.2 水質(zhì)基本方程

污染物在二維非均勻流中的對流擴(kuò)散基本方程可以表示為：

(4)

方向的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；S為源(匯)項(xiàng)，g/m2/s；Sk為動力轉(zhuǎn)換項(xiàng)，g/m2/s。

2.2.3 權(quán)重計(jì)算方法

2.2.3.1 超標(biāo)通量概念

考慮污染流域水質(zhì)與總量的關(guān)系，以考核斷面的水質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行測算，超過水質(zhì)目標(biāo)的排放總量即對考核斷面的超標(biāo)污染物通量(超標(biāo)通量)。

2.2.3.2 計(jì)算方法

利用已構(gòu)建模型，將閩江口川石島考核斷面某時間步長的超標(biāo)濃度與對應(yīng)流量相乘得到該時間步長內(nèi)的超標(biāo)通量，通過疊加計(jì)算得到全年超標(biāo)通量。超標(biāo)通量公式(式5)和超標(biāo)污染權(quán)重計(jì)算公式(式6)如下：

(5)

其中，W為各影響區(qū)域污染源對閩江口川石島考核斷面無機(jī)氮的年超標(biāo)通量；Ci為i時刻川石島斷面模型計(jì)算濃度，C0為川石島斷面無機(jī)氮標(biāo)準(zhǔn)值，0.30 mg/L；Qi為i時刻川石島斷面模型計(jì)算流量；T為計(jì)算時間步長。

(6)

其中，β為超標(biāo)污染權(quán)重；Wi為式(5)計(jì)算所得各影響區(qū)域年超標(biāo)通量；W總為計(jì)算所得各區(qū)域超標(biāo)通量之和。

3 模型建立及率定驗(yàn)證

3.1 模型建立

3.1.1 模型網(wǎng)格劃分及水下地形

本文所構(gòu)建的閩江水口電站～閩江外海水環(huán)境模型，全長160 km，計(jì)算采用三角形網(wǎng)格，內(nèi)河網(wǎng)格邊長約120～140 m，外海網(wǎng)格邊長約為350～400 m，開邊界網(wǎng)格邊長800 m，并對部分深窄河道進(jìn)行加密，共劃分節(jié)點(diǎn)28 504個、網(wǎng)格53 751個，模型計(jì)算網(wǎng)格及高程示意圖見圖 2和圖 3。

圖2 模型計(jì)算網(wǎng)格示意圖Fig.2 Computational grid diagram of model

圖3 模型計(jì)算地形高程圖Fig.3 Topographical map of model

3.1.2 模型計(jì)算條件

3.1.2.1 初始條件

初始水位設(shè)為3m(取水位年鑒資料平均水位)，實(shí)用鹽度取0.06，溫度20℃，水質(zhì)濃度取為常規(guī)監(jiān)測均值，起始時刻流速設(shè)0。

3.1.2.2 邊界條件

上游水口電站大壩水動力邊界為2016 年逐日下泄流量，水質(zhì)邊界采用附近雄江斷面2016年水質(zhì)濃度逐日監(jiān)測值；外海潮位利用34個開邊界點(diǎn)調(diào)和生成水位數(shù)據(jù)并經(jīng)過2016年3月10～15日黃岐站的實(shí)測潮位資料驗(yàn)證[14]，水質(zhì)邊界采用外海監(jiān)測站位2016年實(shí)測濃度值；各支流均以概化排口形式入江，各概化排口處水動力邊界采用水文站數(shù)據(jù)，無水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)利用匯水面積進(jìn)行平均徑流量計(jì)算，而水質(zhì)邊界則根據(jù)污染物入江量進(jìn)行合理均勻分配獲取，點(diǎn)源(包括直排工業(yè)、污水廠出水、畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖)按全年平均分配，面源(包括農(nóng)業(yè)生活、農(nóng)田面源、畜禽散養(yǎng)等)根據(jù)降雨量按不同水期比例分配；閩江口區(qū)域大氣沉降、底泥內(nèi)源釋放等水質(zhì)影響利用入江量考慮空間均勻釋放。

降雨、蒸發(fā)資料來源于2016年閩江流域水文年鑒；風(fēng)場(風(fēng)速風(fēng)向)等氣象資料來源于中國氣象網(wǎng)。

3.1.3 排污口概化

根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)各街道鄉(xiāng)鎮(zhèn)地形條件以及各類入閩江污染源的空間分布，本文共概化24個排污口，具體分布見圖 4。

圖4 概化排口具體位置圖Fig.4 Location of the concentrated sewage outlets

3.2 模型率定驗(yàn)證

3.2.1 水動力模型率定驗(yàn)證

利用2016年水文年鑒中竹岐、文山里水文站逐日流量及白巖潭、琯頭水位站(位置見圖 3)逐日水文數(shù)據(jù)對模型水動力進(jìn)行率定驗(yàn)證。模型流量率定及潮位驗(yàn)證誤差值見表 1，從表1可見，模型流量計(jì)算模擬值與實(shí)測值相對誤差最大為21.98%，水位平均絕對誤差最大為20cm，相對誤差最大為27.62%，其結(jié)果與實(shí)測值相對誤差基本控制在30%以內(nèi)，模擬結(jié)果良好，可適用于水口至外海區(qū)域的水動力模擬。率定驗(yàn)證結(jié)果見圖 5和圖 6。

其中，根據(jù)率定得到水口電站至外海模型Smagorinsky系數(shù)Cs為0.28，底部糙率系數(shù)范圍為0.018～0.035，水口至閩安內(nèi)河河道范圍糙率為0.018～0.022，而閩安至外海海域范圍糙率為0.024～0.035；風(fēng)拖曳系數(shù)模型范圍內(nèi)取0.001～0.0015。

表1 各斷面流量率定、潮位驗(yàn)證誤差值結(jié)果表Tab.1 The calibration error of discharge and the verification error of water level of each section

圖5 竹岐、文山里流量率定結(jié)果圖Fig.5 Calibration of discharge of Zhuqi and Wenshanli

圖6 白巖潭、琯頭潮位驗(yàn)證結(jié)果圖Fig.6 Verification of water level of Baiyantan and Guantou

3.2.2 水質(zhì)模型率定驗(yàn)證

利用2016年福建省海洋漁業(yè)局提供外海水質(zhì)資料對川石島、梅花東及閩江口外3個監(jiān)測站位(位置見圖 3)豐、平、枯三個水期進(jìn)行模型無機(jī)氮濃度值率定。各監(jiān)測站位無機(jī)氮誤差分析結(jié)果見表 2，從結(jié)果可以看出，不同水期平均相對誤差為14.28%，其結(jié)果控制在30%以內(nèi)，率定結(jié)果可信。其中，根據(jù)率定得到無機(jī)氮降解率為0.07～0.15 d-1。

表2 各監(jiān)測站位無機(jī)氮率定平均相對誤差值結(jié)果表Tab.2 Average relative error of inorganic nitrogen of each monitoring stations (%)

利用2018年11月17日瑯岐、川石渡口(位置見圖 3)兩個斷面同步水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對無機(jī)氮濃度值進(jìn)行驗(yàn)證，各斷面的無機(jī)氮誤差分析結(jié)果見表 3。從結(jié)果可以看出兩個斷面平均相對誤差也控制在30%以內(nèi)，驗(yàn)證結(jié)果表明建立的模型適用于該區(qū)域的水質(zhì)模擬，驗(yàn)證結(jié)果見圖 7。

表3 各斷面無機(jī)氮驗(yàn)證平均相對誤差值結(jié)果表Tab.3 Average relative error of inorganic nitrogen varification in each section (%)

4 研究結(jié)果

4.1 計(jì)算條件

本文在分析閩江口近岸海域無機(jī)氮污染來源時，忽略外海海水對閩江口近岸海域的水質(zhì)影響，因此在利用構(gòu)建的二維水質(zhì)模型進(jìn)行計(jì)算時，外海水質(zhì)邊界設(shè)置為考核斷面評價限值(第Ⅱ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，即0.30 mg/L)。

圖7 瑯岐、川石渡口斷面無機(jī)氮驗(yàn)證結(jié)果圖Fig.7 Verification of inorganic nitrogen of Langqi and Chuanshidukou section

4.1.1 不同區(qū)域

在計(jì)算閩江干流福州區(qū)界外區(qū)域超標(biāo)污染權(quán)重時，污染來源主要為上游來水，上游邊界來水水質(zhì)取雄江斷面現(xiàn)狀監(jiān)測值，閩江干流福州段不添加點(diǎn)源和面源污染，利用模型求得閩江口川石島斷面逐時濃度值，根據(jù)式 5求得該區(qū)域超標(biāo)通量。

在計(jì)算水口電站至閩安范圍區(qū)域超標(biāo)污染權(quán)重時，忽略福州區(qū)界外來水水質(zhì)影響，上游邊界取第Ⅱ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，添加閩江干流福州段污染源，利用模型求得閩江口川石島斷面逐時濃度值，根據(jù)式 5求得水口電站至閩安區(qū)域及閩江口區(qū)域兩個區(qū)域超標(biāo)通量之和，并利用水口電站至閩安區(qū)域點(diǎn)源及面源污染物入江量占閩江干流福州段污染物入江量之比，計(jì)算水口電站至閩安范圍區(qū)域超標(biāo)通量。

4.1.2 不同區(qū)縣及不同行業(yè)

利用構(gòu)建的二維水質(zhì)模型，控制福州區(qū)界外來水為第Ⅱ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，以概化排口形式將某一區(qū)縣或某一行業(yè)污染源單獨(dú)釋放，根據(jù)式(5)計(jì)算其超標(biāo)通量。

4.2 計(jì)算結(jié)果

4.2.1 不同區(qū)域

各區(qū)域超標(biāo)污染權(quán)重分析結(jié)果見圖 8。閩江干流福州區(qū)界外超標(biāo)污染權(quán)重占比最大，為66.05%，這主要是因?yàn)楹恿鳌⒑斓乃|(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與海水標(biāo)準(zhǔn)不銜接所引起的，因此建議適當(dāng)提高雄江斷面現(xiàn)有水質(zhì)要求，從而減小福州區(qū)界外(即水口電站以上區(qū)域)對閩江口近岸海域水質(zhì)影響。

圖8 各區(qū)域超標(biāo)污染權(quán)重分析結(jié)果Fig.8 Results of excessive pollution weight of each area

4.2.2 不同區(qū)縣及不同行業(yè)

各區(qū)縣超標(biāo)污染權(quán)重占比見圖 9，由圖 9可見鼓樓區(qū)、倉山區(qū)超標(biāo)污染權(quán)重占比最高，而福清縣占比最低，僅為1%。鼓樓區(qū)、倉山區(qū)皆屬于福州市區(qū)，城鎮(zhèn)人口密集，排污量大，因此成為閩江口近岸海域無機(jī)氮超標(biāo)的主要貢獻(xiàn)來源。

圖9 各區(qū)縣超標(biāo)污染權(quán)重分析結(jié)果Fig.9 Results of excessive pollution weight of each district

水口電站至閩安區(qū)域和閩江口區(qū)域不同行業(yè)超標(biāo)污染權(quán)重占比見圖 10。由圖 10可見，兩區(qū)域內(nèi)未接管的城鎮(zhèn)生活污水超標(biāo)污染權(quán)重占比均最高，分別為63.68%及33.47%。由此表明，閩江口近岸海域無機(jī)氮超標(biāo)污染來源主要來自陸域污染源，其中城區(qū)內(nèi)未接管進(jìn)入污水廠的生活污水排放則是閩江口近岸海域無機(jī)氮超標(biāo)的重要貢獻(xiàn)來源。相對于水口電站至閩安區(qū)域，閩江口區(qū)域未接管的城鎮(zhèn)生活污水超標(biāo)污染權(quán)重相對占比較小，而底泥釋放所造成面源污染占比較高。這是由于閩江口區(qū)域大都為福州縣區(qū)，城鎮(zhèn)人口占比較少，相較于福州市區(qū)，其城鎮(zhèn)生活污水排放對閩江口近岸海域無機(jī)氮超標(biāo)的影響較小，且河口區(qū)域底泥易受風(fēng)浪作用擾動起懸進(jìn)入水體[15]。根據(jù)實(shí)地現(xiàn)狀調(diào)查，閩江口近海海域海水養(yǎng)殖發(fā)達(dá)，養(yǎng)殖面積達(dá)13.77 km2，因此，底泥中營養(yǎng)物質(zhì)豐富，所造成的面源污染超標(biāo)通量占比較高。

圖10 水口電站至閩安范圍(a)及閩江口區(qū)域(b)不同行業(yè)超標(biāo)污染權(quán)重分析結(jié)果Fig.10 Results of excessive pollution weight of each industry in the area from Shuikou hydropower to Minan (a) and the area of Minjiang Estuary (b)

4.2.3 無機(jī)氮來源分析

匯總上述超標(biāo)污染權(quán)重計(jì)算結(jié)果，得到閩江口無機(jī)氮超標(biāo)污染物來源最終分析結(jié)果，見圖 11。由圖 11可見，水口電站以上區(qū)域以及水口電站至閩安區(qū)域?qū)﹂}江口無機(jī)氮超標(biāo)貢獻(xiàn)最大，其次，陸域污染源中未接管的城鎮(zhèn)生活污水超標(biāo)污染權(quán)重占比較高。

圖11 閩江口無機(jī)氮超標(biāo)污染物來源分析結(jié)果Fig.11 The sources of inorganic nitrogen pollution in Minjiang Estuary

5 結(jié) 論

本文構(gòu)建了閩江水口電站～閩江外海二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，并利用水文年鑒及常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測資料，對模型進(jìn)行了率定驗(yàn)證。通過劃分研究區(qū)域、控制模型計(jì)算邊界等方法，研究了不同區(qū)域、不同區(qū)縣及不同行業(yè)污染源超標(biāo)通量對閩江口近岸海域無機(jī)氮污染的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，劃分的四個區(qū)域中，閩江干流福州區(qū)界外區(qū)域超標(biāo)污染權(quán)重占比最大，其次，在陸域污染源中，未接管的城鎮(zhèn)生活污水對閩江口近岸海域無機(jī)氮超標(biāo)影響最大。因此，建議在后續(xù)工作中，應(yīng)加強(qiáng)對交界斷面雄江監(jiān)測斷面的水質(zhì)要求，并將污染防治重點(diǎn)放在提高城鎮(zhèn)生活污水接管率方面，以控制生活污水所造成的面源污染。