于曉霞, 梁金輝, 楊雪娜, 張啟超??, 李愛華, 梁生康

(1. 中國海洋大學(xué), 山東 青島 266100; 2. 山東省生態(tài)環(huán)境規(guī)劃研究院, 山東 濟(jì)南 250101)

中國是陸地大國,也是海洋大國,擁有約470萬km2海域、1.4萬km海島岸線、1.8萬km大陸海岸線[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)測算,陸源排放對近岸海域的污染貢獻(xiàn)占80%以上,陸源污染排放是海洋污染的主要來源[2]。近岸海域陸域污染源包括入海河流及入海排污口,其中入海河流承載著上游各類污染物的匯入,對近岸海域水環(huán)境質(zhì)量影響較大[3]?！笆奈濉睍r(shí)期,海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求構(gòu)建“流域—河口—近海”污染防治的聯(lián)動(dòng)機(jī)制,加強(qiáng)陸海協(xié)同共治。入海河流河口區(qū)作為地表水和海水混合區(qū)域,是陸海相互作用的過渡地帶,其中地表水執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002),近岸海域水體執(zhí)行《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097—1997),而兩套標(biāo)準(zhǔn)體系存有較大的差異[4]。

目前針對小清河的研究僅考慮水環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)和入海河口區(qū)的環(huán)境分析,并未開展小清河污染輸入與近岸海域水質(zhì)超標(biāo)的關(guān)聯(lián)性分析[5-7],已開展的入海河流對近岸海域水質(zhì)的影響僅分析了河流的污染分擔(dān)率[8],對指導(dǎo)確定入海河流需達(dá)到的水質(zhì)目標(biāo)并無借鑒意義。因此,基于海洋保護(hù)需求對不同入海河流水質(zhì)目標(biāo)的確定,需合理地分析河口區(qū),研究制定入海河流河口區(qū)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建陸海統(tǒng)籌銜接的標(biāo)準(zhǔn)體。本文通過構(gòu)建小清河河口區(qū)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行驗(yàn)證,建立河海水質(zhì)關(guān)聯(lián)關(guān)系,基于多情景分析,對設(shè)定河口混合區(qū)及不設(shè)定河口混合區(qū)兩種方案進(jìn)行分析,研究提出入海河流水質(zhì)目標(biāo)確定的技術(shù)方法,為陸海統(tǒng)籌開展入海河流水質(zhì)目標(biāo)的確定提供參考。

1 入海河流河口區(qū)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)銜接的矛盾

隨著我國水環(huán)境保護(hù)工作的逐步推進(jìn),水污染物的管控已逐漸由河流向海洋發(fā)展,強(qiáng)調(diào)“陸海統(tǒng)籌”,實(shí)現(xiàn)海洋可持續(xù)發(fā)展。然而當(dāng)前我國現(xiàn)行兩項(xiàng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)之間的銜接存在諸多問題,例如適用范圍存在交叉,在水質(zhì)分類、水質(zhì)指標(biāo)設(shè)置、部分指標(biāo)分析方法及部分指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值銜接上均有較大的差異,導(dǎo)致陸海水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)無法有效銜接,制約了我國海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作,尤其是污染源陸海聯(lián)防聯(lián)控工作的開展和實(shí)施。兩標(biāo)準(zhǔn)之間的銜接問題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 水質(zhì)分類不銜接

《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)不同的使用功能和保護(hù)目標(biāo)分別將目標(biāo)水體分為5類和4類,無法簡單地將兩項(xiàng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的不同類別一一對接(見表1)。此外,由于咸淡水生態(tài)系統(tǒng)的差異導(dǎo)致其使用功能的不同,從功能歸屬上也較難將兩個(gè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)予以銜接。

1.2 水質(zhì)指標(biāo)設(shè)置、分析方法及指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值不同

《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中基本項(xiàng)目共有24項(xiàng),《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中基本項(xiàng)目共有39項(xiàng)。兩項(xiàng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)類別雖基本一致,但在部分指標(biāo)參數(shù)的設(shè)置上存在顯著差異(見表1)。基本感官指標(biāo)方面,在入海河流中存在許多黑臭水體,由于缺少這些基本的感官指標(biāo),往往造成部分黑臭或異味水體“達(dá)標(biāo)”排放入海,造成近岸海域水體污染。氮磷物質(zhì)的指標(biāo)設(shè)置方面,地表水和海水之間關(guān)于氮、磷物質(zhì)的水質(zhì)評價(jià)是兩條線,無法直接比對和評價(jià),嚴(yán)重制約了氮、磷等物質(zhì)的陸海聯(lián)防聯(lián)控。指標(biāo)分析方法及指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值方面,兩套標(biāo)準(zhǔn)同一指標(biāo)限值要求可相差數(shù)倍,造成河流達(dá)標(biāo)排放,入海后鄰近海域水質(zhì)超標(biāo)現(xiàn)象,按照地表水達(dá)標(biāo)排放后,造成陸源入海污染物總量超過海域承載能力、自凈能力。

表1 《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》存在的差異

2 入海河流地表水與海水混合區(qū)的研究

本研究以小清河為典型河流,運(yùn)用MIKE21建立小清河河口區(qū)的水文水質(zhì)模型。選取2019年12月、2020年3月和2020年5月為典型月份,對小清河入海斷面以下及河口近岸海域水質(zhì)進(jìn)行采樣監(jiān)測,以三期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),驗(yàn)證模型的可靠性,通過模擬(主要指標(biāo)考慮無機(jī)氮)確定河口混合區(qū)的范圍及不同情境下的水質(zhì)目標(biāo)。

2.1 小清河概況

小清河流域是山東省五大流域之一,地處山東腹地,全長237 km,發(fā)源于濟(jì)南西郊睦里莊,經(jīng)濟(jì)南、濱州、淄博、東營、濰坊5市18個(gè)縣(市、區(qū)),在濰坊壽光市羊口鎮(zhèn)注入渤海萊州灣。本次研究選取小清河為典型河流,通過水文水質(zhì)模擬,研究入海河流水質(zhì)目標(biāo)確定的技術(shù)方法。

選取小清河作為研究對象的主要原因包括:一是小清河發(fā)源于本省,對小清河開展研究,不涉及責(zé)任糾紛;二是小清河對整個(gè)萊州灣甚至渤海海域的污染貢獻(xiàn)較大,依據(jù)2018年山東省主要入海河流污染物入海量貢獻(xiàn)比(除黃河外),小清河的貢獻(xiàn)率最高,約47.5%,占近一半的入海污染量,小清河的水質(zhì)是渤海海域水質(zhì)變化的重要影響因素,因此,小清河管理經(jīng)驗(yàn)對其他入海河流具有示范性和可復(fù)制性;三是小清河干流設(shè)有省控及以上水文站3個(gè)、省控及以上水質(zhì)考核斷面共7個(gè),相對于其他入海河流而言更為豐富的水文水質(zhì)資料,便于模擬和對比。

2.2 監(jiān)測站位布設(shè)及監(jiān)測結(jié)果

為了解小清河及附近海域海水水質(zhì)現(xiàn)狀,對小清河羊口斷面以下及河水與海水混合區(qū)進(jìn)行污染物監(jiān)測,共布設(shè)17個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位,分別監(jiān)測3次,分別為2019年12月、2020年3月、2020年5月,點(diǎn)位分布情況詳見圖1。

2.3 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

水動(dòng)力模型采用水深平均的平面二維水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程,含動(dòng)量方程、連續(xù)性方程及物質(zhì)輸運(yùn)方程,可較好地反映萊州灣流場中水流運(yùn)動(dòng)特征及物質(zhì)輸運(yùn)過程。具體控制方程如下:

2.3.1 控制方程

連續(xù)性方程:

(1)

圖1 小清河河口區(qū)監(jiān)測點(diǎn)位分布圖

動(dòng)量方程:

(2)

(3)

垂向平均的物質(zhì)輸運(yùn)方程:

(4)

2.3.2 網(wǎng)格劃分 本研究所建立的海域數(shù)學(xué)模型計(jì)算域范圍及網(wǎng)格如圖2所示,即為圖中萊州港、黃河口兩點(diǎn)以及岸線圍成的海域。模擬采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格,整個(gè)模擬區(qū)域內(nèi)由9 302個(gè)節(jié)點(diǎn)和15 775個(gè)三角單元組成;最小網(wǎng)格間距為20 m。

圖2 大海域計(jì)算域網(wǎng)格及潮位驗(yàn)證點(diǎn)位置圖

2.3.3 邊界條件及參數(shù)選取 模型設(shè)置中陸地邊界為閉邊界,沿閉邊界流速的切向速度的法向梯度、水位法向梯度均為零,傳播到閉邊界的波浪均完全吸收。開邊界采用的是水位邊界條件,由渤海潮流模型提供。

水深和岸界根據(jù)相關(guān)水深地形測量資料以及工程附近海域的最新實(shí)測水深地形資料確定。

模型計(jì)算時(shí)間步長根據(jù)CFL條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,確保模型計(jì)算穩(wěn)定進(jìn)行,最小時(shí)間步長0.5 s。底床糙率通過曼寧系數(shù)進(jìn)行控制,曼寧系數(shù)n取45～58 m1/3/s。

采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應(yīng)的Smagorinsky(1963) 公式計(jì)算水平渦粘系數(shù),表達(dá)式如下:

2.3.4 計(jì)算工況 本次數(shù)值模擬設(shè)置了2種方案,一是基于實(shí)測調(diào)查資料的現(xiàn)狀濃度、不設(shè)定考核斷面的情況,二是不設(shè)定河口混合區(qū)、水質(zhì)達(dá)到相應(yīng)近岸海域環(huán)境功能區(qū)的情況。每種計(jì)算方案包括3種工況,分別對應(yīng)2019年12月、2020年3月、2020年5月三個(gè)典型月份。依據(jù)海水無機(jī)氮考核要求,為方便模擬研究,對小清河地表水3個(gè)站位三期監(jiān)測結(jié)果簡單分析,初步得出地表水中無機(jī)氮(y)與總氮(x)的關(guān)系為y=0.892 3x-0.029(R2=0.889 4,僅適用于本次模擬分析),源強(qiáng)無機(jī)氮是總氮轉(zhuǎn)換值。模擬了6個(gè)工況半月潮條件下,無機(jī)氮在河口及附近海域的濃度場時(shí)空變化規(guī)律。根據(jù)小清河各站歷年各月平均流量統(tǒng)計(jì)情況及小清河河口區(qū)污染物監(jiān)測結(jié)果,各工況的主要計(jì)算參數(shù)如表2。

表2 計(jì)算工況信息表

2.3.5 潮流模型驗(yàn)證 潮位采用濰河口、濰坊港的潮位觀測資料,潮位驗(yàn)證曲線如圖3所示。潮流采用中國海洋大學(xué)于2014年5月28日12:00至2014年5月29日13:00觀測數(shù)據(jù),潮流驗(yàn)證曲線如圖4所示。潮位及潮流驗(yàn)證結(jié)果表明,模擬值與實(shí)測值均基本吻合,能夠較好地反映周邊海域潮位及潮流狀況。

圖3 潮位驗(yàn)證曲線

2.3.6 污染物擴(kuò)散模擬結(jié)果及驗(yàn)證 根據(jù)流場運(yùn)動(dòng)規(guī)律,選用2019年12月小清河流量及監(jiān)測的無機(jī)氮濃度數(shù)據(jù),選取H1、H2、H3、H4、K52、K53、K103、K153等8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證,文中給出的預(yù)測結(jié)果為最大濃度增量,即該格點(diǎn)上各時(shí)刻數(shù)據(jù)中最高的瞬時(shí)濃度,濃度增量等值線是各點(diǎn)最高瞬時(shí)濃度的連線。圖5給出了2019年12月小清河無機(jī)氮擴(kuò)散的預(yù)測結(jié)果,表3給出了無機(jī)氮實(shí)測值與模擬值偏差一覽表。從表3中可以看出,除H4、K52站位外,各站位無機(jī)氮的模擬值與實(shí)測值偏差在5%以內(nèi),模擬結(jié)果能夠較好地反映小清河無機(jī)氮指標(biāo)在河口處的擴(kuò)散趨勢。H4、K52站位模擬結(jié)果較差可能與采樣時(shí)間所對應(yīng)的漲落流變化有關(guān)。

2.4 河口混合區(qū)劃定及水質(zhì)目標(biāo)

根據(jù)三次水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),選取2019年12月、2020年3月、5月進(jìn)行現(xiàn)狀條件下河口混合區(qū)范圍(增量≥ 0.3 mg/L)的模擬(見圖6)。結(jié)果顯示,2019年12月、2020年3月、5月混合區(qū)范圍分別約184.8、134.05和95.9 km2,對應(yīng)的總氮濃度目標(biāo)值約為10.2、11.3和7.38 mg/L。

2.5 無河口混合區(qū)情境下的河流水質(zhì)目標(biāo)

根據(jù)《山東省近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃(2016—2020年)》,小清河入?？趫?zhí)行二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(無機(jī)氮≤0.30 mg/L),因此,小清河入海污染物導(dǎo)致附近海域無機(jī)氮濃度增量應(yīng)不超過0.30 mg/L(即扣除本底濃度)。

(LZ1站位和LZ3站位。LZ1 station and LZ3 station.) 圖4 潮流驗(yàn)證曲線

圖5 2019年12月無機(jī)氮擴(kuò)散模擬結(jié)果

表3 2019年12月無機(jī)氮實(shí)測值與模擬值偏差一覽表Table 3 List of deviations between measured and simulated inorganic nitrogen values in December 2019

圖6 2019年12月(a)、2020年3月(b)及年5月(c)小清河河口混合區(qū)范圍示意圖

圖7給出了2019年12月源強(qiáng)為2.3和2.28 mg/L時(shí)無機(jī)氮的擴(kuò)散范圍(圖中給出的為扣除本底后的人為增量,下同)。從中可以看出,當(dāng)源強(qiáng)為2.3 mg/L時(shí),小清河河口臨近海域的無機(jī)氮增量>0.3 mg/L,不符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)源強(qiáng)為2.28 mg/L時(shí),小清河河口臨近海域水質(zhì)可達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(無機(jī)氮小于0.3 mg/L)。因此,在不設(shè)定河口混合區(qū)(即只要河流入海,水質(zhì)即應(yīng)達(dá)到相應(yīng)近岸海域環(huán)境功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)要求,下同)的條件下,小清河無機(jī)氮排放濃度(羊口斷面)不應(yīng)超過2.28～2.29 mg/L,對應(yīng)的總氮濃度不應(yīng)超過2.59～2.60 mg/L。

圖7 無機(jī)氮源強(qiáng)為2.3 mg/L(左)和2.28 mg/L(右)時(shí)對應(yīng)的擴(kuò)散范圍

圖8給出了2020年3月源強(qiáng)為1.32和1.31 mg/L時(shí)無機(jī)氮的擴(kuò)散范圍。從中可以看出,當(dāng)源強(qiáng)為1.32 mg/L時(shí),小清河河口臨近海域的無機(jī)氮增量>0.3 mg/L,不符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)源強(qiáng)為1.31 mg/L時(shí),小清河河口臨近海域水質(zhì)可達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(無機(jī)氮小于0.3 mg/L)。因此,在不設(shè)定河口混合區(qū)的條件下,小清河無機(jī)氮排放濃度(羊口斷面)不應(yīng)超過1.31 mg/L,對應(yīng)的總氮濃度不應(yīng)超過1.50 mg/L。

圖8 無機(jī)氮源強(qiáng)為1.32mg/L(左)和1.31mg/L(右)時(shí)對應(yīng)的擴(kuò)散范圍

圖9分別給出了2020年5月源強(qiáng)分別為2.93和2.91 mg/L時(shí)無機(jī)氮的擴(kuò)散范圍,需要說明的是,圖中給出的為扣除本底后的人為增量。從中可以看出,當(dāng)源強(qiáng)為2.93 mg/L時(shí),小清河河口臨近海域的無機(jī)氮增量>0.3 mg/L,不符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)源強(qiáng)為2.91 mg/L時(shí),小清河河口臨近海域水質(zhì)可達(dá)到二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(無機(jī)氮小于0.3 mg/L)。因此,在不設(shè)定河口混合區(qū)的條件下,小清河無機(jī)氮排放濃度(羊口斷面)不應(yīng)超過2.91～2.92 mg/L,對應(yīng)的總氮濃度不應(yīng)超過3.29～3.30 mg/L。

圖9 無機(jī)氮源強(qiáng)為2.93mg/L(左)和2.91mg/L(右)時(shí)對應(yīng)的擴(kuò)散范圍

3 結(jié)語及建議

本文嘗試通過建立數(shù)學(xué)模型模擬研究確定小清河水質(zhì)目標(biāo),存在河流流量及污染物擴(kuò)散連續(xù)性、氮污染物形態(tài)轉(zhuǎn)化、采樣時(shí)間和空間連續(xù)性等諸多不可控因素,會(huì)影響模型精度。但也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,具體如下:

統(tǒng)籌陸域地表水環(huán)境功能區(qū)劃與近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃的管理需求,結(jié)合小清河水文水質(zhì)模擬研究,不設(shè)定混合區(qū)時(shí),小清河入海斷面不同水期總氮濃度需在1.5～3.3 mg/L范圍內(nèi)。設(shè)定混合區(qū)時(shí),不同水期小清河入海斷面總氮目標(biāo)濃度在7.38～11.3 mg/L范圍內(nèi),接近或大于小清河2020年入海斷面總氮年均值(7.3 mg/L)。因此,在根據(jù)不同水期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)模擬確定河口混合區(qū)后,需結(jié)合混合區(qū)邊界的近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)、入海河流上游總氮減排的可行性等因素,合理縮小混合區(qū)范圍,結(jié)合確定入海斷面的位置和考核目標(biāo)。

建議綜合考慮上述兩種情景,基于經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性,確定入海河流水質(zhì)目標(biāo)。針對河口區(qū)特殊的水體特征和地理位置,將河口混合區(qū)作為單獨(dú)的水體類型進(jìn)行管理,制定能夠滿足水體使用功能并有效維護(hù)水體生態(tài)系統(tǒng)健康的河口區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合地表水考核位置和考核目標(biāo)、混合區(qū)邊界近岸海域環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)要求,通過水文水質(zhì)模擬,合理確定混合區(qū)的水質(zhì)考核目標(biāo),實(shí)現(xiàn)由地表水到近岸海域水質(zhì)的過渡和有效銜接。可分兩步逐步實(shí)現(xiàn)入海河流的水質(zhì)滿足海水要求:近期目標(biāo),即科學(xué)設(shè)置過渡期(劃定河口混合區(qū)),逐步提高入海河流斷面水質(zhì)要求;遠(yuǎn)期目標(biāo),即依據(jù)減排措施,逐步取消河口混合區(qū)。

當(dāng)前我國近岸海域水質(zhì)超標(biāo)因子主要是無機(jī)氮和活性磷酸鹽,富營養(yǎng)化問題突出?，F(xiàn)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)中表征河流富營養(yǎng)化的指標(biāo)為氨氮、總磷,《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097—1997)中為無機(jī)氮、活性磷酸鹽,而目前針對地表水及海水中無機(jī)氮、氨氮、總氮之間,總磷、活性磷酸鹽之間的關(guān)系和循環(huán)轉(zhuǎn)化過程的研究開展較少,各類指標(biāo)之間的聯(lián)系尚不明確,給氮磷污染控制帶來了極大不便。建議在地表水及海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中均設(shè)置總氮、總磷指標(biāo),以便進(jìn)一步了解水體中不同形態(tài)氮和磷的相互關(guān)系、循環(huán)轉(zhuǎn)化過程以及與富營養(yǎng)化或赤潮災(zāi)害的關(guān)系,更好地闡釋近岸海域環(huán)境質(zhì)量與陸源污染源之間的關(guān)系。通過開展區(qū)域性營養(yǎng)物質(zhì)的海水水質(zhì)基準(zhǔn)研究,制定符合當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的地表水和海水中的總氮、總磷水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。