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《中国海洋大学》 2012年
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渤海主要污染物环境容量及陆源排污管理区分配容量计算

丁东生  
【摘要】:陆源污染物排放总量控制是实现资源节约型、环境友好型社会经济可持续发展方式的基础内容,也是综合解决当前大气、地表水、土壤、海洋污染问题的有效手段。自我国1980’s中期开始陆源污染物排放总量控制研究,特别是2006年开始实施以COD减排为约束性指标的“目标总量控制管理”计划以来,由于“目标总量控制管理”方式自身固有的缺陷,即使自1990’s后期先后实施了“渤海综合整治规划”、“碧海行动计划”等国家级污染防治工程,渤海水质改善实际效果仍然不甚理想。具体表现在2010年渤海超标面积比2005年增加约50%。这样,根据美国、欧盟、日本等有益经验分析,我国陆源污染物排放总量控制迫切需要由现行的“目标总量控制”向“容量总量控制”的转变。然而,由于针对海洋三维空间数值模型的海洋环境容量计算方法发展滞后等原因,不仅关于渤海的报道多数将环境容量与分配容量混淆,而且计算结果也常常局限于部分海域或部分陆域,特别是至今尚没有在整体上实现科学精细地划分环渤海经济圈排污管理区。因此,本论文研究目的主要是得到以更加精准的环境容量计算结果为基础的环渤海区域排污管理区分配容量,为实现“容量总量控制管理”所必需的科学精准、细化具体的率定量化管理指标体系提供科学理论基础。 对此,本论文研究内容主要有5个方面:(1)根据海洋环境容量的一般计算方法原理,建立适应海洋三维空间数值模型的海洋环境容量计算方法。(2)应用(1)建立的计算方法,计算渤海海域COD、氮和磷环境容量。(3)根据汇水区、集污区等一般准则,针对渤海实际纳污陆域范围,在科学确定环渤海排污管理带范围基础上,合理划分环渤海排污管理区。(4)在(2)基础上,应用多目标(非)线性规划方法,计算环渤海排污管理区COD、氮和磷分配容量。(5)根据COD、氮和磷陆源污染物超排率估算结果,初步探讨环渤海排污管理带陆源污染物排放总量控制率定量化分级管理模式。 本论文主要研究结果是: 1.渤海海域COD、氮和磷污染物环境容量计算。目前,根据污染物自净过程建立的海洋环境容量计算的一般方法原理只能适应箱式数值模型,而不能适应三维空间数值模型。这样,综合考虑水动力空间和生物地球化学时间变化特征,可以建立适应三维空间数值模型的污染物环境容量(EC)计算方法,可以称作“浓度梯度积分法”。根据数值模型在时间、空间、指标、标准等方面的特征,环境容量计算流程主要包括从纳污海域识别到环境容量计算结果评价8个环节。这里,采取渤海三维水动力(HAMSOM)-生物地球化学耦合模型进行COD、氮和磷污染物状态变量数值模拟运算。结果表明,模拟结果与监测结果基本吻合(第3章图3-5),其中氮相对偏差%(RSD)和相似性指数(SI)平均分别是51%和0.41,说明基本可以应用该模型计算渤海污染物环境容量。计算结果表明,在国家功能区水质标准条件下,渤海COD、氮(氨氮)和磷的环境容量分别约为980、93和13万吨/年,氮、磷环境容量密度(t/a/km~2约为黄海胶州湾和东海罗源湾的1/3。 2.环渤海排污管理带陆源COD、氮和磷污染物分配容量计算。排污管理区陆源污染物分配容量计算主要包括三个环节:首先,综合考虑环渤海经济圈三省两市区域中污染物排入渤海的115个汇水区、13个集污区和17个直排海企业相应共计145个入海点,确定环渤海排污管理带范围涵盖37个地级市的343个县级行政区,19个地级市的105个县级行政区不在此范围内。在此基础上,将县级行政区作为环渤海排污管理带的最小行政区,并根据污染物主要入海途径将同一行政区内的多个汇水区和集污区予以归并,在环渤海排污管理带范围内可以划分为42个排污管理区,以及黄河中上游、海河上游和辽河上游3个密切关联的带外排污管理区,前者可分为黄河、海河和辽河排污管理区系。其次,应用多目标(非)线性规划方法,可以计算42个排污管理区COD、氮和磷污染物分配容量(AC):以各排污管理区分配容量最大为目标函数,相应约束条件主要有总量约束、水质控制点约束和非负约束条件,其中前者以海洋环境容量作为陆域分配容量阈值。最后,采用单纯形法可以计算排污管理区污染物分配容量。计算结果表明,对于COD、氮和磷污染物,环渤海排污管理“带内”分配容量平均占95%左右,而“带外”仅占5%左右。其中,黄河、海河和辽河排污管理区系分别平均占27%、30%和43%左右。分析表明,COD分配容量密度(DA)平均是3.9,其中面积占环渤海排污管理带总面积16%的区域高于均值,主要分布在北戴河区等32个排污管理区。 3.环渤海排污管理带陆源污染物排放总量控制率定量化分级管理初探。 根据陆源污染物排放总量控制五级量化管理模式,可以采用COD、氮和磷污染物超排率%对环渤海排污管理带实行分级量化管理,其中:超排率%=(污染物排放数量密度-行政区分配容量密度)/行政区分配容量密度。然而,在同样应用多目标(非)线性规划方法计算行政区分配容量中,目前尚无法具体确定所需要增设的经济发展、人口发展、污染物排放强度、工程减排等约束条件的函数化或参数化形式。在这种情况下,如果假设环渤海排污管理带行政区分配容量密度/排污管理区分配容量密度比值与青岛市结果基本相同,大约0.3,可以根据环渤海排污管理区分配容量密度粗略估算污染物超排率%。结果表明,根据COD超排率%,环渤海排污管理带范围内,需要实行红色和橙色管理的区域合计约53%,而绿色和蓝色合计约46%。 总之,本论文主要工作是按照“目标总量控制”向“容量总量控制”转变关于率定量化指标要求,建立了针对海洋三维空间数值模型的污染物环境容量计算方法,浓度梯度积分法,并应用该方法计算了渤海COD、氮和磷污染物环境容量。同时,综合考虑汇水区、集污区、入海点等实际情况,科学确定了环渤海排污管理带范围,并合理划分了42个环渤海排污管理区。以上述两项结果为基础,应用多目标(非)线性规划方法计算得到了更加细化具体的42个环渤海排污管理区COD、氮和磷污染物分配容量,为建立以行政区为责任主体的环渤海排污管理带量化管理指标体系提供了量化理论基础。 论文创新点主要是针对更加准确的环境容量计算结果的要求,建立了适应海洋三维空间数值模型的浓度梯度积分法。在此基础上,论文特色主要是得到了更加细化具体的42个环渤海排污管理区COD、氮和磷污染物分配容量,这为“十二五”规划时期环渤海排污管理带中共计343个县级行政区排放总量控制量化指标体系制定提供了科学基础。
【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:X55

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