海湾入海污染物总量控制方法与应用研究

【摘要】： 污染物总量控制已成为我国水污染防治的一项重要举措,是实行水资源保护目标管理的重要依据,也是开展水资源保护规划工作的基础。进行海湾入海污染物总量控制研究对保护和恢复海洋环境,协调和促进沿海经济发展与海洋的合理开发利用,实现海洋经济的可持续发展具有重要意义。本文针对目前入海污染物总量控制中对氮磷等营养盐和非点源污染研究工作的不足,进行了海湾入海污染物总量控制方法与应用研究。研究成果及结论主要包括以下几个方面: 1.建立了胶州湾三维非保守物质水质模型。以WASP5中的富营养化模块为基本框架,并耦合了ECOM-si水动力模型,从而建立了胶州湾八个状态变量的水质数值模型,并且用观测数据进行了校验和修正,为氮磷等非保守物质的环境容量计算打下了基础,为胶州湾水质规划与管理提供了科学依据。 2.改进了环境容量计算及总量分配优化模型。以往的环境容量研究中常将氮磷等营养盐作为保守物质对待,而且非点源污染在污染负荷分配研究中亦考虑不足。鉴于此,本文通过在水质约束方程中引入生物化学作用对氮磷等营养盐变化的影响及非点源污染对水质浓度变化的贡献,提出了氮磷等非保守物质环境容量计算方法以及将非点源纳入总量控制的方法,对环境容量计算及总量分配优化模型进行了改进。 3.根据2005年胶州湾环境现状调查资料,分别采用隶属度加权综合平均水质级别法、模糊综合评价模型和等标污染负荷法,对胶州湾综合水质、富营养化状况、污染源进行了评价。结果表明:胶州湾海域整体水质水平属于Ⅱ类水质;胶州湾沿岸海域富营养化水平较高,中央海域和南部海域营养水平较低;河流输入等标污染负荷比达88.42%,成为胶州湾污染物最主要的来源;化学需氧量、氨氮和总磷,等标污染负荷比分别为34.43%、33.14%、29.95%,是胶州湾主要的入海污染物。 4.采用非保守物质水质模型,模拟了胶州湾2005.5~2006.5期间氨氮、硝氮、活性磷酸盐的时空分布,估算了营养盐年循环收支。结果表明:受陆源污染物输入的影响,在胶州湾东岸、胶州湾北部墨水河口海域营养盐浓度较高,在东岸形成了一条贯穿南北的污染带;氨氮和活性磷酸盐都经历了春夏的减少和秋冬的补充,浮游植物生物量的变化对胶州湾水体中营养盐的浓度变化具有下行控制作用。在胶州湾海域,浮游植物在营养盐循环中起了重要的作用,光合作用吸收成为氨氮和活性磷酸盐最大的汇,陆源输入是其最大的源;由于氨氮对硝氮吸收有抑制作用,光合作用消耗的硝酸盐较少,对流输运成为其最大的汇,硝化作用转化是其最大的源。经过一年的循环,氨氮、硝酸盐和活性磷酸盐分别增加了438t、116t、138t。 5.模拟了胶州湾2005.5~2006.5期间溶解氧、化学需氧量的时空分布,模拟的DO和COD的变化趋势与观测值较吻合。与营养盐分布不同,溶解氧浓度湾外高于湾内,湾中央高于沿岸。溶解氧浓度年内波动较小,冬季含量较高,夏秋季含量较低。 6.模拟了胶州湾浮游植物生物量、初级生产力年变化,从模型的角度估算了f比,对初级生产力的结构进行了探讨。结果表明:胶州湾海域浮游植物生物量周年变化呈双峰型特征,峰值分别出现在夏季和春季;模拟的初级生产力夏季最高,春、秋季次之,冬季最低;模拟的浮游植物生物量和初级生产力年变化趋势与观测值符合较好。模型估算胶州湾f比值约为0.61,这表明胶州湾具有较高的新生产力水平,同时证明了氮源划分基础上的15N同位素示踪方法容易低估胶州湾的新生产力水平。 7.通过数值实验定量讨论了生态系统对污染物河流输入量变化的响应。结果表明:河流污染物输入变化对东部沿岸的水质影响最大,对胶州湾南部海域影响最小;浮游植物对河流污染物输入变化最敏感,溶解氧最不敏感,当河流输入减少75%时,在大沽河口附近海域浮游植物生物量减少了79.8%,溶解氧浓度变化仅为3.5%。 8.预测了非点源污染对胶州湾水质浓度的贡献和生物化学过程对胶州湾水质变化的影响,并在此基础上应用环境容量计算及总量分配优化模型,计算得到胶州湾化学需氧量、无机氮、活性磷酸盐的环境容量,分别为84601t/a、5085.3t/a和633.3t/a。将环境容量在主要排污单元进行了分配,基于2010年污染物入海通量预测,提出了各排污单元的污染物排放削减方案。结果表明:对于营养盐而言,只有在水交换活跃的团岛附近海域有剩余环境容量,其他排污单元均需削减,位于胶州湾东北部的墨水河排污单元和娄山河排污单元削减率最高,均达85%以上,大沽河和李村河排污单元削减率均达36%以上,海泊河和前湾排污单元削减率则相对较低。 文章最后对全文工作进行了总结,并提出了有待进一步研究的问题。