張文亮，劉 泓，馮劍豐，朱 琳，劉 玉，馬志華

渤海灣是渤海西部的一個半封閉海灣，位于河北省唐山、天津、河北省滄州和山東省黃河口之間。渤海灣海洋生態(tài)系統(tǒng)是天津濱海新區(qū)經(jīng)濟(jì)與社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來，隨著人口的增加和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，渤海灣海洋生態(tài)系統(tǒng)退化現(xiàn)象嚴(yán)重，特別是氮、磷、化學(xué)耗氧量(COD)等污染物排放量的增加，對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能造成了巨大的影響［1-4］。

海洋環(huán)境容量是在充分利用海洋的自凈能力和不造成污染損害的前提下，某一特定海域所能容納的污染物質(zhì)的最大負(fù)荷量。基準(zhǔn)海洋環(huán)境容量指整個目標(biāo)海域海水中化學(xué)污染物平均濃度符合一定等級國家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)條件下的海洋環(huán)境容量［5］。容量的大小即為特定海域自凈能力強(qiáng)弱的指標(biāo)，環(huán)境容量越大，可接納的污染物就越多;環(huán)境容量越小，可接納的污染物就越少。只有采取總量控制的辦法，才能有效地消除或減少污染的危害。排入某一海域的污染物如果只規(guī)定各個污染源容許排放污染物的濃度，而不考慮環(huán)境的最大負(fù)荷量，則有可能各個排放點污染物的排放量雖然符合標(biāo)準(zhǔn)，但特定海域的污染物總量卻可能超過標(biāo)準(zhǔn)，造成污染損害。倘若將流入某一海域的污染物總量限制在允許容納量之內(nèi)，并在此總量下限制來自各種排放源的污染物負(fù)荷量，就可以使海域環(huán)境質(zhì)量維持良好狀態(tài)。

多介質(zhì)的海洋動力學(xué)模型已經(jīng)用于對膠州灣、遼東灣和渤海營養(yǎng)鹽的環(huán)境容量的評價［5-8］。而實際的海水通過物理、化學(xué)和生物的方法對污染物進(jìn)行分解和凈化。因此在評估特定區(qū)域某種污染物的環(huán)境容量時，應(yīng)該同時考慮這3 種過程的自凈能力。生態(tài)物理耦合模型則考慮了這3 種過程，可以更加真實地反映污染物的遷移、轉(zhuǎn)化過程。該文采取生態(tài)物理耦合模型，對渤海灣的主要污染物-溶解無機(jī)氮(DIN)的基準(zhǔn)環(huán)境容量進(jìn)行了計算，在此基礎(chǔ)上，對渤海灣的DIN 入海總量提出了控制建議。

1 研究區(qū)域與方法

選擇遭受嚴(yán)重污染的渤海灣作為研究對象，研究區(qū)域如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域

海洋生態(tài)動力學(xué)模型自20世紀(jì)40年代產(chǎn)生以來，一直被認(rèn)為是除了現(xiàn)場調(diào)查和模擬實驗(包括實驗室模擬和現(xiàn)場模擬)之外研究海洋生態(tài)系統(tǒng)的另一種有效的研究方法。建立評估海洋生態(tài)狀況和預(yù)測海洋生態(tài)平衡和演變的生態(tài)動力學(xué)模型，已成為國內(nèi)外海洋研究工作者的關(guān)注熱點［9］。模型研究從早期的種間競爭、捕食的關(guān)系模型發(fā)展到生態(tài)過程、食物鏈模型。尤其是近年來計算速度大幅提高，應(yīng)用數(shù)學(xué)的理論與方法也在不斷完善，使得生態(tài)動力學(xué)模型能夠科學(xué)地模擬生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)過程［10］。

生物物理耦合模型的控制方程可以表示為

式中:Ci是各生物變量的濃度;下標(biāo)i 分別指代營養(yǎng)鹽(硝酸鹽、銨鹽和磷酸鹽)、浮游植物、浮游動物和生物碎屑，i=1，…，7。

PHYSICS(Ci)代表物理過程(主要是對流和擴(kuò)散)引起的各生物變量濃度的變化，在本研究中采用與POM 模型中溫度和鹽度相同的對流擴(kuò)散形式:

對于營養(yǎng)鹽而言，Si≠0 表示營養(yǎng)鹽能夠通過河流徑流、大氣沉降或沉積物涌起進(jìn)入海洋;對于其他生態(tài)變量，Si= 0 表明浮游生物和碎屑的生物量沒有來自水體生態(tài)系統(tǒng)以外的補(bǔ)充。式中的x、y 為直角坐標(biāo)系的水平方向坐標(biāo)，σ 為sigma坐標(biāo)系的垂向坐標(biāo)，U、V、ω 分別為x、y、σ 方向的速度分量，L 為實際水深，AH、KH分別為水平與垂直擴(kuò)散系數(shù)［7，11-12］。

BIOLOGY(Ci)代表食物鏈中生物過程引起的各生源要素濃度的變化，反映了包括浮游植物、浮游動物、營養(yǎng)鹽及碎屑的構(gòu)成的典型營養(yǎng)物-浮游植物-浮游動物-碎屑(NPZD)模型［11］。其中主要的生物過程包括浮游植物的初級生產(chǎn)過程、藻類呼吸過程、藻類被捕食過程、藻類死亡過程、浮游動物死亡及排泄過程以及碎屑的礦化過程。

該生物物理模型在NPZD 生態(tài)模型的基礎(chǔ)上，耦合了經(jīng)過潮流場驗證的三維水動力學(xué)模型［12］，以國家海水無機(jī)氮的I～Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，對渤海灣的無機(jī)氮的基準(zhǔn)環(huán)境容量進(jìn)行了計算分析。

2 模型的邊界條件及驗證

海面邊界條件:

海底邊界條件:

式中，N、A、P 分別代表硝酸鹽、銨鹽和磷酸鹽的濃度，P1、P2代表浮游植物密度，Z 代表浮游動物生物量，D 代表碎屑的濃度，F(xiàn)n、Fa、Fp為硝酸鹽、銨鹽和磷酸鹽在海底沉積物與水體之間的交換通量。以上垂直邊界條件說明各生源要素的海表通量為0，而且除了3 種營養(yǎng)鹽外，其他生源要素的海底通量也為0。

側(cè)開邊界條件:開邊界處的硝營養(yǎng)鹽根據(jù)渤海大區(qū)的計算結(jié)果并結(jié)合多年的觀測數(shù)據(jù)插值確定的［7，12］。浮游植物、浮游動物和碎屑的開邊界條件采用一階迎風(fēng)對流格式。

模型安排:生物模型的對流擴(kuò)散過程由水動力模型計算，生物化學(xué)過程則采用4 階龍格—庫塔法求解。生物模塊的網(wǎng)格劃分與水動力模型相同，即水平方向0.5'×0.5'，垂直方向11 個sigma 層。

3 結(jié)果與討論

天津近岸臨港工業(yè)區(qū)臨近水域2 個船舶站位實測的垂向平均潮流和計算結(jié)果的比較情況如圖2所示。從圖2可以看出，浮游植物、浮游動物、營養(yǎng)鹽及碎屑的典型NPZD 模型的模擬結(jié)果和資料還是比較吻合的。

圖2 渤海灣臨港工業(yè)區(qū)臨近水域站點潮流的計算和觀測值的比較

采用浮游植物、浮游動物、營養(yǎng)鹽及碎屑的典型NPZD 模型，對渤海灣典型營養(yǎng)鹽進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 營養(yǎng)鹽濃度隨時間變化趨勢

由于冬季生物生長受到溫度的限制，硝酸鹽和磷酸鹽在外界輸入的影響下，呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。到了春季和夏季，浮游生物在較高的溫度下開始生長，這時候，硝酸鹽和磷酸鹽的濃度由于生物生長吸收的作用而降低。到了秋季，隨著水溫的逐漸降低，浮游生物的生長受到溫度的限制，營養(yǎng)鹽濃度有所增加。該NPZD 模型的模擬結(jié)果基本上反映了渤海灣近海域營養(yǎng)鹽的季節(jié)變化趨勢［13-15］。

在該生態(tài)模型的基礎(chǔ)上，耦合經(jīng)過潮流場驗證的三維水動力學(xué)模型，采用海洋環(huán)境中生物物理耦合模型的標(biāo)準(zhǔn)自凈容量法，在國家I～Ⅳ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)條件下，計算得到渤海灣DIN(N +A)基準(zhǔn)海洋環(huán)境容量大約為7.4 × 104、9.5 ×104、12.5 ×104、15.8 ×104t/a。

自20世紀(jì)50年代以來，特別是70年代末以來，海河徑流量從80年代到90年代呈下降趨勢，2000年后逐級回升。20世紀(jì)50年代的平均入海徑流量為144 億m3，到60年代降至82 億m3，70年代為45 億m3，80年代的平均水量僅為9.85億m3，90年代平均入海徑流量為24 億m3。結(jié)合渤海灣海河流域DIN 排海通量的變化趨勢［16-17］，可以得到渤海灣DIN 的基準(zhǔn)剩余海洋環(huán)境容量變化趨勢如圖4所示。

圖4 在國家I類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下渤海灣海水DIN 基準(zhǔn)剩余海洋環(huán)境容量歷史變化趨勢

目前，渤海灣海河流域DIN 的排海通量與實際蓄存量大約為9 萬t/a，基于渤海灣DIN 極小海洋環(huán)境容量的計算結(jié)果，可以得到渤海灣DIN 的極小剩余海洋環(huán)境容量。在國家I類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下，渤海灣DIN 的極小剩余海洋環(huán)境容量大約為-3 萬t/a;在Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下，渤海灣DIN 的極小剩余海洋環(huán)境容量大約為-1 萬t/a。結(jié)合實際的水質(zhì)管理目標(biāo)(海水功能區(qū))，應(yīng)該嚴(yán)格控制DIN 的入?？偭?。渤海灣入海污染物中，非點源污染排放約占總量的一半。點源污染中，上游攜帶入境的約占總量的1/4，濱海新區(qū)工業(yè)排放和生活源排放的各約占排放總量的1/8。因此，對于超標(biāo)的DIN，需要重點控制非點源的排放，同時應(yīng)加強(qiáng)上游攜帶入境污染物的處理［18］，從總量上控制DIN 入海污染通量，改善渤海灣水質(zhì)。

4 結(jié)論

基于渤海灣近岸海域的實際調(diào)查結(jié)果，通過對天津渤海灣海洋典型污染物溶解無機(jī)氮的基準(zhǔn)環(huán)境容量及入海總量的計算表明:在國家I～Ⅳ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)條件下，渤海灣DIN 基準(zhǔn)海洋環(huán)境容量大約為7.4 ×104、9.5 ×104、12.5 ×104、15.8 ×104t/a;在國家I類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下，渤海灣DIN 的極小剩余海洋環(huán)境容量大約為-3 萬t/a;在Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下，渤海灣DIN 的極小剩余海洋環(huán)境容量大約為-1萬t/a。渤海灣DIN 的極小剩余海洋環(huán)境容量在I類和Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下均為負(fù)值，說明渤海灣的DIN 已經(jīng)超標(biāo)。為改善渤海灣水質(zhì)，需要重點控制非點源的排放及上游攜帶入境污染物的處理，從總量上控制DIN 入海污染通量。

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