李立君

（盤錦市綠色發(fā)展服務(wù)中心，遼寧盤錦 124010）

1 引言

海洋環(huán)境容量是為維持某一海域的特定生態(tài)環(huán)境功能所要求的海水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，在一定時(shí)間內(nèi)所允許的環(huán)境污染物最大入海量，它與海水的自凈能力有關(guān)，是自凈能力綜合表現(xiàn)的定量描述。海洋環(huán)境容量大小取決于兩方面因素［1］：一是目標(biāo)海域水體自身狀況，如海洋環(huán)境位置、潮流等自然條件，不同的條件差異導(dǎo)致不同的自凈能力；二是該目標(biāo)海域功能區(qū)的劃定，不同的海洋功能區(qū)應(yīng)有不同的標(biāo)準(zhǔn)。遼東灣屬于一面臨海、三面環(huán)陸的典型半封閉海灣［2］，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，遼東灣近岸海域水質(zhì)狀況發(fā)生變化［3］，富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)的時(shí)空分布特征呈現(xiàn)渤海灣頂部高外側(cè)低、東南高西北低的特點(diǎn)［4］，遼東灣近岸海域劣Ⅳ類海水無論各季節(jié)還是全年主要分布在盤錦養(yǎng)殖等海域［5］。

盤錦近岸海域位于遼東灣頂部，區(qū)域內(nèi)有大遼河、遼河和大凌河三大河流的入?？?，這里分布有蓋州灘、大遼河?xùn)|灘、遼河河口的島灘等10 多個(gè)淺灘，近海海域水道交錯(cuò)。盤錦近岸海域處于Ⅱ類和Ⅳ類功能區(qū)范圍，進(jìn)一步增加了研究其環(huán)境容量的復(fù)雜性。盤錦海域主要污染因子為無機(jī)氮，以往該海域無機(jī)氮削減研究工作開展不多，因此，加強(qiáng)這方面的研究具有重要的實(shí)際意義。

2 污染物輸入響應(yīng)數(shù)學(xué)模型建立

通過分析潮汐與潮流特征、海域水質(zhì)現(xiàn)狀、河口和污染物排放負(fù)荷及海洋功能區(qū)劃等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行匯總，以便形成模型基礎(chǔ)邊界條件，完成模擬計(jì)算。

2.1 海洋功能區(qū)劃

盤錦近岸海域處于Ⅱ類和Ⅳ類功能區(qū)范圍，對(duì)應(yīng)執(zhí)行《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3097—1997）中的Ⅱ類和Ⅳ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，之外海域?qū)儆冖蝾惞δ軈^(qū)，同樣執(zhí)行Ⅱ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 潮汐與潮流特征

遼東灣海域的海流以潮流為主，潮波運(yùn)動(dòng)系由渤海海峽傳入的北黃海潮波系統(tǒng)所控制，潮波沿遼東灣東岸經(jīng)灣頂反時(shí)針方向傳播，以半日潮波（M2，S2）和日潮波（K1，O1）為主。半日潮波在遼東灣形成旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，在遼東灣西岸（秦皇島外海）形成無潮點(diǎn)。海區(qū)潮流運(yùn)動(dòng)形式基本上為往復(fù)流型。半日潮流和日潮流的潮流橢圓長(zhǎng)軸方向均與遼東灣縱軸走向一致，大體為東北-西南向。海區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)最大漲潮流為124 cm/s，位于蓋州灘的南側(cè)。河口附近受徑流和河口地形的影響，流向分布有一定差異。

2.3 海域水質(zhì)現(xiàn)狀

對(duì)表層海水和底層海水的水質(zhì)環(huán)境和生物生態(tài)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查分析，調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 海洋功能區(qū)海水水質(zhì)情況

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，盤錦近岸海域無機(jī)氮超標(biāo)嚴(yán)重，主要原因是由于盤錦118 km 海岸線上中間是遼河河口，兩側(cè)是界河大遼河河口和大凌河河口，三大河口帶著全流域的污染物從盤錦入海，對(duì)盤錦的海域水質(zhì)環(huán)境影響較大。

2.4 河口和污染物排放負(fù)荷

盤錦海域有3 個(gè)主要入海河口：大遼河河口、遼河河口和大凌河河口。根據(jù)各河口附近斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，主要污染物的入海負(fù)荷量估算值見表2。

2.5 二維潮流數(shù)值模型建立

海流是海水自凈過程中最主要的環(huán)境動(dòng)力因素，盤錦海域位于遼東灣東北部，潮流在各種流動(dòng)成分中占支配地位，潮汐屬不正規(guī)半日混合潮，潮流屬正規(guī)半日潮流，且該海域底形相對(duì)簡(jiǎn)單，海水密度分層不太顯著。對(duì)于此類海域一般采用二維淺水環(huán)流模型進(jìn)行流場(chǎng)模擬，以期用數(shù)值再現(xiàn)盤錦海域潮汐潮流的運(yùn)動(dòng)過程，為分析本海域的環(huán)境自凈能力和海洋環(huán)境容量計(jì)算提供動(dòng)力學(xué)條件。

2.5.1 控制方程和定解條件

深度平均二維淺水潮波方程：

方程（1）～（3）的邊界條件是：在海岸邊界上，取垂直海岸的流速為零，在水-水邊界上，采用水位控制，即水-水邊界上的水位描述為已知的時(shí)間函數(shù)。初始條件為：

網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的定義如圖1 所示，其中，“+”代表水位點(diǎn)，“｜”代表流速v 分量，“-”代表流速u 分量，“○”代表水深點(diǎn)，一組相鄰的水位點(diǎn)、流速和水深點(diǎn)使用相同的網(wǎng)格坐標(biāo)（i，j）。在對(duì)方程（1）～（3）的有限差分離散運(yùn)算中選用隱式方向交替差分格式。在平流項(xiàng)的處理中，采用迎風(fēng)格式。首先顯式計(jì)算流速u 分量，然后沿y 方向?qū)λ沪?和流速的v 分量作隱式運(yùn)算。由于計(jì)算格式是半隱式的，計(jì)算穩(wěn)定性好，可適當(dāng)加大時(shí)間步長(zhǎng)。

2.5.2 邊界處理

盤錦近岸淺海區(qū)分布大面積的潮灘，漲潮時(shí)淹沒，落潮時(shí)干出。為了提高流場(chǎng)的計(jì)算精度，對(duì)潮灘區(qū)進(jìn)行邊界處理，依據(jù)陸-水邊界線隨潮水漲落而進(jìn)退的實(shí)際背景，建立邊界位置與瞬時(shí)水深D＝η＋h 的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)D≤0 時(shí)，潮灘干出，反之，潮灘被淹沒。

2.6 潮流場(chǎng)基本特征

利用歷史海流實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，按照確定的邊界條件，輸入計(jì)算條件，選擇3 個(gè)站位，將海流觀測(cè)值和同站位同時(shí)段的實(shí)時(shí)模擬值繪制在同一張圖上，以便直觀地顯示模擬結(jié)果與實(shí)際情況的符合程度，考查模型計(jì)算結(jié)果的重現(xiàn)性，結(jié)果如圖2所示。由圖2 可見，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本吻合，說明本次模擬達(dá)到了預(yù)期的效果。

盤錦近岸海域位于遼東灣頂部，該區(qū)潮流主要受遼東灣潮波系統(tǒng)控制，受地形的約束形成復(fù)雜的分布。模擬結(jié)果表明，整個(gè)海區(qū)潮流形式基本為往復(fù)流。開闊海區(qū)，潮流流速較大，大潮期間在80～120 cm/s的范圍，小潮期間在60～100 cm/s 的范圍。岸邊區(qū)域流向多變，流速較小。岸邊淺灘區(qū)域在低潮位時(shí)段出現(xiàn)大面積的干灘。大遼河河口西側(cè)的海灘為中等流速區(qū)，潮流主流向?yàn)镹E-SW 向，漲潮向NE，落潮向SW。大潮期流速一般在50 cm/s 左右，稀釋擴(kuò)散能力較強(qiáng)。

3 海水水質(zhì)無機(jī)氮削減預(yù)測(cè)

盤錦近岸海域水質(zhì)較差，主要超標(biāo)原因是三大河流攜帶大量無機(jī)氮污染物入海。因此，從各河口削減無機(jī)氮排放量以改善近岸海域海水水質(zhì)是合理可行的。

利用模型對(duì)無機(jī)氮擬制定的不同減排效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。將減排后的無機(jī)氮污染物作為排放源強(qiáng)輸入模型中進(jìn)行計(jì)算，得到減排后的濃度場(chǎng)，對(duì)濃度場(chǎng)變化情況進(jìn)行分析。為確保對(duì)比清晰，模擬計(jì)算以零濃度作為初始值，模擬時(shí)長(zhǎng)為12 個(gè)月。依據(jù)模型混合區(qū)邊緣線上的無機(jī)氮濃度超標(biāo)量和響應(yīng)系數(shù)，計(jì)算出各個(gè)河口的削減排放量，見表3。

表3 各河口無機(jī)氮排放削減量計(jì)算結(jié)果

減排前后無機(jī)氮各類超標(biāo)區(qū)面積比較見表4。

表4 減排前后無機(jī)氮各類超標(biāo)區(qū)面積比較

由表3～4 可知，在大遼河、遼河和大凌河河口無機(jī)氮的排放削減量分別為1 578.345，1 719.128，104.243 t/a 的情形下，經(jīng)模型預(yù)測(cè)盤錦海域的氨氮濃度將大幅度降低，減排后海域水質(zhì)明顯改善，無機(jī)氮超標(biāo)區(qū)的面積大幅度縮小，無機(jī)氮濃度≥0.5 mg/L的區(qū)域僅集中在3 條河流入海口的有限區(qū)域范圍，近岸海域的Ⅳ類環(huán)境功能區(qū)邊界無機(jī)氮濃度介于0.2～0.3 mg/L 之間，已達(dá)到了Ⅱ類區(qū)的水質(zhì)要求，無機(jī)氮污染因子濃度分布基本滿足環(huán)境功能區(qū)劃要求。

4 結(jié)論

（1）建立盤錦近岸海域潮流數(shù)值模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，遼河河口西側(cè)的海灘為中等流速區(qū)。潮流主流向?yàn)镹E-SW 向，漲潮向NE，落潮向SW。大潮期流速一般在50 cm/s 左右，污染物稀釋擴(kuò)散能力較強(qiáng)。

（2）利用模型對(duì)河流無機(jī)氮削減和無機(jī)氮擬制定的不同減排效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，得出三大河口削減量，在此條件下盤錦海域的無機(jī)氮含量可能降低到達(dá)標(biāo)的水平。