崔小愛，李 樂，吳一亞

(江蘇環(huán)保產業(yè)技術研究院股份公司，南京 210036)

前 言

由于海洋具有巨大的自凈能力優(yōu)勢，近年來沿海城市尾水入海排放日益成為研究和工程熱點。入海排污口設置對于緩解城市污水處理負擔，促進區(qū)域經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調發(fā)展具有重要意義[1]。陸源污染作為海洋環(huán)境污染的最大來源，占海洋污染物總量的85%以上[2-3]。陸源污染主要包括工業(yè)污染源、生活污染源、農業(yè)污染源等，其中陸源入海河道和入海排污口作為最典型的陸源入海排放點源，由于其可控性相對較強，并且與人類活動密切相關，一直以來都是防止陸域人類活動污染近岸海洋環(huán)境的主要控制對象[4]。

楊磊等[5]采用二維潮流數(shù)學模型對入海排污口的水環(huán)境影響進行了預測分析，對污水廠擴建工程中尾水排放的氮磷等營養(yǎng)鹽的排放要求起到了一定的指導作用。但是，海洋水環(huán)境氮磷營養(yǎng)鹽尤其是無機氮濃度目前已嚴重超過二類海水水質標準限值[6]，污水廠擴建工程的尾水排放要求不僅大大提高了單個排污單元的減排負擔，而且會進一步加重海水水質的惡化，與現(xiàn)階段實際情況不符。馮存岸等[7]通過聚類分析的方法將渤海灣和萊州灣沿岸的入海排放口進行分類歸并，較好地實現(xiàn)了海洋污染的陸源追溯，使得海洋中的污染狀況與陸源入海排放口有效的聯(lián)系起來，為實現(xiàn)陸海統(tǒng)籌和海洋污染物的有效控制提供了科學參考。本文選取海洋特征污染物無機氮和活性磷酸鹽作為研究對象，根據(jù)研究區(qū)域的陸海關系、入海河道及相關海域的水文條件，采用二維潮流數(shù)學模型，基于污染物濃度場響應關系[8-9]，統(tǒng)籌陸海污染物排放，在陸源污染物減排的情況下，以保證海水水質不劣于現(xiàn)狀為前提下，分析了海洋排污口設置的可行性，為充分利用海洋水資源，協(xié)調區(qū)域經(jīng)濟環(huán)保矛盾，指導沿海城市排污和陸海協(xié)同提供科學的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究范圍

以江蘇省為例，2019年全省近岸海域78個國控水質監(jiān)測點位中，達到或優(yōu)于《海水水質標準》(GB3097-1997)二類標準標準的面積比例為89.7%，三類面積比例為8.3%，四類面積比例為1.2%，劣四類面積比例為0.8%。與2018年相比，一、二類標準的面積比例上升41.2%，劣四類面積下降5%?？傮w來說，近岸海域海水水質總體向好，但是仍存在無機氮和活性磷酸鹽超標的現(xiàn)象，嚴重制約了區(qū)域經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調發(fā)展[10]。

本文選取江蘇省鹽城市近岸海域某排海口附近海域和相關入海河流為研究對象，主要包括灌河、中山河、翻身河和淤黃河。為保證二位潮流模型不受邊界范圍的影響，擴大模型預測范圍為170km×120km，見圖1。

圖1 研究區(qū)域及排?？谖恢肍ig.1 Research area and the position of sewage outlet

1.2 污染物濃度場響應系數(shù)確定

(1)

式中：C為控制點處污染物濃度值(mg/L)；P為入海河流污染物濃度值(mg/L)； m為控制點個數(shù)；α矩陣為濃度響應系數(shù)；n為入海河流個數(shù)。

根據(jù)海洋污染物遷移轉化特征，對特定海域，給定控制點的污染物濃度與計算海域入流邊界流量及污染物濃度、點源污染物排放強度等因素相關。對于特定的研究時段，控制點污染物濃度時間變化過程是入流邊界污染物通量、點源污染源排放等在控制點產生的濃度貢獻時間變化過程的線性疊加。

控制點水質與污染源的響應關系是指在一定的設計水文條件下和污染負荷排放條件下，由一定的污染負荷量引起的控制點污染物濃度變化的函數(shù)關系。在實際計算中，污染負荷與控制點水質響應關系一般通過水質響應系數(shù)表達。通過對海域現(xiàn)狀水質及入海污染源的分析，建立污染源與控制點水質之間的響應關系是計算污染物允許排放量的關鍵步驟。通過假設各入湖河流濃度，利用二維潮流水動力-水質響應模型計算控制點處相應的濃度場求得濃度響應系數(shù)矩陣。為了方便計算，不妨將各個入湖河流濃度設為1，通過二維潮流水動力-水質模型模型得出其對應的響應系數(shù)。

1.3 水質保證率

控制斷面(或控制點位)水質保證率指以年為統(tǒng)計時段的控制斷面(或控制點位)水質達標頻率。例如，當水質保證率為90%時，即認為控制斷面(或控制點位)監(jiān)測過程中10%的污染物樣本所對用的最低濃度值C90%是尚可接收的污染物最大濃度。由于現(xiàn)有的環(huán)境容量的計算方法研究中大多無法確保水體水質穩(wěn)定達標，因此下文中水質模型模擬預測值均為典型斷面(或典型點位)90%水質保證率下的濃度值，能夠更好實現(xiàn)水體水質穩(wěn)定達標的要求。

1.4 二維潮流水動力-水質模型

1.4.1 二維潮流模型

采用平面二維數(shù)值模型研究排污口附近海域的潮流場運動，模型采用非結構三角網(wǎng)格剖分計算域；采用標準Galerkin有限元法進行水平空間離散，在時間上，采用顯式迎風差分格式離散動量方程與輸運方程。

1.4.1.1 模型控制方程

質量守恒方程：

(2)

動量方程：

(3)

(4)

式中:

ζ—水位；h—靜水深；H—總水深，H=h+ζ；u— x方向平均流速；v— y方向平均流速；g—重力加速度；f—科氏力參數(shù)(f=2ωsinφ，φ為計算海域所處地理緯度)；CZ—謝才系數(shù)；εx、εy—x、y方向水平渦動粘滯系數(shù)。

1.4.1.2 定解條件

初始條件：

(5)

邊界條件：

1.4.1.3 計算范圍及網(wǎng)格設置

模擬采用三角網(wǎng)格。數(shù)值模擬計算海域見圖2，網(wǎng)格分布見圖3。為了能清楚了解排污口附近海域的潮流狀況，并準確計算污染物擴散過程，將排污口附近海域進行局部加密，最小空間步長約為50m。

圖2 計算范圍及地形Fig.2 Elevation for research area

圖3 計算網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh distribution

1.4.1.4 床底糙率

床底糙率通過曼寧系數(shù)控制，曼寧系數(shù)n取0.03。

1.4.1.5 潮流數(shù)值模擬及驗證

模型中對潮位、潮流的驗證計算采用2014年9月10日～9月19日的大潮實測資料，包括4個測點的測流、測向資料，以及2個潮位站的同步潮位資料。各測點位置見圖4。

圖4 潮流、潮位監(jiān)測點位 Fig.4 Monitoring points of tidal current and tidal level

1.4.2 二維水質模型

1.4.2.1 模型控制方程

采用二維水質模型，即二維對流、擴散模型模擬預測污染物在海水中的遷移擴散過程。

+KiCi+Si

(6)

式中：Ci—污染物濃度；u、v—x、y 方向上的流速分量；Ex、Ey—x、y方向上的擴散系數(shù)；Ki—污染物降解系數(shù)；Si—污染物源匯項。

1.4.2.2 定解條件

閉邊界上沒有物質通量，即?C/?t=0；

開邊界，C(x,y,t)=0。

2 結果與討論

2.1 水動力模型驗證及結果分析

提出二維潮流水動力模型中潮位站(C1、C2)的潮位結果和潮流點(V1、V2、V3)的潮流結果，其中潮位驗證結果見圖5，流速驗證結果見圖6。

從各潮位站的潮位驗證結果來看，模型計算值與實測值吻合程度良好。從各測點流速、流向驗證結果來看，模型計算值與實測值也基本保持一致。本模型能較好地反映實際情況、較準確地預測工程附近海域的水動力特征。

圖5 潮位驗證圖Fig.5 Tidal level verification

圖6 潮流驗證圖Fig.6 Tidal current verification

總體來說，預測海域主要為正規(guī)半日潮，每日兩漲兩落，往復流特征明顯，主要以南北往復順岸流為主，漲潮時，潮流基本為由北往南方向；落潮時，潮流基本為由南往北方向。漲落潮流的主軸方向與等深線的走向較為一致。模擬海域范圍內大潮期漲急、落急流場見圖7，小潮期漲急、落急流場見圖8。

圖7 模擬范圍大潮期潮流場(漲潮(左)、落潮(右))Fig.7 Tidal current field simulation in spring tide per iod

圖8 模擬范圍小潮期潮流場(漲潮(左)、落潮(右))Fig.8 Tidal current field simulation in neap tide

2.2 入海河道污染物排放濃度響應場模擬及結果分析

在二維潮流數(shù)學模型的基礎上耦合二維水質模型進行離岸排放口的污染物擴散數(shù)值模擬。離岸排放口為連續(xù)點源，污染物排放源強為單位源強，計算連續(xù)穩(wěn)定排放條件下污染物擴散場，確定最大影響擴散場，即平衡穩(wěn)定擴散場，見圖9。

考慮到污染物的累計影響，模型采用實際的潮位變化資料，連續(xù)計算至污染物濃度達到穩(wěn)定，分析連續(xù)穩(wěn)定排放條件下，入海河道污染物排放后，附近海域平衡穩(wěn)定擴散場。

平衡穩(wěn)定擴散場分布特征為附近高濃度污染物集聚，集中區(qū)域范圍較小；與污染物排放點達到一定距離之后，污染物稀釋擴散明顯；距離排放點越遠，污染物濃度越低，低濃度污染物分布范圍較大。

圖9 入海河道無機氮削減濃度變化包絡線Fig.9 Inorganic nitrogen concentration decrement distribution field

2.3 排?？谖廴疚锱欧艥舛软憫獔瞿M及結果分析

2.3.1 近期正常排放5.6萬t/d

排?？诟浇臒o機氮本底值為0.484mg/L，排?？诟浇鼌^(qū)域的無機氮本底值均已超過二類海水水質標準限值(二類水質標準為0.3mg/L)，排海口排放的無機氮最大貢獻濃度為0.011mg/L，與本底值的比值為0.023。從增量影響面積可知，增量超過0.01mg/L的影響面積為1公頃。詳見表1和圖10。

雖然排?？诘臒o機氮最大貢獻值與本底值的比值較小，但區(qū)域海水無機氮濃度嚴重超過二類海水水質標準，區(qū)域內無機氮已無排放容量，排污口設置需要結合區(qū)域入海河道的污染削減置換出無機氮排放容量，保證水質不劣于現(xiàn)狀水質，使得水質向良性方向發(fā)展。

在排?？诟浇幕钚粤姿猁}本底值為0.024mg/L，最大貢獻濃度為0.000 36mg/L，排?？诟浇鼰o濃度大于0.03mg/L(超二、三類水質標準)的區(qū)域。從增量影響面積可知，增量超過0.000 3mg/L的影響面積為3.8公頃。

表1 正常工況排口周邊污染物濃度影響范圍Tab.1 Influence range of pollutant contribution around the discharge outlet under normal working condition

圖10 無機氮(左)和活性磷酸鹽(右)濃度增量包絡線Fig.10 Concentration increment distribution for inorganic nitrogen (left) and reactive phosphate (right)

2.3.2 遠期正常排放9.8萬t/d

排?？诟浇臒o機氮本底值為0.484mg/L，排?？诟浇鼌^(qū)域的無機氮本底值均已超過二類海水水質標準限值(二類水質標準為0.3mg/L)，排?？谂欧诺臒o機氮最大貢獻濃度為0.019mg/L，與本底值的比值為0.039。從增量影響面積可知，增量超過0.015mg/L的影響面積為6.4公頃。詳見表2及圖11。

雖然排?？诘臒o機氮最大貢獻值與本底值的比值較小，但區(qū)域海水無機氮濃度嚴重超過二類海水水質標準，區(qū)域內無機氮已無排放容量，排污口設置需要結合區(qū)域入海河道的污染削減方案置換出無機氮排放容量，保證水質不劣于現(xiàn)狀水質，使得水質向良性方向發(fā)展。

在排海口附近的活性磷酸鹽本底值為0.024mg/L，最大貢獻濃度為0.000 6mg/L，排?？诟浇鼰o濃度大于0.03mg/L(超二、三類水質標準)的區(qū)域。從增量影響面積可知，增量超過0.000 6mg/L的影響面積為0.31公頃。

表2 正常工況排口周邊污染物濃度影響范圍Tab.2 Influence range of pollutant contribution around the discharge outlet under normal working condition

圖11 無機氮(左)和活性磷酸鹽(右)濃度增量包線Fig.11 Concentration increment distribution for inorganic nitrogen (left) and reactive phosphate (right)

2.4 排海口設置可行性分析

根據(jù)推薦排口海域水質調查結果顯示，排口海域主要污染物為無機氮。該片區(qū)海域活性磷酸鹽狀況較好，符合二類海水水質標準；無機氮因受陸源污染的影響，超標現(xiàn)象較為普遍，但無機氮均符合四類海水水質標準?？紤]到調查海域污染現(xiàn)狀和排放口海域實際情況，排口海域的無機氮控制目標按照不劣于現(xiàn)狀海水水質標準確定，活性磷酸鹽控制目標按照二類海水水質標準確定。排?？谂欧诺奈廴疚镏?，氮磷污染物主要以總氮、總磷計，然而海洋水質標準中，氮磷污染物以無機氮、活性磷酸鹽計，其相互間的轉換關系為無機氮/總氮=0.6，活性磷酸鹽/總磷=0.7。

根據(jù)《污水海洋處置工程污染控制標準》對污水海洋處置工程污染物的混合區(qū)規(guī)定，若污水排往開敞海域或面積≥600km2的海灣及廣闊河口，允許混合區(qū)范圍：Aa≤3.0km2。

根據(jù)確定的海域無機氮和活性磷酸鹽的控制目標，綜合考慮入海河流陸源污染物的削減效應和排放口污染物的濃度場分布，通過控制混合區(qū)邊界濃度，利用潮流數(shù)值模擬和污染物擴散數(shù)值模擬的污染物濃度響應場推求排放口的最大允許排放量。

濱海港附近海域無機氮現(xiàn)狀嚴重超過二類標準限值，無機氮已無環(huán)境容量，即使調整排污口混合區(qū)的功能區(qū)劃為四類水質標準，由于混合區(qū)邊界以外海域嚴重超標，區(qū)域無機氮仍無排放容量，需要對排污口附近海域的無機氮進行減量或等量置換。海洋環(huán)境的污染物濃度場是受海洋水動力和陸源污染物排放雙重影響長期作用的共同結果，即使對排污口附近海域的陸源污染物進行減量排放仍需要很長一段時間來實現(xiàn)大范圍濃度場的變化，根據(jù)江蘇省近岸排污口設置相關規(guī)范要求，在保證不劣于現(xiàn)狀水質標準的前提下，可以對超標污染物進行減量或等量置換處理，使得海洋水質穩(wěn)定趨好發(fā)展。目前，研究區(qū)域范圍海域無機氮現(xiàn)狀濃度嚴重超過二類海水水質標準，甚至超過四類水質標準，陸源污染物的集中收集處理排放本就是降低區(qū)域污染物排放負荷，緩解區(qū)域水環(huán)境惡化的途徑，本文主旨也是探討在現(xiàn)階段我國近岸海域無機氮明顯大范圍超標的情況下，通過陸源減排等量替換實現(xiàn)無機氮陸海協(xié)同，防止近岸海域超標污染物惡化，并不斷轉好，改善海洋水質的可行性。因此在不劣于無機氮現(xiàn)狀水質的原則下，確定以無機氮的背景濃度作為其混合邊界控制濃度，為0.418mg/L?；钚粤姿猁}控制濃度以《海水水質標準》中的二類標準限值控制，濃度為0.03 mg/L。

研究范圍內灌河、中山河、翻身河、於黃河等相關入海河道無機氮的現(xiàn)狀排污負荷為6 965.7t/a、1 681.6t/a、354.9t/a、282.5t/a，需要排污負荷削減量分別為34.6%、19.0%、29.6%、29.9%。目前，陸源無機氮超標的原因主要是流域農業(yè)面源引起的，且普遍存在于近岸區(qū)域，為了進一步降低無機氮超標情況，相關職能部門已經(jīng)開始采取相應的行政強制管控政策，以期實現(xiàn)無機氮的大幅度削減，根據(jù)《濱海港工業(yè)園海域近岸無機氮削減實施方案》可知，在理想狀態(tài)下，灌河控制單元(灌河)、中山河控制單元(中山河)、翻身河於黃河控制單元(翻身河、於黃河)總氮削減率分別可達到35.2%、34.1%、31.2%，完全滿足相應的削減要求。在考慮灌河、中山河、翻身河、於黃河等主要入海河道無機氮削減方案情況下，近岸海域(離岸18km)范圍內無機氮平均濃度下降至0.410mg/L。此外，入海河道無機氮污染物的削減，對于近岸海域的影響更顯著，近岸海域(離岸5km)范圍內的無機氮本底值平均下降了0.019mg/L，無機氮濃度降至0.399mg/L。如表3所示。

表3 混合區(qū)邊界控制濃度 Tab.3 Limited concentration for mixed area boundary (mg/L)

在考慮各水質因子環(huán)境背景值和控制混合區(qū)邊界水質條件下，通過污染物擴散數(shù)值模擬估算排放口海域各污染物的最大允許排放量。其中，排污口排放勢必會造成混合區(qū)邊界無機氮的濃度升高，要使得混合區(qū)邊界無機氮實現(xiàn)不劣于現(xiàn)狀水質要求，就需要進行區(qū)域入海河道污染物削減來置換出排放量，即在入海河道無機氮削減和排污口無機氮排放的共同作用下，排污口混合區(qū)邊界的無機氮濃度仍保持在現(xiàn)狀濃度0.484mg/L。在考慮研究范圍內灌河、中山河、翻身河、於黃河等相關入海河道無機氮削減方案后，排放口無機氮的最大允許排放量為196.03 t/a?；钚粤姿猁}在滿足混合區(qū)邊界濃度控制要求的情況下，最大允許排放量分別為254.59 t/a。

本工程無機氮、活性磷酸鹽近期排放量分別為110.37 t/a、3.58 t/a；遠期排放量分別為193.15 t/a、6.26 t/a。通過數(shù)值模擬計算，在滿足混合區(qū)邊界濃度控制要求的條件下，排放口海域的最大允許入海量分別為196.03 t/a、254.59 t/a，如表4所示。

表4 排放口附近海域各污染物最大允許排放量Tab.4 Maximum allowable discharge concentration for pollutants (t/a)

綜上，考慮入海河道污染物削減的前提下，排?？谂欧诺幕钚粤姿猁}總量低于其海水環(huán)境容量，其濃度低于海洋水質二類標準限制；無機氮可以保持現(xiàn)狀濃度水平不惡化。通過陸海污染物的聯(lián)控實現(xiàn)了排?？谔卣魑廴疚锏闹脫Q排放，為排?？诘脑O置可行性提供了必要的支撐。

3 結 論

3.1 目前我國海洋污染排放總量控制研究尚在探索階段，而陸域污染是海洋無機氮及活性磷酸鹽污染的重要來源。因此，針對污染源排污削減工作，需要建立有效的區(qū)域聯(lián)動機制。區(qū)域間協(xié)同減排、優(yōu)化減排是實現(xiàn)海域水環(huán)境質量不斷向好的一個重要手段。

3.2 本文以江蘇省鹽城市海域為例，研究了在區(qū)域實施污染物減排方案、濱海港工業(yè)園區(qū)海域沿岸陸源污染排入海域的污染物總負荷比現(xiàn)狀有明顯削減、外海污染源強保持不變的前提下排污口排放總量設置問題。規(guī)劃排污口附近海域由于入?？傌摵傻脑黾又率咕植克|有所升高，但由于區(qū)域內入海污染負荷的削減，海域水環(huán)境質量總體有所改善，實現(xiàn)了良好的陸海聯(lián)防聯(lián)控。對于優(yōu)于水質標準的污染因子(如活性磷酸鹽)來說，陸源污染物的減排可以盡可能的提高相關污染物的排放強度，使海洋環(huán)境的稀釋降解能力得到充分利用，優(yōu)化空間排放，最大限度的緩解河道入?？诟浇Ｓ虻奈廴矩摵伞τ诹佑谒|標準的污染因子(如無機氮)來說，陸源污染物減排是排海口設置并排放的唯一出路，通過陸源污染物的減排，置換出適量的排污容量，并且在保證海水水質現(xiàn)狀的前提下，充分利用海洋的稀釋自凈能力，實現(xiàn)陸海污染物的優(yōu)化排放，降低海水水質向更劣的方向發(fā)展，有效地改善海水水質。

3.3 在保護海洋生態(tài)環(huán)境的大前提下，設置入海排污口可以減少陸域面源污染，充分利用海洋環(huán)境的稀釋降解能力。本文采用二維水動力水質模型模擬海洋污染物的遷移擴散，使用響應系數(shù)法計算海洋排污口的最大允許排放量，結果表明在保證現(xiàn)狀水質穩(wěn)定向好發(fā)展的條件下，排?？诘脑O置是可行的，而且具有較好的環(huán)境改善效益，可以為濱海城市海洋排污口管理政策提供一定的參考。