許自舟，李亞芳，程嘉熠，吉志新，張曉霞，林建國(guó)

1.大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心

3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

重點(diǎn)海域排污總量控制制度是《海洋環(huán)境保護(hù)法》明確要求的關(guān)鍵制度，是有效遏制近岸海域環(huán)境質(zhì)量惡化趨勢(shì)的重要手段。在總量控制技術(shù)框架體系中，制定科學(xué)合理的水質(zhì)目標(biāo)是實(shí)施總量控制的基礎(chǔ)和前提，水質(zhì)目標(biāo)不同，評(píng)估得到的污染物最大允許入海量也不同。在美國(guó)切薩比克灣、歐洲波羅的海、日本東京灣等海域污染治理研究及實(shí)踐中，均明確了未來(lái)不同時(shí)期海灣保護(hù)目標(biāo)，以指導(dǎo)水環(huán)境管理[1]。目前，在重點(diǎn)海域排污總量控制工作中，主要依據(jù)海洋功能區(qū)劃或近岸海域水環(huán)境功能區(qū)劃確定近岸海域水質(zhì)目標(biāo)。這種方式確定水質(zhì)目標(biāo)主要有以下不足：1）存在相鄰功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)差別過(guò)大的情況，如果只按低功能區(qū)要求的水質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行控制，則很可能造成鄰近功能區(qū)的水質(zhì)超標(biāo)。2）沒(méi)有考慮海域水環(huán)境現(xiàn)狀、當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)及技術(shù)水平等因素，某些污染嚴(yán)重的海域很難在目標(biāo)年度全面達(dá)標(biāo)，使得這些海域水質(zhì)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。3）確定的水質(zhì)目標(biāo)為區(qū)間范圍，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。例如，依據(jù)GB 3097—1997《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]，二類(lèi)海水水質(zhì)的無(wú)機(jī)氮標(biāo)準(zhǔn)限值為0.20～0.30 mg/L，水質(zhì)目標(biāo)可以在這一范圍內(nèi)取任意值。

為此，筆者提出在時(shí)間序列水質(zhì)數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析及預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，建立海域水質(zhì)目標(biāo)確定方法。目前，常用的趨勢(shì)分析及預(yù)測(cè)模型有Mann-Kendall方法[3]、自回歸移動(dòng)平均模型（Autoregressive Integrated Moving Average Model，ARIMA）[4-5]、長(zhǎng)期短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（Long Short-term Memory，LSTM）[5-6]及廣義相加模型（Generalized Additive Models，GAM）[7]等。Mann-Kendall方法沒(méi)有預(yù)測(cè)功能，僅用于趨勢(shì)分析；ARIMA只能處理平穩(wěn)時(shí)間序列，如果有缺失數(shù)據(jù)，將無(wú)法工作；LSTM適用于大數(shù)據(jù)量的處理，其結(jié)果缺乏可解釋性；GAM模型結(jié)構(gòu)靈活，能直接處理響應(yīng)變量與多個(gè)解釋變量之間的非線性關(guān)系，并能確定每個(gè)解釋變量的重要程度，從而得到更好的預(yù)測(cè)結(jié)果[8-9]。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者使用GAM模型來(lái)評(píng)估水質(zhì)變化，包括對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列水質(zhì)變化趨勢(shì)的分析[10-11]、水質(zhì)因子與其他環(huán)境因子之間關(guān)系的分析[12-13]、氣候及人類(lèi)活動(dòng)因素對(duì)環(huán)境的影響的分析[14-15]以及對(duì)水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)[16-17]。綜合比較，本研究選用GAM模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析及預(yù)測(cè)。

天津市近岸海域2015年優(yōu)良水質(zhì)（一類(lèi)、二類(lèi)）面積僅占近岸海域總面積的9.0%，劣四類(lèi)水質(zhì)海域面積達(dá)到19.9%，主要污染物是無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽[18]。一些學(xué)者在該海域內(nèi)開(kāi)展了營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)空分布及變化趨勢(shì)研究，并分析了變化的影響因素[19-21]。但這些研究所采用的數(shù)據(jù)均為2012年之前的，有關(guān)2012年之后營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化的研究較為鮮見(jiàn)，另外，對(duì)趨勢(shì)定量分析程度不夠，也少有考慮海域內(nèi)空間站位的異質(zhì)性。筆者利用GAM模型，基于天津市近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度及降水量數(shù)據(jù)，分析營(yíng)養(yǎng)鹽濃度年際變化趨勢(shì)，建立水質(zhì)變化趨勢(shì)分析模型和水質(zhì)目標(biāo)確定方法，提出天津市近岸海域“十四五”階段水質(zhì)目標(biāo)建議，并評(píng)估減排措施的實(shí)施效果，進(jìn)而提出水質(zhì)分區(qū)管理建議，以期為深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為天津市近岸海域以及天津與河北交界 的 毗 鄰 海 域 （117°34 ′E～ 118°09 ′E， 38°36 ′N(xiāo)～39°15′N(xiāo)）（圖 1）。天津市近岸海域位于渤海灣底部，水體交換能力較差，管轄海域面積3 000 km2，海岸線長(zhǎng)度約154 km，平均水深6.5 m。天津市多年平均降水量為560～720 mm，境內(nèi)天然河流與人工水渠眾多，且人工閘壩密布，人為改變天然河流的流向和流量的現(xiàn)象十分普遍。天津市承接來(lái)自北京、河北等?。ㄊ校┑纳钗鬯凸I(yè)廢水，從天津市入海的河流包括永定新河、海河、獨(dú)流減河、子牙新河和北排河，另有河北唐山市的陡河、沙河及黃驊市的南排水河也流入渤海灣。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2007—2018年的營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)來(lái)源于原國(guó)家海洋局，2019—2020年的營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)來(lái)源于生態(tài)環(huán)境部，空間范圍覆蓋整個(gè)天津市近岸海域，共布設(shè)了12個(gè)監(jiān)測(cè)站位（圖1），監(jiān)測(cè)站位在研究區(qū)內(nèi)總體均勻分布。監(jiān)測(cè)頻率為每年3次，一般為5月、8月和10月，對(duì)應(yīng)入海徑流的枯、豐和平水期。海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)樣品的采集、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、預(yù)處理及分析測(cè)定均按GB/T 12763.1—2007《海洋調(diào)查規(guī)范 第1部分: 總則》[22]及 GB 17378.4—2007《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范 第 4部分: 海水分析》[23]有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，并通過(guò)實(shí)施實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量保證和質(zhì)量控制，保證分析數(shù)據(jù)的質(zhì)量。本研究對(duì)所有站位表層數(shù)據(jù)，按年度求取每個(gè)站位無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽的平均值。年均降水量數(shù)據(jù)來(lái)源于《2014 天津統(tǒng)計(jì)年鑒》[24]。

圖 1 研究區(qū)及監(jiān)測(cè)站位分布Fig.1 Study area and monitoring stations distribution

1.3 研究方法

1.3.1 水質(zhì)目標(biāo)確定

水質(zhì)目標(biāo)確定主要遵循以下原則：1）水質(zhì)只能更好，不能變壞。水質(zhì)優(yōu)良的水體要繼續(xù)維持，且保持穩(wěn)定，減少波動(dòng)性。如果水質(zhì)有惡化趨勢(shì)，首先需要盡快遏制這種趨勢(shì)，保證水質(zhì)維持在近5年平均水平的基礎(chǔ)上，再尋求改善之策。2）可達(dá)性原則。水質(zhì)改善不能一蹴而就，應(yīng)遵循科學(xué)規(guī)律，循序漸進(jìn)，水質(zhì)目標(biāo)過(guò)高則難以實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用模型分析預(yù)測(cè)結(jié)果設(shè)定水質(zhì)目標(biāo)，從理論上保證目標(biāo)的可達(dá)性。3）環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)原則。水質(zhì)目標(biāo)的設(shè)定在滿(mǎn)足水生態(tài)、水環(huán)境及水體使用功能的基礎(chǔ)上，給經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展預(yù)留充足空間，避免因模型預(yù)測(cè)數(shù)值過(guò)低導(dǎo)致環(huán)境“過(guò)保護(hù)”問(wèn)題。4）與相關(guān)規(guī)劃銜接。確定的水質(zhì)目標(biāo)還需考慮《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》、海洋功能區(qū)劃、近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃及《“十四五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》中有關(guān)海洋環(huán)境保護(hù)的要求。5）動(dòng)態(tài)調(diào)整的原則。每5年為1個(gè)周期，在趨勢(shì)分析及預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，提出未來(lái)5年水質(zhì)目標(biāo)，并對(duì)前5年水質(zhì)目標(biāo)完成情況進(jìn)行分析評(píng)估。根據(jù)以上原則，建立水質(zhì)目標(biāo)確定方法（圖2）。應(yīng)用該方法，可以“分區(qū)、分類(lèi)、分級(jí)、分期”確定海域水質(zhì)目標(biāo)，給出一定時(shí)期內(nèi)，任一監(jiān)測(cè)站位某一監(jiān)測(cè)指標(biāo)的目標(biāo)濃度。

圖 2 水質(zhì)目標(biāo)確定流程Fig.2 Water quality target determination process

在水質(zhì)目標(biāo)確定過(guò)程中，依據(jù)表1將目標(biāo)海域控制等級(jí)劃分為4級(jí)，分別為優(yōu)先控制區(qū)、重點(diǎn)控制區(qū)、一般控制區(qū)、維持現(xiàn)狀區(qū)。

表 1 天津市近岸海域水質(zhì)控制區(qū)分級(jí)Table 1 Classification of water quality control areas in the coastal waters of Tianjin

1.3.2 趨勢(shì)分析及預(yù)測(cè)

GAM模型是在廣義線性模型和加性模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，是對(duì)多元線性回歸模型的擴(kuò)展，以因變量的非參數(shù)形式替代了線性模型的參數(shù)形式，應(yīng)用非參數(shù)回歸和平滑技術(shù)進(jìn)行模型的估計(jì)，可以直接擬合因變量與多個(gè)自變量之間的非線性關(guān)系，其一般表達(dá)形式為：

式中：g(μ)將因變量與給定的解釋變(量)相關(guān)聯(lián)；β為模型中任一參數(shù)的分量，如截距；fjXj為非參數(shù)平滑函數(shù)；j為第j個(gè)解釋變量；p為解釋變量的個(gè)數(shù)；ε為誤差項(xiàng)，與正態(tài)隨機(jī)變量相同且獨(dú)立分布[25]。

選擇R統(tǒng)計(jì)軟件[26]中的mgcv軟件包來(lái)建立GAM模型，使用非參數(shù)平滑器來(lái)預(yù)測(cè)非線性關(guān)系，使用貝葉斯方法生成不確定性估計(jì)[27-28]。在趨勢(shì)分析中，關(guān)鍵的一步是檢查數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化，考慮到降水量是水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化的重要驅(qū)動(dòng)因子[29-30]，選取時(shí)間和降水量因子，構(gòu)造單個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)無(wú)機(jī)氮濃度響應(yīng)變量隨時(shí)間變化的GAM模型，具體如下：

式中：s為變量的樣條函數(shù)，由于無(wú)機(jī)氮濃度數(shù)據(jù)為正態(tài)分布，故選取同一性函數(shù)（identity）作為聯(lián)系函數(shù)。 y ear為年度變量；bs = "tp"項(xiàng)為選取薄板樣條函數(shù)作為平滑函數(shù)；method = "GCV.Cp"項(xiàng)為采用廣義交叉驗(yàn)證法作為平滑參數(shù)的估計(jì)方法。

通過(guò)模型模擬，可以定量評(píng)估趨勢(shì)變化的大小以及其置信度。趨勢(shì)大小可以看作是研究起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間模型估計(jì)值的變化百分比，采用前6年（2007—2012年）模型預(yù)測(cè)的平均值作為起始值，后6年（2013—2018年）模型預(yù)測(cè)的平均值作為結(jié)束值，評(píng)估趨勢(shì)變化結(jié)果。具體方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[31]，主要計(jì)算步驟如下。

式中：d為向量[-1 1]；Cbaseline為前6年水體中無(wú)機(jī)氮或活性磷酸鹽濃度平均值；為矩陣Zd與向量的乘積，用以表示前6年和后6年預(yù)測(cè)值的差值；A為1個(gè)2行平均矩陣，其結(jié)構(gòu)如下：

變化差值的標(biāo)準(zhǔn)誤差（sediff）計(jì)算公式如下[32]：

變化差值的95%置信區(qū)間可計(jì)算為Zd^β±1.96×sediff，其中，1.96為95%置信水平下t分布的臨界值。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型評(píng)估及驗(yàn)證

模型率定期為2016—2018年，驗(yàn)證期為2019—2020年，預(yù)測(cè)期為2021—2025年。從模擬結(jié)果中，可以獲得調(diào)整后的決定系數(shù)() 和偏差解釋百分比 (DE)，、DE越大，模型效果越好。表2為無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽GAM模型的率定及驗(yàn)證結(jié)果。由表2可知，無(wú)機(jī)氮的為0.48～0.94，平均值為0.71；活性磷酸鹽的為0.49～0.97，平均值為0.79，均處于較好水平。利用2019—2020年11個(gè)監(jiān)測(cè)站位（12個(gè)站位中有1個(gè)站位的位置進(jìn)行了較大調(diào)整）的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證，無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽濃度誤差均值分別為40.52%、21.32%。其中，B416站位的無(wú)機(jī)氮濃度、B043、B078站位的活性磷酸鹽濃度誤差較大，這主要是由于2019—2020年無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽濃度數(shù)據(jù)較前幾年有較大的波動(dòng)。如2016—2018年，B416站位的無(wú)機(jī)氮濃度均高于0.3 mg/L，而2019—2020年該監(jiān)測(cè)站位無(wú)機(jī)氮濃度分別為0.126 1、0.161 0 mg/L。

2.2 水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

2.2.1 時(shí)間趨勢(shì)計(jì)算結(jié)果

2007—2018年，無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽濃度趨勢(shì)評(píng)估結(jié)果如圖3所示。圖中用符號(hào)的大小表示趨勢(shì)變化的大小，用不同顏色表示不同的置信水平。圖中不僅列出了置信度P≤0.05的顯著性變化，也列出了置信度0.05＜P≤0.25的可能性變化，這有助于管理者識(shí)別哪些監(jiān)測(cè)站位營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的趨勢(shì)即將發(fā)生改變，從而提前采取有利于水質(zhì)變好的管理措施。2013—2018年與2007—2012年相比，12個(gè)監(jiān)測(cè)站位中，有8個(gè)站位的無(wú)機(jī)氮濃度呈下降趨勢(shì)，4個(gè)站位呈上升趨勢(shì)，研究區(qū)域內(nèi)無(wú)機(jī)氮濃度總體呈下降趨勢(shì)，下降比例為13.19%，95%的置信區(qū)為-30.37%～3.96%。活性磷酸鹽濃度有7個(gè)站位呈上升趨勢(shì)，5個(gè)站位呈下降趨勢(shì)，活性磷酸鹽濃度總體呈上升趨勢(shì)，上升比例為7.01%，95%的置信區(qū)為-11.43%～25.45%。整體而言，天津市近岸海域無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽濃度均呈現(xiàn)向好趨勢(shì)，無(wú)機(jī)氮先于活性磷酸鹽好轉(zhuǎn)，活性磷酸鹽濃度尚未恢復(fù)到2007—2012年的均值水平。

圖 3 2007—2018年無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽濃度變化趨勢(shì)Fig.3 Variation of concentration of inorganic nitrogen and reactive phosphorus in 2007-2018

表 2 模型模擬及驗(yàn)證結(jié)果Table 2 Model simulation and verification results

2.2.2 時(shí)空趨勢(shì)變化

2007—2018年，天津市近岸海域12個(gè)監(jiān)測(cè)站位無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽GAM模型模擬濃度隨時(shí)間變化如圖4、圖5所示。

圖 4 2007—2018年各監(jiān)測(cè)站位無(wú)機(jī)氮模型模擬濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.4 Variation of simulated concentration of inorganic nitrogen with time at each monitoring station in 2007-2018

圖 5 2007—2018年各監(jiān)測(cè)站位活性磷酸鹽模擬濃度時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.5 Variation of simulated concentration of reactive phosphorus with time at each monitoring station in 2007-2018

圖4（a）中4個(gè)監(jiān)測(cè)站位無(wú)機(jī)氮濃度隨時(shí)間呈單調(diào)下降趨勢(shì)，圖4（b）中4個(gè)監(jiān)測(cè)站位無(wú)機(jī)氮濃度隨時(shí)間呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，圖 4（c）、圖 4（d）中監(jiān)測(cè)站位無(wú)機(jī)氮濃度呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中圖4（c）中3個(gè)監(jiān)測(cè)站位2012年無(wú)機(jī)氮濃度上升幅度較大。這主要是由于當(dāng)年降水量顯著增加的緣故，2012年天津市降水量為737 mm，比2011年增加了19%。12個(gè)監(jiān)測(cè)站位的活性磷酸鹽濃度，只有圖5（a）中2個(gè)監(jiān)測(cè)站位隨時(shí)間呈明顯下降趨勢(shì)，而其他10個(gè)監(jiān)測(cè)站位均呈先上升后下降趨勢(shì)，所不同的是下降趨勢(shì)出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)有所差別。

B039、B040站位處于海河河口區(qū)域，該區(qū)域海水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度主要受市政排污的影響[19,33]。近年來(lái)，由于實(shí)施《渤海碧海行動(dòng)計(jì)劃》、天津市水域污染防治等工作，不斷深化工業(yè)污染防治，推進(jìn)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)和改造、河道清淤整治等措施[20,34]，推測(cè)由于這些減排措施取得明顯成效，點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)鹽入海量逐步減少，使海域無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽濃度持續(xù)降低。2007—2018年，B039、B040站位的無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽濃度分別下降了37%和42%，是研究區(qū)域內(nèi)所有站位中下降幅度最大的。總體來(lái)看，B416站位無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽濃度均呈上升趨勢(shì)〔圖3、圖 4（d）、圖 5（d）〕，一方面與該區(qū)域污染物入海量增加有關(guān)（2014年河北省唐山市城鎮(zhèn)生活污水中氨氮排放量為5 575 t，2018年升到 9 305 t[35]）；另一方面，由于該區(qū)海水無(wú)機(jī)氮濃度本底值最低，2007—2018年僅為0.26 mg/L，容易受到其他驅(qū)動(dòng)因素的影響。2個(gè)方面原因?qū)е略搮^(qū)域無(wú)機(jī)氮濃度單調(diào)上升，尚未出現(xiàn)明顯向下拐點(diǎn)的跡象。

2.3 水質(zhì)目標(biāo)分析

2.3.1 水質(zhì)管控目標(biāo)

根據(jù)監(jiān)測(cè)站位水質(zhì)目標(biāo)確定方法（圖2）和控制等級(jí)劃分方法（表 1），由前 5年（2016—2020年）水質(zhì)實(shí)測(cè)均值和未來(lái)5年（2021—2025年）水質(zhì)預(yù)測(cè)均值等信息，評(píng)估得到2025年天津市近岸海域各監(jiān)測(cè)站位水質(zhì)目標(biāo)及控制等級(jí)（表3）。由于B044、B045、B416、B078站位在天津市海洋功能區(qū)劃之外，不參與水質(zhì)目標(biāo)統(tǒng)計(jì)。其他8個(gè)站位中，無(wú)機(jī)氮屬于一類(lèi)、二類(lèi)、三類(lèi)海水水質(zhì)的站位數(shù)分別為1、5和2個(gè)，水質(zhì)優(yōu)良比例為75%；活性磷酸鹽均為一類(lèi)水質(zhì)，優(yōu)良比例為100%。二者綜合水質(zhì)優(yōu)良比例為75%。

表 3 2025年天津市近岸海域監(jiān)測(cè)站位水質(zhì)目標(biāo)及控制等級(jí)Table 3 Results of water quality objectives and control classification in Tianjin's coastal waters in 2025 mg/L

根據(jù)各監(jiān)測(cè)站位水質(zhì)目標(biāo)值，利用自適應(yīng)選點(diǎn)的IDW插值方法[36]，得到2025年水質(zhì)目標(biāo)空間分布圖（圖6）。圖6（b）中，活性磷酸鹽均為一類(lèi)水質(zhì)，為體現(xiàn)出空間差異，根據(jù)濃度區(qū)間閾值劃分為4級(jí)。從圖6可以提取出空間每個(gè)單元格中無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽目標(biāo)濃度值，為總量控制研究提供精細(xì)化的水質(zhì)目標(biāo)信息。

2.3.2 目標(biāo)合理性分析

本研究確定的水質(zhì)目標(biāo)完全滿(mǎn)足天津市海洋功能區(qū)劃要求的水質(zhì)目標(biāo)〔圖7（a）〕，與天津市近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃〔圖7（b）〕要求相比，除漢沽海洋特別保護(hù)區(qū)、天津東南部東農(nóng)漁業(yè)區(qū)尚未達(dá)到一類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其他區(qū)域完全滿(mǎn)足其規(guī)定的水質(zhì)目標(biāo)。本研究設(shè)定2025年天津市近岸海域水質(zhì)優(yōu)良比例達(dá)到75%，比《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》提出的2020年全國(guó)近岸海域水質(zhì)優(yōu)良比例、《渤海綜合治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》提出的渤海近岸海域水質(zhì)優(yōu)良比例分別高出5%和2%[37-38]，比“十三五”天津市近岸海域考核目標(biāo)提高了1倍。2020年，天津市近岸海域優(yōu)良水質(zhì)比例為70.4%[39]，為達(dá)到75%的目標(biāo)要求，還需在此基礎(chǔ)上提升近5個(gè)百分點(diǎn)。綜合分析，本研究提出的2025年天津市近岸海域水質(zhì)控制目標(biāo)與相關(guān)規(guī)劃要求及近岸海域水質(zhì)現(xiàn)狀銜接性較好。

圖 6 2025年天津市近岸海域水質(zhì)目標(biāo)空間分布Fig.6 Spatial distribution of water quality targets in Tianjin's coastal waters in 2025

圖 7 天津市海洋功能區(qū)劃及近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃要求的水質(zhì)目標(biāo)Fig.7 Water quality targets required by Tianjin marine functional zoning and coastal marine environmental functional division

2.3.3 目標(biāo)可達(dá)性分析

利用2006—2020年天津市近岸海域12個(gè)監(jiān)測(cè)站位營(yíng)養(yǎng)鹽濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及本研究提出的2025年天津市近岸海域水質(zhì)目標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同時(shí)段營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化百分比及2021—2025年無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽濃度應(yīng)削減的比例（圖8）。圖中正值表示升高，負(fù)值表示下降。整體上看，2011—2015年，無(wú)機(jī)氮平均濃度較2006—2010年升高了近20%，活性磷酸鹽平均濃度升高了近55%，2016—2020年同2011—2015年相比，無(wú)機(jī)氮平均濃度降低了30%，活性磷酸鹽平均濃度降低了49%。要實(shí)現(xiàn)2025年的水質(zhì)目標(biāo)，無(wú)機(jī)氮平均濃度需要在2016—2020年基礎(chǔ)上再降低20%?；钚粤姿猁}濃度除了B039、B410站位需要控制外，其他站位維持現(xiàn)狀即可，考慮到2021—2025年B039、B410站位活性磷酸鹽預(yù)測(cè)濃度會(huì)升高，各站位活性磷酸鹽濃度平均需要降低10%。這一降低幅度遠(yuǎn)低于2016—2020年無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽濃度的降低幅度，從理論上看是可行的。

圖 8 不同時(shí)間段無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽濃度變化率Fig.8 Change percentage of inorganic nitrogen and active phosphate concentration in different time periods

從全球范圍來(lái)看，許多河口和海灣由于實(shí)施綜合治理，水質(zhì)取得明顯改善，從相關(guān)文獻(xiàn)[9,31,40-44]中提取了日本東京灣、瀨戶(hù)內(nèi)海、歐洲波羅的海、美國(guó)切薩皮克灣等典型代表性區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度長(zhǎng)期變化趨勢(shì)如表4所示?？傮w來(lái)看，近30年來(lái)這些區(qū)域無(wú)機(jī)氮（或總氮）、活性磷酸鹽（或總磷）濃度分別下降了30%～56%、33%～40%，平均每5年無(wú)機(jī)氮（或總氮）濃度約下降7%，活性磷酸鹽（或總磷）濃度降低6%。與這些區(qū)域相比，要實(shí)現(xiàn)本研究提出的2025年天津市近岸海域水質(zhì)目標(biāo)，需要采取更強(qiáng)有力的減排措施。《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》提出“深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)。繼續(xù)開(kāi)展污染防治行動(dòng)，建立地上地下、陸海統(tǒng)籌的生態(tài)環(huán)境治理制度”，天津市相繼出臺(tái)并實(shí)施《關(guān)于實(shí)施“三線一單”生態(tài)環(huán)境分區(qū)管控的意見(jiàn)》《關(guān)于構(gòu)建現(xiàn)代環(huán)境治理體系的實(shí)施意見(jiàn)》等，將為天津市近岸海域水質(zhì)控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供強(qiáng)有力保障。

表 4 國(guó)外典型海域綜合治理水質(zhì)改善效果Table 4 Water quality improvement effect of typical foreign regions with comprehensive management

2.3.4 分區(qū)管理建議

根據(jù)監(jiān)測(cè)站位控制等級(jí)評(píng)估結(jié)果（表3），結(jié)合天津市海洋功能區(qū)劃及水質(zhì)目標(biāo)插值結(jié)果，將近岸海域劃分為7個(gè)區(qū)域（圖9）。Ⅰ、Ⅴ為優(yōu)先控制區(qū)，Ⅱ、Ⅳ為重點(diǎn)控制區(qū)，Ⅲ、Ⅵ為一般控制區(qū)，Ⅶ為維持現(xiàn)狀區(qū)，其中，Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ涉及到天津和河北近岸海域。“十四五”時(shí)期需重點(diǎn)關(guān)注天津與河北交界的南部（Ⅴ）和北部（Ⅰ）2個(gè)優(yōu)先控制區(qū)海域水質(zhì)的變化，加強(qiáng)關(guān)聯(lián)流域農(nóng)業(yè)面源水污染防治，減少營(yíng)養(yǎng)鹽入海量。另外，雖然“十三五”階段天津市點(diǎn)源排污控制取得明顯成效，無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽濃度優(yōu)良站位比例分別達(dá)67%、100%，但針對(duì)2個(gè)重點(diǎn)控制區(qū)，還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)流域上下游協(xié)同治理[45]，減少?gòu)谋本?、河北進(jìn)入天津的污染物量，持續(xù)改善永定新河、海河及獨(dú)流減河鄰近海域水環(huán)境質(zhì)量。

圖 9 天津市近岸海域水質(zhì)分區(qū)管控Fig.9 Zoning management map of water quality in the coastal waters of Tianjin

3 結(jié)論

（1）基于GAM模型，建立了天津市近岸海域水質(zhì)趨勢(shì)分析模型及水質(zhì)目標(biāo)確定方法，提出2025年天津市近岸海域優(yōu)良水質(zhì)比例達(dá)到75%的目標(biāo)，分析了這一目標(biāo)的合理性和可達(dá)性，解決了重點(diǎn)海域排污總量控制研究中僅依據(jù)海洋功能區(qū)劃、近岸海域水環(huán)境功能區(qū)劃確定水質(zhì)目標(biāo)的不足，同時(shí)為區(qū)域“十四五”海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃提供參考。

（2）分析了天津市近岸海域水質(zhì)變化趨勢(shì)。2013—2018年與2007—2012年相比，天津市近岸海域無(wú)機(jī)氮濃度總體呈下降趨勢(shì)，下降比例為13.19%；活性磷酸鹽濃度總體呈上升趨勢(shì)，上升比例為7.01%，尚未恢復(fù)到2007—2012年的平均水平。

（3）根據(jù)分析評(píng)估結(jié)果，將天津市近岸海域劃分7個(gè)區(qū)域，建議據(jù)此實(shí)施海域水質(zhì)分區(qū)管理，進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染防治，強(qiáng)化流域上下游協(xié)同治理和省際水污染聯(lián)防聯(lián)治，持續(xù)改善天津市近岸海域水質(zhì)。