基于线性规划的大连湾海域环境容量分析

谭 馨, 项 学 敏*, 高 范, 环 久 峰, 安 津 诺

(1.大连理工大学 环境学院, 辽宁 大连 116024;2.国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023;3.大连市生态环境局, 辽宁 大连 116007)

0 引 言

大连湾位于黄海北部辽东半岛南端,是天然形成的半封闭型海湾,三面被陆地环绕,湾口有三山岛为屏障,全湾总面积为174 km2,自西向东分布着臭水套、甜水套、红土堆子3个较大的子湾[1].大连湾自然条件优越,是中国北方最大的水产品交易中心及现代装备制造业基地,同时也是大连市多数城市生活污水、工业废水的排放地,多年来水质一直处于亚健康状态[2].实现近岸海湾水质达标的关键是减少陆源污染物的流入.然而随着主城区经济和人口的增长,生活、生产污水负荷增加,大量污水流入湾内.由于大连湾是半封闭海湾,湾内特别是子湾的水体交换速度慢[3],致使污染物长期滞留,加剧了湾内海域富营养化.因此,在环境容量的基础上进行陆源入海污染物总量控制和分配是十分必要的.目前,关于海洋水环境容量的计算方法主要有标准自净容量法[4-5]、模型试算法[6-7]、分担率法[8-9]、最优化法[10]等.对于大连湾环境容量的研究,前人多采用分担率法[11-12],分担率法虽计算简便,但只能用当时排放状况下的分担率求解允许排放量,导致计算结果只是在当时排放量的基础上按比例变化,而不考虑排污量在污染源之间的分配,这是不合理的[13].排海通量最优化法[13-15]针对该方法的不足,借用线性规划思想,考虑排污口的布局,通过优化分配,得到总和最大的海洋环境容量,充分利用了海域的纳污能力.鉴于此,本文将排海通量最优化法应用于大连湾,在数值模拟的基础上计算主要污染物的环境容量,探讨陆源污染控制和污染物排放削减的问题,为合理利用海洋资源,实现海洋环境管理精准化、发展规划科学化提供理论依据.

1 研究方法

1.1 模型构建及验证

1.1.1 模型介绍 本文应用MIKE 21 FM模拟系统中的水动力(hydro-dynamic)和对流扩散(Transport)模块进行大连湾二维水动力和水质的模拟.MIKE 21是一款专业的水体数值模拟软件工具包,在海洋水质模拟和水环境管理规划中有着广泛应用[16-17].其数值求解是在空间上采用单元中心的有限体积法离散,在时间上采用二阶龙格-库塔方法进行积分[18].水动力模块控制方程为垂向平均的二维浅水方程组[19]:

(1)

(2)

(3)

式中:η为水位;h=η+d,为总水深;f=2ωsinφ,为流体柯氏力;g为重力加速度;u、v分别为x、y方向的流速分量;t为时间;ρ为流体密度;ρ0为水的密度;S为源项;τsx和τbx为底床剪切应力;Txx、Txy、Tyy为涡动黏滞系数.

水质控制方程为污染物的对流-扩散方程[20]:

(4)

式中:ρi为污染物浓度,Dx、Dy为x、y方向紊动分散系数,K为污染源降解项,s为污染源单位体积的排放速率.

1.1.2 模型设置 模拟的范围包括大连湾及大、小窑湾周边海域(121.585°E～122.014°E,38.820°N～39.075°N),模拟区域总面积约为698.64 km2.水深通过海图提取.大连湾内地势平缓,水深在5～15 m变化缓慢.湾内岸线崎岖,有较多港口和人为构筑物.将区域划分为不规则的三角形,以适应曲折的岸线与岛屿.网格沿外海向内加密,陆域划分边长范围为100～250 m,最复杂区域网格最小边长为50 m,开边界网格边长范围为300～600 m.共划分计算网格31 501个,节点总数16 481.模拟区域范围的网格和水深分布如图1所示.

图1 模拟区域网格和水深分布

模型采用软启动,即设置启动时流速、流向为零.外海开边界采用水位强迫,水位数据由DHI MIKE内置的潮汐预报程序生成,包含K1、O1、P1、Q1、M2、S2、K2、N2共8个分潮.模型考虑了潮汐、陆源排污口和风场的作用.温盐采用正压方程计算,糙率n经率定后取为0.028～0.032.计算时间步长为30 s.将陆源排污口设为点源,输入日均排水量和污染物排放量.将COD视作非保守性物质,其降解符合一维降解方程[21].无机氮和磷酸盐在海洋中的迁移转化复杂,目前无法用简单的系数来表达,计算中设置为保守性物质.

1.1.3 模型验证及分析 本次模型验证资料是由国家海洋环境监测中心在2015年10月测得的潮位和潮流资料,在海景路码头和黄白咀设置两个潮位验证站点,在湾口处设置两个潮流验证站点(V1、V2),验证站点具体位置如图2所示.

图2 潮位、潮流验证站点分布

大潮期为2015-10-09～2015-10-10,小潮期为2015-10-22～2015-10-23,期间的潮位及潮流验证曲线如图3、4所示.从图上看,模拟的潮位和潮流与实际相似,用平均绝对误差(Ema)和相关系数(r)来进一步评估模拟情况,r越接近1,表示模型与实际相关性越高,模拟结果越好.根据计算结果,黄白咀、海景路码头潮位的r均为0.99,Ema分别为0.098、0.097 m;两个潮流站点V1、V2流速的r分别为0.85、0.92,Ema分别为0.045、0.035 m/s;流向的r分别为0.82、0.97,Ema分别为29.25°、17.36°.总体上潮位的峰值、相位和潮流的流速、流向都与实际拟合较好,符合相关规范要求.因此可认为模型的参数设置合理,可用于接下来环境容量的研究.分析大连湾的流场可得,湾口处流速最大,平均为0.3 m/s,流速由湾口向内递减.整体上海水流速较小,不利于污染物的稀释与扩散.

(a)黄白咀

图4 流速U、流向γ验证曲线

1.2 环境容量计算方法与条件

1.2.1 排海通量最优化法 排海通量最优化法是一种总量最优计算方法,根据控制入海污染物总量的实际需求,在确定目标海域海洋环境容量阈值的前提下,在各水质控制点处污染物达标的情况下,通过优化污染物来源的分布,使排入海洋的污染物量达到允许的最大值.该方法充分考虑了海域的自然属性对污染物排放量的要求和人为可控的主观属性对水质的要求.在海洋环境中,污染物发生的衰减、扩散、迁移是各种物理、化学和生物过程共同作用的结果,因此在海域自然条件不变的情况下,污染物的浓度分布存在平衡状态,污染源单独排放形成的浓度场是多个污染源排放浓度场的线性叠加.水质控制点处的污染物浓度与污染源排放浓度存在响应关系,各污染源的污染物排放变化量与浓度场的变化量呈线性关系.

根据响应叠加原理,环境容量的计算即为求解以满足水质目标为约束,以排放总量最大为目标函数的线性规划方程[14].

目标函数:

(5)

约束条件:

Qi≥0

(6)

排海通量最优化法将环境容量的计算转化为单纯的数学问题,结果可能会出现排污口排放量为零的情况,这在数学上是可行的,在实际中难以实现.因此,对优化计算结果为零的排污口进行二次优化,对其设置下限值,即Qi≥Qdi,Qdi为第i个污染源达标的污染物排放量.由于海水的潮汐作用会对污染源与水质的响应关系产生周期性影响,取模拟1 a后运行稳定时的潮均值进行计算.

1.2.2 削减分配 当污染排放总负荷大于该排放点在特定水质要求下的环境容量时,该海域就不能实现要求的水质目标,因此需要对超过环境容量的部分进行削减.削减量的计算方法为

ΔQi=Qi-Qsi

(7)

当ΔQi<0时,该排污口有盈余,不需要削减;当ΔQi>0时,排污口已无排放余量,需要进行削减,削减率q=ΔQi/Qi.

污水自排放口或扩散器排出后,各个瞬时造成附近水域污染物浓度超过该水域水质目标限值,这一平面范围的包络区称为混合区.污染物浓度分布往往呈由混合区外边界向外海递减的规律.因此将控制点设在混合区边界,对混合区内的污染物浓度不限制,当控制点处的水质达标时,就视为排污口在该排放负荷下能满足计算规定的水质要求.本文的要求是较为严格的情况,求得的结果相对安全,更利于海域管理者参考.混合区的计算通过Mackenthun公式,并加入单宽流量强度系数修正[22].共设置20个水质控制点,其在海湾内的分布如图5所示.

图5 排污口与水质控制点分布

2 计算结果与分析

2.1 排污量与环境容量计算结果

表1 大连湾内排污口环境容量和污染物排放量

2.2 污染物削减分析

表2 大连湾内排污口污染物削减计算结果

2.3 排污治理建议

超标最严重的7号、8号、9号排污口位于大连湾顶部的臭水套湾和甜水套湾,这部分海域水深较小,流速较低,水体呆滞,以致污染物长时间滞留,难于向外海输运.因此建议未来的发展规划中,新建排污口选在靠近湾口位置,不再向湾顶新建排污口,从而减轻湾顶处水体的负担,合理利用大连湾的纳污能力.在排污口的管理方面需要健全入海排污口管理制度体系,建立入海排污口动态化、信息化监管系统,落实“一口一策”.

3 结 语

污水处理厂是最主要的超标污染源,7号、8号和9号排污口的超标程度最严重,是排污口水体条件和排污负荷两方面因素共同作用的结果,需要优先进行削减控制.建议对污水处理厂进行扩容改建、分流处理,尽可能利用湾口海域的纳污能力,以降低污染负荷,实现水质达标.