海洋环境容量的理论学习与案例分析

1. 海洋环境容量的理论学习与案例分析 赵雯璐 2013.10.29

2. OUTLINE • 环境容量的概念及意义 • 环境容量的计算方法与比较 • 案例分析——泉州湾环境容量研究 • 提出背景 • 区域概况 • 泉洲湾环境容量计算及应用研究

3. 海洋环境容量的概念 • 1986年，联合国海洋污染专家小组（Joint Group of Experts on the Scientific Aspects of Marine Pollution, GESAMP）正式给出了国际上普遍接受的环境容量（Environmental Capacity）的概念：环境容量为环境特性，是在不造成环境不可承受的影响前提下，环境所能容纳某污染物的能力。 ①污染物在环境中存在，只要不超过一定的阈值，就不会对环境造成影响； ②在不影响特定生态系统物理学、生态学等功能的前提下，任何环境都只有有限的容纳污染物的容量； ③环境容量可以定量化。 人为主观属性 自然客观属性

4. 污染物海洋环境容量是根据环境管理的实际需要提出的，不仅是国家制定强制性污染物排海总量控制方案，以及污染物浓度排放标准的科学依据，而且也是进行近海海域海洋环境质量分析、海洋环境区划等的必要科学基础。污染物海洋环境容量是根据环境管理的实际需要提出的，不仅是国家制定强制性污染物排海总量控制方案，以及污染物浓度排放标准的科学依据，而且也是进行近海海域海洋环境质量分析、海洋环境区划等的必要科学基础。

5. 污染物海洋环境容量计算方法 • 模型试算法：在水质模拟的基础上将模拟区域分为若干个次区，逐步加大一个次区的污染量并同时保持其他次区污染量不变，直至计算区域水质达到规定的海水水质标准，此时的污染量即为该次区的最大污染负荷。 • 分担率法：在污染源调查和水质监测基础上，建立入海污染物浓度扩散模型，通过数值模拟求得各个点源的分担率场和响应系数场，并根据水质目标及现状浓度求得入海污染物的环境容量。 • 最优化法：将海洋环境容量计算归纳为线性规划问题，一方面要求目标海域各水质控制点海水满足一定等级国家海水水质标准要求，一方面要求通过优化各个污染源的入海负荷分配率使各污染源允许的入海负荷之和达到最大。 • 箱式模型法：将计算水体看作一个浓度均匀的箱体，且污染物质一进入水体马上被均匀混合。 在实际应用中，要根据研究海域的实际情况，参照各种方法的利弊和适用范围来选择合适的计算方法。

7. 案例分析——泉州湾环境容量 • 提出背景 • 区域概况 • 泉洲湾环境容量计算及应用研究

8. 背 景 主要包括： 点源污染物（Point Source Pollutants）：工业污染物Industrial Pollutants、生活污染物Domestic Pollutants）； 非点源污染物（Nonpoint Source Pollutants）：农业、街道、大气沉降、交通运输等产生的污染物。 环境容量 入海污染物总量控制 研究某一特定海域的环境容量，从而科学地确定输入该海域的污染物负荷量的最大允许限度，对环境的合理利用、管理和保护具有相当重要的意义。 在海洋功能区划接受和自然环境允许的范围内，在环境容量研究的基础上，通过行政、经济和技术措施，控制入海污染物的种类、数量和速度，满足各功能区对环境质量的要求的系统工程。 陆源污染物输入是沿海环境主要的污染物

9. 国内外海洋污染物总量控制研究历史沿革

10. 泉州湾区域概况 惠安县 泉州市 泉州湾位于福建省东南沿海，湾口朝东敞开，与台湾海峡沟通，其余三面被陆地包围，跨越三市一县。 海湾总面积为128.18 km2，其中滩涂面积为80.48 km2，岸线总长80.1 km。 晋江市 石狮市

11. 主要迁移-转化过程分析 数值模型建立 水质方程建立 模型条件确定 计算条件确定 污染源归并 状态变量模拟 环境容量计算 排海通量约束条件设定 水质标准控制点设置 计算结果验证 环境质量标准 泉洲湾环境容量研究 环境容量确定的基本原则是按照泉洲湾海洋环境功能分区的要求，以水质目标作为约束条件，计算出各主要排污口水污染物的最大允许排污量，以此作为泉州湾可以利用的环境容量。 海域环境容量计算技术路线

12. 环境容量研究的技术原则 ① 从海域生态类型和污染生态效应出发，确定海域环境容量的估算因子； ② 依据《海水水质标准》、海洋功能区划和“污染生态效应”的调查结果，确定环境容量估算因子的环境质量目标； ③ 利用用泉州湾水质数值模型计算结果来估算水交换率与净水交换量并研究海域的物理自净能力。

13. 泉洲湾潮流场动力模型 为进一步了解泉洲湾海域潮流场的流态特征，采用二维浅水流体动力数值模型进行计算。 动力基本方程： 式中，为基面起算的水位；H=H。+为全水深，H。为基面以下的水深；U、V分别为垂向平均流速在x、y方向的分量；f=2ωsinφ表示Coriolis参数，其中ω为地球自转角速度，φ为地理纬度，g为重力力口速度； C为Chezy系数。差分采用正方形交错网格和半隐差分格式，网格选取空间步长为dx=309.374m, dy=309.714m；

14. 计算网格配置图如图5.1所示，计算网格有100*78个，计算范围遍及整个湾区，外边界区在崇武—祥芝断面。计算网格配置图如图5.1所示，计算网格有100*78个，计算范围遍及整个湾区，外边界区在崇武—祥芝断面。 图5.1 泉州湾计算范围

15. 流场基本特征 图5.2 垂向平均的潮流流速在一个潮周期4个时刻的水平矢量图 根据潮流模拟计算结果（图5.2 所示）分析流场的流态、流速和流向、潮位变化的基本特征，并得出余流场，以分析污染物迁移和水体自净能力。

16. 环境容量估算因子的选择 • 无机氮 • 活性磷酸盐 • 化学耗氧量（COD） • 重金属 • 石油类 泉州湾海洋功能区划图 泉州湾海洋功能区划将泉州湾划分为港口航运区、渔业资源利用和养护区、矿产资源利用区、旅游区、海水资源利用区、工程用海区、海洋保护区、特殊利用区和保留区等10类功能区，其中主导功能为港口航运，辅助功能为纳污、码头、旅游和养殖等。

17. 海区3 海区1 海区2 • 泉州湾海域分区情况 根据《福建省海洋功能区划》结合泉州湾的自然属性、环境规划以及未来行政管理的职能要求，本方案将泉州湾划分为三个单元区。 惠安县 泉州市 晋江市 石狮市

19. 泉州湾湾内水质背景值与允许增量的确定

20. 泉州湾海域环境容量的计算 • 水交换率与净水交换量及海域的物理自净能力 水的交换量的计算方法是水动力、水质模型的基础上，以高潮时刻全湾各网格点的污染物浓度为一个单位，湾外水的流入浓度为零，计算泉州湾各标识网格点上的污染物残留函数，并据此推导出水交换率和交换量。 根据泉州湾环境容量规划研究所划分的3个区块，从上述3个区块中选取代表点计算的污染物残留函数随时间的变化关系，并根据泉州湾地形、潮汐特征及模型计算的结果推导出区块与湾外水的海水交换率和交换量。本研究中水交换率表示在潮汐动力、河流径流和地形导致的余流、动力扩散效果所致的泉州湾外海水的交换的总体效果。

21. 区块I残留函数曲线图 区块II残留函数曲线图 区块III残留函数曲线图

22. 每潮周中进入各区块中的泉州湾外水的水体积量（Voi）=纳潮量×交换率；每潮周中进入各区块中的泉州湾外水的水体积量（Voi）=纳潮量×交换率； 海域环境容量＝Voi×允许增量×该区块每天的潮周期数；

23. 泉州湾环境容量计算

24. 泉州湾海域纳污能力与污染物总量控制 • 泉州湾主要排海污染源强的计算及主要污染物浓度场分布模拟 前面计算的环境容量是在假设全海域污染物与海水均匀混合的理想状态时的环境容量，其计算结果可从宏观上把握每一块水体所能纳污的上限值。在现实中，整个海域中污水与海水不可能完全均匀混合，必然会在排放口附近或水交换条件差的区域出现浓度场的髙值区，也就是说会在海域的某些区域首先达到水质控制目标值。 对纳污能力计算的基本思路是：污水在不同位置、不同排放量情况下排放时，使得排放口周围区域以及湾中交换能力最差的区域仍能满足环境质量目标时的最大排放量。

25. 各污染点源活性磷酸盐削减后浓度场的预测 削减前 髙潮时活性磷酸盐浓度场 平潮时活性磷酸盐浓度场 低潮时活性磷酸盐浓度场 削减后 削减后活性磷酸盐 平潮期浓度场预测 削减后活性磷酸盐 高潮期浓度场预测 削减后活性磷酸盐 低潮期浓度场预测

26. 谢 谢！