Transcript 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

海洋环境容量的理论学习与案例分析
赵雯璐
2013.10.29
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
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
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。
《中华人民共和国海洋环境
保护法》
“国家建立并实施重点海域排污总量控制制度，确定
主要污染物排海总量控制指标，并对主要污染源分配
排放控制数量。”
《关于进一步加强海洋管理 “沿海地方各级人民政府要建立海洋环境保护目标责
工作若干问题的通知》（国 任制，加强对陆源污染物的防治工作，尽快遏制本行
务院24号文件2004年9月22日）政区域近岸海域环境持续恶化势头”。
《防治海洋工程建设污染损
害海洋环境保护管理条例》
“国家海洋主管部门根据国家重点海域污染物排海总
量控制指标，分配重点海域海洋工程污染物排海控制
数量。”“在实行污染物排海总量控制的海域，不得超
过污染物排海总量控制指标。”
《国家环境保护“十二五”规
划》（国发〔2011〕42号）
“综合防控海洋环境污染和生态破坏。……落实重点
海域排污总量控制制度。加强近岸海域与流域污染防
治的衔接。……”。
……
……
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。
方法
优点
不足
分担率法
最优化法
模型试算法
统筹考虑了环境容量
在各个污染源之间的
适 用 于 所 有 排 放 合 理 分配 ，从而得到
源资料齐全，且浓 最大排放量和最优排
简单直观地预测
度 场 模 拟 能 较 快 污 布 局， 目前已被广
水环境容量
达到平衡的情况; 泛 应 用于海湾、 河 口
等区域环境容量的研
究。
为 了取得极值， 有 时
会出现某些排污口的
允许排放量为零的情
没有考虑排污量
况 ， 但是实际中 不 可
在各污染源之间
能把现存排污口完全
的合理分配。
关 闭 。需要从经 济 发
展 、 生活需求等角度
对各污染源的排放量
限制进行改进。
计算量较大，且在
削减各个次区
污染量的过程中
受主观影响较大，
适用于模拟区域
计算范围较小且
海域功能区划单
一的情况。
箱式模型法
在范围不大、
混合均匀的湖
泊或者海湾是
一种较好的近
似
对于面积较大、
潮流作用较强
的海洋水体不
再成立，它忽
略了水体中各
点通过平流扩
散等物理过程
的相互联系，
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
背
►
景
陆源污染物输入是沿海环境主要的污染物
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
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。
入海污染物总量控制
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。
► 国内外海洋污染物总量控制研究历史沿革
区域
研究应用历史沿革
日本
1960s，首先提出了污染物排放总量控制问题; 1970s，首先在沸水排放管理中应用
了总量控制，1973年《濑户内海环境保护特别措施法》标志着其水质总量控制研究
进入了以点源为目标的总量控制阶段; 1980s，将第一个水污染总量控制目标规划实
际运用于水质污染控制，将总量控制法正式在东京湾和伊始湾两个海域进行推广。
美国
1960s，美国探索污染物总量管理措施而实施了排污权交易制度，从管理的角度限
制国内污染物排放；1970s，EPA在《水清洁法》303条款中，提出TMDL（Total
Maximum Daily Loads）计划；1980s，美国正式立法实施了以水质限制为基点的排
放总量控制制度，采用了季节总量控制的方法；
EPA不断对TMDL计划实施调整，使美国水资源保护由过去的单纯污染源控制转变为
根据生态健康和生态功能来决定控制污染，
欧盟
颁布《控制特定危险物质排放污染水体指令》，并于1980s后明确在欧共体范围内
部分污染物质的排放限值及地表水和近岸海域水质保护目标。1990s，欧洲理事会
颁 布 颁 布 并 实 施 了 《 综 合 污 染 防 治 指 令 》 （ IPPC ） ， 在 最 佳 可 行 技 术 （ Best
Available Technology，BAT）的基础上对污染物排放进行控制。
中国
1970s，我国水环境污染总量控制开始于制定松花江BOD总量控制标准;1980s，
《水污染排放许可证管理暂行办法》和开展排放许可证试点工作通知，标志着我国
进入以总量控制为核心水环境管理的阶段;1990s，《“九五”期间全国主要污染物排
放总量控制计划》，最终将我国的污染物排放总量控制由思路框架落实成为了一项
具体的国家级的环保政策; 21世纪初期，颁布了《关于汇总核实全国水环境功能区
划及开展环保重点城市水环境功能区划汇总工作的通知》标志着我国全国范围内积
极开展水环境污染物排放总量控制工作的开始。
泉州湾
区域概况
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。
惠安县
泉州市
晋江市
石狮市
泉洲湾环境容量研究
数值模型建立
主要迁移-转化
过程分析
水质方程建立
排海通量约束条
件设定
计算条件确定
水质标准控制点
设置
环境质量标准
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。
模型条件确定
污染源归并
环境容量计算
状态变量模拟
计算结果验证
海域环境容量计
算技术路线

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。
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：
  ( HU )  ( HV )


0
t
x
y
U
U
U

g
U
V
 fV  g

t
x
y
x C 2
U 2 V 2
U 0
H
V
V
V

g
U
V
 fU  g

t
x
y
y C 2
U 2 V 2
V 0
H
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；
►
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。
25.05
N
25
Q
24.95
24.9
M
崇武
24.85
P
24.8
祥芝
24.75
O'
24.7
O
118.55
118.6
118.65
118.7
118.75
118.8
图5.1 泉州湾计算范围
118.85
118.9
Distance (km)
流场基本特征
D is ta n c e (k m )
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。
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。
 泉州湾海域分区情况
根据《福建省
海洋功能区划》
泉州市
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
晋江市
方案将泉州湾
划分为三个单
石狮市
元区。
惠安县
海区3
海区1
海区2
执行的水质
标准
海区编号
位置与范围
行政归属
海区I
秀涂西北角至石湖西北角连线（海洋功能区划
中的内湾与外湾分界线）以内的泉州外湾内湾
区域，不含晋江和洛阳江河口区
三类海水水 晋江市、泉州市、
质标准
南安市
海区II
秀涂西北角至石湖西北角连线（海洋功能区划
中的内湾与外湾分界线）以外的泉州外湾南部
三类海水水
质标准
石狮市
海区III
秀涂西北角至石湖西北角连线（海洋功能区划
中的内湾与外湾分界线）以外的泉州外湾北部
二类海水水
质标准
惠安县
泉州湾湾内水质背景值与允许增量的确定
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。

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
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；
 泉州湾环境容量计算
区块Ⅰ
项目
区块Ⅱ
区块Ⅲ
总环境
允许
每天潮
环境
允许
每天潮
环境
允许
每天潮
环境
增量
周期数
容量
增量
周期数
容量
增量
周期数
容量
DIN-N
-2.48
1.97
/
-1.19
1.97
/
-1.64
1.97
/
/
PO4-P
-0.044
1.97
/
-0.023
1.97
/
-0.020
1.97
/
/
CODMn
1.91
1.97
58.21
2.53
1.97
535.34
1.66
1.97
Cu
3.67
1.97
0.11
3.76
1.97
0.08
3.94
1.97
2.48
2.67
Pb
-0.47
1.97
/
-0.45
1.97
/
-0.18
1.97
/
/
Zn
8.92
1.97
0.27
11.50
1.97
2.43
7.10
1.97
4.47
7.18
Cd
0.93
1.97
0.03
0.95
1.97
0.20
0.94
1.97
0.59
0.82
Hg
0.002
1.97
0.00006
0.016
1.97
0.0034
0.009
1.97
0.0057
0.0092
As
18.50
1.97
0.56
18.57
1.97
4.00
18.41
1.97
11.60
16.09
石油类
-14.37
1.97
/
-20.55
1.97
/
1.67
1.97
1.052
1.052
1045.6
容量
1639.2
5
备注：DIN-N、PO4-P、CODMn的单位为mg/L；重金属和石油类的单位为μg/L；每潮周进入区块内新鲜海水体
积单位为m3；环境容量单位为T/d。
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。
 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
高潮期浓度场预测
削减后活性磷酸盐
平潮期浓度场预测
削减后活性磷酸盐
低潮期浓度场预测