秦皇島近岸海域剩余環境容量研究

林振景,陳 婧,任漢英,王雪蘭

(1.河北農業大學 海洋學院,河北 秦皇島 066100；2.河北環境工程學院,河北 秦皇島 066102；3.河北省生態環境監測中心,河北 石家莊 050018；4.秦皇島職業技術學院,河北 秦皇島 066102)

隨著經濟的發展,人們對于各類資源的需求也日漸增多,海洋中蘊藏著豐富的能源,面對陸域資源的日漸枯竭,顯示出了巨大的資源優勢。 但與此同時,隨著海洋開發強度的增大,海洋遭受嚴重的陸源污染和自身海洋工程開發的影響,海洋環境,尤其是與人們生活關系密切的近岸海域的環境質量受到嚴重威脅。 控制入海污染物的排放總量是控制和治理海洋污染的重要途徑,而對海域的海洋環境容量的研究,可以為排放污染物的總量控制提供有力的科學依據和堅實的數據支撐[1]。

目前在環境保護的很多領域,均已涉及到環境容量的研究工作,由于其重要性及緊迫性,國內外學者對海洋環境容量進行了頗多研究。 LePape等[2]和Lindahl 等[3]分別對Brest 灣和Koljo 灣進行研究,結果表明,污染物在海水中的累積情況會受到海水交換的顯著影響,海灣的生態系統在大尺度水體交換的情況下更易保持穩定；Mahajan等[4]認為在近岸海水水質管理中的核心為污染物負荷的分配過程,并且通過研究污染物排放負荷與海水中污染物濃度之間的關系,確定了各污染物質的處理率。 王芳[5]對天津市近岸海域的COD、無機氮和活性磷濃度分布情況進行研究,采用二維水質模型模擬污染物排放量對近岸海域研究水質指標的影響關系,并對不同排放方案下的環境容量進行分析研究。 郁斢蘭等[6]對環境容量的測算考慮了水體自凈的作用,對在水體交換擴散和生物降解的共同作用下的渤海區域進行分區分析,并得出了該區域COD 的剩余環境容量較小的結論。 由此可見,水環境容量的計算方式較多,但很多需要對污染物的衰減和擴散機理進行分析,實際實施難度較大。 本研究采用GIS 方法,可在資料數據相對較少的情況下對水環境容量進行統計核算。

1 研究概況

1.1 研究區域

秦皇島市地處河北省東北部,是環渤海經濟發展帶中的重要一環,依靠沿海優勢,近年來發展勢頭迅猛。 秦皇島海岸線東起山海關環海寺地嘴燈塔,西止昌黎縣灤河口,總長162.7 km[7]。 根據《河北省海洋主體功能區規劃》,河北省管轄海域為海岸線向海一側12 nmile 以內海域。 根據以上原則,秦皇島管轄海域包括山海關區海域、海港區海域、北戴河區海域、撫寧區海域和昌黎縣海域,面積約1 808.39 km2。 如圖1 所示。

圖1 研究區域

1.2 研究數據

1.2.1 研究區域水質

本研究采用中華人民共和國生態環境部海水水質監測信息公開系統中秦皇島海域的監測點位進行分析。 研究區域及附近區域共設10 個監測點位HB0300 ～HB030010。 研究區域水質以COD、無機氮、活性磷酸鹽為研究對象,2022 年5月、7 月、11 月共3 個月監測結果,分別代表一年中的春季、夏季、秋季。 COD、無機氮、活性磷酸鹽每個監測點位均以3 個月最高值進行分析研究,以最不利的情況進行考慮,如表1 所示。

表1 監測點位及監測結果 mg/L

1.2.2 研究區域功能區劃分

根據《河北省海洋功能區劃》《海水水質標準》并結合研究區域屬性特點,將研究區域分為14 個區塊,各區塊位置及功能區類別如圖2 所示。

圖2 研究區域區塊及功能區

2 研究方法

采用GIS 方法,應先搜集研究區內生態環境部門的監測數據,將監測點對應數值輸入GIS 軟件,進行空間插值,得到研究區域內污染物的空間分布情況,并對研究區域進行柵格化,再將插值后的污染物濃度與對應區域水質目標對比,其差值在考慮柵格區域體積的基礎上即為該區域剩余環境容量。

2.1 空間插值

研究區域水深、研究因子質量濃度分布采用克里金法進行插值分析。 克里金法是一種基于空間結構的插值方法,其基本思想是利用已知點周圍的空間結構信息,來推算待插值點的數值。 克里金法通過構建一個包含空間結構信息的模型,來描述已知點與待插值點之間的關系。 克里金法廣泛應用于地質學、生態學等領域。

2.2 柵格化計算

在不考慮不同的單元格之間水量交換、物質交換、也不考慮化學和生物降解等因素的前提下,將問題進行概化[8]。 通過GIS 對研究區域進行柵格化,每個柵格對應水深如圖3 所示。 每個柵格的面積與對應水深的乘積可得研究區每個柵格小單元水體體積,標準濃度和監測濃度的差與該小單元水體體積再與不均勻系數相乘,即為該小單元剩余環境容量,研究區域所有小單元的剩余環境容量之和即為該區域的剩余環境容量。 本研究區域不均勻系數取值0.078。

圖3 研究區域水深

剩余環境容量=柵格個數×不均勻系數×單個柵格面積×水深×(目標濃度-現狀濃度)

2.3 GIS 方法

GIS 方法無需采用二維、三維模型估算所需要的復雜模型,采用生態環境部門的監測結果和實際的地形數據即可。 這種方法不考慮各個柵格點間污染物的對流擴散,忽略陸源的排污口,計算得到的是瞬時的剩余環境容量,但該環境容量計算方法對水環境管理仍有一定的參考價值[9]。

3 研究結果與討論

3.1 研究區域現狀情況

3.1.1 COD 現狀分布及標準指數

研究區域內COD 插值后的濃度范圍為1.241～1.269 mg/L,平均濃度1.254 mg/L,標準差0.000 34。 由統計結果來看,研究區域內COD 濃度分布無明顯差異,如圖4 所示。 研究區域內COD 標準指數范圍為0.249 ～0.627,平均標準指數0.468,如圖5 所示。 大于0.6 區域主要分布于近岸及西南區域,低于0.3 區域主要分布于東北區域,研究區域呈現出較大差異,東北偏低,西南偏高,近岸偏高,遠洋偏低,但均滿足標準要求。

圖4 研究區域COD 現狀分布

圖5 研究區域COD 標準指數分布

3.1.2 無機氮現狀分布及標準指數

研究區域內無機氮插值后濃度范圍為0.161 4～0.231 7 mg/L,平均濃度0.194 1 mg/L,如圖6 所示,呈現明顯的東北偏低,西南偏高狀態。 無機氮標準指數范圍為0.323 ～1.14,平均值為0.729,如圖7 所示,大于1 區域主要分布于近岸及西南區域,低于0.4 區域主要分布于東北區域,亦呈現東北偏低,西南偏高狀態,其中近岸及西南局部區域出現超標現象。

圖6 研究區域無機氮現狀分布

圖7 研究區域無機氮標準指數分布

3.1.3 活性磷酸鹽現狀分布及標準指數

研究區域內活性磷酸鹽插值后濃度為0.001 04～0.017 97 mg/L,平均濃度0.006 9 mg/L,與無機氮分布形式相似,如圖8 所示,呈現東北偏低,西南偏高狀態。 活性磷酸鹽標準指數范圍為0.035～1.15,平均值為0.297,如圖9 所示。 大于1 區域主要分布于西南區域,低于0.1 區域主要分布于東北區域,與無機氮分布形式相似,亦呈現東北偏低,西南偏高狀態,其中西南局部區域出現超標現象。

圖8 研究區域活性磷酸鹽現狀分布

圖9 研究區域活性磷酸鹽標準指數分布

3.2 剩余環境容量

研究區域共分為180 833 個柵格,研究區域內COD、無機氮、活性磷酸鹽剩余環境容量均呈現東北偏高,西南偏低規律。

3.2.1 COD 剩余環境容量

研究區域內COD 剩余環境容量最大柵格為0.045 532 6 t,位于研究區域的東北側區塊3 內；最小柵格為0.000 282 315 t,位于研究區域的近岸區域區塊10 內,研究區域COD 總環境容量剩余量為2 362.322 t,如圖10 所示。

圖10 研究區域COD 總量分布

各區塊 COD 剩余環境容量的范圍為0.206 083～976.734 012 t,如圖11 所示,區塊8 剩余環境容量最小為0.206 083 t,區塊7 剩余環境容量最大為976.734 012 t。

圖11 各研究區塊COD 剩余環境容量

根據以上數據分析,表明研究區域內COD 整體情況較好,尚有一定的環境容量,但近岸海域標準指數較高,表明該因子受人類活動的陸域影響明顯,仍應引起足夠的重視。

3.2.2 無機氮剩余環境容量

研究區域內無機氮剩余環境容量最大柵格為0.004 047 48 t,位于研究區域的東北側區塊3 內；最小柵格為-0.000 190 169 t,位于研究區域的西南側區塊14 內,研究區域內超標柵格個數23 839,無機氮超標區域面積占比為13.2%。 超標區域總剩余環境容量-0.833 958 996 t,未超標區域總剩余環境容量147.174 014 t,研究區域無機氮總環境容量剩余量為146.340 t,如圖12 所示。

圖12 研究區域無機氮總量分布

各區塊無機氮剩余環境容量的范圍為-0.211 909～68.274 67 t,如圖13 所示,區塊14 剩余環境容量最小為-0.211 909 t,區塊7 剩余環境容量最大為68.274 67 t。 其中,區塊12 和區塊14已無剩余環境容量。

圖13 各研究區塊無機氮剩余環境容量

根據以上數據分析,表明研究區域內無機氮大部分區域內尚有一定的環境容量,但西南海域及近岸海域已有部分區域出現無剩余環境容量或剩余環境容量較低問題,表明無機氮的控制應引起高度重視,對包括氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮在內的各無機氮組成部分均應進行嚴格控制,采取陸域、海域污染源控制,完善法規管理措施,優化監測方式等綜合性應對策略。

3.2.3 活性磷酸鹽剩余環境容量

研究區域內活性磷酸鹽剩余環境容量最大柵格為0.000 520 686 t,位于研究區域的東北側區塊3 內；最小柵格為-0.000 014 299 5 t,位于研究區域的西南側區塊14 內,研究區域內超標柵格個數為5 502,活性磷酸鹽超標區域面積占比為3.04%。超標區域剩余環境容量-0.019 965 582 t,未超標區域剩余環境容量31.659 188 03 t,研究區域活性磷酸鹽總環境容量剩余量為31.639 t,如圖14 所示。

圖14 研究區域活性磷酸鹽總量分布

各區塊活性磷酸鹽剩余環境容量的范圍為-0.015 38～15.253 128 t,如圖15 所示。 區塊14剩余環境容量最小為-0.015 38 t,區塊7 剩余環境容量最大為15.253 128 t。 其中,區塊14 已無剩余環境容量。

圖15 各研究區塊活性磷酸鹽剩余環境容量

根據以上數據分析,表明研究區域內活性磷酸鹽大部分區域內尚有一定的環境容量,但西南海域及近岸海域已有部分區域出現無剩余環境容量或剩余環境容量較低問題,活性磷酸鹽在本次研究因子中剩余環境容量最低,體現了其對環境的敏感性,亦應采取陸域、海域污染源控制,完善法規管理措施,優化監測方式等綜合性應對策略,減少含磷物質入海量。

GIS 方法在運算過程中,采用插值后模擬的數值存在一定誤差,并且是在已有瞬時值的基礎上進行的核算,對未來動態的環境容量驗證尚需進一步研究。

4 對策及建議

4.1 對陸源污染物入海量進行控制,減少氮磷入海量

秦皇島海域沿岸主要涉及石河、湯河、飲馬河等13 條入海河流,其中飲馬河的COD、氨氮、總磷質量濃度在各河流中均是最高的,主要原因可能是飲馬河流域工業污染嚴重[10]。 應對以飲馬河為主的13 條入海河流采取措施,對兩岸的涉含氮磷污水排放的企業,畜禽養殖等行業進行重點整治,降低入海河流帶來的污染問題。 同時應進行精準分配,利用線性規劃等方法求出最優解,即得功能區達標且以環境容量的高效利用為原則的環境容量。 明確各入海河流總量及削減量。

完善城市污水管網布置,盡可能杜絕生活污水不經處置直接進入地表水體。 優化產業結構,對污水排放量大、污染物產生濃度高的企業進行淘汰或優化升級。 做大做強休閑度假旅游和現代物流等基礎雄厚、規模較大、帶動力較強的優勢品牌產業,逐步關停淘汰小淀粉、小白薯加工企業,結合旅游立市理念,發展現代觀光農業和規?；牡矸?、食品加工企業,有效控制產業結構性污染。

采用測土配方技術,正確合理適量使用氮磷肥料,采用高效、低毒、低殘留農藥,以降低農業面源對近岸海域造成的污染。

4.2 合理開發海洋,控制氮磷產生量

秦皇島的海上運輸主要涉及煤運輸和油運輸,在運輸過程中近岸海域發生碰撞貨物遺撒泄漏的可能性較大,秦皇島港的大型船舶較多,一旦發生事故會造成大面積的海洋污染事件。 因此,建立健全海上污染應急處置聯動機制,包括監測預報、應急救助、組織網絡結構、應急措施等內容,以降低突發事件的損失[11]。

海水養殖也是造成近岸海域生態環境問題的主要原因之一。 應合理規劃飼料投喂工作,科學規劃海水養殖布局,加快發展生態養殖技術和模式,加強海洋生態修復,加大水產養殖入海排污口整治,加強海水養殖區域水質監測力度,出臺海水養殖尾水排放標準等多種手段相結合的綜合整治方式。

協調好河口與海域的管理關系,科學利用灘涂資源,加強灘涂資源動態保護,維持灘涂濕地面積和生態功能,改善生態環境。

4.3 優化海洋環境監測方式

鑒于對海洋生態規律認知有限,海洋生態問題的形成機理的研究尚有欠缺,因而采取的生態治理措施是否有效具有較大的不確定性,這就需要對海洋環境進行及時監測,以便及時發現生態問題。 建議采取優化監測點位布置、擴大監測面積、重點區域進行在線監測、充分利用遙感數據進行解析等方式,及時高效全面地處理生態問題。

4.4 完善法規政策

對現有法規政策進行補充完善,強化對污水排放量、排放水質的管理。 現有水污染物總量控制指標主要為COD 和氨氮,而氨氮僅為無機氮的組成部分之一,秦皇島海域主要的超標因子為無機氮和活性磷酸鹽,現有總量的控制制度對近岸海域的控制效果有待進一步加強,盡快普及以總氮為控制指標的管理政策,加強各排污口總氮的監控力度,可同時實現對硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的控制。 嚴格執行排污許可制度,結合近岸海域環境剩余容量,對涉及企事業單位進行合理分配。增強公眾保護海洋環境意識,鼓勵公眾積極主動參與海洋工程、海岸工程等建設項目的環境影響評價工作,并對施工過程進行監督,發現問題及時處理,從源頭控制污染。