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  • ISSN 1007-6336
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基于陆海统筹的渤海山东省近岸海域总氮总量控制研究

余东 朱容娟 梁斌 郑楠

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基于陆海统筹的渤海山东省近岸海域总氮总量控制研究

    作者简介: 余 东(1981-),男,河南郑州人,博士,主要研究方向为海洋环境规划与管理,E-mail:dyu@nmemc.org.cn;
    通讯作者: 梁 斌(1979-),男,河北沧州人,硕士,主要研究方向为海洋环境规划与管理,E-mail:bliang@nmemc.org.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFC1401208)
  • 中图分类号: X55

Study on total nitrogen quantity control in Shandong province coastal area of Bohai Sea based on land and sea coordination

  • 摘要: 总氮为山东省渤海近岸海域总量控制的主要污染物,本文利用输出系数法评估了陆源污染物入海总量,研究了总氮陆源入海时空分布格局。结合山东省渤海近岸海水水质目标,运用入海负荷最优化法,本研究得到12条主要河流的总氮允许入海量为86,184 t/a,为达成渤海综合治理攻坚战的水质目标,总氮需减排60,505 t/a。基于陆海统筹考虑,本文分配了研究范围内各地市总氮削减量。本研究对有效改善山东省渤海近岸海域环境质量具有重要参考价值。
  • 图 1  总量控制技术路线

    Figure 1.  Total quantity control technology roadmap

    图 2  渤海山东省近岸海域2011-2019年海水水质状况

    Figure 2.  Seawater quality of Bohai Sea in Shandong province from 2011 to 2019

    图 3  山东省主要渤海入海河流子流域划分结果

    Figure 3.  Sub watershed division of main rivers into the sea in Shandong province

    图 4  山东省渤海近岸海域水质目标示意图

    Figure 4.  Figure of seawater quality target in Shandong province coastal area of Bohai Sea

    图 5  模型计算网格及水深

    Figure 5.  The mesh and water depth of the model

    表 1  各污染源总氮允许排放量表(单位:t/a)

    Table 1.  Allowable total nitrogen emission of each pollution source

    河口允许排放量现状排放量削减量削减比例
    潮河 636 489 −147 尚有余量
    广利河 635 488 −147 尚有余量
    黄河 60805 123200 55221 45%
    黄水河 854 657 −197 尚有余量
    胶莱河 316 1249 934 75%
    马颊河 2240 2473 −15 尚有余量
    弥河 481 2623 2031 77%
    徒骇河 4027 3586 −1075 尚有余量
    王河 1373 1056 −317 尚有余量
    潍河 721 1216 499 41%
    小清河 3749 7266 3552 49%
    漳卫新河 2247 2386 166 7%
    合计 86184 146689 60505 41%
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    表 2  各地市总氮削减量分配表

    Table 2.  Distribution table of total nitrogen reduction in different cities

    地市入河总氮量/t比例/(%)总氮削减量/t
    滨州 10625 10.0 966
    东营 6411 6.0 583
    潍坊 5260 4.9 478
    烟台 8029 7.5 730
    德州 18015 16.9 1638
    聊城 12143 11.4 1104
    济宁 22 0.0 2
    临沂 2789 2.6 254
    泰安 18687 17.5 1699
    济南 14227 13.3 1293
    日照 117 0.1 11
    青岛 825 0.8 75
    淄博 9567 9.0 870
    合计 106717 9702
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-19
  • 录用日期:  2021-09-16
  • 刊出日期:  2021-12-20

基于陆海统筹的渤海山东省近岸海域总氮总量控制研究

    作者简介:余 东(1981-),男,河南郑州人,博士,主要研究方向为海洋环境规划与管理,E-mail:dyu@nmemc.org.cn
    通讯作者: 梁 斌(1979-),男,河北沧州人,硕士,主要研究方向为海洋环境规划与管理,E-mail:bliang@nmemc.org.cn
  • 国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 116023
基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFC1401208)

摘要: 总氮为山东省渤海近岸海域总量控制的主要污染物,本文利用输出系数法评估了陆源污染物入海总量,研究了总氮陆源入海时空分布格局。结合山东省渤海近岸海水水质目标,运用入海负荷最优化法,本研究得到12条主要河流的总氮允许入海量为86,184 t/a,为达成渤海综合治理攻坚战的水质目标,总氮需减排60,505 t/a。基于陆海统筹考虑,本文分配了研究范围内各地市总氮削减量。本研究对有效改善山东省渤海近岸海域环境质量具有重要参考价值。

English Abstract

  • 山东省渤海近岸海域主要包括莱州湾、黄河口和渤海湾南部海域。从20世纪80年代开始,在高强度陆源污染物排放、大规模无序围填海作业等多重人类活动的作用下,山东省渤海近岸海域环境质量显著下降,生态系统呈亚健康状况,突出表现在溶解无机氮(DIN)含量超标严重,氮磷比严重失衡,富营养化程度居高不下,赤潮等生态灾害时有发生[1]。山东省渤海近岸海域已成为我国近岸环境问题最突出的海区,严重制约了环渤海经济社会的可持续发展。

    党的十九大以来,在坚决打好污染防治攻坚战的时代背景下,渤海是重要的污染防治攻坚战场,山东省政府高度重视近岸海域污染防治工作,2017 年印发了《山东省近岸海域污染防治实施方案》,2019 年印发了《山东省打好渤海区域环境综合治理攻坚战作战方案》,力求圆满完成攻坚战目标。本文基于陆海统筹,对山东省渤海近岸海域总氮产生、排放进行总量控制研究,着力解决渤海近岸污染基础研究工作不足的问题,为有效改善山东省渤海近岸海域环境质量,实现《渤海综合治理攻坚战行动计划》水质目标,提升山东省渤海近岸海域的环境管理水平提供科学依据和技术支撑。

    • 总量控制制度是一项专业性、技术性较强的制度,其实施不仅需要有方向性、原则性的规定,更需要有具体、可操作的技术指导。水环境总量控制是一种比较先进的水环境保护思想和管理方法。20世纪60年代开始,美国、欧盟、日本等发达国家的水质规划是污染物总量控制研究的早期示范,以浓度控制为主。随着时代发展和科技进步,水质规划中加入了总量控制的概念。美国切萨皮克湾采取最大日负荷总量(TMDL)策略[2-4],充分考虑总量控制和分配的主要因素,实施以来水环境污染控制取得了明显的成效。欧洲波罗的海沿岸国家,通过排海污染物总量控制和综合治理措施,波罗的海生态环境得到恢复和改善[5-6]。日本的濑户内海[7-8],通过《濑户内海环境保护特别措施法》等立法措施,总量控制实践同样取得了丰硕成果。近年来,总量控制在水环境保护中的作用日益凸显,国内也进行了诸多相关研究[9-10],但相关研究缺少陆海统筹方面的关注,基本都只是把入海污染物的允许排放量分配到各排污源,无法制定相关控制方案,缺少可操作性。陆源是海洋污染物的主要来源,只有把陆地的污染治理好,才能从源头减轻海洋污染,因此,陆海统筹应是近岸海域污染物总量控制的主要原则。

    • 本文把“流域−河口−近海”作为一个有机整体,统筹考虑陆域和海域的产污、纳污情况,根据海洋环境质量改善目标和管理要求确定陆域、海域减排控制要求,并进一步将减排控制要求上溯至流域,逐步实现上下游、海陆间污染的联防联控。本研究包括总量控制区域确定、水质调查与评价、总量控制指标识别、陆源污染物入海总量调查评估、水质目标制定、允许排放量计算、污染物削减总量分配等主要部分,技术路线见图1

      图  1  总量控制技术路线

      Figure 1.  Total quantity control technology roadmap

    • 首先确定海域范围,再“以海定陆”确定陆域范围。考虑地方政府是总量控制实施的主体,在确定海域和陆域范围时,以相关地市级、县级行政区划为边界。

      海域范围:山东省渤海近岸海域,包括滨州市、东营市、潍坊市、烟台市(招远市、龙口市)管辖海域,山东省与河北省交界海域,山东省与渤海中部交界海域,等等。

      陆域范围:通过河流或入海直排口向渤海海域直接和间接输入污染物的山东省陆域范围。包括滨州市、德州市、东营市、菏泽市、济南市、济宁市、聊城市、泰安市、淄博市、潍坊市、烟台市、青岛市、日照市、临沂市等14市。其中,烟台市、青岛市、菏泽市、日照市、济宁市等城市仅有部分区域位于本文的研究范围内。

    • 山东省渤海近岸海域2011-2019年海水水质状况见图2。山东省渤海近岸海域海水水质总体呈波动趋势,优良水质的比例平均值达65.2%。2012年和2013年优良水质比例较低,不到50%,水质下降显著。2014年以后,多数年份恢复到70%以上。劣四类水质比例平均值为10.1%,2012年、2013年、2015年、2018年劣四类水质比例超过10%,其他年份劣四类水质比例均在10%以内。主要超标物质为无机氮,海水中无机氮的来源与陆源输入总氮息息相关,考虑陆海衔接,总量控制指标识别为总氮。

      图  2  渤海山东省近岸海域2011-2019年海水水质状况

      Figure 2.  Seawater quality of Bohai Sea in Shandong province from 2011 to 2019

    • 陆源污染物入海总量调查评估采用输出系数法,数据基准年设定为2018年。结合收集的山东省水利部门调查资料,在系统分析基础上,归并了部分入海口邻近河流,确定了黄河、小清河等12条入海河流作为研究对象。对山东省DEM数据进行水文分析,提取河网及汇水区,最终划分为20个流域,82个子流域,其中25个子流域为入海流域,如图3所示。

      图  3  山东省主要渤海入海河流子流域划分结果

      Figure 3.  Sub watershed division of main rivers into the sea in Shandong province

      基于水利部门入境、入海河流流量数据,根据流域水量平衡原理,计算山东省主要渤海入海河流的径流量:

      W实测径流量=W天然W工业W农业W生活W库蒸发W库渗漏W蓄变W调水

      式中:W实测径流量为河流实际径流量;W天然为水资源公报中天然径流量;W工业W农业W生活分别为工业、农业灌溉、居民生活耗水量;W库蒸发为水库、闸坝库区水面蒸发与陆面蒸发的差值;W库渗漏为水库、闸坝渗漏量;W蓄变为年初、年末水库及地下水蓄水量的变化,增加为正,减少为负;W调水为跨流域调水及分洪量,调出为正,调入为负。

      根据物质守恒定律,流域中氮、磷营养盐的滞留量($ R $)等于流域营养盐的排放量($ D $)减去流域出口处营养盐的负荷量($ L $),即$ R=D-L$[11]。通过以下公式可以估算出河流系统中氮营养盐的滞留系数(R/D):

      式中:$ HL $为水力负荷,表示单位时间内通过单位面积的水体体积;$ a$$b $为模型系数,根据物质类型取常数值,对于总氮,a = 1.9,b = −0.49;Q为河流年平均径流量;AL,R为水库、湖泊的面积;A为子流域面积。

      流域滞留是由陆面滞留和河道水库滞留叠加而成,将每个子流域的滞留分解为陆面滞留系数、河道水库滞留系数;然后根据流域汇流关系计算出入境污染物、点源污染物、面源污染物的入海系数;入境污染物、点源污染物、面源污染物的排放量乘以各自对应的入海系数,即得到入境污染物、点源污染物、面源污染物的入海量。

      通过计算得到,2018年,山东省总氮入海量为147035吨,其中,河流总氮入海量为145799吨,直排口总氮入海量为1256 吨。山东省境内自产出总氮入海量为33680吨,占总氮入海量的22.9%,由山东省外排放到山东省的总氮入海量为113355吨,占总氮入海量的77.1%,是境内自产出总氮入海量的3.4倍。

      在山东省境内自产出总氮的入海量33680吨中,工业总氮入海量为2617吨,城镇居民生活总氮入海量为11870吨,农业化肥总氮入海量为3601吨,畜禽养殖总氮入海量为10602吨,农村居民生活总氮入海量为4545吨,淡水养殖总氮入海量为445吨。从行业看,总氮入海量贡献大小依次为城镇居民生活、畜禽养殖、农村居民生活、农业化肥、工业、淡水养殖。

    • 《渤海综合治理攻坚战行动计划》设定了山东省渤海近岸海域水质目标:“进一步保证近岸海域水质的稳定,全年符合优良海水水质的比例平均值不低于75%,第四类和劣四类海水水质比例全年平均值不超过10%”。据此目标,结合山东省近年来水质状况分布,本文综合确定了山东省渤海近岸海域水质目标具体空间分布,见图4

      图  4  山东省渤海近岸海域水质目标示意图

      Figure 4.  Figure of seawater quality target in Shandong province coastal area of Bohai Sea

    • 基于FVCOM数值模拟技术,开展渤海属地化的研发应用,并对山东省渤海近岸海域(含黄河入海口邻近海域)进行局部加密。采用非结构化网格和有限体积法来提高对曲折岸线的贴合程度。以最新版海图数据制作网格水深,部分缺失数据由ETOPO1补充和订正,采用NCEP CFS逐小时风场和tpxo 9.0潮汐数据作为模型驱动和边界条件,构建渤海精细化数值模型,其中,山东省渤海近岸海域水平网格精度为10~200 m(图5)。并利用对流扩散方程构建山东省渤海近岸海域的水动力−水质耦合模型。根据水质控制目标,在不同水质标准的两种水域的交界线上设水质控制点,使这些点的浓度不超过较严格的海水水质类别,以保证各类水域分别达标。采用入海负荷线性规划法计算各污染源的污染物允许排放量,计算结果见表1

      图  5  模型计算网格及水深

      Figure 5.  The mesh and water depth of the model

      河口允许排放量现状排放量削减量削减比例
      潮河 636 489 −147 尚有余量
      广利河 635 488 −147 尚有余量
      黄河 60805 123200 55221 45%
      黄水河 854 657 −197 尚有余量
      胶莱河 316 1249 934 75%
      马颊河 2240 2473 −15 尚有余量
      弥河 481 2623 2031 77%
      徒骇河 4027 3586 −1075 尚有余量
      王河 1373 1056 −317 尚有余量
      潍河 721 1216 499 41%
      小清河 3749 7266 3552 49%
      漳卫新河 2247 2386 166 7%
      合计 86184 146689 60505 41%

      表 1  各污染源总氮允许排放量表(单位:t/a)

      Table 1.  Allowable total nitrogen emission of each pollution source

      从评估结果可以看出:

      (1)山东省渤海近岸海域总氮需大幅削减。为达成水质控制目标,总氮排放量需削减60505 t/a,削减比例达到41%。

      (2)总氮排放量削减量最大的是黄河,其总氮排放量需削减高达55221 t/a,削减比例达到45%。需要指出的是,黄河入海量评估都是以利津水文站的调查资料作为率定基础数据,但利津水文站距离黄河实际入海口约100 km,且临近河口是大面积的国家级河口湿地自然保护区,拥有良好的自然生态环境,构成生态屏障,大片芦苇、碱蓬湿地对营养物质具有很好的生态削减作用,实际黄河河口区域的营养物质环境容量应大于本次评估得出的允许排放量。另一方面,根据黄河流域陆源污染评估,黄河山东省境内总氮产生量只占黄河入海总氮量的8%,按此比例,山东省黄河总氮削减量为4418 t/a。

      (3)小清河总氮排放量在诸河中仅次于黄河,远高于其他河流,需要大幅削减其总氮入海量。小清河位于莱州湾湾底,河口区域为港口、围海养殖、盐田等,周边和河道多人工岸线,造成该区域水动力条件较弱并缺少自然生态屏障。本研究过程中,小清河正进行整治复航工程建设,随着该工程建设的完成,将对河道、河口进行清理整治,可观后效。

      (4)弥河、胶莱河也需要大幅削减总氮排放量,其中,弥河归并了虞河、白浪河等河流,这与这些河口区域的控制目标较严格(第二类海水水质标准)有关。这些河流同样于莱州湾湾底入海,距离小清河河口不远,同时受到了黄河一定的影响。这些河口区域也多为围海养殖、盐田等人工岸线区域。在可能的情况下,退围还湿、增加生态屏障是减少这些河流对海洋生态环境影响的途径之一。

    • 根据本文进行的陆源污染入河负荷评估,本着谁污染谁负责的原则,对陆域各地市级行政区进行总氮排放量削减分配。山东省渤海入海河流流域涉及的地市入河总氮量以及在水质目标条件下各地市总氮削减量见表2

      地市入河总氮量/t比例/(%)总氮削减量/t
      滨州 10625 10.0 966
      东营 6411 6.0 583
      潍坊 5260 4.9 478
      烟台 8029 7.5 730
      德州 18015 16.9 1638
      聊城 12143 11.4 1104
      济宁 22 0.0 2
      临沂 2789 2.6 254
      泰安 18687 17.5 1699
      济南 14227 13.3 1293
      日照 117 0.1 11
      青岛 825 0.8 75
      淄博 9567 9.0 870
      合计 106717 9702

      表 2  各地市总氮削减量分配表

      Table 2.  Distribution table of total nitrogen reduction in different cities

    • 本文在对山东省渤海近岸海域污染源调查和历史数据分析基础上,确定总氮作为总量控制的主要污染物;利用输出系数法评估陆源污染物入海总量,弄清了陆源入海污染物来源及时空分布格局,评估了分流域、分区域、分海域、分行业的主要污染物入河入海污染贡献情况;结合山东渤海近岸海水水质目标,计算了各主要河流的允许入海量,进而与陆源入海污染物时空分布格局相结合,陆海统筹考虑,确定了各行政区总氮削减量,可为流域内污染物总量分配与减排提供科学依据,有助于与地方具体生态环境管理工作接轨,具有可操作性。

      在山东省渤海近岸海域海水水质后续的管理实践中,应继续定量考核总量控制成果。对于未能达到总量控制目标的区域,重新检视,制定新一轮的总量控制管理措施;对于达到总量控制目标的区域,维持状况或制定更高的管理目标。

参考文献 (11)

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