赵 辉

（大连市生态环境事务服务中心，辽宁 大连 116023）

1 研究背景

海洋占地球表面积的71%，是生态系统的重要组成成分，对人类的发展至关重要。然而海洋资源开发程度高的同时，排污问题也会随之而来。随着我国沿海城市的经济发展和城镇化进程的推进，滨海城市工业废水和生活污水所携带的污染物相应增加，近岸海域环境质量污染呈加剧趋势[1]。排污是否超量，如何防治海域污染成为许多临海城市寻求可持续发展的重要课题。大连湾位于辽东半岛最南端，其岸线长125 km[2]，是北方最大的水产品交易中心，海域资源高度开发，有较高的生态敏感性；大连市有近600万人口，排污量大；大连湾为半封闭性海域，海水交换周期长，水体内无机氮，无机磷等含量较高[3]，这些都给大连湾的污染防治工作带来极大的考验。该文对大连湾附近的排污状况进行了量化分析，并通过数学模型等手段分析污染物的演变规律，这些模型可以合理推断污染物对相关海域的影响，以及对相应防治策略的有效性进行预测。

2 研究对象与研究思路

2.1 研究范围

该文主要研究了大连湾海域的排污及防治措施。大连湾海域隶属于大连市甘井子区，根据《海湾志》对大连湾海域的划分，结合环境管理的相关标准，我们研究的区域范围是东经 121°36'—121°52'，北纬 38°55'—39°4'，总研究海域面积为161 km2。

2.2 研究方法

该文认为，科学防治大连湾海域污染大致分为3个步骤。1）基于数据分析大连湾排污现状，根据污染状况的比例，找出重要的污染源。2）建立数学模型，预测大连湾水质的演化规律，对无干预情况下大连湾水域的发展演化做出预测。3）提出科学防治的措施，结合数学模型分析为什么相应的措施可以有效解决污染状况。该文的研究思路框图如图1所示。

图1量化分析研究策略

3 大连湾污染物数据分析

根据2016年监测统计数据，大连湾废水排量为50 325万吨，其中18 892万吨来自工业源排放，25 510万吨来自生活源，剩余5 923万吨来自降雨径流排放。各种废水排放的源头比例情况如图2所示。

图2 大连湾陆源废水排放量分布

大连湾总氮排放量为9 293 t，其中627 t为工业源排放，7 352 t为生活源排放，1 314 t位降雨径流排放，各源头总氮排放量如图3所示。

我们也对其他几种污染物进行了数据分析，大连湾化学需氧量（COD）排放为53 951 t，其中4 264 t为工业源排放，37 466 t为生活源排放，12 321吨则来自于降雨径流排放;氨氮排放总量为4 702 t，其中111 t来自工业源排放，3 814 t来自生活源排放，777 t为降雨径流排放;总磷排放量为613 t，其中27 t来自于工业排放，489 t来自于生活排放，而97 t来自于降雨径流排放。

图3 大连湾陆源总氮排放量分布

从大连湾各种污染物排放源头的数据来看，生活源是大部分污染物的主要来源，其次是降雨径流，然后是工业源，但是对于废水排放来说，工业源排放远大于降雨径流排放。从污染物来源的数据分析可以看出，生活源是污染防治的重点，然而对于废水污染的防治，工业源的污染减少也十分重要。

4 污染物传播模型与数值模拟

在上一节中，我们统计数据分析了水中污染物的来源，可以帮助我们从源头处防治，减少污染物排放。然而污染程度不仅仅取决于排放状况，相关环保指标依赖于排放污染物在海域内浓度，因此了解污染物在水中扩散规律至关重要。该文提出了基于数学模型来模拟各种污染物在大连湾内扩散状况，根据数学模型，我们可以对海域内污染物的浓度及扩散趋势进行数据模拟，掌握科学防治的重点，也可以尝试采取不同措施对浓度的变化进行预测，从而判断措施的有效性。

污染物扩散模型基于三维流场模型，在近岸海域内，污染物会随着海水输运扩散，在运输过程中自然衰减，同时源头处又不断有新的污染物输入，使得整个过程变得非常复杂。物理上，我们用偏微分方程来描述以上污染物扩散规律。根据水质模型，在近岸处污染物的排放满足以下方程：

式中：x，y为二维平面坐标，t为时间，S为任意时刻污染物的浓度，S0为污染物排放浓度，ζ表示海面水体上升的高度，H为静水面下水深，D、w在以三角形节点为中心的控制体上计算，而u和v则基于三角形单位控制体。Kh和Ah为波流联合作用下的垂向紊动系数和水平湍流扩散系数，可以根据叠加法得到。

结合边界条件，我们可以对偏微分方程离散化，使用有限差分或者有限元方法来得到迭代格式，然后通过Matlab进行数值模拟。数值模拟的结果是，我们可以得到任意时刻，污染物浓度在海域内不同位置的数值，了解不同时间段海域内污染物的浓度，判断污染程度S。基于水动力模拟模型，我们以无机氮浓度为例进行数值模拟，预测不同时间段大连湾海域附近的无机氮浓度，结果如图4所示。

经过对比，数值模拟的结果和真实监测的结果类似。我们可用同样的方法，对磷、氨氮等污染物进行类似的预测，根据边界条件、污染物排入、海域特点等预测海湾各处污染物浓度。

5 大连湾海域排污防治建议

在前面两节，我们提出数据分析的方法和数学模型方法来分析污染物的源头以及污染物在大连湾海域内的扩散规律，可以根据这些量化手段来合理防治。

5.1 污染物入海排污源头总量控制

首先可以对污染入海的源头进行控制，针对每种污染物，根据污染物来源统计，对每种源头的总量进行确定，例如对于无机氮控制，应主要考察并限制生活来源的氮排放，而对于废水污染，同时考察和限制生活来源废水排放和工业源废水。首先根据大连地区排污口分布，对大连各地区排污总量加以限制。可将调整口的排污量代入上一节的扩散模型中，检验海域内污染物是否超标。

图4 大连夏季雨后湾海域无机氮浓度分布数值结果

5.2 排污分配方法

在大连湾的排污总量合理的前提下，可以综合考虑经济效益和社会效益，来分配入海污染物允许排放量和消减量。依据“陆海联动、海陆统筹”的原则、重视历史和现状的原则、兼顾公平和效益的原则等，从目前广泛应用的等比例分配法、动态层次分析法和基于容量总量分配法中选取等比例分配法作为分配方法。确定分配方法后，可以用上一节的方程模型来预测相应分配策略下海域各处污染物浓度是否达标。

我们建议可以指定讨论减排方案，这些方案会影响模型中的边界条件和污染输入项，从而影响模拟的结果，对相应措施的效果进行分析。

6 结论

大连湾是大连市工业废水和生活污水的主要受纳海域[4]，其环境治理极其重要。量化分析是多个学科的基石，通过量化分析，我们往往可以找出解决问题的关键，并且预测相应措施的效果。该文用数据分析来找出不同污染物的源头，并提出用数学模型来预测防治措施的有效性，可以大大降低项目成本，高效筛选出行之有效的策略。这些研究方法不仅适用于大连湾海域，也适合推广到其他海域。