黄志明，林 霄，谢旭峰,焦开心

(1.广东海洋大学数学与计算机学院，广东 湛江 524088;2.广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088)

湛江湾具有非常重要的战略地位，海域曲折复杂且形状不规则，南部有东海岛、硇洲岛等作为天然屏障，港内水深浪静，回淤少，四季不冻，是得天独厚的优良港湾。湛江湾作为湛江市区的战略资源，具有悠久的海洋渔业发展历史，经过十余年的扩大与发展，已成为湛江最为重要的海洋渔业养殖区。湛江湾中拥有大量的水产品，种类丰富，质量优越，常年作为广东省重要海鲜食品来源。湛江湾的战略意义不仅仅体现在经济发展上，对湛江的气候调节也起着重要作用，相同的价值也体现在空气质量改善上—湛江湾丰富海洋生物的光合作用。除此之外，凭借海洋生态系统的自净功能，湛江湾每年还能处理大量污染物，这是最宝贵同时也是最易被破坏的战略价值。近年，以钢铁企业为代表的重工业纷纷转移到湛江，使得湛江经济飞速发展的同时，也面临着潜在的环境问题。水源污染对人民生活和健康极为不利，也会影响工、农、渔业生产[1- 2]以及经济发展和社会稳定[3]。而重金属带来的水污染成为了社会各界关注的焦点[4]，重金属具有较强的生物毒性，且易积累、可通过食物链转移和难以降解[5]，是海洋生物环境的重要污染物之一[6]。因此，如何在发展临湾重工的同时保护好湛江湾的生态环境价值，是值得所有人共同探讨的问题。减少重金属的入湾排放是湛江湾海域生态维持的关键，因此查明湛江湾水域污染的情况具有重要的意义。

1 湛江湾以及类似海域历史调查数据分析

及时准确地找到污染来源是污染事件的解决关键，而重金属污染可以作为衡量海水污染的一项指标。重金属一般比重大于5，约有四十多种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、锰、汞等。对于一些生命活动所需要的微量元素，以及一些非生命活动所需的金属，存在难以在人体内进行代谢的情况，影响生命的正常所需发育[7- 8]。

1.1 湛江历史数据分析

湛江港海水中各重金属的富集系数见表1。从表1中可见湛江湾海水中Pb的污染较为严重[9]，在东海岛北面以及东面海域出现了超标。湛江湾海水污染主要来源[10]有以下几个方面：①工农业作业，以及汽车等排出的有害气体到大气中，里面包含有大量的重金属元素，再通过自然沉降等方式，进入海水中；②农业生产中农药、化肥的使用会污染土壤。通过雨水的溶解滲入地下直到港口；③沿岸用未处理的污泥施肥，其中含有大量重金属，会导致重金属含量增加。

湛江港海水中各重金属富集系数表现结果如图1所示，单项污染指数值如图2所示。由图2可知，站点由1到30号进入深海区，单向的污染指数均未超过1。并且与渤海湾的重金属含量进行相对

表1 湛江港海水中各重金属的富集系数0 单位：mg/L

图1 湛江港海水中各重金属的富集系数

图2 湛江港表层沉积物中重金属的单项污染指数值

比[11]，湛江港湾沉积物中重金属含量与国家海洋沉积物质量标准相对比，符合第3类沉积物质量标准，海域表层沉积物的质量现状总体较好。由沉积物污染浓度大小排列为;As>Zn>Pb>Cu>Hg>Cd，但由于湛江生物所需矿物质量中As为生物所需，含量最高的As并不是最大的危害。

1.2 存在潜在危害方法

重金属是有潜在危害的重要污染物，非常难以被生物分解[12]，会在水体中成千百倍地富集[13- 14]，其对水生生态系统危害的计算方式[15]:

Er=Tr×Cf

(1)

式中，Er—潜在生态风险因子；Cf—重金属的富积系数；Tr—于反应重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度，为重金属的毒性响应系数。

各种重金属的毒性系数见表2，由此可知，As的毒害系数较低，富积系数中Hg的危害性最大，但不超过30，Pb和Zn的危害系数不高，但是含量即将突破安全区间，由于这里采用的是均值计算，误差较大，针对表1数据，利用数学建模建立相关模型对数据进行分析检测。

表2 各金属毒性系数表

2 模型建立与治理

2.1 建立单项检测以及扩散模型

单项污染指数法：组内成员根据实际情况，依据掌握数据的类型，最终决定使用单项污染指数法，其计算公式如下：

(2)

式中，Cif，Cis，Cin—海水中不同元素i的单个指数、实际测量含量和固定标准值；Cin—《海水水质标准》中的标准限值。当Cif<1，表示海水中重金属含量符合标准；当Cif>1时，表示海水中重金属含量不符合标准。

固定污染源从沿岸向海洋深处的输移和扩散法：

(3)

(4)

式中，u，v，w—海流沿坐标轴的速度分量；P—大气压力；ξ—湛江湾面的增感。

2.2 模型求解与分析

(1)单向污染指数求解：由于湛江湾的水质属于第三类水质，经过计算，利用单项污染指数法得出：Pb(1.29)和Zn(1.26)高出水质标准，而其余重金属低于原标准。综上湛江港湾海水重金属Pb、Zn含量较高，污染严重。

(2)对于扩散模型，取标准大气压，假定扩散浓度从表1中的各站点的重金属富集系数最大值到最小值均匀减小，其余各项指标根据湛江湾实际所测数据计算0:

(5)

(6)

(7)

式中，S—污染物质在所定点的扩散浓度；ωn—重力沉降速度；Kx，y，Kz—水平、垂直紊流扩散系数；τ0—污染物质的扩散寿命；l=2ωsinφ—科里奥利参数；ω—地球自转角速度；φ—地理纬度；ν—液体的垂直紊流粘滞系数；ρ0—平均密度。

科式参量为三维坐标(取湛江湾地区所在空间坐标)，故在相同时间内扩散，扩散系数见表3。根据扩散系数表，计算出Pb和Zn的污染浓度S增长速率比其它元素高，扩散速率大小排序为：Pb>Zn>Cu>Hg>As>Cd，即与模型一相呼应，如图3所示。

表3 各金属在海域中的扩散系数

图3 各金属在海域中的扩散速率趋势

2.3 治理污染措施

控制水域污染源头：水体被重金属污染后，整个水域生态系统都会受到极大影响，因此应当优先对城市周边各排污口等污染源头进行控制。

积极治理工业废物：消除废水对加工食品的有毒化学污染;加大对剧毒农药生产、使用的管理力度;积极研制低毒、高效、低残留的新型农药。

加强海域生物药物使用管理：加强生物药品品种与使用条件的管理，同时规定休药期，预防药品的蓄积。

坚持食品污染物源头控制和生产过程控制相结合：通过严格生产过程卫生控制，降低食品中相关污染物含量，同时严格遵照我国食品卫生条例标准，积极检测海洋生物重金属含量。

3 结语

本文通过对湛江湾各个站点现有重金属含量以及对照其余海域的一些重金属含量进行分析，与国家海洋标准相对比，湛江湾的水域重金属含量低于标准含量，即证明湛江湾水域对生物正常生活不会有太大影响。对于湛江湾未来水域是否继续维持在安全范围内，这是应该研究与改进的预测模型方向之一，同时本文的数据没有存在强烈的对比性，应该针对多方面获取的数据进行再次验证，分析重金属的变化情况。针对于重金属的质量分析，重金属检测法以及污染源的扩散模型在我们的实际生活中有很大的使用价值。