珠江流域船舶污染滯留時間研究

劉忠輝 宏波 胡金鵬

摘? ? 要：船舶污染物對珠江流域的水質(zhì)和水環(huán)境有很大的影響，了解污染物在流域內(nèi)擴(kuò)散和滯留時間的情況，對高效處理污染物有重要意義。應(yīng)用三維水動力模型EFDC對珠江流域的水動力過程進(jìn)行模擬，研究珠江流域船舶污染的滯留時間和污染物濃度變化。結(jié)果表明，研究區(qū)域中深圳灣的污染物滯留時間最長，洪季約一個半月、枯季可達(dá)3個月。綜合污染物滯留時間和濃度變化情況，本文建議在珠江洪季時污染治理的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)榍昂澈蜕钲跒?，枯季為海鷗島和前海灣。

關(guān)鍵詞：珠江;船舶污染;滯留時間;三維水動力模型

中圖分類號：TV82? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Pollution from ships has a great impact on the water quality and water environment of the Pearl River basin. It is of great significance to understand the diffusion and retention time of pollutants in the basin for the efficient treatment of pollutants. Three-dimensional hydrodynamic model EFDC is used to simulate the hydrodynamic process in the pearl river basin to study the residence time and pollutant concentration changes of ship pollution in the pearl river basin. The results show that the pollutant retention time in Shenzhen Bay is the longest， about one and a half months in flood season and three months in dry season. Based on the variation of pollutant retention time and concentration， this paper suggests that the key areas for pollution control during the Pearl River flood season are Qianhai Bay and Shenzhen Bay， and the Seagull Island and Qianhai Bay in the dry season.

Key words： Pearl River; ship pollution; residence time; three-dimensional hydrodynamic model

1? ?前言

珠江流域航運(yùn)系統(tǒng)發(fā)達(dá)，而船舶在運(yùn)營過程中，往往會給航道區(qū)域的水體造成一定的污染。污染來源主要有2個方面：船舶事故導(dǎo)致的事故性污染;船舶日常運(yùn)營產(chǎn)生的操作性污染[1]。兩種污染對珠江流域的水質(zhì)和水環(huán)境都會產(chǎn)生影響。

發(fā)生事故性污染時，污染物會在短時間內(nèi)大量進(jìn)入?yún)^(qū)域水體，對當(dāng)?shù)厣踔琳麄€流域造成嚴(yán)重的影響。宮云飛等[2]研究發(fā)現(xiàn)廣東省是發(fā)生溢油事故的大省，溢油量也是最高的。目前，我國已有對內(nèi)河航道的危險(xiǎn)品運(yùn)輸要求的法律法規(guī)，降低了危險(xiǎn)物質(zhì)進(jìn)入河道的可能性[3]，但是珠江流域“一橫一網(wǎng)三線”航道網(wǎng)格布局會增加船舶發(fā)生溢油或運(yùn)輸品泄漏事故的概率[4]。2010年4月11日在澳門機(jī)場附近海域發(fā)生船舶碰撞導(dǎo)致的乙烯焦油泄露事故，對附近海洋生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。

船舶運(yùn)營過程中產(chǎn)生的操作性污染，主要包括洗浴、洗滌、餐廚污水、糞便及沖洗水污染和艙底油污水污染。目前對船舶生活污水處理的限定是“黑水”，即對排水混有糞便污水時才要求對其進(jìn)行處理[5]，但其余操作性污染物對水質(zhì)仍有較大影響。

有效處理船舶污染物的方法一直是世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)，也是許多學(xué)者研究的方向。一方面對污染物的處理設(shè)備研發(fā)不斷有新的成果產(chǎn)出，如溢油回收船[6]、新型船用生活污水處理裝置[7]等;另一方面也有對發(fā)生事故性污染對污染物可能的傳播擴(kuò)散的研究，如使用X波段雷達(dá)對溢油情況進(jìn)行監(jiān)測[8]、利用數(shù)學(xué)模型繪出溢油事件發(fā)生后溢油情況的概率地圖[9]等。但是對特定區(qū)域長期的船舶污染研究較少，沒有對污染的日常治理提出建議。鑒于此，本文利用三維水動力模型EFDC，對珠江流域船舶污染的滯留時間和全年污染物濃度變化進(jìn)行研究，為有關(guān)部門進(jìn)行日常清污活動提供重點(diǎn)區(qū)域，提高船舶污染物處理效率。

2? ?數(shù)值模型的建立與驗(yàn)證

2.1? 研究區(qū)域

珠江流域位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的南部，夏季高溫多雨是洪季，冬季溫和少雨是枯季，全年徑流量變化非常大。珠江的東四口門，是指珠江向東注入伶仃洋的四個口門，即虎門、蕉門、洪奇瀝和橫門，該區(qū)域的污染物排放量約占珠江三角洲的75.5%[10]，故本文重點(diǎn)研究和分析珠江的東四口門區(qū)域與伶仃洋區(qū)域污染物的滯留時間和污染物濃度變化情況。

為了得到與實(shí)際水動力過程相近的模擬結(jié)果，模型模擬區(qū)域包括了珠江河口及其鄰近海域（圖 1）。圖1（b）是圖1（a）中框選的區(qū)域，其中標(biāo)明了珠江的八大口門位置，圖中示蹤劑源是模型運(yùn)行過程中釋放示蹤劑的地點(diǎn)。

2.2? 研究方法

本文采用的三維水動力模型EFDC是由美國威廉瑪麗大學(xué)維吉尼亞海洋科學(xué)研究所John Hamrick等人開發(fā)的三維地表水水質(zhì)數(shù)學(xué)模型[11]，可實(shí)現(xiàn)河流、湖泊、河口和海洋等水體的水動力學(xué)和水質(zhì)模擬，是一個多參數(shù)有限差分模型，已經(jīng)在很多河口海岸地區(qū)有過成功應(yīng)用[12，13]。

本文模型利用珠江2007年的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)2007年的真實(shí)水動力環(huán)境，以提出在不同時期的污染物處理策略。模型采用曲線正交網(wǎng)格模擬珠江河口及其鄰近海域，垂向上有10個層。潮汐諧波數(shù)據(jù)由美國俄勒岡州立大學(xué)潮汐預(yù)測軟件（OTPS）算得，并用于模型開邊界的驅(qū)動;風(fēng)力數(shù)據(jù)來源于香港機(jī)場（圖1（b））觀測站采集的數(shù)據(jù);徑流量數(shù)據(jù)采用珠江三條主要支流的上游各站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，即石角站（北江）、高要站（西江）和博羅站（東江）;各個淡水源的流量分配，按照珠江流域水資源保護(hù)局公布的比例（表 1）進(jìn)行。

2.3? 模型驗(yàn)證

利用模型對珠江河口的模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型模擬結(jié)果的可靠性。

2.3.1 水位驗(yàn)證

取珠江河口區(qū)域的8個站點(diǎn)三灶、香港、MO1、九洲港、內(nèi)伶仃、桂山島、燈籠山、黃埔（見圖 2）作為水位驗(yàn)證點(diǎn)，所使用的水位驗(yàn)證實(shí)測數(shù)據(jù)均為2007年在各站點(diǎn)的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)。

本文通過計(jì)算Wilmott[14]提出的Skill值來反映模型模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)之間的匹配程度。Skill按下式計(jì)算：

2.3.2? 潮流驗(yàn)證

以圖 2中的MO1站點(diǎn)作為潮流驗(yàn)證點(diǎn)，把驗(yàn)證點(diǎn)處2007年7月第一周的模擬數(shù)據(jù)與2007年該站點(diǎn)實(shí)測潮流數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。圖 4為MO1驗(yàn)證點(diǎn)水深8.3 m和9.3 m處的潮流變化情況，從圖中可以看出8.3 m和9.3 m處的實(shí)測潮流與模擬潮流的流速與流向都吻合良好，故模型對外部動力環(huán)境響應(yīng)的模擬與實(shí)際較為相符，模型滿足模擬珠江河口區(qū)域的水動力要求。

2.4? 滯留時間

模型的示蹤物釋放于圖 1中所標(biāo)明的示蹤劑源的水體表層，并在模擬期間持續(xù)釋放。在示蹤物釋放位置的邊界條件為C （ t， x， y， z ）=1且a （ t， x， y， z ）=0;在水底處的邊界條件為C （ t， x， y， z ）=1且a （ t， x， y， z ）=0。

3? ?計(jì)算結(jié)果及分析

珠江全年徑流量差異明顯（如圖 5所示），2007年珠江徑流量最高達(dá)4.061×104 m3/s，最低時僅1.776×103 m3/s，相差近23倍。而在河網(wǎng)及伶仃洋區(qū)域的污染物的擴(kuò)散情況，受徑流的影響很大。本文選擇六月作為珠江典型洪季、十二月作為典型枯季對研究區(qū)域進(jìn)行分析。為了減少徑流量劇烈波動帶來的影響，本文對選取月份的污染物滯留時間進(jìn)行月平均，最終得到污染物在典型洪季和枯季的滯留時間分布圖。

3.1? 區(qū)域表層污染物滯留時間

當(dāng)污染物進(jìn)入水體后，由于水體的降解、稀釋和沉淀等物理化學(xué)作用，污染物濃度會降低，但在這個過程中污染物依舊會對當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)造成損害，此時不同地域污染物的滯留時間是反映污染物可能造成危害的重要指標(biāo)。水域的污染物滯留時間越長，則污染物越容易對當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)和水生物環(huán)境造成損害。圖 6、圖 7分別是珠江東四口門河網(wǎng)與伶仃洋的污染物在洪季和枯季的滯留時間。

從圖 6顯示：洪季河網(wǎng)中污染物的滯留時間較短，最高12天;而在前海灣和深圳灣兩地的滯留時間較長，前海灣最高29天、深圳灣內(nèi)滯留時間最高達(dá)39天。

枯季由于珠江的徑流量要遠(yuǎn)低于洪季的徑流量，污染物在河網(wǎng)中傳播和擴(kuò)散的速度要比洪季慢很多。從圖 7顯示：滯留時間低于20天的區(qū)域僅有各支流上游區(qū)域和蕉門、洪奇瀝和橫門口門附近;伶仃洋的大部分區(qū)域滯留時間都較長，且東部滯留時間長于西部;枯季海鷗島附近污染物的滯留時間較長，達(dá)38天;而深圳灣中污染物滯留時間達(dá)98天。

3.2? 表層污染物濃度變化情況

珠江航運(yùn)系統(tǒng)發(fā)達(dá)，全年不斷的船舶運(yùn)營會持續(xù)向珠江釋放污染物。本文通過全年在圖 1示蹤劑源處釋放示蹤物來模擬從珠江河網(wǎng)上游排入伶仃洋的污染物的擴(kuò)散情況。

如上所述，海鷗島、前海灣和深圳灣的污染物滯留時間較長，如果從上游輸運(yùn)到當(dāng)?shù)氐奈廴疚锏臐舛纫草^大，則該區(qū)域的水質(zhì)和水生態(tài)將會受到非常嚴(yán)重的影響，故選擇海鷗島、前海灣和深圳灣3個區(qū)域進(jìn)行研究。全年示蹤物在各區(qū)域的濃度變化如圖 8所示，釋放點(diǎn)處濃度為1。由于海鷗島距離示蹤物釋放點(diǎn)很近，所以全年該區(qū)域的濃度都較高;而由于洪季徑流量大，前海灣和深圳灣區(qū)域接收到的污染物較多，故這些區(qū)域在洪季的污染物濃度較高，洪季前海灣污染物濃度最高可以達(dá)到0.98。

3.3? 治理建議

由于珠江徑流量全年變化很大，這對珠江河口區(qū)域與伶仃洋區(qū)域的污染物擴(kuò)散情況有重要影響，故根據(jù)珠江的枯季、洪季給出下列不同的建議：

（1）洪季：河網(wǎng)內(nèi)污染物滯留時間都較短，雖然從上游輸運(yùn)到當(dāng)?shù)氐奈廴疚餄舛容^高，但不會對水環(huán)境造成很大的損害，即使是重大事故性污染，也會很快輸運(yùn)到伶仃洋中;而伶仃洋區(qū)域，尤其是其東部區(qū)域的污染物滯留時間較長，污染物濃度較高，故在洪季，伶仃洋東部的前海灣和深圳灣應(yīng)作為污染物治理的重點(diǎn)區(qū)域。

（2）枯季：海鷗島附近是珠江河口東四口門河網(wǎng)區(qū)域滯留時間最長的區(qū)域，且污染物濃度在0.8左右，該區(qū)域的污染物如果不及時清理，將會對當(dāng)?shù)厮h(huán)境造成嚴(yán)重影響;前海灣污染物濃度較低，但是污染物在該區(qū)域滯留時間較長，也應(yīng)該作為重點(diǎn)清污區(qū)域;深圳灣的污染物濃度僅為0.2左右，在未發(fā)生重大事故性污染情況下，該區(qū)域受污染的影響將較小，故在枯季海鷗島和前海灣應(yīng)是重點(diǎn)清污區(qū)域。

4? ?總結(jié)

本文利用三維水動力模型EFDC對珠江流域船舶污染擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬，重點(diǎn)研究了珠江的東四口門區(qū)域與伶仃洋區(qū)域污染物的滯留時間情況與全年海鷗島、前海灣和深圳灣區(qū)域污染物濃度變化情況。

污染物在河網(wǎng)內(nèi)的滯留時間比伶仃洋區(qū)域的少;而伶仃洋的滯留時間分布特點(diǎn)為東高西低，最東邊的深圳灣的污染物滯留時間最長，其在洪季滯留時間約為一個半月，枯季可達(dá)3個月。

綜合分析污染物在各區(qū)域的滯留時間和全年污染物濃度變化的情況，本文建議洪季污染物治理的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)榍昂澈蜕钲跒?，而枯季?yīng)重點(diǎn)關(guān)注海鷗島和前海灣區(qū)域。當(dāng)在枯季發(fā)生重大事故性污染時，及時人工干預(yù)清理深圳灣的污染物也是非常必要的。

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