閩江口近岸海域無機氮污染來源分析研究

王 軍，朱天依，逄 勇,3，李 森

(1.安徽省環(huán)境科學研究院，合肥 230088；2.河海大學 環(huán)境學院，南京 210098； 3.河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098)

1 研究背景

近年來，我國河口地區(qū)的水環(huán)境現(xiàn)狀不容樂觀，主要超標的水質因子包括無機氮和石油類[1-2]。而其中無機氮是導致河口地區(qū)水體富營養(yǎng)化，引發(fā)海水赤潮的主要因素之一[3]。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，大量生活生產(chǎn)廢水、海水養(yǎng)殖廢水等排放入海，大大加劇了無機氮超標的現(xiàn)象[4]。

國內(nèi)外諸多學者對河口地區(qū)無機氮的主要來源展開了大量研究。侯昱廷等[5]通過實驗測定水體中的無機氮含量、懸浮物含量及沉積物中的總氮含量，并對各形態(tài)的氮進行相關性分析，發(fā)現(xiàn)閩江河口區(qū)氮元素大都來源于陸源輸入；劉勝玉等[6]通過計算珠江無機氮年入海通量并將其與國內(nèi)生產(chǎn)總值等經(jīng)濟數(shù)據(jù)進行相關性分析，得到河口地區(qū)污染物通量與經(jīng)濟發(fā)展呈正相關的結論；江濤[7]采用污染負荷統(tǒng)計模型對長江水體中的氮來源進行了分析，結果顯示畜禽養(yǎng)殖造成的氮流失和大氣中氮的干濕沉降對河口地區(qū)水體中的氮貢獻最大；除此之外，歐美等國利用ECOM和FVCOM海洋數(shù)學模型模擬了洋流、咸潮入侵、污染物輸運等過程[8～11]，更好地研究了無機氮在河口地區(qū)的物理化學循環(huán)過程，從而提出有效的監(jiān)測手段及管理措施。

閩江口海域是福建省重要的經(jīng)濟發(fā)展區(qū)，但其環(huán)境污染問題也較為嚴重。楊玉波[12]通過對閩江口陸源入海排污口開展調查和監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)陸源排污口中的氨氮、總氮和總磷超標嚴重。鄭小宏[13]根據(jù)2008年閩江口海域水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，對COD、DO的分布狀況進行分析，并計算了其環(huán)境容量，得出近岸海域COD容量仍然較大的結論。這些大都是以實驗或監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎對閩江口海域水質展開研究，而本文將以構建二維水質模型的方式，從超標污染權重入手，對閩江口近岸海域無機氮污染來源進行分析，從而提出合理可行的無機氮水質提升措施，為近岸海域水環(huán)境監(jiān)測管理提供科學依據(jù)和技術支撐。

2 研究區(qū)域和計算方法

2.1 研究區(qū)域

閩江為福建省最大河流，主流全長541 km，流域面積60 992 km2，福州市境內(nèi)流域面積8011 km2，長約117 km，貫穿整個城區(qū)。本文研究范圍包括閩江上游水口水庫以上(三明和南平)至外海馬祖列島、白犬列島在內(nèi)的區(qū)域。為了更好地研究各區(qū)域無機氮源來源和貢獻，確定各污染源對閩江口近岸海域無機氮超標的影響權重，本文把閩江口近岸海域劃分為4個區(qū)域開展研究(圖 1)，分別為閩江干流福州區(qū)界外(水口電站以上)區(qū)域、水口電站至閩安區(qū)域、閩江口區(qū)域和閩江口外海區(qū)域。其中，閩江口近岸海域現(xiàn)有兩個國控站位，閩江口川石島監(jiān)測站位和閩江口外監(jiān)測站位，一個省控站位，閩江口梅花東監(jiān)測站位。2015～2018年《近岸海域環(huán)境質量公報》顯示，2016年閩江口近岸海域水質類別為“極差”，其余三年水質類別均為“差”，因此，急需提出合理可行的水環(huán)境管理措施改善閩江口近岸海域水質。

圖1 閩江口近岸海域無機氮來源研究區(qū)域分布圖Fig.1 Distribution of the sources of inorganic nitrogen in Minjiang estuary coastal waters

2.2 計算方法

2.2.1 水動力基本方程

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

2.2.2 水質基本方程

污染物在二維非均勻流中的對流擴散基本方程可以表示為：

(4)

方向的擴散系數(shù)，m2/s；S為源(匯)項，g/m2/s；Sk為動力轉換項，g/m2/s。

2.2.3 權重計算方法

2.2.3.1 超標通量概念

考慮污染流域水質與總量的關系，以考核斷面的水質目標進行測算，超過水質目標的排放總量即對考核斷面的超標污染物通量(超標通量)。

2.2.3.2 計算方法

利用已構建模型，將閩江口川石島考核斷面某時間步長的超標濃度與對應流量相乘得到該時間步長內(nèi)的超標通量，通過疊加計算得到全年超標通量。超標通量公式(式5)和超標污染權重計算公式(式6)如下：

(5)

其中，W為各影響區(qū)域污染源對閩江口川石島考核斷面無機氮的年超標通量；Ci為i時刻川石島斷面模型計算濃度，C0為川石島斷面無機氮標準值，0.30 mg/L；Qi為i時刻川石島斷面模型計算流量；T為計算時間步長。

(6)

其中，β為超標污染權重；Wi為式(5)計算所得各影響區(qū)域年超標通量；W總為計算所得各區(qū)域超標通量之和。

3 模型建立及率定驗證

3.1 模型建立

3.1.1 模型網(wǎng)格劃分及水下地形

本文所構建的閩江水口電站～閩江外海水環(huán)境模型，全長160 km，計算采用三角形網(wǎng)格，內(nèi)河網(wǎng)格邊長約120～140 m，外海網(wǎng)格邊長約為350～400 m，開邊界網(wǎng)格邊長800 m，并對部分深窄河道進行加密，共劃分節(jié)點28 504個、網(wǎng)格53 751個，模型計算網(wǎng)格及高程示意圖見圖 2和圖 3。

圖2 模型計算網(wǎng)格示意圖Fig.2 Computational grid diagram of model

圖3 模型計算地形高程圖Fig.3 Topographical map of model

3.1.2 模型計算條件

3.1.2.1 初始條件

初始水位設為3m(取水位年鑒資料平均水位)，實用鹽度取0.06，溫度20℃，水質濃度取為常規(guī)監(jiān)測均值，起始時刻流速設0。

3.1.2.2 邊界條件

上游水口電站大壩水動力邊界為2016 年逐日下泄流量，水質邊界采用附近雄江斷面2016年水質濃度逐日監(jiān)測值；外海潮位利用34個開邊界點調和生成水位數(shù)據(jù)并經(jīng)過2016年3月10～15日黃岐站的實測潮位資料驗證[14]，水質邊界采用外海監(jiān)測站位2016年實測濃度值；各支流均以概化排口形式入江，各概化排口處水動力邊界采用水文站數(shù)據(jù)，無水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)利用匯水面積進行平均徑流量計算，而水質邊界則根據(jù)污染物入江量進行合理均勻分配獲取，點源(包括直排工業(yè)、污水廠出水、畜禽規(guī)模化養(yǎng)殖)按全年平均分配，面源(包括農(nóng)業(yè)生活、農(nóng)田面源、畜禽散養(yǎng)等)根據(jù)降雨量按不同水期比例分配；閩江口區(qū)域大氣沉降、底泥內(nèi)源釋放等水質影響利用入江量考慮空間均勻釋放。

降雨、蒸發(fā)資料來源于2016年閩江流域水文年鑒；風場(風速風向)等氣象資料來源于中國氣象網(wǎng)。

3.1.3 排污口概化

根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)各街道鄉(xiāng)鎮(zhèn)地形條件以及各類入閩江污染源的空間分布，本文共概化24個排污口，具體分布見圖 4。

圖4 概化排口具體位置圖Fig.4 Location of the concentrated sewage outlets

3.2 模型率定驗證

3.2.1 水動力模型率定驗證

利用2016年水文年鑒中竹岐、文山里水文站逐日流量及白巖潭、琯頭水位站(位置見圖 3)逐日水文數(shù)據(jù)對模型水動力進行率定驗證。模型流量率定及潮位驗證誤差值見表 1，從表1可見，模型流量計算模擬值與實測值相對誤差最大為21.98%，水位平均絕對誤差最大為20cm，相對誤差最大為27.62%，其結果與實測值相對誤差基本控制在30%以內(nèi)，模擬結果良好，可適用于水口至外海區(qū)域的水動力模擬。率定驗證結果見圖 5和圖 6。

其中，根據(jù)率定得到水口電站至外海模型Smagorinsky系數(shù)Cs為0.28，底部糙率系數(shù)范圍為0.018～0.035，水口至閩安內(nèi)河河道范圍糙率為0.018～0.022，而閩安至外海海域范圍糙率為0.024～0.035；風拖曳系數(shù)模型范圍內(nèi)取0.001～0.0015。

表1 各斷面流量率定、潮位驗證誤差值結果表Tab.1 The calibration error of discharge and the verification error of water level of each section

圖5 竹岐、文山里流量率定結果圖Fig.5 Calibration of discharge of Zhuqi and Wenshanli

圖6 白巖潭、琯頭潮位驗證結果圖Fig.6 Verification of water level of Baiyantan and Guantou

3.2.2 水質模型率定驗證

利用2016年福建省海洋漁業(yè)局提供外海水質資料對川石島、梅花東及閩江口外3個監(jiān)測站位(位置見圖 3)豐、平、枯三個水期進行模型無機氮濃度值率定。各監(jiān)測站位無機氮誤差分析結果見表 2，從結果可以看出，不同水期平均相對誤差為14.28%，其結果控制在30%以內(nèi)，率定結果可信。其中，根據(jù)率定得到無機氮降解率為0.07～0.15 d-1。

表2 各監(jiān)測站位無機氮率定平均相對誤差值結果表Tab.2 Average relative error of inorganic nitrogen of each monitoring stations (%)

利用2018年11月17日瑯岐、川石渡口(位置見圖 3)兩個斷面同步水質監(jiān)測數(shù)據(jù)對無機氮濃度值進行驗證，各斷面的無機氮誤差分析結果見表 3。從結果可以看出兩個斷面平均相對誤差也控制在30%以內(nèi)，驗證結果表明建立的模型適用于該區(qū)域的水質模擬，驗證結果見圖 7。

表3 各斷面無機氮驗證平均相對誤差值結果表Tab.3 Average relative error of inorganic nitrogen varification in each section (%)

4 研究結果

4.1 計算條件

本文在分析閩江口近岸海域無機氮污染來源時，忽略外海海水對閩江口近岸海域的水質影響，因此在利用構建的二維水質模型進行計算時，外海水質邊界設置為考核斷面評價限值(第Ⅱ類海水水質標準，即0.30 mg/L)。

圖7 瑯岐、川石渡口斷面無機氮驗證結果圖Fig.7 Verification of inorganic nitrogen of Langqi and Chuanshidukou section

4.1.1 不同區(qū)域

在計算閩江干流福州區(qū)界外區(qū)域超標污染權重時，污染來源主要為上游來水，上游邊界來水水質取雄江斷面現(xiàn)狀監(jiān)測值，閩江干流福州段不添加點源和面源污染，利用模型求得閩江口川石島斷面逐時濃度值，根據(jù)式 5求得該區(qū)域超標通量。

在計算水口電站至閩安范圍區(qū)域超標污染權重時，忽略福州區(qū)界外來水水質影響，上游邊界取第Ⅱ類海水水質標準，添加閩江干流福州段污染源，利用模型求得閩江口川石島斷面逐時濃度值，根據(jù)式 5求得水口電站至閩安區(qū)域及閩江口區(qū)域兩個區(qū)域超標通量之和，并利用水口電站至閩安區(qū)域點源及面源污染物入江量占閩江干流福州段污染物入江量之比，計算水口電站至閩安范圍區(qū)域超標通量。

4.1.2 不同區(qū)縣及不同行業(yè)

利用構建的二維水質模型，控制福州區(qū)界外來水為第Ⅱ類海水水質標準，以概化排口形式將某一區(qū)縣或某一行業(yè)污染源單獨釋放，根據(jù)式(5)計算其超標通量。

4.2 計算結果

4.2.1 不同區(qū)域

各區(qū)域超標污染權重分析結果見圖 8。閩江干流福州區(qū)界外超標污染權重占比最大，為66.05%，這主要是因為河流、湖庫的水質標準與海水標準不銜接所引起的，因此建議適當提高雄江斷面現(xiàn)有水質要求，從而減小福州區(qū)界外(即水口電站以上區(qū)域)對閩江口近岸海域水質影響。

圖8 各區(qū)域超標污染權重分析結果Fig.8 Results of excessive pollution weight of each area

4.2.2 不同區(qū)縣及不同行業(yè)

各區(qū)縣超標污染權重占比見圖 9，由圖 9可見鼓樓區(qū)、倉山區(qū)超標污染權重占比最高，而福清縣占比最低，僅為1%。鼓樓區(qū)、倉山區(qū)皆屬于福州市區(qū)，城鎮(zhèn)人口密集，排污量大，因此成為閩江口近岸海域無機氮超標的主要貢獻來源。

圖9 各區(qū)縣超標污染權重分析結果Fig.9 Results of excessive pollution weight of each district

水口電站至閩安區(qū)域和閩江口區(qū)域不同行業(yè)超標污染權重占比見圖 10。由圖 10可見，兩區(qū)域內(nèi)未接管的城鎮(zhèn)生活污水超標污染權重占比均最高，分別為63.68%及33.47%。由此表明，閩江口近岸海域無機氮超標污染來源主要來自陸域污染源，其中城區(qū)內(nèi)未接管進入污水廠的生活污水排放則是閩江口近岸海域無機氮超標的重要貢獻來源。相對于水口電站至閩安區(qū)域，閩江口區(qū)域未接管的城鎮(zhèn)生活污水超標污染權重相對占比較小，而底泥釋放所造成面源污染占比較高。這是由于閩江口區(qū)域大都為福州縣區(qū)，城鎮(zhèn)人口占比較少，相較于福州市區(qū)，其城鎮(zhèn)生活污水排放對閩江口近岸海域無機氮超標的影響較小，且河口區(qū)域底泥易受風浪作用擾動起懸進入水體[15]。根據(jù)實地現(xiàn)狀調查，閩江口近海海域海水養(yǎng)殖發(fā)達，養(yǎng)殖面積達13.77 km2，因此，底泥中營養(yǎng)物質豐富，所造成的面源污染超標通量占比較高。

圖10 水口電站至閩安范圍(a)及閩江口區(qū)域(b)不同行業(yè)超標污染權重分析結果Fig.10 Results of excessive pollution weight of each industry in the area from Shuikou hydropower to Minan (a) and the area of Minjiang Estuary (b)

4.2.3 無機氮來源分析

匯總上述超標污染權重計算結果，得到閩江口無機氮超標污染物來源最終分析結果，見圖 11。由圖 11可見，水口電站以上區(qū)域以及水口電站至閩安區(qū)域對閩江口無機氮超標貢獻最大，其次，陸域污染源中未接管的城鎮(zhèn)生活污水超標污染權重占比較高。

圖11 閩江口無機氮超標污染物來源分析結果Fig.11 The sources of inorganic nitrogen pollution in Minjiang Estuary

5 結 論

本文構建了閩江水口電站～閩江外海二維水環(huán)境數(shù)學模型，并利用水文年鑒及常規(guī)水質監(jiān)測資料，對模型進行了率定驗證。通過劃分研究區(qū)域、控制模型計算邊界等方法，研究了不同區(qū)域、不同區(qū)縣及不同行業(yè)污染源超標通量對閩江口近岸海域無機氮污染的貢獻。結果表明，劃分的四個區(qū)域中，閩江干流福州區(qū)界外區(qū)域超標污染權重占比最大，其次，在陸域污染源中，未接管的城鎮(zhèn)生活污水對閩江口近岸海域無機氮超標影響最大。因此，建議在后續(xù)工作中，應加強對交界斷面雄江監(jiān)測斷面的水質要求，并將污染防治重點放在提高城鎮(zhèn)生活污水接管率方面，以控制生活污水所造成的面源污染。