第５３卷第１期 中山大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．５３ Ｎｏ．１ ２０１４年１月 ＡＣＴＡ ＳＣＩＥＮＴＩＡＲＵＭ ＮＡＴＵＲＡＬＩＵＭ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＡＴＩＳ ＳＵＮＹＡＴＳＥＮＩ Ｊａｎ． ２０１４ 环北部湾经济区近岸海域环境容量研究 龙颖贤 ｒ，陈 隽 ，韩保新 （１．环境保护部华南环境科学研究所，广东广州５１０６５５； ２．中山大学环境科学与工程学院，广东广州５１０２７５； ３．环境保护部华南环境保护督查中心，广东广州５１０６５５） 摘 要：基于无结构网格的ＭＩＫＥ ３Ｄ模型，建立了北部湾三维潮流水质数学模型，计算北部湾近岸海域２４个 主要排污口ＣＯＤ、无机氮和石油类的环境容量，并通过对比区域规划排污量，得出各排污区环境容量的可利用 水平。计算结果表明，环北部湾近岸海域主要排污区ＣＯＤ、无机氮和石油类等的总海洋环境容量分别为２２１ ２６７．１、２３ ０５８和５ ２９７．２ ｔ／ａ，洋浦、茂名博贺等排污区由于海域开阔，水动力扩建条件好，海洋环境容量相对 较大。对比各水平年的区域规划排污量，纳污海域以无机氮超载最为严重。其中，规划近期（２０１５年）２５％排 污区出现容量超载，规划远期（２０２０年）３３％排污区出现超载。 关键词：北部湾；海洋环境容量；数学模型；排污区 中图分类号：Ｘ２６ 文献标志码：Ａ 文章编号：０５２９—６５７９（２０１４）０１—００８３—０６ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ Ｂｅｉｂｕ Ｇｕｌｆ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｚｏｎｅ ＬＯＮＧ Ｙｉｎｇｘｉａｎ ，ＣＨＥＮＪｕｎ ，ＨＡＮＢａｏｘｉｎ （１．Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，ＭＥＰ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６５５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｕｎ Ｙａｔ－ｓｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇ￣ｏｕ ５１０２７５，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｌａ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ，ＭＥＰ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６５５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｕｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｄ ＭＩＫＥ ３ Ｄ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｖｏｌｕｍｅ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ３ Ｄ ｔｉｄａｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｌａ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ＣＯＤ，ＤＩＮ ａｎｄ ｏｉ１ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｒｅａｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｂｅｉｂｕ Ｇｕｌｆ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｚｏｎｅ．Ｃｈｉｎａ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎ． ｔｉａｌ ｆｕｔｕｒｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｓｃｅｎａｒｉｏ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ Ｇｕｌｆ， ｔｈｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｍａｒｉｎｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｗａｓ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃａｐａｃｉ— ｔｙ ｏｆ ＣＯＤ，ＤＩＮ ａｎｄ ｏｉｌ ｉｎ ｔｈｅ Ｇｕｌｆ ｗｅｒｅ ２２１ ２６７．１，２３ ０５８ ａｎｄ ５ ２９７．２ ｔ／ａ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｈｙｄｒｏｄｙ ｎａｍｉｃ ｄｉｆｕｓｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃａｐａｃｉｔｉｅｓ ｏｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｒｅａｓ ｉｎ Ｙａｎｇｐｕ ａｎｄ Ｂｏｈｅ ｗｅｒｅ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｌａｒｇｅ．Ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ＤＩＮ ｗａｓ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ｏｖｅｒｌｏａｄｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｌｅａ— ｄｅｄ ｔｏ ２５％ａｎｄ ３３％ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｒｅａｓ ｏｖｅｒｌｏａｄｅｄ ｉｎ ２０１５ ａｎｄ ２０２０．ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂｅｉｂｕ Ｇｕｌｆ；ｍａｒｉｎｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃａｐａｃｉｔｙ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ；ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｒｅａ 北部湾经济区地处南海北部的北部湾沿海和琼 海域，海洋资源丰富。然而，随着国家一系列发展 洲海峡至湛茂沿海地区，是我国西部大开发地区唯 规戈Ⅱ和意见的出台，北部湾经济区的开放和快速发 一的沿海区域。环北部湾经济区近岸毗邻我国第二 展可能对海洋环境造成的风险隐忧进一步加大。北 大海湾——北部湾和雷州半岛东岸雷州湾、湛江湾 部湾的生态环境质量好坏，将直接关系到我国华南 收稿日期：２０１３—０６—０３ 基金项目：环境保护部重大财政专项资助项目（２００９０４１３） 作者简介：龙颖贤（１９８１年生），女；研究方向：水污染和环境管理研究；Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｏｎｇｙｉｎｇｘｉａｎ＠ｓｃｉｅ８．ｏｒｇ 中山大学学报（自然科学版） 第５３卷 沿海的中长期生态安全格局和环境质量演变趋势， 并对南中国海地区毗邻国家的生态环境演变趋势产 生重要影响。 目前，北部湾的研究大多集中在潮流数值模拟 或是生态环境调查方面¨ Ｊ，局部海域环境容量研 究尚有见少量研究成果，但针对环北部湾经济区近 岸海域各主要排污区环境容量的研究却鲜有报道。 何碧娟等＂ 用数值模拟法计算了铁山港海域ＣＯＤ 环境容量，郭森等 用多元线性迭加法计算钦州 湾２个规划排污口ＣＯＤ、无机氮和石油类的最大 允许排放量，但现有研究局限于单个海湾，没有反 映多个排污区联合作用下对水质影响的叠加效应， 为此环境容量计算结果往往偏大。本文计算了北部 湾近岸海域主要排污区ＣＯＤ、无机氮等污染物的 海洋环境容量，以期为区域发展战略的制定提供参 考，同时也填补了该海域环境容量研究的空白。 １ 研究方法 海洋环境容量是指海域在特定环境目标下可容 纳的污染物质的量，其大小与海域特征（水文条 件蕴涵的自然功能）、水质目标（与人类使用功能 有关）、污染物特性（对功能的影响因子，包括种 类及时空分布）等有关。以环境基准值作为环境目 标的控制指标所得的是自然环境容量，以环境标准 值作为环境目标的控制指标所得的是管理环境容量。 实际上，在同一海域各个排放源位置确定，并 在一定的水质目标约束下计算污染物的最大允许排 放总量及其在各排放源之间的分配（尽管结果不 是唯一的）是有实际管理意义的，其结构反应了 各个排污口的累积影响和叠加影响，即海域排污口 污染物最大允许排放量。因此，本研究采用模型试 算法以确保排污区邻近环境功能区和环境敏感目标 水质达标为控制原则，在海域现状排污情况下计算 环北部湾经济区近岸海域各排污区剩余的最大允许 排污量。考虑排污冲击负荷及不可预见性，排污区 海域环境容量按８０％控制使用，本文定义其为 “可利用环境容量”。若计算得出的可利用环境容 量小于实际污染物排海总量，则表明海域已无剩余 环境容量，海区出现超载，必须采取措施削减人海 排放量。研究框架如图ｌ所示。 ２北部湾潮流水质模型 采用ＭＩＫＥ３ ＨＤ水动力模块和ＭＩＫＥ３ ＡＤ水质 模块建立三维海流一水质模型，模拟区域为１０７。６ Ｅ一１１２。Ｅ，１７ｏＮ一２１。４２．９ Ｎ，模拟海域面积约 Ｉ确定海域环境保护目标Ｉ Ｉ海域环境质量调查Ｉ Ｉ确定水质监控点背景浓崩 Ｉ建立潮流水质模型ｌ Ｉ— Ｉ输入各排污区污染物排放量Ｉ ｌ控制边界法计算浓度增国 ｜， Ｉ水质监控点浓度是否满足水质目标Ｉ否 是ｌ 确定排污区最大允许排放量与可利用环境容 ｌ对比现状入海排放量Ｉ ｌ剩余环境容量与承载度分析ｌ 图１研究框架 Ｆｉｇ．１ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ １２９万ｋｍ 。 计算采用无结构的三角形网格（见图２），网 格个数共２６ ７４０个，网格节点１５ ６８５个，网格边 长为１００—３ ０００ ｍ，其中近岸海域特别是纳污海域 局部加密至１００ ｍ，网格边长不超过１００ ｍ。计算 时间变步长为０．０１～６０ ｓ。垂向分为５层，层次按 照０．ＯＨ～０．１Ｈ、０．１Ｈ～０．３Ｈ、０．３Ｈ～０．５Ｈ、 ０．５Ｈ一０．８Ｈ、０．８Ｈ一１．ＯＨ进行划分。模拟时段 选取具冬季代表性且有实测潮流资料的时段作特征 期，即２００５年１月２１日一２月２８日。为能够较充 分反映连续大小潮期海流对污染物的长期输运扩散 的累积影响，冬季特征期潮流模拟时间长度取３９ ｄ，浓度计算实际时间取其中后段稳定的一个太阴 月输出值。温度、盐度及潮位开边界由南海（大 图２计算区域平面布置图 Ｆｉｇ．２ Ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ａｒｅａ 中山大学学报（自然科学版） ８０ 第５３卷 一４５０ ３６０ 兰 ６０ ４Ｏ ２０ 嫣 ０ Ｏ ８Ｏ ４５０ ｇ－－，３６０ ２７０ ６０ ４０ ２Ｏ 囊 ９８ Ｏ 蟋 Ｏ ４５０ ｏ ３６０ ２７０ １８０ ９０ Ｏ 吾９０ 尼蚕ｓ６； ｇ ３ ＼ ４５０ ３６０ ２７０ 差１８ｏ ９Ｏ Ｏ １ ３ ５ ７ ９ １１ １３ １５ １７ １９ ２１ ２３ ２５ ２７ ｔ／ｄ 图５潮流观测与计算结果对比 Ｆｉｇ．５ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｉｄａｌ ｆｌｏｗ ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ 以等，识别环北部湾经济区近岸海域的水质目标如 图６。根据北部湾沿海产业布局规划，近岸海域规 划设置２３个排污区，概化排污口２４个（图６和表 ２）。海洋环境容量计算所考虑的污染因子主要为 ＣＯＤ、无机氮和石油类。 ３．２水质监控点设定 学组分在未受污染情况下的含量。鉴于部分排污区 现状已有排污，本文所研究的背景浓度是指按照点 源现状排污形成的排污区邻近海域的背景浓度，而 非所有点源都不排放时的背景浓度。 采用排污区可能影响海域范围内近３年各海水 水质监测站的平均浓度最大值统一作为各排污区相 应的功能区水质监控点背景浓度，采用各敏感区所 在海域水质监测监测站近３年的平均浓度最大值作 为敏感区水质监控点背景浓度，即：Ｃ ＝Ｍａｘ （Ｃ ，Ｃ：，……，Ｃ ），其中，Ｃ ，Ｃ２，……，Ｃ 参照分区达标控制法 的研究思路，根据广 西、广东和海南的近岸海域环境功能区划，为保证 水质分区达标控制，设置２类水质控制点。其中， 在排污区附近不同功能区水质分界线处设置功能区 水质控制点４６个，在排污区外围海域敏感区（如 为各排污区可能影响海域范围内的某监测点近３年 的平均浓度。各功能区水质监控点背景浓度见表２， 海洋保护区、养殖区、风景区等）设置敏感区水 质控制点９５个，并按高功能区水质目标控制。例 如，在二类、一类水质功能区分界线处设置水质监 控点，按一类水质控制；在四类、三类和二类水质 功能区分界线处，按二类水质设立水质监控点。各 水质监控点位置分布见图７。 ３．３ 背景浓度 限于篇幅，各敏感区水质监控点背景浓度在此省略。 ３．４海域环境容量计算 采用模型试算法模拟增值浓度叠加排污区海域 背景浓度的方法计算环境容量。对全部主要排污区 同时投放污染物，计算浓度增值及其叠加影响，并 逐渐提高排污区的污染物排放量，通过控制各水质 控制点的浓度值，确保排污区附近的功能区边界和 目前国内对背景浓度选取在方法上还不统一。 一般而言，背景浓度是指自然条件下海水中各种化 外围海域高功能敏感区的水质目标小于近岸海域环 ８８ 中山大学学报（自然科学版） 第５３卷 保证实际排污的容量需求，再次优化出各分海区的 最大环境容量¨ 。 北部湾近岸海域２４个排污口ＣＯＤ、无机氮和 石油类的总环境容量分别为２２１ ２６７．１、２３ ０５８和 ５ ２９７．２ｔ／ａ（见表２）。其中，ＣＯＤ环境容量以洋 浦排污区（Ｐ１５）最大，防城港企沙排污区（Ｐ１０） 次之，分别占区域总环境容量的１８．３％和１２．１％。 无机氮环境环境容量也以洋浦排污区（Ｐ１５）最 大，茂名博贺港排污区（Ｐ２０）次之，分别占区域 总环境容量的２３．５％和１７．４％。茂名博贺港排污 区（Ｐ２０）石油类环境容量最大，占区域总环境容 量的１９．７％，洋浦排污区（Ｐ１５）次之。 从环境容量空间分布来看，洋浦、茂名博贺等 排污区近岸海域开阔，水动力及扩建条件好，环境 容量相对较大。 ３．５剩余环境容量与承载度分析 考虑排污冲击负荷及不可预见性，排污区海域 环境容量按８０％控制使用，本研究定义其为“可 利用环境容量”。 对照国家、省、地市等各层级发展规划及其带 来的城市发展所产生的排污总量，纳污海域环境容 量以无机氮超载最为严重。近期（２０１５年），水东 港排污区（Ｐ１９）、湛江临港工业区排污区（Ｐ２２）、 钦州市金鼓江排污区（王ｙ７）、澳内海排污区 （Ｐ１８）、大冠沙排污区（Ｐ４）和东海岛南侧排污区 （Ｐ２３）等６处排污区出现氨氮容量超载，氨氮超 载度分别为２７２．６％、１６３．２％、５７．０％、５１．７％、 ２７．４％和６．３％；远期（２０２０年），Ｐ１９、Ｐ２２、Ｐ７ 和Ｐ４排污口所在的排污区氨氮超载度明显上升， 分别增至３１５．４％、１８６．５％、１６８．Ｏ％和１５６．４％； 且增加铁山港龙潭工业区排污区（Ｐ１）和东方工 业区排污区（Ｐ１６）等２处排污区海域环境容量也 出现超载，超载度分别为４５．０％和２４．９％。 由此可见，上述纳污海域的环境容量与产业发 展的结构存在一定的地区不适宜性，建议对区域产 业的发展规模和结构需进行调整。此外，澳内海排 污区（Ｐ１８）可考虑向外海深海排放，钦州湾金鼓 江排污区（Ｐ７）考虑向湾外排放。再者，鉴于近 岸排污口纳污海域环境容量受人海河流和直排人海 综合排放口等影响明显，建议在未来发展中考虑规 划实施区域人海河流和直排人海综合排放口的污染 负荷削减。 ４结论 本文利用ＭＩＫＥ模型建立了北部湾三维潮流水 质数学模型，并计算主要纳污海域的ＣＯＤ、无机 氮和石油类的海洋环境容量。通过对比区域各层级 发展规划及其带来的城市发展所产生的排污总量， 分析其与各纳污海域环境容量的相容性。 然而，本文计算的环境容量是在固定排污口数 量和布局情况下的环境容量，且受环境功能区的限 制，不能完全反应纳污海域的整体环境容量，可以 理解为纳污海域当前排污布局状态下的纳污容量， 即最大允许排污量。此外，本文研究过程中未能获 取同步的海域及河流水动力和水环境条件，使环境 容量研究结果可能存在一定的偏差，这有待进一步 深化论证。通过海域环境容量计算，可为区域经济 社会发展规模及其排海污水量的提供技术支 持，同时作为一种方法探讨对于推动海域环境容量 研究也具有参考价值。 参考文献： ［１］ 孙洪亮，黄卫民 北部湾潮汐潮流的三维数值模拟 ［Ｊ］．海洋学报，２００１，２３（２）：１—８． ［２］ 方国洪，曹德明，黄企洲．南海潮汐潮流的数值模拟 ［Ｊ］．海洋学报，１９９４，１６（４）：１—１２． ［３］ 孙洪亮，黄卫民，赵俊生．北部湾潮致、风生和热盐余 流的三维数值计算［Ｊ］．海洋与湖沼，２００１，３２（５）： ５６１—５６８． ［４］ 乐凤凤，宁修仁．南海北部浮游植物生物量的研究特 点及影响因素［Ｊ］，海洋学研究，２００６，２４（２）：６０— ６９． ［５］ 刘子琳，宁修仁，蔡昱明．北部湾浮游植物粒径分级叶 绿素ａ和初级生产力的分布特征［Ｊ］，海洋学报， １９９８，２０（１）：５０—５７． ［６］ 黄以琛，李炎，邵浩，等．北部湾夏冬季海表温度、叶绿 素和浊度的分布特征及因素［Ｊ］，厦门大学学报： 自然科学版，２００８，４７（６）：８５６—８６３． ［７］ 何碧娟，陈波，邱绍芳，等．广西铁山港海域环境容量 及排污口位置优选研究［Ｊ］．广西科学，２００１，８（３）： ２３２—２３５． ［８］ 郭森，韩保新，杨静，等．纳污海域水环境容量计算与 总量分配方法研究［Ｊ］．环境科学与技术，２００６，２６ （增刊）：ｌ９—２２． ［９］ 曹德明，方国洪．北部湾潮汐和潮流的数值模拟［Ｊ］． 海洋与湖沼，１９９０，２１（２）：１０５一ｌ１３． ［１０］ 夏华永，殷忠斌，郭芝兰，等．北部湾三维潮流数值模 拟［Ｊ］．海洋学报，１９９７，１９（２）；２１—３１． ［１１］ 李适宇，李耀初，陈炳禄，等．分区达标控制法求解 海域环境容量［Ｊ］，环境科学，１９９９，２０（４）：９６—９９． ２］ 韩保新，桑燕鸿，杨静，等．北部湾经济区沿海重点产 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