山東省入海污染物分配容量計(jì)算——精準(zhǔn)化近海三維水質(zhì)數(shù)值模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃法.pdf

1、山東近海由渤海中南部和黃海西北部組成,主要接納山東省99個(gè)縣級(jí)行政區(qū)COD、氮等污染物,占全省陸域面積約70％,可統(tǒng)稱為山東近海源區(qū)。按照國(guó)家二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)衡量,當(dāng)前山東近海DIN濃度超標(biāo)率約4%,但一些臨城海灣,如膠州灣可高達(dá)約40%。按照“一刀切減排”方式,山東省分別于2006年和2011年開始實(shí)行陸源COD和氨氮排污總量控制管理,完成國(guó)家考核指標(biāo)。但按照“提前全面建成小康社會(huì)”,尤其是新型工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的總體目標(biāo)要求,山東省依然

2、面臨產(chǎn)污總量剛性增長(zhǎng)的壓力。近海DIN濃度超標(biāo)率需年均降低約0.5%,特別是膠州灣等海灣至少需降低6%,到2020年才能實(shí)現(xiàn)《山東省海洋功能區(qū)劃(2011-2020年)》的目標(biāo)要求。然而,《中國(guó)近岸海域環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》顯示,隨著陸源排污數(shù)量減少,山東近海DIN超標(biāo)率卻增加約3.5%,部分海灣超標(biāo)率甚至高達(dá)約7%。這樣,如果仍然按照現(xiàn)有減排方式,難以實(shí)現(xiàn)山東近海尤其是臨城海灣水質(zhì)的改善。
　　造成當(dāng)前減排方式難以實(shí)現(xiàn)山東近海水質(zhì)改善的

3、原因是多方面的,其中最主要的是現(xiàn)行陸源排污總量控制管理指標(biāo)體系的構(gòu)成過于單一,在指標(biāo)制定方法方面沒有采用國(guó)際上廣泛公認(rèn)的“水質(zhì)標(biāo)定”(water quality-based)方法,結(jié)果無法為實(shí)行“差別化減排”方式提供量化的科學(xué)依據(jù)。關(guān)于山東省陸源排污總量控制管理“水質(zhì)標(biāo)定”指標(biāo)體系,目前只有膠州灣、萊州灣等源區(qū)入海排污口分配容量的研究報(bào)道。因此,有必要按照《山東省環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》中關(guān)于“入海排污口達(dá)標(biāo)率要達(dá)到100%”的目標(biāo)要求

4、,加快建立完善山東近海源區(qū)排污總量控制管理“近海水質(zhì)標(biāo)定”指標(biāo)體系。
　　陸源排污總量控制管理指標(biāo)體系制定方法,可分為“經(jīng)驗(yàn)技術(shù)方案核定”(technology-based)和“水質(zhì)標(biāo)定”兩大類方法,兩者在陸源排污壓力與水質(zhì)響應(yīng)量化關(guān)系方面有本質(zhì)區(qū)別,以后者為量化科學(xué)依據(jù),美國(guó)和日本自20世紀(jì)70年代初分別開始探索實(shí)施污染物最大日負(fù)荷(TMDL)和污染物負(fù)荷總量控制( TPLCS)計(jì)劃。自20世紀(jì)60年代中期,相繼提出發(fā)展了試算模

5、擬法(Trial-and-error simulation)、數(shù)學(xué)規(guī)劃法、不確定性優(yōu)化法和水質(zhì)數(shù)值模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃法等“水質(zhì)標(biāo)定”法。由于陸源排污與管理水域水質(zhì)連接方式及程度等不同,不同“水質(zhì)標(biāo)定”法計(jì)算得出的指標(biāo)體系不僅在構(gòu)成方面有顯著差別,而且各個(gè)指標(biāo)的“波動(dòng)幅度”也有顯著差別,結(jié)果造成不同方法的適用性有所差異。其中,水質(zhì)數(shù)值模型數(shù)學(xué)規(guī)劃法可以得到在水質(zhì)準(zhǔn)確達(dá)標(biāo)“剛性約束”條件下的分配容量,但由于陸源排污與水質(zhì)間存在復(fù)雜的量化關(guān)系,特別

6、是因?yàn)樗|(zhì)約束條件空間布設(shè)的不合理性及模擬計(jì)算的波動(dòng)性等原因,分配容量的計(jì)算結(jié)果往往會(huì)產(chǎn)生較大偏差。
　　這樣,本文的研究目的是圍繞現(xiàn)行“行政區(qū)等比例減排”方式難以使山東近海水質(zhì)明顯改善的突出問題,針對(duì)傳統(tǒng)的近海三維水質(zhì)模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃法計(jì)算的分配容量準(zhǔn)確性偏低的難題,完善發(fā)展精準(zhǔn)化近海三維水質(zhì)模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃法,計(jì)算了山東近岸海域入海源區(qū)99個(gè)縣級(jí)行政區(qū)的分配容量,為實(shí)現(xiàn)由―一刀切減排‖向―差別化減排‖方式的轉(zhuǎn)變提供量化科學(xué)依據(jù)。要實(shí)現(xiàn)

7、上述研究目的,不僅要對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行修正,而且也要建立完善相應(yīng)的計(jì)算流程,特別是按照陸源排污壓力與近海水質(zhì)之間量化關(guān)系的要求,既要使入海排污數(shù)量計(jì)量結(jié)果更加準(zhǔn)確,又要使近海水質(zhì)時(shí)空分布模擬計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。因此,本文的研究?jī)?nèi)容主要有4個(gè)方面:(1)傳統(tǒng)的近海三維水質(zhì)數(shù)值模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的修正。(2)山東近海源區(qū)COD和氮排污數(shù)量的計(jì)算,主要包括排污數(shù)量計(jì)量區(qū)域的合理劃分、產(chǎn)污/自衰系數(shù)估算法校核等。(3)山東近海 COD和氮污染物濃度時(shí)空

8、變化的分步模擬計(jì)算,主要包括納污范圍界定、近海三維水動(dòng)力耦合過程水質(zhì)數(shù)值模型(以下簡(jiǎn)稱水質(zhì)模型)構(gòu)建、分步模擬計(jì)算及驗(yàn)證等。(4)山東近海源區(qū) COD和氮污染物“近海水質(zhì)標(biāo)定”分配容量的精準(zhǔn)化計(jì)算和“差別化減排”技術(shù)方法構(gòu)架。
　　綜合采用調(diào)查數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)、理論分析和數(shù)值模型等方法,主要得到3個(gè)方面的研究結(jié)果:
　　(1)針對(duì)傳統(tǒng)近海三維水質(zhì)數(shù)值模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃方法中,分配容量計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度偏低問題,完善發(fā)展了傳統(tǒng)近海三維水質(zhì)模

9、擬數(shù)學(xué)規(guī)劃方法,特別在修正了因響應(yīng)系數(shù)矩陣隨陸源排污數(shù)量波動(dòng),和水質(zhì)空間布設(shè)不完整所產(chǎn)生的計(jì)算誤差基礎(chǔ)上,建立了實(shí)現(xiàn)修正的水質(zhì)-規(guī)劃雙模型循環(huán)優(yōu)化計(jì)算流程。
　　(2)改進(jìn)了實(shí)現(xiàn)分配容量“精準(zhǔn)化”計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。①系統(tǒng)劃分了區(qū)域計(jì)量單元,篩選了產(chǎn)強(qiáng)系數(shù)自衰法和監(jiān)測(cè)核算法等陸源污染物入海排污數(shù)量的適用方法。②通過水質(zhì)數(shù)值模型的水動(dòng)力場(chǎng)、鹽度場(chǎng)、污染物濃度場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果的分步驗(yàn)證,建立了山東近岸海域三維水質(zhì)數(shù)值模型。③通過復(fù)合響應(yīng)系數(shù)

10、場(chǎng)細(xì)化確定污染物納污海域,統(tǒng)籌考慮了水動(dòng)力以及生物地球化學(xué)情況。
　　(3)基于改進(jìn)的方法以及計(jì)算流程,計(jì)算了山東近海48個(gè)排污口及23個(gè)入海源區(qū)COD和TN的―近海水質(zhì)標(biāo)定‖分配容量。①改進(jìn)方法計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性比傳統(tǒng)方法有所增加,相對(duì)偏差平均由45%±0%降低到38%±5%。②入海源區(qū)COD和TN分配容量空間分布有顯著差別,可用于―差別化減排‖,分別有25個(gè)及31個(gè)排污口需要進(jìn)行COD和TN減排,其削減比例分別占現(xiàn)狀排放量的83

11、%和92%,嚴(yán)重超載源區(qū)主要位于山東北部,分別涉及90個(gè)和86個(gè)縣級(jí)行政區(qū),排污余載源區(qū)主要位于東部和西部,分別涉及9個(gè)和5個(gè)縣級(jí)行政區(qū)。
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)是完善發(fā)展了傳統(tǒng)近海三維水質(zhì)模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃方法,特別在修正了因響應(yīng)系數(shù)矩陣隨陸源排污數(shù)量波動(dòng)和水質(zhì)空間布設(shè)不完整所產(chǎn)生的計(jì)算誤差基礎(chǔ)上,建立了實(shí)現(xiàn)修正的計(jì)算流程;特色是首次計(jì)算了山東近海48個(gè)排污口、23個(gè)入海源區(qū)COD和TN污染物―近海水質(zhì)標(biāo)定‖分配容量,為實(shí)現(xiàn)由現(xiàn)行―行政區(qū)等