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山东近海由渤海中南部和黄海西北部组成,主要接纳山东省99个县级行政区COD、氮等污染物,占全省陆域面积约70％,可统称为山东近海源区。按照国家二类海水水质标准衡量,当前山东近海DIN浓度超标率约4%,但一些临城海湾,如胶州湾可高达约40%。按照“一刀切减排”方式,山东省分别于2006年和2011年开始实行陆源COD和氨氮排污总量控制管理,完成国家考核指标。但按照“提前全面建成小康社会”,尤其是新型工业化和城镇化的总体目标要求,山东省依然面临产污总量刚性增长的压力。近海DIN浓度超标率需年均降低约0.5%,特别是胶州湾等海湾至少需降低6%,到2020年才能实现《山东省海洋功能区划(2011-2020年)》的目标要求。然而,《中国近岸海域环境质量公报》显示,随着陆源排污数量减少,山东近海DIN超标率却增加约3.5%,部分海湾超标率甚至高达约7%。这样,如果仍然按照现有减排方式,难以实现山东近海尤其是临城海湾水质的改善。 造成当前减排方式难以实现山东近海水质改善的原因是多方面的,其中最主要的是现行陆源排污总量控制管理指标体系的构成过于单一,在指标制定方法方面没有采用国际上广泛公认的“水质标定”(water quality-based)方法,结果无法为实行“差别化减排”方式提供量化的科学依据。关于山东省陆源排污总量控制管理“水质标定”指标体系,目前只有胶州湾、莱州湾等源区入海排污口分配容量的研究报道。因此,有必要按照《山东省环境保护“十二五”规划》中关于“入海排污口达标率要达到100%”的目标要求,加快建立完善山东近海源区排污总量控制管理“近海水质标定”指标体系。 陆源排污总量控制管理指标体系制定方法,可分为“经验技术方案核定”(technology-based)和“水质标定”两大类方法,两者在陆源排污压力与水质响应量化关系方面有本质区别,以后者为量化科学依据,美国和日本自20世纪70年代初分别开始探索实施污染物最大日负荷(TMDL)和污染物负荷总量控制( TPLCS)计划。自20世纪60年代中期,相继提出发展了试算模拟法(Trial-and-error simulation)、数学规划法、不确定性优化法和水质数值模拟数学规划法等“水质标定”法。由于陆源排污与管理水域水质连接方式及程度等不同,不同“水质标定”法计算得出的指标体系不仅在构成方面有显著差别,而且各个指标的“波动幅度”也有显著差别,结果造成不同方法的适用性有所差异。其中,水质数值模型数学规划法可以得到在水质准确达标“刚性约束”条件下的分配容量,但由于陆源排污与水质间存在复杂的量化关系,特别是因为水质约束条件空间布设的不合理性及模拟计算的波动性等原因,分配容量的计算结果往往会产生较大偏差。 这样,本文的研究目的是围绕现行“行政区等比例减排”方式难以使山东近海水质明显改善的突出问题,针对传统的近海三维水质模拟数学规划法计算的分配容量准确性偏低的难题,完善发展精准化近海三维水质模拟数学规划法,计算了山东近岸海域入海源区99个县级行政区的分配容量,为实现由―一刀切减排‖向―差别化减排‖方式的转变提供量化科学依据。要实现上述研究目的,不仅要对传统方法进行修正,而且也要建立完善相应的计算流程,特别是按照陆源排污压力与近海水质之间量化关系的要求,既要使入海排污数量计量结果更加准确,又要使近海水质时空分布模拟计算结果更加准确。因此,本文的研究内容主要有4个方面:(1)传统的近海三维水质数值模拟数学规划方法的修正。(2)山东近海源区COD和氮排污数量的计算,主要包括排污数量计量区域的合理划分、产污/自衰系数估算法校核等。(3)山东近海 COD和氮污染物浓度时空变化的分步模拟计算,主要包括纳污范围界定、近海三维水动力耦合过程水质数值模型(以下简称水质模型)构建、分步模拟计算及验证等。(4)山东近海源区 COD和氮污染物“近海水质标定”分配容量的精准化计算和“差别化减排”技术方法构架。 综合采用调查数据汇总统计、理论分析和数值模型等方法,主要得到3个方面的研究结果: (1)针对传统近海三维水质数值模拟数学规划方法中,分配容量计算结果准确度偏低问题,完善发展了传统近海三维水质模拟数学规划方法,特别在修正了因响应系数矩阵随陆源排污数量波动,和水质空间布设不完整所产生的计算误差基础上,建立了实现修正的水质-规划双模型循环优化计算流程。 (2)改进了实现分配容量“精准化”计算的关键环节。①系统划分了区域计量单元,筛选了产强系数自衰法和监测核算法等陆源污染物入海排污数量的适用方法。②通过水质数值模型的水动力场、盐度场、污染物浓度场模拟计算结果的分步验证,建立了山东近岸海域三维水质数值模型。③通过复合响应系数场细化确定污染物纳污海域,统筹考虑了水动力以及生物地球化学情况。 (3)基于改进的方法以及计算流程,计算了山东近海48个排污口及23个入海源区COD和TN的―近海水质标定‖分配容量。①改进方法计算结果的准确性比传统方法有所增加,相对偏差平均由45%±0%降低到38%±5%。②入海源区COD和TN分配容量空间分布有显著差别,可用于―差别化减排‖,分别有25个及31个排污口需要进行COD和TN减排,其削减比例分别占现状排放量的83%和92%,严重超载源区主要位于山东北部,分别涉及90个和86个县级行政区,排污余载源区主要位于东部和西部,分别涉及9个和5个县级行政区。 本文的创新点是完善发展了传统近海三维水质模拟数学规划方法,特别在修正了因响应系数矩阵随陆源排污数量波动和水质空间布设不完整所产生的计算误差基础上,建立了实现修正的计算流程;特色是首次计算了山东近海48个排污口、23个入海源区COD和TN污染物―近海水质标定‖分配容量,为实现由现行―行政区等比例减排‖向―差别化减排‖方式的转变提供了量化科学依据。