1、澳 门 附 近 水 域 水 污 染 防 治 初 步 探 讨摘 要本文对澳门附近水域水污染防治问题进行了初步的分析计算,内容包括边界变化较为复杂的大尺度河口水域二维水动力学模型、二维水质模型的检验、验证计算,污染控制方案的组合及经济优化分析，并预测陆域排污对该水域的影响，结合经济、水环境、技术等多方面的约束条件，提出该水域的水污染防治优化方案。优化计算将澳门附近水域沿岸陆域分成 7 个区域、水域分成5 个水域单元。将各区域的污水量、污染物排放量以及相应的规划排放口容量输入优化模型，经过优化模型对不同处理方案与排放方案组合的计算，最终得到澳门附近水域水污染防治工程的优化方案。一 、 前 言澳门附近
2、水域是珠江河口的重要组成部分，位于珠海和澳门之间。近年来，随着珠海、澳门地区经济的迅速发展以及西江流域与港澳地区经济合作日益广泛，澳门附近水域的纳污、航运、行洪、滩涂围垦等方面综合功能在经济发展中已经显示其重要地位。但由于人口增长和经济发展，特别是该水域沿岸地区人口高度密集，第三产业发达，城市污水大量排入该水域，使澳门附近水域水质受到不同程度的污染，给水环境带来了很大的压力，据近年来水质监测资料表明 1，该水域的无机氮、无机磷及石油类污染普遍存在，并在某些水道污染相当严重，已超过了国家海水四类标准，对该水域景观、旅游、水上娱乐等功能造成一定影响。为有效地解决澳门附近水域沿岸地区经济持续发展与水
3、环境保护的关系问题，控制水污染恶化的趋势，迫切需要对澳门附近水域的水环境进行系统研究。本研究旨在通过对澳门附近水域水环境系统调查，在科学的基础上制订切实可行的水污染防治方案，为进行有效的河口水环境质量管理，保证澳门附近水域沿岸及周边地区可持续发展提供依据。二 、 水 域 功 能 区 划 分 与 水 环 境 质 量 控 制 目 标1. 水域现状功能调查经调查，澳门附近水域主要功能有泄洪、输沙，排涝，航运、港口码头、船泊停泊，城市景观、水上旅游及海上运动，渔业及海水养殖。2. 划分原则-要从水资源开发利用与保护出发，考虑水域功能的历史演变、现状和水质发展趋势，结合沿岸城镇的总体规划及社会发展规划；
4、-水域功能划分要有一定的时限，允许在适当的时间进行调整；-对多功能水域，不能降低水质要求，尽可能保证优质优用；-对功能区的实现，要有技术措施保证，并通过一定的法律程序，以法规形式颁布执行；-考虑缓冲区，允许功能区有过渡区和排放点处有混合区存在。3 划分结果澳门附近水域功能区划分结果见表 1，研究范围见图。表 1 澳门附近水域功能保护区与水环境控制目标水域编号水域名称 范围 长度（km ） 主要功能 水质控制目标 （类）1 湾仔水道 石角咀水闸至 澳门妈阁山 3.4 港口、旅游 四2 澳门附近水域 主干道 马骝州至澳门飞翔船码头以北 13.4 滨海旅游 三3 十字门水道 澳门跑马场至 横琴红旗村
5、 4.0 一般工业用水 三4 拱北东部水域 九洲港以南至澳门飞翔船 码头以北 6.4 滨海旅游 三5 路环岛东南部水域 路环岛大担角以南至横琴 三洲以北 4.1海水养殖水上运动海水浴场二注：水质控制目标执行 GB3097-97海水水质标准 。图 1 澳门附近水域示意图三 、 水 环 境 容 量 计 算1二维水流运动基本方程及求解、验证水环境容量计算的基础和关键是水域水动力模拟计算。只有保证水体水文变化规律模拟的正确，才能保证水环境容量和水污染控制方案的准确可靠和确实可行。其基本方程 2为：其中：u、v 分别为流速沿 x、y 方向的分量；R x、R y分别为沿 x、 y 方向的阻力项；P 为谢才
6、系数；H 为水深；f 为柯氏系数。模型的求解采用有限差分法（ADI 法） ，模拟水域范围 113.7km2，计算的空间网络步长为x= y= 100m，时间步长 t =12s，柯氏参量 f=2*W*sin22。 15， ，糙率 n=0.010.016。对模拟结果进行了潮位和流速、流向的验证。利用同步实测的水文组合资料验证，潮位计算值的绝对误差 7 个验证断面中有两个断面在高高潮与低低潮时接近 10cm，其余断面绝对误差小于 5cm；流速、流向计算值与实测值基本一致，7 个断面和 2 个散点的计算逐时流速过程线与实测过程线吻合。2. 水质模型、模型参数及验证采用二维水质模型向空间平均的浓度输运扩散
7、方程 2：)3(0)( 2)1(0)()( 22 YVXvYZGVXUTUxHZ其中：c 为污染物浓度；H 为水深；u、v 分别为 x、Y 方向的速度分量；D X、D y分别为x、y 方向的混合系数；K 为降解系数。模型采用显示差分格式求解，计算的空间步长及时间步长与流场计算相同。模型参数主要为降解系数，采用空间实验法和计算机综合估值法，确定 KBOD 取 0.08(1/d)，K COD 取0.06(1/d)，K N 取 0.03(1/d)。利用 1997 年 3 月 2627 日对该水域枯水大潮水文水质同步监测资料，进行了 6 个断面计算与实测逐时 BOD5、COD 和无机氮浓度过程线验证，
8、计算值与实测值吻合较好，各点相对误差小于 10%。3. 水环境容量计算水环境容量是指一定水体在规定环境目标下所能容纳污染物的量。根据澳门附近水域潮位特征及岸上陆域排污情况，采用规划排放口容量计算法计算水环境容量。它是根据水域水体功能划分结果，由水污染防治与控制方案拟定的排放口组合所确定的最大允许污染物量。在排放点确定之后，某确定点的容量值不但取决于受纳水体的环境目标和排放方式，而且还取决于允许最大混合区的大小。因此，规划排放口容量的计算主要有二项约束条件：一是纳污水域水质控制目标，即功能区划分的结果；二是计算混合区的最大范围，即允许混合区范围。目前国内对允许混合区范围还没有统一的规定和标准，本
9、文参照国内外有关的技术资料，采用以下方法计算：（a）对排往开敞海域或面积大于 600km2 的海湾以及广阔的河口，混合区范围：Aa3 （km 2）排往面积小于 600 km2 的海湾，则AaA 0/200 （km 2）（b）当以扩散器排入海域或广阔的潮汐河口时，Aa=1400(L0+400)*10-6 （km 2）上述各式中 Aa为允许混合区面积；L 0为扩散器有效长度； A0为受纳水域面积。在水污染防治系统中，由于“可能处理点”都对应一“可能排放点” ，而同一“可能处理点”又有作为比较用的“可能排放点” ，此外，对于岸边排放，近岸排放等也会出现多种可能组合的排放方案。而在同一水域中，由于不同
10、地点水体交换能力不同，环境容量会随污染源排放口位置不同而不同。因此，不同的排放口组合方案会有不同的规划排放口容量。本研究以 1996 年的排放口组合计算该水域的水环境容量见表 2。4. 水环境容量与预测入河负荷量比较)4()()()()() HSKCyCHyVxUCt 根据污染源预测结果 1，2010 年澳门附近水域废污水入河总量 46.08 万 t/d，BOD 5 入河负荷量为 31.79t/d，COD 入河负荷量为 70.55t/d。假设 2010 年预测负荷量仍按 1996 年的排放口排放，可以与水环境容量作一比较见表 3。表 3 同时列出了假若 2010 年废污水全部进入污水处理厂处理
11、达标排放后的负荷量与水环境容量计算结果的比较。表 2 现状排放口组合下的规划排放口容量/t.d -1 水域名称 BOD5 COD 无机氮湾仔水道 2.9 2.28 0.11澳门附近水域主干道 10.8 10.19 0.44十字门水道 1.71 1.38 0.07拱北东部水域 9.5 7.69 0.39路环岛东南部水域 2.85 3.02 0.15表 3 现状排放口组合下的水环境容量与排污负荷量比较/t.d -1 规划排放口容量 预测入河负荷量 达标排放的 负荷量水域名称BOD5 COD BOD5 COD BOD5 COD湾仔水道 2.9 2.28 14.48 30.93 5.42 19.26澳
12、门附近水域主干道 10.8 10.19 6.78 16.27 2.76 8.10十字门水道 1.74 1.38 5.08 9.63 1.50 6.01拱北东部水域 9.50 7.69 4.97 13.11 3.25 12.99路环岛东南部水域 2.85 3.02 0.28 0.61 0.05 0.20合 计 27.79 24.56 31.79 70.55 12.98 46.56从表 3 可以看出：- 该水域预测负荷量大于规划排放口容量，若不对废污水进行治理，将难以满足水域功能区的要求；- 从该水域环境容量角度看，现状排污口分布不合理，表中数据是以 1996 年的排放口为基础计算，纳污量大的湾仔
13、水道、十字门水道，其水环境容量相对较小，而澳门附近水域主干道水环境容量相对较大，其纳污量又小；- 预测年研究区域废污水即使全部进污水处理厂处理后按国家标准排放，其达标排放的总负荷量仍然超过水域的水环境容量，说明达标排放仍不能保证该水域的水体质量和功能，因此，对该水域的污染防治必须采取总量控制措施。四 、 水 污 染 控 制 方 案 分 析 与 优 化 计 算1. 编制方案的基本思路方案系统由主污水输送管线、污水处理厂、污水排放口和受纳废污水的水体组成。本研究将该水域沿岸区域分成七个相对独立但又相互关联的小区域：A 拱北、B 湾仔、C 横琴、D 澳门半岛、E 凼仔岛、F 路环岛、G 路凼新城。在
14、一个研究区域内，不同的污水输送管线布设，不同的污水处理厂设置和规模，不同的污水排放方式和排放点的水环境容量将构成多个组合的水污染控制方案，本研究的任务就是从各种方案组合中寻求最优解，而各种可行方案应在充分考虑区域社会经济发展、水环境容量的分布、污水处理和输送的技术经济条件等基础上提出，并应先定性分析各可行方案、污水处理和输送的技术经济条件等基础上提出，并应先定性分析各可行方案的合理性和可操作性，再用定量的方法从各可行方案中确定最佳实用方案。实行水污染物总量控制，必须将削减量进行科学合理分配。通常削减量包括各个污染源自身处理削减量和区域集中处理削减量。本项研究要求未来不允许有城市污水处理厂以外的
15、废污水直排入河排放口存在，因此，本研究的削减量只分配到控制方案的污水治理工程上。2. 方案的经济优化分析 优化模型研究采用的优化模型数学结构 3如下：式中：Z 为系统总费用；C i、 Qi分别为处理点 i 的费用和处理量； i为处理点 i 的去除率； Cij、 Qij分别为处理点 j 至处理点 i 的污水处理输送费用和输送量；N 为可能处理点总数；T为污染负荷排放总量向量，T=（T 1，T N） N；B 为污染负荷排放总量约束向量，B=（B 1，B N） T；A 为 M*N 阶影响矩阵；M 为约束总数。优化模型为多变量规划模型，可采用分解协调技术，将原问题分解成去除率优化和输水管道优化两个因子
16、优化问题，然后用序贯寻优法求解。 污水处理厂费用函数对于城市污水处理厂，其投资和运行费用一般为流量 Q、去除率 的非线性函数。综合考虑各种污水处理厂的费用，其表达式为：C=K1QK2+K3QK2* K4 （11）式中：C 为投资和运行费用； Q 为处理污水流量； 为去除率；K 1 为处理规模费用比例参数；K2 为处理规模和去除率费用比例参数； K3 为处理规模与处理工艺费用比例参数； K4 为去除率费用指数参数。对珠江三角洲地区污水处理厂投资分析，经费用率定的参数为：K 1=5.6, )10(098)7(65)(),(11ijiNi NiijiQTBAtSQCMnZK2=0.876，K 3=2
17、7.70，K 4=5.0。 污水输送干管费用函数本研究考虑的污水输送只限于重力流，不考虑泵站的费用。重力流截污干管的投资费用函数为：式中：C 为管道总投资；L 、 H 分别为管道长度和埋深；i 为管道的设计坡降；i 0为地面坡降；D 为管径。3. 优化计算结果将各区域（可能处理点）的污水量、污染物排放量以及相应的规划排放口容量输入优化模型，经过优化模型对不同处理方案与排放方案组合的计算，2010 年澳门附近水域水污染控制工程的优化方案投资费用为 5.98 亿元。优化方案的主要工程为：7 个区域中，湾仔和横琴需新建污水处理厂，规模分别为 12.5万 t/d、3.0 万 t/d；拱北需扩建处理厂，
18、扩建规模为 9.75 万 t/d；澳门半岛和凼仔岛维持 1996年的处理厂规模，澳门半岛污水处理厂需要增加处理工艺，提高去除率；路凼新城的污水将全部调往凼仔岛处理厂。因此，2010 年澳门附近水域需新增加 25.25 万 t/d 污水处理规模（其中 6.86 万 t/d 用于珠海南屏、洪湾的污水处理） ，加上研究区域现已有的 24.7 万 t/d 规模，至2010 年研究区域总的污水处理规模为 50.2 万 t/d。五 、 结 束 语本文对澳门附近水域水污染防治方案作了初步探讨。该水域为典型的河口区，又涉及到跨行政区的问题，因此，该水域的水污染防治无论在技术上、行政上都具有较大的难度。本文从技
19、术上对该水域进行了比较系统全面的分析计算，包括边界变化较为复杂的大尺度水域二维水动力学模型、二维水质模型的检验、验证计算，污染控制方案的组合及经济优化分析，这一类型的研究目前在祖国大陆还不是很多，其中有些问题有待进一步研究解决。然而，控制该水域水污染发展的趋势，改善水域水环境质量状况是一项紧迫的任务，必须根据治理方案的优化结果，尽快落实治理工程措施，以实现周边地区经济的繁荣和社会的可持续发展。01000507 1054621 88 553 )(1)( )(iHLibiDHLibCbbb 当 )12(0765421 83 iDbb 当参 考 文 献1 珠江河口澳门附近水域水污染防治与控制规划报告R.珠江水资源保护科学研究所 ,1999.2 张永良,刘培哲.水环境容量综合手册M ，北京: 清华大学出版社，1991.3 韦鹤平.环境系统工程M. 上海: 同济大学出版社，1993.
