浅谈胶莱人工海河的生态治理功能

来源:蒋文婷   发布时间:2015-05-21 04:07:58 

摘要:面对污染日益严重的胶州湾和莱州湾海域,海洋学者、山东省海洋与渔业厅副厅长王诗成,经长期观察思考,提出:开凿人工海河,贯通两湾,形成渤、黄两海大环流,加快海水吸纳消化污染物的速度,同时加之各项综合治理措施,彻底改善两湾的生态环境。本文主要对胶莱两湾的污染原因、污染物扩散进行了分析,从生态治理和海水疏导的角度探讨了开凿胶莱人工海河整体污染治理思路。

关键词:胶莱人工海河 污染原因分析 污染物扩散分析 生态治理

1.胶州湾、莱州湾污染现状分析

莱州湾是渤海三湾(渤海湾、辽东湾、莱州湾)之一。渤海是半封闭的内海,面积77284平方公里,水体交换能力很差,整个水体循环周期约需30年或更长的时间。渤海每年接纳的陆源污水量达40亿吨,各类污染物高达l40万吨,受污染的面积从1992年的25%上升到目前的60%。作为半封闭内湾中污染的重灾户,莱州湾生态灾害触目惊心,湾内局部海域已呈现“荒漠化”。资源承载力遭受严重破环,渔业资源趋于衰竭。优质鱼虾类已形不成渔汛。拯救渤海,拯救莱州湾已到了刻不容缓的地步。

胶州湾属半封闭型深水海湾,海湾面积388.12平方公里,其中海域面积302.9l平方公里。胶州湾东西宽28公里,南北长33公里,湾口最窄处为3-3.2公里。胶州湾由于生态环境的恶化,生物多样性明显减少,潮间带底栖生物20世纪60年代有120多种,目前仅剩20多种。

1.1两湾污染原因分析

从近年来的生态问题来看,造成两湾近岸海域海洋生态问题的主要原因包括:

1.1.1陆源污染物输入

据了解,渤海占我国管辖海域面积的3%左右,但是,每年通过各类排污口直接排入渤海的污水高达40亿吨,占全国直接排海污水总量的40%。其中工业废水占全国总量的20.2%,进入渤海的污染物占全国入海总量的30%。渤海近40%的面积已受到不同程度的污染。渤海区96.7%的污染物经河流输运入海,主要排污河道有潮河、溢洪河、小清河、广利河、马颊河、潍河、神仙沟。胶州湾排污河主要在东部海湾的海泊河、李村河。

陆源污染源主要分为三种:

1)工业污染源

随着经济的不断增长,工业污染负荷日益加大,高污染的电镀、医药、化工、印染、制革等行业在沿海地区大量存在,尤其部分民营企业存在偷排和治理设施不正常运转的行为这些污水直接或者间接的流入大海。而且,城市污水处理能力较低,已建成的部分污水处理厂不能正常运转。根据调查发现,尽管青岛市在胶州湾沿岸建设了团岛、海泊河、李村河等多个污水处理厂,但由于城市污水收集系统不完善,胶州湾沿岸仍有污水直排口、混合排污口和入海河口多达40多处,年排放污水2亿多立方米,直接向胶州湾排放污水的工业企业污染源有20余个,其中重点污染源有10个。

2)城市生活污染源

随着工业废水达标排放率不断提高,生活污水在废水排放总量中所占比重日益增加,目前生活污水所占比重已从20年前的3040%上升到70%以上。由于市政污水处理设施不足,大量生活污水通过江河源源不断进入大海。生活污水产生大量含磷污染物,磷在海水中迅速蓄积,成为诱发赤潮的“温床”。

3)面源污染

除了生活污水、工业污水造成陆源污染以外,面源污染排放也比较突出。农业面源污染起因于土壤的扰动引起农田中的土粒、氮磷、农药以及其他有机或无机污染物质,在降雨或灌溉过程中,借助农田地表径流、农田排水和地下渗漏等途径而大量的浸入水体,或因畜牧养殖业的任意排污直接造成水体污染。农业面源污染分布面积大、稳定性差,因而治理的难度也较大。

排入莱州湾海域的废水中含COD、石油类、挥发酚以及重金属铅、铬、汞、铜、锌等多种污染物质。这些污染物质经入海河流、混合排污河道或工厂直接排污口输运入海,构成海域主要污染源。

胶州湾的主要污染物是营养盐氮和磷、COD和油类,其中以营养盐氮和磷污染最为严重;主要污染海域为工业和生活污水排放较为集中的东岸海域。陆源排污及养殖废水的排放,使近岸海域富营养化加剧。

沿海地区工业废水和生活污水以及面源污染物的排放已造成两湾近岸海域污染呈现持续严重的趋势,海域富营养化程度日益增高,主要渔业资源养护区、养殖功能区等功能严重衰退,赤潮频发,生境条件趋于恶化。

1.1.2围海造田

海岸带地区是地球表层岩石圈、水圈、大气圈与生物圈相互交叉、各种因素作用频繁、物质与能量交换活跃、变化极为敏感的地带。现今的天然海岸线是在各种动力因素作用下经过长期演变形成的,处于一个相对动态平衡的状态,而围海造地是在短时间、小尺度范围内改变自然海岸格局,对系统产生强烈的扰动,造成新的不平衡,有时甚至会引发环境灾害,造成巨大的损失。

据有关专家介绍,胶州湾面积“萎缩”严重,其海域面积已从1928年的560平方公里下降到2003年的362平方公里,面积缩小了35%。特别是近年来,沿岸的围海造地项目和海洋工程数量增加很快,据不完全统计,仅2002年以来,胶州湾内就有20多个用海项目,填海面积达16平方公里。

1)围海造地对纳潮量的影响

港湾的纳潮量是反映湾内水体与外海海水交换的一个重要参数。纳潮量和潮汐周期水体交换量的减少将直接影响到海水水位、流速、海湾污染物的迁移扩散。

胶州湾海域面积的缩小,直接导致海湾纳潮量减少,现已由1935年的11822亿立方米减少到现在的7亿多立方米,减少了近40%;对气候与环境调节的能力降低,水动力强度减弱,水体交换和携沙能力下降,导致海洋自净能力降低,生态环境恶化。

2)围海造地对近岸水环境的影响

围海造地占用沿海水域面积,减少海湾纳潮量,使得湾内与外海海水的交换能力下降,比如原先通过2个潮周期就可使湾内水体循环一遍,围垦后需要7~8个潮周期,这意味着原先1d就可以轮换一遍的海水现今需要3~4d才能循环一遍,在这种状况下对上游或沿海的污染物稀释能力大大降低,造成水域污染加重。

3)围海造地对海洋生态环境的影响

据统计,胶州湾内中度污染和轻度污染海域约占总面积的五分之三,胶州湾东岸沿线一些入海河口的水质为劣五类水质。受沿岸排污的影响,胶州湾生态环境破坏严重,生物种类锐减,上世纪60年代河口附近多达54种,上世纪70年代减到33种,上世纪80年代制只下17种,原有的14种优势种仅剩下1种,东岸的贝类养殖已不复存在。海岸生态承载力下降,使得生物多样性降低,物种数量大幅减少,海岸生态环境质量下降。

1.2污染物扩散分析

污染物进入水体以后,在水体中发生的物理行为包括稀释、扩散、沉淀等过程。所谓稀释扩散主要是指污染物进入海洋后,由于水体的流动形式的污染物不断与海水发生混合作用,最终水体中污染物的浓度逐渐降低的过程。研究表明,海流输送和湍流扩散是污染物快速物理自净的主要机制。海流输送的过程相对简单,当污染物排入海洋后,海流(近岸海域主要表现为浅海陆架环流和潮流)将污染物从高浓度区输送至低浓度区;而湍流扩散是由于湍流场中质点的各种动力状态(流速、流向等)瞬时值相对于其时均值的随机脉动而导致的分散现象。潮流和潮余流对海湾和近岸海域污染物质的迁移和扩散起重要作用,海水在潮汐的作用下通过湾口往复运动,使湾内水与外海水得到交换,涨潮时,流入的外海水在水动力作用下与湾内原有海水混合,使湾内海水中污染物浓度降低,当潮位最高时浓度最低;退潮时,则潮位最低时污染物浓度最高。而潮余环流导致近岸或海湾的海水混换,促进域外海水的交换。

根据建立拉格朗日余流场可以推断,污染物质流出计算域的质点一部分将随下一个潮过程返回原来的海域,另一部分则被带离到较远的外海而不再返回。这部分不再返回的海水将会被外部海域的新鲜海水取而代之,并填补到该空白区内。因此,可以认为这些空白区是该计算域中水交换活跃区,而若湾内余流速度较小,且有环流存在,这部分海域为水交换滞缓区,物理自净能力较弱。

1.2.1莱州湾分析

据赵可胜建立的拉格朗日余流模型分析,莱州市近岸海域特别是太平湾海域拉格朗日余流速度较小,除刁龙咀外莱州浅滩附近个别余流速度近4cm/s,其余大部区域均小于2cm/s。从总体上看,海水交换、自净能力较差,且在海庙后至刁龙咀近岸海域,存在一反时针方向的余流涡,污染物质将在此区域迂回,影响水交换能力。

另外,由质点跟踪结果可知:胶莱河口、海庙后排污口及其西移后的排污口所排污水均沿岸缓慢迁移。这将直接破坏太平湾内水质,影响太平湾内养殖及盐业等。

1.2.2胶州湾分析

涨潮流从计算海区的东北流入,部分沿薛家岛南岸向西南流去,另一部分则进入了胶州湾;落潮流则从海区西南流入,汇同从胶州湾落潮流出的海水从海区东北部流出计算区域。海西湾、黄岛前湾、胶州湾的西部海域为胶州湾的弱潮流区,大潮的平均流速不会超过20cm/s。由于胶州湾的岸界和湾底地形较为复杂,因此,图1中所示的欧拉余环流应是潮汐非线性以及地形效应所导致的余流图。从图1中可以看出,在模式计算海域存在许多大小、强弱和旋转方向不同的余流图。

湾口及湾内东部海域的余流环流流速较强,西部水浅,流速弱。

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计算的表层余流场

Marine csiences/Vol.27.No.5/2003


2.运河开通后的生态治理

胶莱人工海河的建成,从海水自身方面加快了海水的交换,促进海水的自净。但不能就此放松人为的污染治理,应该突破传统污染治理思路,采取新的更加科学实用的方法治理。生态治理是污染治理中最高的一种境界,它充分考虑海域环境污染和生态破坏的相互影响和作用,强调对资源实行多级利用,实现可持续发展,是污染治理的新思路。

生态功能是指物质能量的循环、转化、积累、更新的自然状态。相会于经济社会发展而言,生态功能表现为自然资源的供给和地域恶劣环境条件的能力。我们要充分利用这种优越的自然能力,以减少其他治理方法产生的副作用,建立经济社会与自然生态之间全面、和谐、协调与可持续发展的良性生态经济系统。对胶莱两湾的环境整治,不仅仅是建立在疏导的理论基础上的,更要重视生态治理。

2.1充分利用生物修复技术,解决两湾的富营养化问题、重金属及石油污染问题。

生物修复指生物尤其是微生物催化降解环境污染物,减少或最终消除环境污染的受控或自发过程。生物修复的基础是自然界中微生物对污染物的生物代谢作用。由于自然的生物修复过程一般较慢,难以实际推广应用,因此一般指的是在人为促进条件下的生物修复。与其它物理、化学治理方法相比,如填埋、燃烧等,对于污染物仅是稀释、聚集或不同环境中的迁移作用;化学方法易造成二次污染,而在生物修复作用下污染物转化为稳定的、无毒的终产物如水、CO2、简单的醇或酸及微生物自身的生物量,最终从环境中消失。目前,生物修复已成为一种新的可靠的环保技术。

2.1.1植物修复

植物修复是利用植物体内对某些污染物的累积,植物代谢的过程对某些污染物的转化和矿化。在污染的沉积物上种植一层植物,可以形成有效的保护层,防止沉积物的再悬浮和污染物的溶解扩散。另外维管束植物生长过程中根际可以释放出氧、酶等物质,有助于降解沉积物中有机污染物、降低重金属等污染物的生态活性。

2.1.2微生物修复

采用微生物修复重金属污染基于两方面的原理:即生物氧化还原和生物吸附。生物氧化还原是利用微生物改变重金属的氧化还原状态,进而降低或消除重金属的毒性。生物吸附的脱毒原理则是利用重金属能够与微生物体、微生物产物形成稳定螯合物或晶体的特性,使重金属减少或失去毒性。

生物修复是治理海洋环境污染、海洋生态系统功能紊乱的一副防治结合良药,费用低、副作用少;污染前预防,污染后治理。但正像许多疾病一样,应对症下药,对于不同的污染物应采取不同的生物修复方案。成功应用生物修复技术是建立在一系列数据分析的基础上,主要有三方面的固素:1)污染物;2)可降解的微生物;3)相关的环境因子。同时,目前生物修复技术推广应用也还存在许多问题,但仍是很有发展潜力的环境清洁技术。在胶莱两湾的污染治理上可以采用新工艺手段,生产易于生物降解的化合物,合成具有特殊降解能力的工程菌,从而减少污染物在环境中的累积、转移。保持生态系统的平衡,为进一步提高生物修复的治理效果,获得海洋环境污染拾理新突破,实现两湾海洋环境的可持续发展。

2.2实施污染物排放的总量控制

污染物排放总量控制,就是在以环境质量标准为基础,并考虑自然特性,计算出最大排放量之后,综合分析区域内的所有污染源,建立一定的数学模型,计算每一个污染源的污染分担率和相应的允许排放量,以保证区域内污染物的排放总量不超过最大允许排放量。这样既考虑了污染源的密集程度和污染源规模的大小,又考虑了稀释排放问题,从而减少陆源污染物输入,降低水体富营养化。

2.3严格控制新污染源

胶莱运河流域内的基本建设和技术改造项目必须认真执行国家产业政策和环境保护法规,采用清洁生产工艺和设备,合理宜用自然资源,并通过以新代老,做到增产不增污,或者增产减污。

2.4合理利用两湾海域的自净能力

海洋自净能力是一种巨大的自然资源,开发利用这一资源,既能收到环境效益,又能收到明显的经济效益。胶莱人工海河开通后,两湾的海水自净能力必定增强。我们要充分利用这一优势,在沿岸陆地的污水排放要采取科学的方式,建议在高潮时集中排污较为适宜。另外,不同位置的排污点依据海水输运能力的不同有不同的污水排放标准。这样既能减少环保投入又能保证海域的环境质量。

2.5严格控制填海造地

围海造陆造成潮流循环弱和自净能力差,清淤排污能力削弱,在进行大规模填海工程和海岸工程之前,要进行充分的海洋环境调查与评价,减少填海造地对两湾环境的影响。

3.结语

迄今,治理莱州湾、胶州湾污染一直采用治理入海污染源的思路,但是,在新的污染不断增加,而湾内水体交换能力差的情况下,治理的成效被部分的掩盖和抵消了。2001年实施的《渤海碧海行动计划》虽然使渤海污染物入海总量有所削减,近岸海域水质恶化的势头得到初步控制,但渤海海洋环境面临的形势仍然严峻:胶莱两湾2004年与2003年对比,湾内重度和中度污染面积不但没减小反而扩大了近6倍。这就形成了一方面治理成本越来越高、一方面污染越来越重的恶性循环。

治理莱州湾、胶州湾的生态环境恶化问题应大胆开拓思路,除了“治”,还应考虑采取“疏”的方法,其治要继续加大入海入湾排污总量的控制,达标排放,加强海湾水质监测和沉积性污染的生物治理等。其疏的关键在于解决两湾的海水快速交换问题。即建人工海河、贯通胶莱两湾,穿越胶东半岛,形成150多公里的人工海河,沟通两湾水体,形成海水环流,加快两湾水体循环,实现半封闭海湾水体的快速交换,从而达到改善两湾生态之目的。

胶莱人工海河整体治污思路是由传统的以治污为主改为“治”、“疏”并举,其对污染的治理起到很大的作用。所以说,建设胶莱人工海河还是必要的。与此同时,莱州湾与胶州湾之间、海洋与途径陆域之间将产生复杂的相互影响,不可避免存在潜在的生态环境风险。对于可能引发的生态环境问题,必须予以高度重视,并进行科学、系统的研究。

(文中所略图、表,详见《胶莱人工海河》一书中本文)

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