黃志明，林 霄，謝旭峰,焦開心

(1.廣東海洋大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 湛江 524088;2.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江 524088)

湛江灣具有非常重要的戰(zhàn)略地位，海域曲折復(fù)雜且形狀不規(guī)則，南部有東海島、硇洲島等作為天然屏障，港內(nèi)水深浪靜，回淤少，四季不凍，是得天獨(dú)厚的優(yōu)良港灣。湛江灣作為湛江市區(qū)的戰(zhàn)略資源，具有悠久的海洋漁業(yè)發(fā)展歷史，經(jīng)過十余年的擴(kuò)大與發(fā)展，已成為湛江最為重要的海洋漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)。湛江灣中擁有大量的水產(chǎn)品，種類豐富，質(zhì)量優(yōu)越，常年作為廣東省重要海鮮食品來源。湛江灣的戰(zhàn)略意義不僅僅體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展上，對湛江的氣候調(diào)節(jié)也起著重要作用，相同的價(jià)值也體現(xiàn)在空氣質(zhì)量改善上—湛江灣豐富海洋生物的光合作用。除此之外，憑借海洋生態(tài)系統(tǒng)的自凈功能，湛江灣每年還能處理大量污染物，這是最寶貴同時(shí)也是最易被破壞的戰(zhàn)略價(jià)值。近年，以鋼鐵企業(yè)為代表的重工業(yè)紛紛轉(zhuǎn)移到湛江，使得湛江經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)，也面臨著潛在的環(huán)境問題。水源污染對人民生活和健康極為不利，也會(huì)影響工、農(nóng)、漁業(yè)生產(chǎn)[1- 2]以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定[3]。而重金屬帶來的水污染成為了社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)[4]，重金屬具有較強(qiáng)的生物毒性，且易積累、可通過食物鏈轉(zhuǎn)移和難以降解[5]，是海洋生物環(huán)境的重要污染物之一[6]。因此，如何在發(fā)展臨灣重工的同時(shí)保護(hù)好湛江灣的生態(tài)環(huán)境價(jià)值，是值得所有人共同探討的問題。減少重金屬的入灣排放是湛江灣海域生態(tài)維持的關(guān)鍵，因此查明湛江灣水域污染的情況具有重要的意義。

1 湛江灣以及類似海域歷史調(diào)查數(shù)據(jù)分析

及時(shí)準(zhǔn)確地找到污染來源是污染事件的解決關(guān)鍵，而重金屬污染可以作為衡量海水污染的一項(xiàng)指標(biāo)。重金屬一般比重大于5，約有四十多種，如銅、鉛、鋅、鐵、鈷、鎳、錳、汞等。對于一些生命活動(dòng)所需要的微量元素，以及一些非生命活動(dòng)所需的金屬，存在難以在人體內(nèi)進(jìn)行代謝的情況，影響生命的正常所需發(fā)育[7- 8]。

1.1 湛江歷史數(shù)據(jù)分析

湛江港海水中各重金屬的富集系數(shù)見表1。從表1中可見湛江灣海水中Pb的污染較為嚴(yán)重[9]，在東海島北面以及東面海域出現(xiàn)了超標(biāo)。湛江灣海水污染主要來源[10]有以下幾個(gè)方面：①工農(nóng)業(yè)作業(yè)，以及汽車等排出的有害氣體到大氣中，里面包含有大量的重金屬元素，再通過自然沉降等方式，進(jìn)入海水中；②農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥、化肥的使用會(huì)污染土壤。通過雨水的溶解滲入地下直到港口；③沿岸用未處理的污泥施肥，其中含有大量重金屬，會(huì)導(dǎo)致重金屬含量增加。

湛江港海水中各重金屬富集系數(shù)表現(xiàn)結(jié)果如圖1所示，單項(xiàng)污染指數(shù)值如圖2所示。由圖2可知，站點(diǎn)由1到30號進(jìn)入深海區(qū)，單向的污染指數(shù)均未超過1。并且與渤海灣的重金屬含量進(jìn)行相對

表1 湛江港海水中各重金屬的富集系數(shù)0 單位：mg/L

圖1 湛江港海水中各重金屬的富集系數(shù)

圖2 湛江港表層沉積物中重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)值

比[11]，湛江港灣沉積物中重金屬含量與國家海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相對比，符合第3類沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，海域表層沉積物的質(zhì)量現(xiàn)狀總體較好。由沉積物污染濃度大小排列為;As>Zn>Pb>Cu>Hg>Cd，但由于湛江生物所需礦物質(zhì)量中As為生物所需，含量最高的As并不是最大的危害。

1.2 存在潛在危害方法

重金屬是有潛在危害的重要污染物，非常難以被生物分解[12]，會(huì)在水體中成千百倍地富集[13- 14]，其對水生生態(tài)系統(tǒng)危害的計(jì)算方式[15]:

Er=Tr×Cf

(1)

式中，Er—潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子；Cf—重金屬的富積系數(shù)；Tr—于反應(yīng)重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度，為重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)。

各種重金屬的毒性系數(shù)見表2，由此可知，As的毒害系數(shù)較低，富積系數(shù)中Hg的危害性最大，但不超過30，Pb和Zn的危害系數(shù)不高，但是含量即將突破安全區(qū)間，由于這里采用的是均值計(jì)算，誤差較大，針對表1數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)建模建立相關(guān)模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析檢測。

表2 各金屬毒性系數(shù)表

2 模型建立與治理

2.1 建立單項(xiàng)檢測以及擴(kuò)散模型

單項(xiàng)污染指數(shù)法：組內(nèi)成員根據(jù)實(shí)際情況，依據(jù)掌握數(shù)據(jù)的類型，最終決定使用單項(xiàng)污染指數(shù)法，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中，Cif，Cis，Cin—海水中不同元素i的單個(gè)指數(shù)、實(shí)際測量含量和固定標(biāo)準(zhǔn)值；Cin—《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中的標(biāo)準(zhǔn)限值。當(dāng)Cif<1，表示海水中重金屬含量符合標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)Cif>1時(shí)，表示海水中重金屬含量不符合標(biāo)準(zhǔn)。

固定污染源從沿岸向海洋深處的輸移和擴(kuò)散法：

(3)

(4)

式中，u，v，w—海流沿坐標(biāo)軸的速度分量；P—大氣壓力；ξ—湛江灣面的增感。

2.2 模型求解與分析

(1)單向污染指數(shù)求解：由于湛江灣的水質(zhì)屬于第三類水質(zhì)，經(jīng)過計(jì)算，利用單項(xiàng)污染指數(shù)法得出：Pb(1.29)和Zn(1.26)高出水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而其余重金屬低于原標(biāo)準(zhǔn)。綜上湛江港灣海水重金屬Pb、Zn含量較高，污染嚴(yán)重。

(2)對于擴(kuò)散模型，取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，假定擴(kuò)散濃度從表1中的各站點(diǎn)的重金屬富集系數(shù)最大值到最小值均勻減小，其余各項(xiàng)指標(biāo)根據(jù)湛江灣實(shí)際所測數(shù)據(jù)計(jì)算0:

(5)

(6)

(7)

式中，S—污染物質(zhì)在所定點(diǎn)的擴(kuò)散濃度；ωn—重力沉降速度；Kx，y，Kz—水平、垂直紊流擴(kuò)散系數(shù)；τ0—污染物質(zhì)的擴(kuò)散壽命；l=2ωsinφ—科里奧利參數(shù)；ω—地球自轉(zhuǎn)角速度；φ—地理緯度；ν—液體的垂直紊流粘滯系數(shù)；ρ0—平均密度。

科式參量為三維坐標(biāo)(取湛江灣地區(qū)所在空間坐標(biāo))，故在相同時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散，擴(kuò)散系數(shù)見表3。根據(jù)擴(kuò)散系數(shù)表，計(jì)算出Pb和Zn的污染濃度S增長速率比其它元素高，擴(kuò)散速率大小排序?yàn)椋篜b>Zn>Cu>Hg>As>Cd，即與模型一相呼應(yīng)，如圖3所示。

表3 各金屬在海域中的擴(kuò)散系數(shù)

圖3 各金屬在海域中的擴(kuò)散速率趨勢

2.3 治理污染措施

控制水域污染源頭：水體被重金屬污染后，整個(gè)水域生態(tài)系統(tǒng)都會(huì)受到極大影響，因此應(yīng)當(dāng)優(yōu)先對城市周邊各排污口等污染源頭進(jìn)行控制。

積極治理工業(yè)廢物：消除廢水對加工食品的有毒化學(xué)污染;加大對劇毒農(nóng)藥生產(chǎn)、使用的管理力度;積極研制低毒、高效、低殘留的新型農(nóng)藥。

加強(qiáng)海域生物藥物使用管理：加強(qiáng)生物藥品品種與使用條件的管理，同時(shí)規(guī)定休藥期，預(yù)防藥品的蓄積。

堅(jiān)持食品污染物源頭控制和生產(chǎn)過程控制相結(jié)合：通過嚴(yán)格生產(chǎn)過程衛(wèi)生控制，降低食品中相關(guān)污染物含量，同時(shí)嚴(yán)格遵照我國食品衛(wèi)生條例標(biāo)準(zhǔn)，積極檢測海洋生物重金屬含量。

3 結(jié)語

本文通過對湛江灣各個(gè)站點(diǎn)現(xiàn)有重金屬含量以及對照其余海域的一些重金屬含量進(jìn)行分析，與國家海洋標(biāo)準(zhǔn)相對比，湛江灣的水域重金屬含量低于標(biāo)準(zhǔn)含量，即證明湛江灣水域?qū)ι镎Ｉ畈粫?huì)有太大影響。對于湛江灣未來水域是否繼續(xù)維持在安全范圍內(nèi)，這是應(yīng)該研究與改進(jìn)的預(yù)測模型方向之一，同時(shí)本文的數(shù)據(jù)沒有存在強(qiáng)烈的對比性，應(yīng)該針對多方面獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行再次驗(yàn)證，分析重金屬的變化情況。針對于重金屬的質(zhì)量分析，重金屬檢測法以及污染源的擴(kuò)散模型在我們的實(shí)際生活中有很大的使用價(jià)值。