渤海陆源氮和磷污染物生物地球化学过程陆-海协同控制机制及容量分配的精准化研究

Aims at solving the difficult problems in precision modeling of the spatial and temporal distribution of nitrogen concentration with the marine 3-D numerical water quality model in Bohai Sea, temporal and spatial distribution volatility of which is dramatic, this project will study the terrestrial source districts and key biogeochemical processes to increase the modeling precision of the spatial and temporal distribution of nitrogen concentration in Bohai sea, based on site experiment, historical data analysis and modeling. And then, in accordance with the requirements of close connection between land-based pollution source control and marine water quality protection, a marine water quality based total maximum allocated loads calibration method in Bohai Sea will be established preliminarily. The precision of the total maximum allocated loads is reflected in the allowable load of each pollution source is allocated according to the marine water quality.

围绕应用海洋三维水质数值模型准确模拟计算渤海氮浓度时空分布的难题，针对渤海氮污染物浓度时空分布波动幅度加大等现象，应用现场实验、历史数据分析、数值模拟等方法，通过渤海陆域源区划分和关键生物地球化学过程两个方面研究，提高渤海氮浓度时空分布精准化模拟程度。在此基础上，按照陆域污染源控制与海域水质保护密切连接的要求，建立渤海陆源污染物总量控制“海域水质标定”指标计算方法，其精准化主要体现在各类污染源允许排放数量以海域水质为衡量基准。

针对渤海氮污染物形态变化、浓度分布波动幅度加大等现象，围绕氮污染物生物地球化学过程可能发生变异等问题，综合应用历史数据分析、现场实验、实验室实验和数值模型等方法，比较系统地研究了渤海陆源污染物入海源区划分和不同形态氮关键生物地球化学过程，在此基础上，按照陆域污染源控制与海域水质保护密切连接的要求，建立了渤海陆源污染物总量控制“海域水质标定”指标计算方法，并计算了渤海入海源区氮污染物分配容量。研究结果主要体现在以下3点：首先，首次系统划分了渤海陆源污染物入海源区，并明确了划分原则，结果，统筹考虑县级行政区划、流域和集污区等单元，环渤海经济圈可划分为62个入海源区。其次，首次较系统的研究了渤海典型浮游植物在饥饿和饱食两种生理状态下对氨氮、硝氮和尿素的吸收动力学规律，结果，尿素相对于硝氮和氨氮在低浓度时不易为渤海优势硅藻所吸收，吸收速率常数和最低吸收浓度阈值分别略低于和高于后二者，平均约为0.035 1/h和2.2 μmol/L，而半饱和常数在饱食状态下差异较大，以氨氮最高，三种氮变化幅度为0.3~20 μmol/L，此外，初步研究表明，不同来源溶解有机氮在组成上可能存在差异，由易降解和难降解不同组分组成。最后，建立完善了近海三维水质模拟数学规划方法，在修正污染物浓度响应系数场随源强波动和浓度控制标准空间布设不完整所产生的计算误差基础上，建立了实现上述修正的水质-规划双模型偶联循环优化计算流程。本项目的研究成果不仅对不同形态氮的渤海典型浮游植物吸收、转化等关键生物地球化学过程认识具有重要的科学意义，对于不同形态氮对近岸海域水质的“氮当量”贡献规律研究具有先导性，而且对中国近海陆源污染物“海域水质标定”指标计算及排海总量控制管理等有着直接的实际意义，将在保护和合理利用渤海海洋生态环境资源、支撑环渤海地区社会和经济的可持续发展等方面发挥重要作用。