中国辽东湾海域的多尺度营养负荷评估与总最大允许负荷优化

《Ecological Indicators》：Multiscale nutrient load assessment and total maximum allocated load optimization in the land area of Liaodong Bay, China

辽东湾多尺度土地污染物负荷研究建立系统框架，通过GIS与输出系数法量化TN（53.7万吨/年）和TP（1.71万吨/年）负荷，辽河与盖河流域贡献占比81%和78%。动态水环境容量模型结合线性/非线性优化分配TMAL，识别48%土地面积的TP超载控制单元，沈阳、葫芦岛、营口为治理重点，需优化污水处理厂、分散式养殖及城乡排放管理。该框架为流域综合管理提供科学依据。

　　在东北部的辽宁沿海地区，辽东湾面临着严峻的水体污染问题。随着社会经济的快速发展，人口密度和水产养殖资源的增加，对海洋环境造成了显著压力。研究表明，辽东湾的陆源污染物主要来自于氮和磷的过量排放，导致水体富营养化，从而引发频繁的赤潮现象。为了有效改善辽东湾的水质和生态环境，本研究旨在建立一个系统化的框架，首先对辽东湾陆源氮和磷的多尺度负荷进行量化分析，然后结合底向线性和非线性优化方法，基于不同水期的动态水环境容量计算辽东湾总磷（TP）的总最大分配负荷（TMAL）。通过将实际污染负荷与TMAL进行对比，识别出超载的控制单元。研究结果表明，辽东湾陆源氮和磷的年负荷分别为53.7×10^3吨和1.71×10^3吨，其中81%的氮和78%的磷来自辽河和大辽河河流域。在所有控制单元中，有四分之一的单元贡献了超过一半的污染负荷。通过合理性分析，发现污染通量结果与实际污染负荷高度一致。TP超载控制单元覆盖了辽东湾陆地面积的48%，平均负荷削减率为47.23%。在覆盖10个流域的13个县级行政区域中，沈阳、葫芦岛和营口等地对TP负荷削减要求最高。辽东湾大部分TP污染问题可以通过改善污水排放、分散养殖和未处理生活污水等污染源来解决。本研究为流域综合管理提供了科学依据。

辽东湾作为渤海湾的三大海湾之一，是一个典型的半封闭海湾。人类活动的增加使得外来营养物质的输入显著增加，这给海洋生态系统带来了巨大压力。过去的研究主要集中在单一或多个流域，而对辽东湾整体的综合评估仍较为有限。因此，量化陆源污染负荷并准确识别污染热点区域对于辽东湾的污染管理与削减至关重要。为了实现这一目标，本研究整合了GIS平台和输出系数法，以实现对陆源污染物负荷的空间精细化和多尺度量化。此外，还建立了动态水环境容量模型，以反映不同水期的水文变化。最后，采用基于底向线性和非线性优化方法的TMAL分配策略，实现对陆源污染物的精准控制。

本研究对辽东湾陆源污染物负荷进行了多尺度分析。从流域、行政区域到控制单元，各个尺度下的污染负荷和来源均有显著差异。辽河和大辽河河流域是辽东湾主要的氮和磷来源，分别贡献了81%和78%的总负荷。在流域尺度上，47%的县区面积贡献了超过50%的总氮负荷，38%的县区面积贡献了超过50%的总磷负荷。进一步细化到控制单元尺度，40%的控制单元面积贡献了超过50%的总氮负荷，35%的控制单元面积贡献了超过50%的总磷负荷。这表明，尽管在县区尺度上，污染负荷的分布较为广泛，但在控制单元尺度上，部分小面积区域对总污染负荷的贡献尤为突出。这些区域往往位于人口密集、工业活动频繁以及城市化程度较高的地带，其污染负荷主要来源于城市和工业污水处理厂、未处理的生活污水排放，以及分散养殖等非点源污染。

在识别超载控制单元方面，本研究通过将实际污染负荷与TMAL进行对比，得出了超载率。超载率的计算结果表明，辽东湾的TP超载控制单元约占陆地面积的48%。这些超载控制单元的平均负荷削减率达到了47.23%。在10个流域覆盖的13个县级行政区域中，沈阳、葫芦岛和营口等地的TP负荷削减要求最高。这些地区的污染负荷主要来源于污水处理厂、分散养殖和未处理生活污水等来源。因此，针对这些高负荷区域，制定相应的削减措施是改善辽东湾水质和生态环境的关键。

为了提高污染负荷计算的准确性，本研究采用多种方法进行验证。通过比较计算结果与实际污染负荷，评估了不同尺度下污染负荷的合理性。研究结果显示，氮和磷的通量计算与实际污染负荷高度吻合，表明所采用的计算方法具有较高的可靠性。此外，本研究还探讨了不同水期对污染负荷计算的影响，发现基于不同水期的优化分配方法在计算效率和适用性方面均优于传统方法。这种方法不仅能够更好地适应辽东湾的季节性水文变化，还能够为区域的污染管理提供更加科学的依据。

本研究的成果具有重要的政策和管理意义。首先，它为辽东湾的陆源污染物控制提供了科学框架，使得污染负荷的削减目标更加明确。其次，通过识别污染热点区域，有助于制定更具针对性的污染治理措施。此外，研究还揭示了不同行政区域和控制单元在污染负荷分布上的差异，为区域内的污染治理提供了差异化建议。最后，研究强调了跨流域和跨时间尺度的污染管理策略的重要性，这对于改善辽东湾的水质和生态环境具有重要意义。

本研究的方法和结论可以为其他面临类似问题的区域提供参考。由于污染负荷计算涉及大量特定于研究区域的参数，因此在应用该框架到其他地区时，需要根据当地的水文、水质和污染源特征调整相关参数。此外，尽管本研究主要关注基于水质目标的陆源污染物控制，但未从生态系统健康的角度探讨水质改善。未来的研究应进一步考虑生态系统健康，加强跨介质污染物传输和转化机制的研究，以提高模拟精度。同时，探索生态系统管理方法与协调陆海策略的结合，有助于实现更加系统和适应性的区域水环境治理。