引言青岛某港口承担重要的靠泊通航任务，是国家重点建设港口，港口海域环境保护是港口发展的重要基础。海洋污染中的石油类污染是海洋环境中主要监测指标之一。近年来，国内学者积极开展海域环境容量方面的研究。关道明[1]针对大连湾、锦州湾、胶州湾等海域编写环境容量研究专著。李克强[2]全面考虑大气挥发、生物富集及降解、水动力输运等因素，建立渤海石油烃环境容量的动力学模型。孙学娟[3]将渤海海域划分为5个区域，用有限元的方法，考虑水质标准值、环境本底值和海水体积，建立箱式模型进行计算。王晨[4]等使用Mike21软件构建湖泊水动力模型，建立湖泊完全混合模型水环境容量的计算公式。本文对某港口开展环境监测，评估港域石油类含量现状，利用Mike21软件开展水体交换模拟，建立环境容量计算公式，得到港区石油类环境容量数据。1港口海域石油类污染现状1.1港域基本情况及海水取样港口海域由6段防波堤包围，其中港域中部的南北向防波堤将港域分为旧港区A和新港区B，水体交换5处重要通道分别标记为a#~e#。港域中旧港区水体交换能力较弱，新港区较强。按《海洋监测规范》（GB 17378.3—2007）的要求，选取具有代表性点位，涨平潮和落平潮时取样，得到30份混合样品，其中港域离岸海水样品10份，近岸海水样品20份，每份样品1 000 mL，加酸酸化至pH值小于2后贮存并运输至化验室，港域水深和取样点分布图如图1所示。根据《海水水质标准》（GB 3097—1997）将海水水质分为四类，如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.019.F001图1港域水深和取样点分布图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.019.T001表1石油类海水水质标准水质类别含量范围/（mg/L）适用范围第一、二类0.05适用渔业、自然保护区和浴场。第三类0.3适用工业用水、滨海风景区。第四类0.5适用港口、海洋开发区。1.2检测方法根据《海洋监测规范》（GB 17378.4—2007）的要求，采用紫外分光光度法进行化验检测，经过震荡脱芳处理、萃取和测定吸光值等步骤，得到检测结果。检测药品试剂和仪器设备如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.019.T002表2检测所用试剂和仪器试剂名称品级生产厂家仪器名称仪器型号生产厂家正己烷分析纯罗恩试剂UV-8000UV-8000青岛正恒试验设备有限公司硫酸分析纯罗恩试剂康氏振荡器KS济南好来宝医疗器材有限公司油标准使用溶液200 μg/mL广州分析测试中心科力技术开发公司———1.3检测结果基于30个取样点的检测结果，利用Arcgis10.8软件制作shp文件，对数据进行统计分析，采用克里金插值法得到石油类含量分布图如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.019.F002图2港域石油类含量分布图1.4结果分析港口海域面积15.9 km2，其中石油类超过0.5 mg/L的劣四类水质海水面积0.2 km2，占比1.3%；石油类0.3~0.5 mg/L的四类海水面积0.1 km2，占比0.6%；石油类0.05~0.3 mg/L的三类海水面积5.18 km2，占比32.6%；其余石油类一、二类优质海水占比65.5%。根据克里金插值数据得到港区平均石油类含量0.086 mg/L，为三类海水水质。其中旧港区平均值0.104 mg/L，新港区平均值0.080 mg/L。根据Mike21软件提取港域水深数据、港域面积及检测结果，计算出港区海域石油类本底值为14.87 t，其中旧港区4 001 kg、新港区10 865 kg。2水体交换模拟2.1构建水动力模型港域水深数据来自Google Earth和公开海图（C1512539）。风力数据由国家海洋局北海预报中心提供。潮位数据由上海精导仪器公司DCX-25自容式潮位仪实测得到，潮流流向、流速由Valeport Model 106型旋桨式海流计实测得出。利用mesh generator模块制作海域三角形网格，其中港域网格加密处理，如图3所示。插值水深数据得到mesh文件。将实测值和软件模拟潮位、流速、流向进行比较，验证结果吻合度良好，说明模型建立符合实际。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.019.F003图3港域三角形网格划分2.2涨落潮流场分析软件模拟港域大小范围涨落潮阶段流场如图4所示。图4港域涨落潮流场10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.019.F4a1（a）大范围涨潮阶段10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.019.F4a2（b）小范围涨潮阶段10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.019.F4a3（c）大范围落潮阶段10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.019.F4a4（d）小范围落潮阶段港域大范围涨潮方向为NW向，落潮方向为SE向。潮流的主要进出水道为东侧堤坝口门e#，涨潮时最大流速0.8 m/s，退潮时最大流速1.1 m/s。新港区涨潮流场主要由e#进水，在c#新港区内侧和d#新港区外侧呈涡旋状流动，旧港区涨潮时2个水道均输入海水，西侧近岸水动力较差。退潮时新港区c#进水并稍后从d#和e#流出，潮流在码头的两侧形成2个小型旋涡，助推水体交换，旧港区水体主要由a#进入，在b#呈弱流出，水体交换能力不强。2.3港域水体交换能力2.3.1数学原理在Mike21潮流数学模型中增加物质输运模块，表述一定浓度物质输运的对流扩散方程为：∂hC∂t+∂huC∂x+∂hvC∂y=h∂∂x(Dh∂C∂x)+h∂∂y(Dh∂C∂y) （1）式中：C——水体垂直方向平均浓度，mg/L；Dh——水平扩散系数。2.3.2基本设置本研究采用水体交换数学模型，对港口水体交换过程进行模拟，港域水体初始浓度如图5所示。水体初始浓度为1，外部置换水体浓度为0。在潮汐作用下，水体经对流扩散发生掺混稀释，得到10天的水体交换率数据。制作dfs2水深文件，建立Mike21 Flow Model HD and AD Module，步长设置3 600 s，模拟周期设置为10天，设置港域通道4个边界分别为a#、c#、d#、e#。生成dfs2对流扩散结果，用plot composer-Grid plot逐帧动画显示水体交换结果。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.019.F005图5港域水体初始浓度2.3.3水体交换能力评估模拟结果表明新港区水体交换能力较强，环境承载力较大，旧港区较弱。其中东北部堤坝近岸、西北部近岸和中部堤坝西侧根部属于盲区，水体交换时间较长。（1）经过1天的潮流更迭，南部3段离岸防波堤附近水体交换率均较高，新港区48%的海域交换率达到60%以上，旧港区12%的海域交换率达到60%以上。（2）3天后新港区大部分海域水体交换率较高，旧港区40%的海域交换率也达到60%以上。（3）6天后新港区水体交换率达到99%，旧港区除西侧近岸海域交换率为80%以外，其余海域均达到90%以上。（4）9天后旧港区海域水体交换率均达到90%以上。3环境容量计算3.1环境容量模型港域为环防波堤结构，海水输运通道确定，根据Mike21水环境模拟结果，只考虑进水，提出港域石油类环境容量计算公式为：M=(C0-Ca)⋅V港+(C0-Cb)⋅V进×10-3 （2）式中：M——港域石油类剩余环境容量，kg；C0——海水水质标准值，mg/L；Ca——港内石油类含量，mg/L；Cb——港外石油类含量，mg/L；V——海水体积，m3。3.2计算结果通过计算得到港区各类海水标准的石油类环境容量，结果如表3所示。从表中可知，港区每日一、二类海水标准可容纳石油类环境容量10.2 t，三类145 t，四类252 t。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.019.T003表3港区石油类环境容量港区港区海水体积/（×106m3）环境容量本底值各类海水标准本底剩余容量/kg日进水体积/（×106m3）港外平均含量/（mg/L）每日各类海水标准进水环境容量/（kg/d）平均含量/（mg/L）本底含量/kg一、二类三类四类一、二类三类四类旧港区38.30.1044 001-2 0707 5131517943.20.0051 94512 75221 397新港区136.40.08010 865-4 09230 00457 281320.10.00514 40394 423158 438总港区174.7—14 866-6 16137 51772 460363.3—16 348107 175179 835得到港域每年石油类剩余环境容量直方图，如图6所示。根据水体交换模拟结果，以9天作为交换周期，可知总港域年度石油类环境容量在各海水标准下分别为662 t、4 351 t和7 301 t。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.019.F006图6港域年石油类环境容量直方图3.3结果分析从计算结果中看出，新旧港区水体交换能力差距较大，但以四类海水标准作为港口海域适用范围，港域石油类环境容量尚可。其中日环境容量为252 t，考虑以9天为水体循环周期，年环境容量为7 301 t。旧港区水环境尤其西侧近岸和码头近岸部较为脆弱，单位面积年环境容量为新港区的39%。4结语随着经济社会发展，港口日益趋向大型化发展，通航量逐年递增，存在环境风险加剧的问题，港口环境保护刻不容缓。港区船舶、油库、工厂等重点点位需加强安全管理，完善应急设备，加强训练，防止事故性溢油事件的发生。本文通过实地取样检测，得到港域海水石油类含量数据，分析得出港区98.1%的海域达到三类海水标准，通过计算海水体积得到港域石油类本底容量。通过水交换模拟得到水体交换周期为9天，进而采用水交换数据除以9得到港区年石油类环境容量为7 301 t。相关数据可为油污水处理站提供参考。若进行溢油事故模拟可以把日环境容量作为模拟溢油量。本文未考虑蒸发、生物降解、光解、沉降等过程，如需精细计算，今后可以建立相关模型进行计算。