甘肅渭河流域水環(huán)境承載能力及污染控制分析

朱金花

(甘肅省水環(huán)境監(jiān)測中心，甘肅 蘭州 730000)

渭河流域位于甘肅中東部，省內(nèi)流域總面積2.56萬km2，占全省總面積的5.6%。流域內(nèi)主要包括定西、天水、平?jīng)?市的13個縣區(qū)，2008年總?cè)丝?79萬人，占全省總?cè)丝诘?2%，人口密度207人/km2，是全省人口密度57人/km2的3.6倍。流域內(nèi)農(nóng)業(yè)自然條件較差，灌溉面積151.2萬畝，僅占耕地面積的8.5%，大部分地區(qū)是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，區(qū)內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展不平衡，其中干流區(qū)有隴西、武山、甘谷、天水等重要城鎮(zhèn)，經(jīng)濟相對發(fā)達，同時流域內(nèi)又有11個國家重點扶持的貧困縣。2008年流域國內(nèi)生產(chǎn)總值308.8億元，占全省國內(nèi)生產(chǎn)總值的9.7%，人均國內(nèi)總產(chǎn)值僅為全省的44.1%，社會生產(chǎn)力總體水平較低。流域氣候以干流為界，南北兩岸存在明顯的差異，南岸及中下游氣候?qū)贉貛О霛駶檯^(qū)，降水較多，植被相對較好，是渭河的主要水源涵養(yǎng)區(qū)。北岸及上游區(qū)屬溫帶干旱區(qū)，氣候干旱，降雨量較少，土地裸露，水土流失嚴(yán)重。近年來，由于流域內(nèi)水平梯田化和雨水集流水窖等水土保持措施不斷強化和引蓄水工程的影響，河川徑流量明顯減少;另一方面，隨著城鎮(zhèn)化率的提高和工業(yè)生產(chǎn)的擴大，廢污水排放量不斷增加，總排放量達到5 558.6萬t，雙重作用致使流域流域水環(huán)境質(zhì)量不斷惡化，水資源供需矛盾加劇，水環(huán)境問題越來越突出，在這種情況下，水環(huán)境承載能力不僅是社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的制約因素，而且是今后社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的約束指標(biāo)，分析研究水環(huán)境承載能力，為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略布局提供決策依據(jù)，顯得非常重要。

1 水環(huán)境承載能力分析計算

1.1 水環(huán)境承載能力基本內(nèi)涵

廣義上的水環(huán)境承載能力是指在一定的社會、經(jīng)濟、技術(shù)條件下，一定的水域的水體能夠被繼續(xù)利用并仍保持良好的生態(tài)系統(tǒng)時所能支撐經(jīng)濟發(fā)展和人民生活需求的的能力，是一個動態(tài)參數(shù)，受自然環(huán)境、社會環(huán)境、經(jīng)濟環(huán)境和科技發(fā)展等因素的影響;狹義上的水環(huán)境承載能力是指在一定的水域，其水體能夠被繼續(xù)利用并仍保持良好的生態(tài)系統(tǒng)時所能容納污水及污染物的最大能力［1］，通常以納污能力或水環(huán)境容量來量化計算。本文從狹義角度出發(fā)，基于《甘肅省水功能區(qū)劃》所確定的渭河流域各條河流的水質(zhì)保護目標(biāo)對渭河流域納污能力進行分析研究。

1.2 計算模型

納污能力通常采用數(shù)學(xué)模型進行計算，根據(jù)渭河流域的水文特性，采用一維和二維模型進行計算。

一維模型主要適用于寬深比較小、污染物在較短的河段內(nèi)基本上能混和均勻，且污染物濃度在斷面橫向方向變化不大，或者是計算河段較長，橫向和垂向的污染物濃度剃度可以忽略的河段。渭河流域水功能區(qū)段均在10 km之上，河寬及河深遠遠小于河長，污染物在橫向和垂向較易混合均勻，而沿程變化較大，污染物主要靠縱向遷移向下游輸送，符合一維穩(wěn)態(tài)模型模擬條件，故全部采用一維模型進行模擬計算。

式中，C為污染物的濃度，是時間t和空間位置x的函數(shù);Dx為縱向彌散系數(shù);ux為斷面平均流速;K為污染物的衰減速度常數(shù)。

在穩(wěn)態(tài)條件下，給定初始條件(x=0時，C=C0)，忽略彌散作用后，上式的解析解為:

式中:W為計算單元的納污能力，g/s;Q為河段上斷面設(shè)計流量，m3/s;Cs為計算單元水質(zhì)目標(biāo)值，mg/L;C0為計算單元上斷面污染物濃度，mg/L;qi為旁側(cè)入流量，m3/s;K為污染物綜合降解系數(shù)，1/d;x1為旁側(cè)入流概化口至下游控制斷面的距離，km;x2為旁側(cè)入流概化口至上游對照斷面的距離，km;u為平均流速，m/s。

1.3 計算指標(biāo)

在水功能區(qū)劃與水質(zhì)保護目標(biāo)確定的基礎(chǔ)上，根據(jù)甘肅省入河排污口調(diào)查情況、甘肅省河流水質(zhì)現(xiàn)狀評價結(jié)果，化學(xué)需氧量和氨氮是污染最普遍、最嚴(yán)重的兩個因子，因此，確定化學(xué)需氧量和氨氮為納污能力分析計算的指標(biāo)。

1.4 模型參數(shù)

設(shè)計.流量:一般水功能區(qū)采用75%保證率最枯月平均流量，具有飲用水功能的計算單元，為了保證飲用水安全，其設(shè)計流量采用90%保證率最枯月平均流量。

設(shè)計流速:根據(jù)設(shè)計流量，由所建立的水位～流速關(guān)系曲線確定。

初始斷面背景濃度C0:根據(jù)實測資料分析，渭河流域化學(xué)需氧量初始濃度采用5mg/L;氨氮初始濃度采用0.15 mg/L。

水質(zhì)控制目標(biāo)濃度Cs:根據(jù)水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)確定，對于水質(zhì)目標(biāo)為Ⅱ類的水功能區(qū)，一般化學(xué)需氧量為15 mg/L，氨氮為0.50 mg/L;對于水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類的水功能區(qū)，一般化學(xué)需氧量為20 mg/L，氨氮為1.00 mg/L;對于水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類的水功能區(qū)，一般化學(xué)需氧量為30 mg/L，氨氮為1.50 mg/L;對于水質(zhì)目標(biāo)為Ⅴ類的水功能區(qū)，一般化學(xué)需氧量為40 mg/L，氨氮為 2.00 mg/L。

污染物綜合降解系數(shù)K:根據(jù)實測資料分析，并結(jié)合國內(nèi)外一些研究成果，通過綜合分析比較確定渭河流域化學(xué)需氧量的降解系數(shù)為 0.40d－1，氨氮的降解系數(shù)為 0.25d－1。

1.5 計算結(jié)果

采用(2)式對流域各水功能區(qū)進行納污能力計算，在實際計算時，考慮到排污口之間的距離遠遠小于計算河段長度，因此對排污口、支流口位置采用權(quán)重概化法，即把分散的排污口概化成一個集中排污口，以便于計算。通過納污能力模型模擬計算:渭河流域干支流總長度1 466.7 km，CODcr、氨氮的總納污能力分別為:15 240.5 t/a，523.7 t/a，流域人均納污能力為:COD cr2.6 kg/a;氨氮 0.09 kg/a，分別是全省的15.4%和12.2%，就水環(huán)境容量資源而言，該流域人口和資源之間的矛盾較為突出。另外，納污能力空間分布也不夠均勻，其中，干流CODcr及氨氮的納污能力分別為11 305 t/a和350 t/a，分別占全流域的74.2%和66.8%，可以看出流域納污能力主要在干流。各河流的納污能力見表1。

2 流域污染物排放及水環(huán)境質(zhì)量狀況

根據(jù)調(diào)查流域共有入河排污口91個，干流46個，年排污總量5 559萬 t，其中主要污染物COD cr的入河量為27 097 t/a，氨氮為 4 643 t/a。

流域共有水功能區(qū)40個，河流總長度1 727.1km，其中按目標(biāo)水質(zhì)進行評價，達標(biāo)9個，達標(biāo)率22.5%，按河長評價，達標(biāo)374.1km，達標(biāo)率21.7%。兩種評價結(jié)果相近，達標(biāo)率均較低。

表1 渭河干、支流納污能力計算成果表

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)進行評價:達到和優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水功能區(qū)和河長占總數(shù)的比例分別為30%和28%，Ⅳ類水質(zhì)的水功能區(qū)數(shù)和河長占總數(shù)的比例分別為20%和19.4，Ⅴ為12.5%和12.9%，劣Ⅴ為37.5%和39.7%，詳見表2?？梢钥闯瞿壳拔己恿饔蛩h(huán)境質(zhì)量較差。

表2 渭河流域水環(huán)境質(zhì)量評價表

3 排污控制量及削減量

以水功能區(qū)的納污能力為入河控制量，計算出現(xiàn)狀排污條件下的入河污染物削減量和削減率(表3)，可以看出目前污染較重，水質(zhì)較差的渭河干流，漳河、散度河、葫蘆和、耤河等河流削減量很大，其削減率均在50%以上，其中耤河COD-cr削減率最高，達到97.9%，排污量已經(jīng)遠遠大于承載能力，水污染治理任務(wù)相當(dāng)艱巨。而牛頭河、湯峪河、后川河、永川河目前排污量在納污能力之內(nèi)，尚有一定的發(fā)展空間。

表3 渭河流域污染物排放量及削減量表

4 結(jié)語

分析結(jié)果表明:渭河流域目前的排放量已經(jīng)整體上超過承載能力，水環(huán)境質(zhì)量趨于惡化，因此必須進行生產(chǎn)方式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，節(jié)能減排，加大水環(huán)境治理力度，走集約化發(fā)展道路，促使社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

4.1 加大污水凈化處理能力

從分析結(jié)果來看，渭河干流由于水量較大，所以，74.2%和66.8%的COD cr及氨氮納污能力集中在干流，同時由于天水、甘谷、武山、隴西等流域人口、工業(yè)比重較大的城鎮(zhèn)也集中在干流，由于這些城鎮(zhèn)的COD cr及氨氮排放量分別占全流域的44.7%和86.5%，因而是污染治理的重點，為了滿足干流水功能區(qū)的納污能力，達到排污控制目標(biāo)，就目前而言，必須加大這些城鎮(zhèn)的污水凈化處理能力，嚴(yán)格執(zhí)行達標(biāo)排放，這是最直接、最有效的措施。

4.2 進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，淘汰低產(chǎn)出，高排放的企業(yè)

從長遠來看，僅僅通過提高污水的處理能力來控制污染是遠遠不夠的，因為這一方面會增加污水處理的壓力和投資，另一方面當(dāng)污水增加到一定程度時，即便是全部經(jīng)過污水處理廠處理后達標(biāo)排放，河流水功能區(qū)的水質(zhì)不一定達標(biāo)，因為污水處理廠達標(biāo)排放的標(biāo)準(zhǔn)要低于水功能區(qū)要求的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)污徑比達到一定限度時，將必然超過其承載能力。因此，必須通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，淘汰低產(chǎn)出、高排放的企業(yè)，大力培育和發(fā)展節(jié)能環(huán)保型的產(chǎn)業(yè)，建立資源節(jié)約、型環(huán)境友好型社會，走綠色發(fā)展、和諧發(fā)展之路，使污染從源頭上得到治理，達到治本之目的。

4.3 進行水環(huán)境容量資源的優(yōu)化配置，建立有償使用和市場交易制度

水環(huán)境容量是一種功能性資源，從流域目前情況來看，應(yīng)該說這種資源處于一種無序和無償利用的狀態(tài)，一些高耗能、高排放的企業(yè)占有了較大的資源，限制了低排放的高新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間，阻遏流域經(jīng)濟發(fā)展。因此為了使水環(huán)境容量資源得到優(yōu)化配置，一方面要通過政策導(dǎo)向，進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，同時還要運用市場經(jīng)濟手段，通過建立有償使用和排污權(quán)市場交易制度，把水環(huán)境容量資源配置給節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)業(yè)和企業(yè)，淘汰落后產(chǎn)業(yè)和企業(yè)，優(yōu)勝劣汰，促使經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護達到協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。

4.4 以水環(huán)境容量為約束條件，調(diào)整產(chǎn)業(yè)和城鎮(zhèn)發(fā)展的空間布局

分析結(jié)果表明，流域內(nèi)各支流和干流區(qū)域目前的水環(huán)境狀況不同，其中干流以及漳河、散度河、葫蘆和、耤河等支流排污量很大，已經(jīng)處于超載狀態(tài)，這些地區(qū)的發(fā)展只能通過產(chǎn)業(yè)的升級換代，培植節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)，限制高污染、低產(chǎn)出的產(chǎn)業(yè)，提高水環(huán)境容量資源的利用效率來謀求更大的發(fā)展，同時要以水環(huán)境容量為約束條件，對城鎮(zhèn)的規(guī)模、人口數(shù)量做出長遠而科學(xué)的規(guī)劃，防止竭澤而漁。而處于流域東部牛頭河支流域，水環(huán)境承載能力尚有余量，從全流域角度分析，可以考慮適度轉(zhuǎn)移部分產(chǎn)業(yè)，一方面減輕干流城鎮(zhèn)的壓力，另一方面帶動本支流域的經(jīng)濟發(fā)展，促進整個流域社會經(jīng)濟均衡發(fā)展、全面發(fā)展、和諧發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論

(1)渭河流域人口總量多、密度大，水資源相對匱乏，水環(huán)境承載能力相對較低;

(2)流域排污量大，治理措施相對滯后，導(dǎo)致流域水環(huán)境質(zhì)量較差，目前整體處于超載狀態(tài);

(3)流域的發(fā)展必須以水環(huán)境承載能力為約束條件，走科學(xué)發(fā)展，和諧發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展之路。

［1］汪恕誠.再談人與自然和諧相處——兼論大壩與生態(tài)［J］.中國水利.2004(8):6—14.

［2］陳雷.實行最嚴(yán)格的水資源管理制度保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展［J］.中國水利.2009(5).

［3］于術(shù)桐，黃賢金，程緒水.南湖流域生態(tài)保護與修復(fù)生態(tài)補償機制研究［J］.中國水利.2011(5).

［4］路雨，蘇保林.河流納污能力計算方法比較［J］.水資源保護.2011(4).