山西汾河復(fù)流前后水環(huán)境承載能力分析

張澤宇,梁存峰

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原 030024;2.晉中水文水資源勘測分局, 山西晉中 030600)

汾河一直是山西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源保障之一。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,迅速增長的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市生活取水量使得大部分汾河水量被引用消耗,河道實(shí)際流量迅速減少。據(jù)統(tǒng)計(jì),汾河流域1980—2000 年平均地表水利用消耗率為64.8%,同期平均匯入黃河的水量為58 471 萬m3。根據(jù)水文站歷年觀測資料分析,汾河水庫以上各監(jiān)測斷面未有河干和斷流現(xiàn)象出現(xiàn),汾河水庫以下各站除趙城、河津兩站外均不同程度出現(xiàn)河干和斷流現(xiàn)象,其中斷流最嚴(yán)重的汾河二壩站平均斷流138 d/a,義棠站平均斷流100 d/a[1]。大量未經(jīng)處理達(dá)標(biāo)的污水直接排入河道,使汾河干流水質(zhì)遠(yuǎn)低于山西省水功能區(qū)劃規(guī)定的水質(zhì)目標(biāo)。2008年山西省政府提出再現(xiàn)“汾河流水嘩啦啦”和汾河水生態(tài)明顯改善的目標(biāo),在汾河上中游和下游分別建設(shè)了萬家寨引黃入晉工程南干線和臨汾馬房溝引沁入汾工程兩個(gè)大型調(diào)水工程。引黃入晉工程南干線向汾河引水3.2 億m3/a,臨汾馬房溝引沁入汾工程設(shè)計(jì)引水量5 902 萬m3,除滿足生產(chǎn)、生活用水外,用于維持汾河生態(tài)需水,保證汾河不斷流。污染治理是清水復(fù)流工程的一個(gè)重要方面。筆者重點(diǎn)針對功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo),根據(jù)1956—2006 年系列不同水文條件分析計(jì)算汾河復(fù)流前后的納污能力,旨在為汾河清水復(fù)流后水環(huán)境的綜合治理提供參考依據(jù)。

1 復(fù)流前水功能區(qū)達(dá)標(biāo)狀況

根據(jù)《山西省水功能區(qū)劃》, 汾河干流總長693.8 km,共劃分5 個(gè)一級水功能區(qū)：靜樂源頭保護(hù)區(qū)、靜樂婁煩開發(fā)利用區(qū)、古交保留區(qū)、太原運(yùn)城開發(fā)利用區(qū)和河津緩沖區(qū)。在開發(fā)利用區(qū)內(nèi)又劃分了20 個(gè)二級水功能區(qū),具體見表1。

表1 汾河復(fù)流前水功能區(qū)納污能力

汾河干流有入河排污口110 處(包括入汾支流口15 處),其中入河廢污水量小于300 萬m3/a 的排污口81 處,300 萬～500 萬m3/a 的排污口8 處,大于500 萬m3/a 的排污口21 處,廢污水入河量達(dá)33 654萬m3/a,COD 入河量達(dá)49 843 t/a,NH3-N 入河量達(dá)9 015 t/a。在不同水功能區(qū)上,污廢水排放主要集中在排污控制區(qū), 其污廢水年排放量達(dá)17 413萬m3/a,COD 入河量達(dá)31 326 t/a,NH3-N 入河量達(dá)6 858 t/a。

根據(jù)2006 年汾河水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測資料,汾河干流23 個(gè)功能區(qū)中,水質(zhì)達(dá)到Ⅱ類的功能區(qū)為1 個(gè);達(dá)到Ⅲ類的為1 個(gè);達(dá)到Ⅳ類的2 個(gè);達(dá)到劣Ⅴ類的19個(gè),占汾河水功能區(qū)總數(shù)的82.6%。對照水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo),僅3 個(gè)功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo),達(dá)標(biāo)率僅為13%。

2 納污能力計(jì)算與分析方法

納污能力計(jì)算的重點(diǎn)區(qū)是水功能區(qū)的開發(fā)利用區(qū)(飲用水源區(qū)除外),對于需要改善水質(zhì)的保留區(qū)和緩沖區(qū),也同時(shí)計(jì)算其納污能力。根據(jù)各二級水功能區(qū)的設(shè)計(jì)條件和水質(zhì)目標(biāo),以各水功能區(qū)為計(jì)算單元,自上而下逐段進(jìn)行水域納污能力計(jì)算。

2.1 選用模型

根據(jù)污染物在各河段橫斷面上均勻混合的特點(diǎn),采用河流一維模型[2-4]：

式中：W 為水功能區(qū)納污能力,t/a;Q 為水功能區(qū)設(shè)計(jì)流量,m3/s;q 為水功能區(qū)入河污水量,m3/s;ρs 為水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo),mg/L;ρ0為水功能區(qū)上斷面污染物質(zhì)量濃度,mg/L;k 為污染物綜合降解系數(shù),d-1;x 為水功能區(qū)上斷面到下斷面的距離,km;x1為簡化后排污口到下計(jì)算斷面的距離,km;u 為水功能區(qū)設(shè)計(jì)流量下的河段平均流速,m/s。

2.2 水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的確定

水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)按照《山西省水功能區(qū)劃》規(guī)定的水質(zhì)目標(biāo)對照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)予以確定。以COD、NH3-N 為主要污染控制指標(biāo)。

2.3 水功能區(qū)設(shè)計(jì)流量和流速的確定

①設(shè)計(jì)流量。汾河復(fù)流前,有水文站的水功能區(qū),設(shè)計(jì)流量采用1956—2006 年系列實(shí)測資料進(jìn)行分析計(jì)算。無水文資料的河段,設(shè)計(jì)流量按以下原則確定：距水文站較近,區(qū)間無較大支流加入或大的取水口,直接借用鄰近水文站的資料推求設(shè)計(jì)流量;距水文站較遠(yuǎn),區(qū)間有較大支流加入或大的取水口,通過水量平衡計(jì)算,確定設(shè)計(jì)流量。汾河復(fù)流后,各控制站設(shè)計(jì)流量采用“汾河清水復(fù)流工程水量調(diào)度方案”中的相應(yīng)資料確定。 ②設(shè)計(jì)流速。有水文資料的根據(jù)水文站斷面水位流速關(guān)系確定;無水文資料的,采用曼寧公式[5]計(jì)算。

2.4 綜合降解系數(shù)的確定

綜合降解系數(shù)根據(jù)汾河實(shí)測資料確定,COD 的k 值取值范圍在0.20 ～0.48d-1,平均為0.34d-1;NH3-N 的k 值取值范圍在0.12 ～0.32d-1,平均為0.22d-1[6]。

3 納污能力分析

3.1 復(fù)流前不同水量條件下納污能力

根據(jù)SL 348—2006《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》,采用90%保證率最枯月平均流量對汾河復(fù)流前即汾河未實(shí)施引黃、引沁輸水前的納污能力進(jìn)行分析計(jì)算。經(jīng)計(jì)算,復(fù)流前COD 和NH3-N 的納污能力分別為21 687 t/a 和975 t/a,其中開發(fā)利用區(qū)納污能力分別為20 875 t/a 和941 t/a,占各功能區(qū)納污能力總和的96.3%和96%(表1)。

為反映汾河在不同水量條件下的納污能力,結(jié)合北方季節(jié)性河流的特點(diǎn),選取不同保證率(20%、50%、75%及95%)枯季(10 月至翌年5 月)平均流量進(jìn)行納污能力的分析計(jì)算(表2)。結(jié)果顯示：在不同保證率來水條件下,COD 的平均納污能力由95%保證率來水條件下的29 495 t/a,增大到20%保證率來水條件下的85 375 t/a,增加了1.89 倍;NH3-N 平均納污能力由95%保證率來水條件下的1 343 t/a,增大到20%保證率來水條件下的3 054 t/a,增加了1.27 倍。

偏枯水年、枯水年枯季(75%、95%保證率來水條件)全河COD、NH3-N 總納污能力小于現(xiàn)狀污染物入河量,也即在偏枯水年、枯水年現(xiàn)狀污染物入河量大于汾河本身的水環(huán)境承載能力。平水年(保證率50%來水條件)全河COD 納污能力總體上大于現(xiàn)狀污染物入河量,但太原、介休、霍州、稷山等區(qū)縣污染物現(xiàn)狀入河量仍大于其納污能力,表明上述城市附近河段污染物入河量已超過其水環(huán)境承載能力。偏豐水年(20%保證率來水條件)全河總納污能力遠(yuǎn)大于現(xiàn)狀污染物入河量,但就局部河段如太原市區(qū)、介休等區(qū)縣所在河段而言,其納污能力仍小于現(xiàn)狀入河量,尤其是太原市現(xiàn)狀入河量為其納污能力的1.6 倍。

3.2 復(fù)流后納污能力

汾河復(fù)流后各控制站設(shè)計(jì)流量采用山西省水利廳編制的《汾河清水復(fù)流工程水量調(diào)度方案》中相應(yīng)資料。復(fù)流后各控制斷面設(shè)計(jì)流量平均較復(fù)流前增大0.5 m3/s 左右。汾河入黃口設(shè)計(jì)流量由復(fù)流前的0.12 m3/s 增加為復(fù)流后的1.34 m3/s。經(jīng)計(jì)算,復(fù)流后COD 和NH3-N 的納污能力分別為30 275 t/a和1 283 t/a(表3)。

表2 復(fù)流前不同水量條件下水功能區(qū)納污能力 t/a

表3 汾河復(fù)流后水功能區(qū)納污能力 t/a

4 污染物總量控制方案

4.1 限排總量

考慮汾河中下游水質(zhì)已遭受嚴(yán)重污染的實(shí)際,本次限制排污總量的原則是流域內(nèi)各行政區(qū)排放的主要污染物總量不再增加,具體計(jì)算方法為：若功能區(qū)現(xiàn)狀入河量小于或等于該功能區(qū)允許納污量,則將該目標(biāo)控制總量視為功能區(qū)入河污染物控制總量;反之,將該功能區(qū)允許納污量作為其入河污染物控制總量。分析計(jì)算得汾河干流復(fù)流后COD、NH3-N 限制排污總量分別為25 139 t/a 和1 158 t/a。

4.2 現(xiàn)狀排放削減率

以各功能區(qū)納污能力以及現(xiàn)狀污染排放狀況為基礎(chǔ),統(tǒng)計(jì)得出汾河干流復(fù)流后水力條件下,COD、NH3-N 應(yīng)削減量分別為24 704 t/a 和7 857 t/a(表4),平均削減率分別為49.6%和87.2%?，F(xiàn)狀排放各行政分區(qū)主要污染物削減率見圖1。

表4 汾河復(fù)流后現(xiàn)狀排放行政分區(qū)污染物削減量 t/a

圖1 現(xiàn)狀排放各行政分區(qū)主要污染物削減率

4.3 達(dá)標(biāo)排放削減率

達(dá)標(biāo)排放削減率是指假設(shè)現(xiàn)有排污口都達(dá)到污水綜合Ⅱ類排放標(biāo)準(zhǔn),按照水功能區(qū)納污能力和限制排污總量的要求計(jì)算的污染物削減率[7]。以汾河干流主要行政區(qū)為單元,達(dá)標(biāo)排放后COD、NH3-N 入河量分別為38 247 t/a 和5510 t/a,仍不能滿足各水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo), 仍需削減15 936t/a和4 356 t/a。達(dá)標(biāo)排放后COD、NH3-N 平均削減率41.7%和79.0%,各行政分區(qū)主要污染物削減率見圖2。

圖2 達(dá)標(biāo)排放后各行政分區(qū)主要污染物削減率

5 結(jié) 語

經(jīng)計(jì)算,汾河復(fù)流前COD 和NH3-N 的納污能力分別為21 687 t/a 和975 t/a,其中開發(fā)利用區(qū)納污能力分別為20 875 t/a 和941 t/a,占各功能區(qū)納污能力總和的96.3%和96.6%。

復(fù)流后各功能區(qū)COD 和NH3-N 的納污能力分別為30 275 t/a 和1 283 t/a,總納污能力分別較復(fù)流前增加39.6%和31.6%。限制排污總量分別為25 139 t/a 和1 158 t/a,污染物削減量分別為24 704 t/a和7 857 t/a,平均削減率分別為49.6%和87.2%。若各入河排污口達(dá)標(biāo)排放后,COD、NH3-N 仍要削減15 936 t/a 和4 356 t/a。

可見要達(dá)到“汾河清水復(fù)流”的水質(zhì)目標(biāo)要求,污染源達(dá)標(biāo)排放是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,必須依據(jù)限制排污總量進(jìn)行控制：①要以水功能區(qū)管理為載體,依法向環(huán)保部門提出限制排污的意見;②要加強(qiáng)重要斷面的水質(zhì)監(jiān)測以及入河排污總量的監(jiān)控,將確定的水功能區(qū)納污能力作為污染物減排依據(jù)和河道管理依據(jù);③強(qiáng)化入河排污口審批和監(jiān)督檢查,嚴(yán)格污染物總量控制和污染物濃度控制,確保水質(zhì)目標(biāo)的最終實(shí)現(xiàn)[8]。

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