太湖流域典型區(qū)域污染物總量分配技術(shù)研究

張萬順，唐紫晗，王艷茹，徐德強(qiáng)

（1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.宜興市水文水資源監(jiān)測中心，江蘇 宜興 214200）

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展下的一些不合理的經(jīng)濟(jì)社會活動的出現(xiàn)，以及氣候變化等原因共同導(dǎo)致水生態(tài)環(huán)境惡化嚴(yán)重，成為制約經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重大瓶頸。實施流域污染物總量控制制度、建立污染物總量分配技術(shù)，使流域內(nèi)污染物排放量處于流域水生態(tài)承載能力范圍內(nèi)，這才能有效抑制流域水污染惡化趨勢。對此本文提出了太湖流域典型區(qū)域污染物總量分配技術(shù)，可為流域水環(huán)境管理提供技術(shù)支撐，為遏制流域水環(huán)境繼續(xù)惡化，保障經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展政策的實施提供參考。

國外對總量控制的研究較早，一般將水環(huán)境容量的計算和負(fù)荷分配在同一過程中進(jìn)行，多采用隨機(jī)理論和系統(tǒng)化結(jié)合的方法研究。Fujiwara等［1］基于概率約束模型，計算了水環(huán)境容量，并將允許排放的污染物總量進(jìn)行了分配；Loucks［2］等將流量等參數(shù)作為確定性變量處理進(jìn)行水環(huán)境容量的研究；Donald等［3-4］依據(jù)概率約束條件，運用優(yōu)化模型研究了這一問題。我國的總量控制研究主要圍繞總量分配原則和分配方法展開，蘇惠波［5］采用前蘇聯(lián)稀釋倍數(shù)法改進(jìn)后的數(shù)學(xué)模型對排污總量進(jìn)行分配；包存寬等［6］提出根據(jù)污染源對河流控制斷面水質(zhì)影響系數(shù)確定各污染源允許排放量的方法；胡康萍等［7］以區(qū)域水體功能區(qū)劃分、水環(huán)境容量計算和區(qū)域水資源水環(huán)境規(guī)劃作為基礎(chǔ)，提出了3種可行的分配方法，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；李開明等［8-9］在多河段水質(zhì)規(guī)劃中，運用最優(yōu)化原理建立了區(qū)域水環(huán)境容量優(yōu)化分配模型。由于太湖流域河網(wǎng)水系復(fù)雜，河道流向不穩(wěn)，沒有明顯上下游邊界，加之閘站眾多使水流受人為控制影響明顯的特點，上述模型難以描述太湖流域污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理以及污染特性，不適用于太湖流域典型區(qū)域污染物總量研究。

本文利用流域水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，計算出控制單元各排污口的貢獻(xiàn)率，從而利用貢獻(xiàn)率矩陣得到了長系列設(shè)計水文條件下滿足功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的各控制單元的動態(tài)水環(huán)境容量，基于水生態(tài)承載力權(quán)重，考慮社會、經(jīng)濟(jì)因素，得到多目標(biāo)優(yōu)化條件下的各控制單元的水污染物允許排放量和削減比例。以太湖流域典型區(qū)域為例，針對太湖流域典型區(qū)域水文水質(zhì)和污染源特點，考慮典型區(qū)域內(nèi)的社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等要素，實現(xiàn)了太湖流域典型區(qū)域污染物總量分配。

2 流域水污染物總量分配技術(shù)方法研究

2.1 流域水污染物總量分配準(zhǔn)則、方法和思路 利用貢獻(xiàn)率模型得出的貢獻(xiàn)率系數(shù)，構(gòu)建出各控制單元的動態(tài)TMDL模型，通過計算各控制單元的TMDL，以其作為各控制單元的初始分配。考慮各控制單元的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平、水生態(tài)承載力現(xiàn)狀、社會人口規(guī)模等區(qū)域差異，構(gòu)建出多目標(biāo)優(yōu)化模型，按照公平性原則、服從總目標(biāo)原則、突出重點與區(qū)別對待原則、動態(tài)性原則實現(xiàn)污染負(fù)荷的優(yōu)化分配。基本思路如下：（1）針對水環(huán)境特點，構(gòu)建流域水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，求出各排污口污染貢獻(xiàn)率，引入貢獻(xiàn)率系數(shù)，構(gòu)建控制單元動態(tài)TMDL模型，進(jìn)而求出各控制單元TMDL。按照貢獻(xiàn)率，對流域污染物總量進(jìn)行初始分配；（2）考慮社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境等因素，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型；（3）求解多目標(biāo)優(yōu)化模型，得到控制單元在滿足多目標(biāo)前提下的允許排放量和削減比例。

2.2 流域允許排放水污染物總量計算

2.2.1 貢獻(xiàn)率模型 利用水污染物排放的水質(zhì)響應(yīng)具有可疊加的特性，采用線性規(guī)劃方法，通過流域水質(zhì)模型，計算出每個排污口的貢獻(xiàn)率系數(shù)。

初始賦予控制單元的某一排污口1個單位的負(fù)荷量，其他排污口排出負(fù)荷量為零，利用模型計算出最終的濃度分布，確定出各個水質(zhì)控制點的濃度值。改變初始排污口，重復(fù)以上步驟，即可得出每個排污口的貢獻(xiàn)率系數(shù)Sci。貢獻(xiàn)率模型的方程如下：

（1）連續(xù)性方程

動量方程

（2）污染物對流擴(kuò)散方程

（3）節(jié)點的連續(xù)性方程：

（4）初值條件

（5）邊值條件

（6）排污條件

式中：Q為河道的流量；x為距離（沿河道水流方向的長度）；A為過水面積；t為時間；q為側(cè)流匯入流量；u為x方向的流速；g為重力加速度；z為水位；R為水力半徑；Sci為各排污口的第i個污染物的貢獻(xiàn)率；As、Cs是污染物輸移的源漏項。

2.2.2 控制單元TMDL模型 基于上述模型得到的貢獻(xiàn)率，構(gòu)建出貢獻(xiàn)率矩陣，以各控制單元水質(zhì)目標(biāo)作為限制條件，在各排污口滿足污染物濃度排放標(biāo)準(zhǔn)和各控制斷面污染物濃度滿足功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的前提下，以各排污口的污染負(fù)荷排放量之和最大為目標(biāo)，構(gòu)建TMDL模型，進(jìn)而可以求出各控制單元的動態(tài)TMDL。

控制單元TMDL模型基本方程如下：

目標(biāo)函數(shù)

約束條件

式中：l為水質(zhì)控制斷面編號；m為水質(zhì)控制斷面數(shù)目；j為排污口編號，n為排污口數(shù)目；i為污染物種類；xj為第j個排污口每天的負(fù)荷量；L為控制單元的TMDL；cjil為第j個排污口的單位負(fù)荷量對第i種污染物的第l個控制斷面的污染貢獻(xiàn)度系數(shù)；c0il為第i種污染物在第l個控制斷面的背景濃度，cbil為水質(zhì)控制斷面的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3 流域水污染物多目標(biāo)優(yōu)化總量次級分配方法 在各控制單元水污染物初始分配的基礎(chǔ)上，當(dāng)前以及規(guī)劃中的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和規(guī)模的條件下，按照公平性原則、服從總目標(biāo)原則、突出重點與區(qū)別對待原則、動態(tài)性原則，考慮社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境等因素，基于各控制單元水生態(tài)承載力，建立并求解多目標(biāo)優(yōu)化模型，對初始分配方案進(jìn)行調(diào)整，最終得到流域內(nèi)各控制單元優(yōu)化分配的污染排放量。該多目標(biāo)優(yōu)化模型的目標(biāo)及約束條件為：（1）經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)：各控制單元環(huán)境容量的分配使得區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量最大。約束條件：為了保證經(jīng)濟(jì)增長，確定的各控制單元環(huán)境容量下的區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量不低于規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)總量。（2）環(huán)境目標(biāo)：各排污口的污染負(fù)荷排放量之和最大。約束條件：選定的水質(zhì)控制點的污染物濃度不超過其各自對應(yīng)的功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，流域內(nèi)各控制單元分配的污染物總量之和不得超過整個流域總環(huán)境容量。（3）污染物治理費用目標(biāo)：河流污染物治理費用最小。約束條件：河流污染物治理費用應(yīng)小于基準(zhǔn)年的環(huán)境治理投資費用和地區(qū)生產(chǎn)總值限值。

3 流域污染物總量分配示范區(qū)研究

3.1 區(qū)域概況 本文選擇的太湖流域典型區(qū)域為太湖湖西區(qū)的滆湖小流域，包括常州市和宜興市的30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該區(qū)域有以下特征：（1）河網(wǎng)及水動力學(xué)特征復(fù)雜。研究區(qū)域內(nèi)河流縱橫，湖泊密布，河流密度約2.27km/km2，水域面積占總面積的22.3%，部分河道流向不穩(wěn)，常有滯流、倒流現(xiàn)象，整體河道流速低、流量小。研究區(qū)域內(nèi)水系分布情況見圖1。（2）水環(huán)境受人為干擾大。研究區(qū)內(nèi)有大量圩區(qū)，閘站眾多，河流水文條件受人為影響大，同時因漁業(yè)圍墾使得湖岸線不斷萎縮，湖濱防護(hù)帶不斷削弱，水生生物數(shù)量減少，水生態(tài)環(huán)境壓力大。（3）湖泊及河流沿岸排污口分布密集。區(qū)內(nèi)工業(yè)發(fā)達(dá)，化工、紡織、印染、黑色冶金等行業(yè)排污口污染物不達(dá)標(biāo)排放較嚴(yán)重，對水環(huán)境造成了巨大的污染。研究區(qū)域內(nèi)主要污染源和排污口分布情況見圖2。（4）大規(guī)模水產(chǎn)及畜禽養(yǎng)殖加劇了水體污染。太湖地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)大規(guī)模發(fā)展，部分養(yǎng)殖戶在湖泊內(nèi)發(fā)展圍網(wǎng)養(yǎng)殖以最大限度擴(kuò)大養(yǎng)殖面積，養(yǎng)殖過程中大量餌料的投入，使得水體有機(jī)質(zhì)含量加大，湖泊富營養(yǎng)化進(jìn)程加快。同時研究區(qū)內(nèi)較多的集中畜禽飼養(yǎng)場傍河湖而建，廢棄物未經(jīng)任何處理直接排放，導(dǎo)致水環(huán)境進(jìn)一步惡化。

3.2 功能分區(qū)分期目標(biāo)及水文條件

3.2.1 流域水功能區(qū)劃 該區(qū)域2010年以及2020年的水功能區(qū)劃分見圖3、圖4。

3.2.2 設(shè)計水文條件 水環(huán)境容量計算選擇COD、氨氮作為水質(zhì)指標(biāo)，采用2007年、2008年、2009年連續(xù)3年的流量的平均值作為設(shè)計流量。

3.3 控制單元TMDL 利用貢獻(xiàn)率模型和控制單元TMDL模型，以各控制單元的功能區(qū)水質(zhì)為目標(biāo)，首先計算出各個入河排污口的TMDL，再將控制單元內(nèi)的排污口進(jìn)行統(tǒng)計，累加計算出太湖流域典型區(qū)域各控制單元的TMDL，并以各控制單元的TMDL為基礎(chǔ)，進(jìn)行典型區(qū)域水污染物總量的初始分配。本文各控制單元TMDL計算結(jié)果如下表1所示。

從表中可以看出：和橋、前黃、徐舍、雪堰等控制單元COD水環(huán)境容量較大，分別為：9158.77kg/d、8851.31kg/d、6564.67kg/d、6877.38kg/d，氨氮水環(huán)境容量為：836.83kg/d、697.56kg/d、276.59kg/d、318.12kg/d。牛塘、奔牛、鐘樓區(qū)等水環(huán)境容量較小，COD分別為：121.70kg/d、235.69kg/d、276.24 kg/d，氨氮為：10.57kg/d、38.80kg/d、46.66kg/d。

表1 研究區(qū)域水環(huán)境容量計算成果表

3.4 流域水污染物總量優(yōu)化分配成果 本文在各控制單元水污染物初始分配的基礎(chǔ)上，基于水生態(tài)承載力，考慮社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境等因素，按照公平性原則、服從總目標(biāo)原則、突出重點與區(qū)別對待原則、動態(tài)性原則，建立并求解多目標(biāo)優(yōu)化模型，對分配方案進(jìn)行調(diào)整，得到整個太湖典型流域的各單元分配的污染排放量，并將其與COD和氨氮的現(xiàn)狀排放量進(jìn)行對比，確定太湖典型流域各個控制單元的削減比例。

各控制單元COD和氨氮現(xiàn)狀排放量與分配后的環(huán)境容量如圖5所示。

COD分配后結(jié)果顯示：芳橋現(xiàn)狀排放量等于分配的允許排放量，不需削減污染物排放量；奔牛、嘉澤、李嘉、牛塘、陽山、鄒區(qū)現(xiàn)狀排放量較分配后的允許排放量小，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上可增加水污染物排放量；其余各鎮(zhèn)現(xiàn)狀水污染物排放量均大于分配后允許的排放量，需削減水污染物排放量，其中徐舍、雪堰需削減水污染排放量最高，現(xiàn)狀排放量分別為12156.80kg/d，12735kg/d，分配后的排放量為3539.62kg/d，3924.39kg/d，削減比例分別高達(dá)70.9%和69.2%。

氨氮分配結(jié)果顯示：李嘉和牛塘兩鎮(zhèn)現(xiàn)狀排放量略小于分配后的允許排放量，可適當(dāng)增加水污染物排放量，其余各鎮(zhèn)現(xiàn)狀排放量均大于分配后的允許排放量，芳莊和官林兩鎮(zhèn)需削減的污染排放量最高，現(xiàn)狀排放量分別為632.26kg/d，1252.98kg/d，分配后的允許排放量分別為176.86kg/d，426.98kg/d，削減比例高達(dá)63.9%和66.0%。

由以上結(jié)果分析可知：除少數(shù)地區(qū)污染物現(xiàn)狀排放量等于或小于分配的允許排放量外，大多數(shù)地區(qū)污染物現(xiàn)狀排放量均大于分配的允許排放量，需削減水污染物排放量。

4 結(jié)論

通過建立的流域水污染物總量計算技術(shù)方法，提出了“流域生態(tài)功能分區(qū)（分類）、流域控制單元分區(qū)（分區(qū)）、不同水期（分期）、不同水質(zhì)目標(biāo)（分級）”的控制單元——貢獻(xiàn)率——水生態(tài)承載力——社會經(jīng)濟(jì)最大——總量分配最優(yōu)等多目標(biāo)優(yōu)化為前提的流域?qū)哟蔚呐盼劭偭糠峙涞臏?zhǔn)則和技術(shù)方法，將其運用于太湖流域典型區(qū)域，在確定流域允許排放水污染物總量目標(biāo)的基礎(chǔ)上，按照公平性原則、服從總目標(biāo)原則、突出重點與區(qū)別對待原則及動態(tài)性原則，通過多目標(biāo)優(yōu)化模型，確定太湖流域典型區(qū)域各控制單元污染物運行排放量為實現(xiàn)太湖典型區(qū)域污染物總量控制提供依據(jù)。

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