山丘區(qū)水環(huán)境容量計(jì)算及限制排污總量分析
——以臨海市“五水共治”規(guī)劃為例

陳　玥,李一平,高小孟,章雙雙,孔　文

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京　210098; 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京　210098;3.蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 蘇州　215009; 4.南京智慧新城工程管理有限公司,江蘇 南京　210008)

山丘區(qū)水環(huán)境容量計(jì)算及限制排污總量分析

——以臨海市“五水共治”規(guī)劃為例

陳玥1,李一平2,高小孟2,章雙雙3,孔文4

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098; 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京210098;3.蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 蘇州215009; 4.南京智慧新城工程管理有限公司,江蘇 南京210008)

摘要：為改善山丘區(qū)水環(huán)境,以典型山丘區(qū)城市臨海市為研究對(duì)象,基于對(duì)臨海市水環(huán)境現(xiàn)狀、水環(huán)境功能及水污染負(fù)荷的充分調(diào)查,建立河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,計(jì)算了河網(wǎng)水環(huán)境容量,并提出了污染物排放總量控制和削減方案。結(jié)果表明:臨海市河網(wǎng)的水環(huán)境容量COD為15 904.3 t/a,NH3-N為1 585.2 t/a,水質(zhì)超標(biāo)率分別為COD 15.61%，NH3-N 16.67%。規(guī)劃年工程實(shí)施后預(yù)計(jì)新增水環(huán)境容量COD 1 137.7 t/a,NH3-N 114 t/a,削減污染物入河量COD 10 610.6 t/a,NH3-N 1 082 t/a,水環(huán)境質(zhì)量得到較大提升。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境容量;排污總量;數(shù)學(xué)模型;總量控制;山丘區(qū)

山丘地區(qū)地形坡度大,河流驅(qū)動(dòng)力較強(qiáng),徑流對(duì)地面的沖刷作用較強(qiáng),水土容易流失;河網(wǎng)密度小,蓄水能力不足,水資源分布不均勻;地勢(shì)低洼地區(qū)尾水外排能力差,且水體自凈能力弱,這些特點(diǎn)決定了山丘區(qū)水體水環(huán)境容量較小[1]。水環(huán)境容量的研究是實(shí)行區(qū)域污染物總量控制、水環(huán)境保護(hù)的理論依據(jù)[2]。因此,進(jìn)行山丘區(qū)水環(huán)境容量計(jì)算研究是實(shí)行山丘區(qū)污染物總量控制的前提,對(duì)改善山丘區(qū)水環(huán)境質(zhì)量意義重大。臨海市地處浙江省東南沿海中部,中部和西部山丘地區(qū)大多是單向流動(dòng)的山區(qū)性河流,東部平原地區(qū)河網(wǎng)縱橫交錯(cuò),境內(nèi)椒江臨海段(靈江)是隨著漲落潮而頻繁改變流向的河口感潮河段。山區(qū)河道彎道多、比降大、流向單一,汛期洪水陡漲陡落、歷時(shí)短、洪量集中,斷面形態(tài)沿程變化大,局部河勢(shì)急劇變化致使阻力變化對(duì)水流流態(tài)產(chǎn)生較大影響,導(dǎo)致糙率等水文因子較難確定。而感潮河網(wǎng)地區(qū),水流流向往復(fù),流態(tài)不穩(wěn)定,運(yùn)動(dòng)復(fù)雜,流量、水位、水質(zhì)受潮汐、污染源、徑流等多種因素的多重影響,污染物質(zhì)隨水流遷移擴(kuò)散,這給模擬污染物遷移、降解帶來(lái)較大困難。近年來(lái),隨著臨海市人口的聚集、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,生產(chǎn)、生活及工業(yè)用水量增加,農(nóng)業(yè)灌溉回歸水、工業(yè)廢污水、生活污水劇增,水質(zhì)持續(xù)惡化。

我國(guó)地域廣闊,不同地形地貌下的河流特性差異較大。國(guó)內(nèi)的學(xué)者針對(duì)不同類型的水體作了大量的研究。針對(duì)流向隨著漲落潮變化的潮汐河流,鄭英銘等[3]分析了影響潮汐河流水環(huán)境容量的主要因素,并建立了潮汐河流水環(huán)境容量的計(jì)算方法;韓龍喜等[4]運(yùn)用水質(zhì)平面二維解析解,針對(duì)寬淺型河道提出了水環(huán)境容量的計(jì)算公式;逄勇等[5]通過建立河網(wǎng)區(qū)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,對(duì)鶴地水庫(kù)(文官至石角段)的水環(huán)境容量進(jìn)行了計(jì)算;羅縉等[6]通過建立太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,對(duì)蘇南地區(qū)往復(fù)流河道進(jìn)行了水環(huán)境容量的計(jì)算研究;朱維斌等[7]針對(duì)大江大河,應(yīng)用有限容積法對(duì)二維動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型進(jìn)行求解,進(jìn)一步研究污染物在水體中的二維濃度分布;胡維平等[8]針對(duì)平原河網(wǎng)區(qū)的湖泊,提出首先要對(duì)湖泊進(jìn)行水功能區(qū)的劃分,再分別計(jì)算每一個(gè)水功能區(qū)的水環(huán)境容量,將這些水功能區(qū)的水環(huán)境容量相加得到整個(gè)湖泊的水環(huán)境容量;考慮到污染物進(jìn)入水體后的混合程度對(duì)水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果的影響；姚國(guó)金等[9]提出采用不均勻系數(shù)對(duì)水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正,并給出了不均勻系數(shù)的取值范圍。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)平原河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境容量研究較多,相對(duì)而言對(duì)山丘區(qū)水環(huán)境容量計(jì)算研究較少,而且針對(duì)污染物排放總量控制進(jìn)行的水環(huán)境容量計(jì)算多選擇最枯條件下的設(shè)計(jì)流量進(jìn)行,未考慮水系連通及濕地工程增加的環(huán)境容量。本研究以臨海市為例,對(duì)典型山丘區(qū)水環(huán)境容量進(jìn)行研究,考慮“五水共治”工程的綜合效益,對(duì)科學(xué)地制定山丘區(qū)污染防治措施,從而改善山丘區(qū)水環(huán)境質(zhì)量具有一定的指導(dǎo)意義。

1研究區(qū)概況及水環(huán)境現(xiàn)狀

臨海市地處浙江省東南沿海中部,東西長(zhǎng)85 km,南北寬44 km,市域陸地面積2 203 km2,其中山地丘陵面積1 507 km2,占總面積的68.4%;平原面積553 km2,占總面積的25.1%;水域面積143 km2,占總面積的6.5%。

臨海自然水系主要屬于椒江和洞港(含桃渚港)兩大水系。椒江水系包括靈江、始豐溪、永安溪、大田港、義城港、雙港溪、方溪以及流入椒江或臺(tái)州灣的百里大河。洞港水系包括洞港、桃渚港以及桃渚平原內(nèi)其他河流水系。市域內(nèi)現(xiàn)有2 831條河道,總長(zhǎng)約3 368 km。

臨海市地表水常規(guī)監(jiān)測(cè)斷面共布設(shè)18個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,水環(huán)境功能區(qū)劃和水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面見圖1。本研究考慮其中15個(gè)斷面(不包含牛頭山水庫(kù)2斷面、溪口水庫(kù)斷面、童燎水庫(kù)斷面)。根據(jù)2013年水質(zhì)例行監(jiān)測(cè)資料,這15個(gè)斷面中符合水功能區(qū)水質(zhì)類別要求的斷面有11個(gè),占73.3%,不符合水功能區(qū)水質(zhì)類別要求的斷面有4個(gè),占26.7%。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V類水質(zhì)斷面占總斷面數(shù)的比例為46.7%、33.3%、6.7%、13.3%。2013年豐、平、枯水期DO、COD、NH3-N等指標(biāo)均存在不同程度超標(biāo)現(xiàn)象,具體評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。

表1　2013年臨海市豐、平、枯水期各指標(biāo)超標(biāo)率 　%

圖1　臨海市水環(huán)境功能區(qū)劃及水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面位置分布

2水環(huán)境容量計(jì)算

2.1水量方程

水量計(jì)算的微分方程是建立在質(zhì)量和動(dòng)量守恒定律基礎(chǔ)上的圣維南方程組,以流量Q(x,t)和水位Z(x,t)為未知變量,并補(bǔ)充考慮了漫灘和旁側(cè)入流的完全形式圣維南方程組為

(1)

式中:Q為流量,m3/s;x為沿水流方向空間坐標(biāo);BW為調(diào)蓄寬度,指包括灘地在內(nèi)的全部河寬,m;Z為水位,m;t為時(shí)間，s;q為旁側(cè)入流流量,入流為正,出流為負(fù),m3/s;u為斷面平均流速,m/s;g為重力加速度,m/s2;A為主槽過水?dāng)嗝婷娣e,m2;B為主流斷面寬度,m;n為糙率;R為水力半徑,m。

2.2水質(zhì)方程

河網(wǎng)水體中污染物對(duì)流擴(kuò)散方程表達(dá)如下:

(3)

式中:Ex為縱向分散系數(shù);ρ為水流輸送的污染物質(zhì)量濃度,mg/L;Ω為河道叉點(diǎn)-節(jié)點(diǎn)的水面面積,m2;j為節(jié)點(diǎn)編號(hào);i為與節(jié)點(diǎn)j相關(guān)聯(lián)的河道編號(hào);N為與節(jié)點(diǎn)j相關(guān)聯(lián)的河道總數(shù);Sc為與輸送污染物質(zhì)量濃度相關(guān)的衰減項(xiàng),可寫為Sc=KdAρ,Kd為衰減項(xiàng),d-1;S為外部的源匯項(xiàng)。在方程求解時(shí),對(duì)時(shí)間項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)分別采用向前差分格式、上風(fēng)格式、中心差分格式。

模型流量邊界計(jì)算條件:臨海地區(qū)河流多為山區(qū)性河流,除始豐溪和永安溪有境外來(lái)水外,其余河流來(lái)水都由境內(nèi)降雨徑流產(chǎn)生。河流邊界流量根據(jù)2013年的逐日降雨資料、蒸發(fā)資料、臨海市水系圖、DEM高程圖劃分的流域面積,得到該流域產(chǎn)生的降水量,乘以徑流系數(shù)得到匯入該條河流的流量。始豐溪和永安溪兩條河流邊界流量由境內(nèi)降雨徑流產(chǎn)生的流量加上境外來(lái)水得到。

模型水位邊界計(jì)算條件:選取靈江下游邊界作為模型的水位邊界。根據(jù)靈江潮汐特征,以靈江下游不利條件下的大、小潮潮位過程線作為下邊界。該潮位過程線根據(jù)臨海西門水文站2013年預(yù)報(bào)的潮位過程線結(jié)果得到。

其中2個(gè)重要水文站(沙段、柏枝岙水文站)的流量、水位和典型水質(zhì)參數(shù)率定驗(yàn)證結(jié)果見圖2。流量、水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好,水位率定絕對(duì)誤差最大約為15 cm,流量率定相對(duì)誤差最大約為13.84%,故河道糙率值為0.02～0.04。COD、NH3-N濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值平均相對(duì)誤差為7.13%、8.39%,吻合度較好,故取COD降解系數(shù)為0.08～0.12 d-1,NH3-N降解系數(shù)為0.05～0.08 d-1。

以水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)為目標(biāo),根據(jù)臨海市柏枝岙站、沙段站、百步站、水家洋站、仙人橋站等水文站提供的水文資料,采用泰森多邊形法對(duì)臨海市12個(gè)雨量站1957—2010年連續(xù)54年的逐月降雨資料進(jìn)行頻率分析,將每年最枯月份降雨量排序后,得出臨海市90%保證率下最枯月典型年為1988年。采用90%保證率下最枯月的平均流量作為水文設(shè)計(jì)條件,輸入臨海市水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,計(jì)算臨海市各分區(qū)水環(huán)境容量,結(jié)果見表2。

圖2　2013年兩個(gè)重要水文站流量、水位和典型水質(zhì)參數(shù)模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

t/a

根據(jù)臨海市2013年現(xiàn)狀污染物入河量及水環(huán)境容量值,可計(jì)算得到污染物削減率,結(jié)果見表3。對(duì)比現(xiàn)狀污染物削減率與水質(zhì)超標(biāo)率,二者的差距在5%以內(nèi),說(shuō)明上述方法得到的水環(huán)境容量基本合理。

表3　臨海市污染物削減率與水質(zhì)超標(biāo)率

注:超標(biāo)率為河流斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)個(gè)數(shù)除以河流斷面總監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)斷面?zhèn)€數(shù)。

3污染物總量控制方案

為到達(dá)臨海市規(guī)劃年總量控制目標(biāo),根據(jù)臨海市河網(wǎng)區(qū)污染源特征及地區(qū)水環(huán)境治理現(xiàn)狀,結(jié)合各類污染源削減潛力分析,提出相應(yīng)的污染物防治措施,具體如下:

a. 生活污染源治理。新建城鎮(zhèn)生活污水處理廠、污水管網(wǎng)和泵站,增加污水處理能力,擴(kuò)大污水收集范圍;對(duì)老城區(qū)污水管網(wǎng)進(jìn)行改造;新建中水回用處理設(shè)施;加快農(nóng)村生活污水治理進(jìn)度。

b. 工業(yè)污染源治理。在對(duì)企業(yè)污染源治理基礎(chǔ)上,①要加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)工業(yè)企業(yè)的監(jiān)管,對(duì)不符合國(guó)家、地方標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)實(shí)施關(guān)、停、并、轉(zhuǎn)、遷等整治措施,并加強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部污水的預(yù)處理,對(duì)排放污水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后排放;②要加強(qiáng)中小型企業(yè)的整治,要求對(duì)污染較高的中小型企業(yè)根據(jù)行業(yè)類別分別搬遷入相應(yīng)的工業(yè)園區(qū),污水進(jìn)行集中分類處理;③要加強(qiáng)企業(yè)的清潔生產(chǎn)和節(jié)水型企業(yè)建設(shè),實(shí)行“三條紅線”中的用水總量控制,從源頭減少污染物量;④要加強(qiáng)工業(yè)污水處理廠的提標(biāo)改造工程,從終端減少污染物的排放。

c.農(nóng)業(yè)面源治理。進(jìn)一步推廣農(nóng)作物測(cè)土配方施肥技術(shù)、農(nóng)藥減量控害增效技術(shù);建設(shè)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè),推廣農(nóng)作物秸稈資源化利用示范工程、“三沼”資源化利用示范工程;科學(xué)地劃定禁、限養(yǎng)區(qū);優(yōu)化生態(tài)畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)布局;對(duì)畜禽糞尿污染進(jìn)行綜合治理,建設(shè)畜禽糞便收集處理中心、養(yǎng)殖排泄物治理沼氣工程和病死動(dòng)物無(wú)害化處理設(shè)施。

d. 湖泊濕地建設(shè)。規(guī)劃近期新建4個(gè)人工湖,中遠(yuǎn)期新建4個(gè)人工湖,增加河道調(diào)蓄能力,凈化水體。

e. 河湖水系綜合調(diào)控工程建設(shè)。對(duì)城區(qū)暗河和古河道進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,增加城區(qū)排澇能力,改善城區(qū)水環(huán)境;新建河道、濕地等對(duì)小流域來(lái)水進(jìn)行分流,減少上游來(lái)水對(duì)城區(qū)防洪的壓力;加強(qiáng)流域及河道整治,減輕城區(qū)防洪排澇壓力。

f. 低影響開發(fā)工程建設(shè)。居民小區(qū)的雨水控制利用目標(biāo)以削減地表徑流及雨水滯蓄為主,建設(shè)植草溝、透溝渠等自然地表排水形式輸送滯留雨水徑流,減少小區(qū)內(nèi)雨水管道的使用;在廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、步行道等設(shè)計(jì)荷載較小的路面鋪裝透水材料,增加雨水的下滲利用。

g. 節(jié)水工程建設(shè)。生活節(jié)水需推廣普及生活節(jié)水器具、加大供水管網(wǎng)的改造力度、提高非常規(guī)水的用水比例。工業(yè)節(jié)水要與水環(huán)境的治理和保護(hù)要求相協(xié)調(diào),提高工業(yè)用水重復(fù)利用率、降低萬(wàn)元增加值取水,結(jié)合工業(yè)自身的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)水平升級(jí)以及產(chǎn)品更新,以節(jié)水工業(yè)企業(yè)試點(diǎn)引導(dǎo)和帶動(dòng),整體逐步達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)用水水平。農(nóng)業(yè)節(jié)水工程包括河道整治工程、農(nóng)田改造工程、灌區(qū)續(xù)建配套及節(jié)水改造工程。

將計(jì)算得到的規(guī)劃年(2030年)污染物限制排放總量與規(guī)劃年污染物入河量進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)行污染物總量控制可達(dá)性分析(表4),結(jié)果表明規(guī)劃年污染物入河量全部達(dá)標(biāo)。

表4　臨海市COD、NH3-N污染物總量控制分析結(jié)果　t/a

4結(jié)論

a. 由于山丘河網(wǎng)區(qū)地形地貌復(fù)雜,污水處理設(shè)施、配套管網(wǎng)及泵站建設(shè)滯后,臨海市水環(huán)境現(xiàn)狀較差。臨海市各控制斷面達(dá)標(biāo)時(shí),臨海市河網(wǎng)的水環(huán)境容量COD為15 904.3 t/a,NH3-N為1 585.2 t/a,水質(zhì)超標(biāo)率分別為COD 11.11%,NH3-N 16.67%,削減率分別為COD 15.61%,NH3-N 20.04%,超標(biāo)率和削減率相差小于5%,說(shuō)明臨海市水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果合理。

b. 山丘地區(qū)由于河網(wǎng)密度小、蓄水能力不足、水體自凈能力弱、人類活動(dòng)污染嚴(yán)重等原因,臨海市現(xiàn)狀污染物入河量大于水環(huán)境容量。目前臨海市的城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活污染源的污染物排放量占排放總量的80%以上,為實(shí)現(xiàn)上述總量控制目標(biāo),改善臨海市水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,應(yīng)重點(diǎn)控制這兩類污染源。

c. 規(guī)劃年(2030年)工程實(shí)施后預(yù)計(jì)新增環(huán)境容量COD 1 137.7 t/a,NH3-N 114 t/a,削減污染物入河量COD 10 610.6 t/a,NH3-N 1 082.1 t/a,水環(huán)境質(zhì)量得到較大提升。

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Calculation of water enviromental capacity and analysis of total quantity control of pollution discharge in hilly area:a case study of co-governance on five water categories in Linhai City

CHEN Yue1, LI Yiping2, GAO Xiaomeng2, ZHANG Shuangshuang3, KONG Wen4

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009,China;4.NanjingWisdomNewTownProjectManagementCo.Ltd.,Nanjing210008,China)

Abstract：Based on the full investigation on the present situation of water environment, water environment function, and the water pollution load, Linhai City, a typical hilly area city, was chosen in this study for improving the water environmental quality in hilly area. In this study, we established the water quantity and quality mathematical models, calculated the water environmental capacity of the river net, and put forward the water pollution total quantity control and water pollution reduction plan for Linhai City. Results show that the water environmental capacity of COD and NH3-N in Linhai City is 15 904.3 tons per year and 1 585.2 tons per year,respectively.The over-limit ratio of water quantity is 15.61% for COD and 16.67% for NH3-N. After the project is completed in the planning year, the increase of the water environmental capacity will be 1 137.7 tons per year for COD and 114 tons per year for NH3-N, the water pollution reduction flowing into the river net will be 10 610.6 tons per year for COD and 1 082 tons per year for NH3-N, and the water environmental quality of Linhai City can be improved.

Key words：water environmental capacity; pollution discharge; mathematical model; total quantity control; hilly area

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.025

基金項(xiàng)目:霍英東教育基金(141073)

作者簡(jiǎn)介:陳玥 (1992—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水文與水環(huán)境保護(hù)。E-mail:2504784595@qq.com 通信作者:李一平,副教授。E-mail:liyiping@hhu.edu.cn

中圖分類號(hào)：X832

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)02-0123-06

(收稿日期：2016-01-06編輯：王芳)