基于控制斷面法的水環(huán)境容量及污染綜合治理研究

,,,,

(1.長江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010；2. 河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，南京 210098)

基于控制斷面法的水環(huán)境容量及污染綜合治理研究

張琳1,2,周建銀1,王家生1,黎禮剛1,楊啟紅1

(1.長江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010；2. 河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，南京 210098)

為了制定出更精細、更嚴格的污染控制方案， 以深圳市觀瀾河為研究對象，根據(jù)設(shè)計水文條件及水質(zhì)目標，以COD為污染指標，基于控制斷面法，將水環(huán)境容量進行按月分配。通過污染源調(diào)查，并根據(jù)現(xiàn)狀污水處理能力，得到觀瀾河流域入河污染物總量。結(jié)果表明：觀瀾河水環(huán)境容量相對于污染入河量來說非常小，污染負荷量遠遠超過了河流水環(huán)境的最大承載能力，尤其在枯水期12月份，入河污染物總量達到水環(huán)境容量的62.2倍。在此研究基礎(chǔ)上遵循“外源減排、內(nèi)源清淤、水質(zhì)凈化、清水補給、生態(tài)恢復(fù)”的技術(shù)路線，提出觀瀾河流域污染綜合治理措施，為該地區(qū)的水污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

觀瀾河；水環(huán)境容量；控制斷面法；水污染；綜合治理

1 研究背景

水環(huán)境容量是指在水體使用功能不受破壞的條件下，水體受納污染物的最大數(shù)量。通常在水資源開發(fā)利用區(qū)域內(nèi)，按給定的水質(zhì)目標和設(shè)計水量、水質(zhì)條件，水域能容納污染物的最大量稱為水環(huán)境容量[1-3]。水環(huán)境容量由稀釋容量與自凈容量2部分組成，分別反映污染物在水體中遷移轉(zhuǎn)化的物理稀釋與自然凈化的作用。通常稀釋容量大于自凈容量，在凈污比gt;10～20倍的水體，可僅計算稀釋容量[4-5]。

隨著環(huán)境污染的日趨嚴重和城市需水量的逐年增加，由水資源不足和水源水質(zhì)污染導(dǎo)致的城市供水短缺問題已成為制約城市發(fā)展的重要因素，對水環(huán)境容量和污染物排放總量控制的研究已成為水環(huán)境保護領(lǐng)域科研的熱點問題[6-7]。在推行污染物總量控制的大背景下，對水環(huán)境容量的研究已成為人們關(guān)注的焦點和熱點問題[8-9]。

針對不同的河流，有很多學(xué)者進行了環(huán)境容量計算方法研究。韓龍喜等[10]基于南通河網(wǎng)水文地理特性,建立了感潮地區(qū)河網(wǎng)水量水質(zhì)模型,對南通河網(wǎng)進行水量水質(zhì)模擬及水環(huán)境容量計算；孟偉等[11]辨析了水環(huán)境質(zhì)量基準與標準的概念差異,指出了它們對水污染物總量控制的作用，全面總結(jié)了美國水環(huán)境質(zhì)量基準與標準的制定過程與方法,并對比分析了國內(nèi)外水質(zhì)標準體系在組成、保護功能、制定方法上的不同,以及水質(zhì)標準在水污染物總量控制的應(yīng)用情況。周剛等[2]為了給河流污染物容量總量控制提供技術(shù)支持，以贛江下游化學(xué)需氧量和氨氮水質(zhì)因子為例，提出了動態(tài)水文條件下基于WESC2D(Two-dimensional Water Environment Simulation Code)模型水質(zhì)模擬和粒子群算法中RPSM(Repulsive Particle Swarm Method)非線性優(yōu)化的河流水環(huán)境容量計算方法。

前人的研究中，環(huán)境容量的計算著重于目標總量控制技術(shù)，實現(xiàn)從目標總量控制技術(shù)向基于流域控制單元水質(zhì)目標的容量總量控制技術(shù)的轉(zhuǎn)變是必然的研究趨勢。通常水環(huán)境容量是按年進行計算，本文中根據(jù)研究區(qū)域水系的水文特征，基于控制斷面法，嘗試將水環(huán)境容量按月分配，為制定更精細、更嚴格的污染控制方案和管理措施提供依據(jù)。

2 水環(huán)境容量計算方法

深圳市觀瀾河流域大部分河道屬雨源型河流，匯水面積較小，枯水期流量小，基本沒有補充水源，水環(huán)境容量十分有限，而流域內(nèi)城市的高強度開發(fā)，對現(xiàn)有治污系統(tǒng)帶來較大壓力[12-13]。本文以深圳市觀瀾河為研究對象，考慮到觀瀾河流域水質(zhì)目標為交接斷面達到III類水，為了充分利用觀瀾河流域水環(huán)境容量同時又使其達到水質(zhì)標準，因此本次采用控制斷面法計算觀瀾河水環(huán)境容量。

控制斷面法指的是先滿足某一控制斷面水質(zhì)要求，進而計算控制斷面間環(huán)境容量的計算方法。從該控制斷面向上游反推直至上一斷面，兩斷面之間所有排污口的允許排污量之和稱為該控制斷面的水環(huán)境容量。

河流水環(huán)境容量分為2個部分，分別是稀釋容量和自凈容量，計算公式為：

；

(1)

(2)

E=E1+E2。

(3)

式中：E為環(huán)境容量(g/s)；E1為稀釋容量(g/s)；E2為自凈容量(g/s)；Q為河流設(shè)計流量(m3/s)；cs為該水體的水質(zhì)標準值(mg/L)；c0為河流背景濃度(mg/L)；qi為污染物平均排放量(m3/s)；k為污染物降解系數(shù)(d-1)；u為水流速度(m/s);ti為第i段內(nèi)的水流時間(d)。

3 水環(huán)境容量計算參數(shù)確定

3.1 設(shè)計水文條件

由于觀瀾河流域沒有實測水文資料，本流域徑流的分析計算采用《廣東省水文圖集》(1991年)徑流深等值線圖成果，進而推算出觀瀾河交接斷面在不同保證率下的天然徑流量。

經(jīng)查算，該流域多年平均徑流深為950 mm，年徑流變差系數(shù)Cv為0.38，偏態(tài)系數(shù)Cs取2Cv，推算出觀瀾河干、支流各斷面不同頻率天然年徑流，成果見表1。

表1 觀瀾河交接斷面天然徑流量計算成果

觀瀾河屬雨源型河流，汛期洪水陡漲陡落，非汛期水量極少。對于南方河流，往往采用90%的保證率的設(shè)計流量來計算水環(huán)境容量[14]，并根據(jù)各典型年徑流量月分配的情況，對水環(huán)境容量進行逐月分配，為制定更嚴格的污染控制方案和管理措施提供依據(jù)。

另外，為保證流域河道一年四季流水不斷，維持河流的自然性和流動性，根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，深圳市每年大約有10 895萬m3再生水進入觀瀾河進行補給，這部分水資源的補給也對觀瀾河的水環(huán)境容量有一定的影響。由于調(diào)水的水量來源較穩(wěn)定，調(diào)水量隨時間的變化較小，因此可認為該部分容量的時間分配基本均勻。

本次將補水量10 895萬m3/a與天然徑流量9 981 萬m3/a之和20 876萬m3/a作為容量計算的水文條件，并對水環(huán)境容量進行逐月分配，得到觀瀾河月徑流量見表2。

表2 觀瀾河水環(huán)境容量計算逐月水文條件

3.2 觀瀾河水質(zhì)治理目標

水功能區(qū)劃是根據(jù)水資源不同的自然條件、功能要求和開發(fā)利用現(xiàn)狀劃分的，不同的功能區(qū)具有不同的水質(zhì)管理目標。根據(jù)《深圳市地面水環(huán)境功能區(qū)劃》，以及廣東省政府對跨界河流水質(zhì)管理的要求，確定觀瀾河流域水環(huán)境治理目標為：建成區(qū)消除黑臭，觀瀾河交接斷面水質(zhì)達地表水Ⅲ類標準。地表水Ⅲ類水部分基本項目標準限值見表3。

表3 地表水Ⅲ類水部分基本項目質(zhì)量濃度標準限值

3.3 水質(zhì)降解系數(shù)

污染物降解系數(shù)是反映污染物在水體物理降解、化學(xué)降解和生物降解作用下濃度下降速率快慢程度的參數(shù)，是污染物質(zhì)在水體中發(fā)生一系列降解作用綜合概化后的表征。污染物降解系數(shù)的測定方法主要有現(xiàn)場實測法、試驗室測定法、經(jīng)驗系數(shù)法及模型率定法等。本次采用經(jīng)驗系數(shù)法，根據(jù)韓龍等[1]在針對觀瀾河深圳段納污能力的研究，計算采用的污染物降解系數(shù)K為0.16 d-1。

4 水環(huán)境容量計算結(jié)果及分析

根據(jù)以上計算得出，觀瀾河深圳段90%保證率條件下天然流量與補水的水環(huán)境容量月分配情況，具體見表4。以COD為指標，由表4可以看出：觀瀾河年水環(huán)境容量5 913 t，年內(nèi)分配不均，總體上表現(xiàn)為豐水期水環(huán)境容量大，枯水期時較小，7月份水環(huán)境容量最大，12月份水環(huán)境容量最小。

表4 COD年總水環(huán)境容量月分配與現(xiàn)狀月入河污染量

注：入河污染量合計為61 980 t,水環(huán)境容量合計為5 913 t,全年污染量與容量比值為10.5

在收集觀瀾河流域污水處理廠運行數(shù)據(jù)以及污染源調(diào)查的基礎(chǔ)上，進行分析計算，得出觀瀾河流域年COD污染負荷量約為121 680 t，目前已處理年污染物總量約為59 700 t，年入河量為61 980 t，年入河量為年總體容量的10.5倍，枯水期12月份入河污染物總量高達水環(huán)境容量的62.2倍。

可見，觀瀾河水環(huán)境容量相對于污染入河量來說非常小，污染負荷量遠遠超過了河流水環(huán)境的最大承載能力，尤其在枯水期12月份，入河污染物總量達到水環(huán)境容量的62.2倍，即使按汛期水環(huán)境容量最大月計算，污染負荷量也遠遠超過了河流水環(huán)境的最大承載能力。

圖1給出了1996—2008年間典型年觀瀾河流域土地利用空間分布的變化情況。由圖1可見，在此期間，大片農(nóng)業(yè)、林業(yè)用地變成了城市用地。隨著城市的擴大、經(jīng)濟的發(fā)展、人口的增多，流域內(nèi)用水量和廢污水量也相應(yīng)增加，而水環(huán)境治理措施的滯后，使得水質(zhì)在此過程中持續(xù)惡化。這也正是觀瀾河水體污染嚴重、水質(zhì)惡化、水環(huán)境功能受損、水質(zhì)長期超過地表水Ⅴ類水標準的原因所在。

5 流域水質(zhì)改善措施

城市河道的水質(zhì)治理遵循“外源減排、內(nèi)源清淤、水質(zhì)凈化、清水補給、生態(tài)恢復(fù)”的技術(shù)路線。其中外源減排和內(nèi)源清淤是基礎(chǔ)與前提，水質(zhì)凈化是階段性手段，水動力改善技術(shù)和生態(tài)恢復(fù)是長效保障措施。有關(guān)技術(shù)詳述如下。

圖1觀瀾河流域典型年土地利用空間分布示意圖

Fig.1SpatialdistributionoflanduseintheGuanlanRiverbasinintypicalyears

(1)外源阻斷技術(shù)。外源阻斷包括城市截污納管和面源控制2種情況。截污納管的作用，是通過阻斷直接排放，接入市政污水管或原位處理，從而削減外源入河量。城市面源主要來源于雨水徑流中含有的污染物。周邊的垃圾等也是面源污染物的重要來源，因此水體周邊垃圾的清理是面源污染控制的重要措施。

(2)內(nèi)源控制技術(shù)。清淤疏浚技術(shù)通常有2種：一種是抽干湖/河水后清淤;另一種是用挖泥船直接從水中清除淤泥。

(3)水質(zhì)凈化技術(shù)。城市黑臭水體的水質(zhì)凈化技術(shù)主要包括人工曝氣充氧(通入空氣、純氧或臭氧等)、絮凝沉淀技術(shù)、人工濕地技術(shù)、生態(tài)浮島、穩(wěn)定塘等。

(4)水動力改善技術(shù)。調(diào)水不僅可借助大量清潔水源稀釋黑臭水體中污染物的濃度，而且可加強污染物的擴散、凈化和輸出，對于納污負荷高、水動力不足、環(huán)境容量低的城市黑臭水體治理效果明顯。

(5)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)。水體黑臭現(xiàn)象往往是由于水中氮、磷濃度較高引起藻類暴發(fā)等次生問題，造成水質(zhì)惡化、藻毒素問題和其他水生生物的大量死亡，繼而導(dǎo)致黑臭復(fù)發(fā)。所以，黑臭問題本質(zhì)上也是生態(tài)失衡問題。城市河道富營養(yǎng)化控制的關(guān)鍵是磷的控制，目前污水處理廠出水標準中磷的指標限值遠高于地表水標準限值。因此，在有條件的地方實行區(qū)域限磷或提高污水總磷排放標準是十分有效的措施。藻類生長人工控制技術(shù)包括各種物理、化學(xué)和生物技術(shù)。物理控制技術(shù)包括藻類直接收集和紫外線殺藻等，化學(xué)控制技術(shù)包括投加無機或有機抑(殺)藻劑，生物控制技術(shù)包括種植抑藻水生植物或投放食藻魚類等，這些措施一般在應(yīng)急時采用。水生態(tài)修復(fù)包括水生植物和水生動物(如魚類、底棲動物等)食物鏈的修復(fù)與水文生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建。利用生態(tài)學(xué)原理構(gòu)建的食物鏈，可以持續(xù)去除城市水體中污染物和營養(yǎng)物，改善水體生境。

本次城市河流水體治理時間緊、任務(wù)重，因此，亟需多管齊下，以期及時見效。

6 結(jié) 論

本文選定COD為計算參數(shù)，采用控制斷面法對觀瀾河的水環(huán)境容量進行計算，將河流的天然流量產(chǎn)生的水環(huán)境容量與流域外調(diào)水增加的水環(huán)境容量相疊加，并將水環(huán)境容量進行按月分配，得到觀瀾河的逐月水環(huán)境容量，并在此基礎(chǔ)上與觀瀾河流域內(nèi)的入河污染總量進行對比分析。結(jié)果表明：

(1)觀瀾河水環(huán)境容量相對于污染入河量來說非常小，污染負荷量遠遠超過了河流水環(huán)境的最大承載能力。

(2)流域內(nèi)用水量和廢污水量增加，水環(huán)境治理措施的滯后，使得水質(zhì)在此過程中持續(xù)惡化，這也正是觀瀾河水體污染嚴重、水質(zhì)惡化、水環(huán)境功能受損、水質(zhì)長期均超過地表水Ⅴ類水標準的原因所在。

(3) 建議相關(guān)部門遵循“外源減排、內(nèi)源清淤、水質(zhì)凈化、清水補給、生態(tài)恢復(fù)”的技術(shù)路線多管齊下對觀瀾河水質(zhì)進行治理，以期及時見效。

[1] 韓 龍,馬振東,陳 寰. 深圳市觀瀾河水環(huán)境容量分析[J]. 江蘇科技信息, 2014,12(23): 60-61,70.

[2] 周 剛,雷 坤,富 國,等.河流水環(huán)境容量計算方法研究[J].水利學(xué)報,2014,45(2): 227-234.

[3] 連家偉.深圳觀瀾河的水源現(xiàn)狀及其治污探討[J]. 人民珠江, 1999,(1): 53-56.

[4] 朱黨生,王 超,程曉冰.水資源保護規(guī)劃理論及技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社, 2001.

[5] 李明峰.常德市穿紫河水環(huán)境容量研究[D].長沙:湖南大學(xué)，2010.

[6] 胡鋒平,侯 娟,羅健文,等.贛江南昌段污染負荷及水環(huán)境容量分析 [J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2010,33(12): 192-195.

[7] 陽曉娟.觀瀾河水質(zhì)改善及生態(tài)修復(fù)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

[8] 付貴萍,朱聞博,李朝方,等.深圳觀瀾河清湖段生態(tài)修復(fù)工程研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2008,(5): 57-61.

[9] 毛雪慧,黃 凌,黃奕龍,等.深圳觀瀾河綜合整治河流健康影響評估[J].水資源保護,2015,31(1): 80-85.

[10] 韓龍喜,姚 琪,張 健.南通水系片水環(huán)境容量及污染綜合治理研究[J].河海大學(xué)學(xué)報,1998,26(1): 114-118.

[11] 孟 偉,張 遠,鄭丙輝.水環(huán)境質(zhì)量基準、標準與流域水污染總量控制策略[J].環(huán)境科學(xué)研究,2006,19(3): 1-6.

[12] 鮑 琨,逄 勇,孫 瀚.基于控制斷面水質(zhì)達標的水環(huán)境容量計算方法研究——以殷村港為例[J].資源科學(xué),2011, 33(2): 249-252.

[13] 桑 蓉,富 國,雷 坤，等.水環(huán)境容量計算中設(shè)計流量的選擇與應(yīng)用[J].人民長江,2013, 44(5): 69-73.

[14] 王曉琴,閔志華,李 傲. 平原河網(wǎng)地區(qū)典型小流域水環(huán)境治理工程環(huán)境效應(yīng)評估[J]. 長江科學(xué)院院報,2017,34(8):24-29.

(編輯：占學(xué)軍)

Environment Capacity Calculation Based on Control Section Method and Comprehensive Planning of Water Pollution Control

ZHANG Lin1,2, ZHOU Jian-yin1, WANG Jia-sheng1, LI Li-gang1, YANG Qi-hong1

(1.River Department, Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2. College of Environment，Hohai University，Nanjing 210098，China)

According to design hydrological conditions and water quality targets, the water environment capacity of control sections of Guanlan River in Shenzhen was calculated with COD as the calculation index, and the monthly environment capacity was allocated. Furthermore, based on pollution source investigation and the handling ability of

sewage treatment plants, the total amount of pollutants discharged into the river was obtained and was compared with the environment capacity. Results show that the environmental capacity is very small compared with the amount of pollution into the river, which far exceeded the maximum carrying capacity of river. Especially in dry season in December, the total amount of pollutants into the river is 62.2 times the water environmental capacity. On this basis, a comprehensive plan of water pollution control is put forward: pollution discharge reduction, pollution dredging, clean water recharge, and ecological restoration.

Guanlan River; environment capacity; control section method; water pollution; comprehensive control

10.11988/ckyyb.20160822 2017,34(11):23-26,32

2016-08-12;

2016-10-11

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51679009)

張 琳(1988-)，女，福建三明人，工程師，碩士，主要從事水環(huán)境保護研究，(電話)15342788110(電子信箱)zlincandy@163.com。

X524

A

1001-5485(2017)11-0023-04