長(zhǎng)溝河河流允許排放量分配核算分析

王 野

長(zhǎng)溝河位于調(diào)兵山市東南部，河流全長(zhǎng)28 km，流域面積155 km2，發(fā)源于沈陽(yáng)市法庫(kù)縣三道嶺，于鐵嶺縣蔡牛鄉(xiāng)馮家窩鋪南約200 m處入遼河干流。全流域均在調(diào)兵山市行政區(qū)域內(nèi)，涉及曉明和曉楠鎮(zhèn)，占調(diào)兵山市行政區(qū)域面積的58%，區(qū)域內(nèi)人口約7.2萬(wàn)人，占調(diào)兵山市總?cè)丝诘?8.8%。長(zhǎng)溝河由于區(qū)間接納調(diào)兵山市區(qū)、小青礦、大隆礦、大興礦、曉南礦等住宅的城市污水和礦井排水，因而一般年景細(xì)水長(zhǎng)流，多年平均徑流量2748 m3，枯水期長(zhǎng)溝河遼河屯斷面流量0.13 m3/s，宋荒地?cái)嗝媪髁?.64 m3/s，是調(diào)兵山市中、南部地區(qū)發(fā)展地表水灌溉的主要水源。目前，長(zhǎng)溝河馮家窩鋪監(jiān)測(cè)斷面屬劣Ⅴ類水質(zhì)。為了改善長(zhǎng)溝河水質(zhì)，本文采用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型，計(jì)算研究長(zhǎng)溝河環(huán)境容量及控制單元入河污染源許可排放量，為順利實(shí)現(xiàn)2020年長(zhǎng)溝河水質(zhì)Ⅴ類考核目標(biāo)提供技術(shù)支撐。

1 污染物排放狀況

馮家窩鋪斷面水質(zhì)控制目標(biāo)為Ⅴ類，2014年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果為劣V類。進(jìn)入調(diào)兵山后，由于城鎮(zhèn)生活污染、工業(yè)污染、畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染，致使河流水質(zhì)變差，2014和2015兩年連續(xù)為劣Ⅴ類水質(zhì)。

污染源主要有畜禽養(yǎng)殖、工業(yè)點(diǎn)源和生活污水，畜禽養(yǎng)殖主要是規(guī)?；B(yǎng)殖，處置方式以無(wú)序排放為主，排放方式近似于面源。選取氨氮和總磷為水質(zhì)指標(biāo)。根據(jù)2015年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，匯水范圍內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖氨氮年排放量77.625 t，總磷排放量54.661 t，其中皮埃西種豬擴(kuò)繁場(chǎng)總磷排量為15.96 t，劉振新肉牛場(chǎng)總磷排放20.07 t。工業(yè)源排放氨氮年排放量2.5437 t。生活污水污染排放分別為調(diào)兵山城南污水處理廠氨氮年排放量2.96 t，總磷0.58 t；調(diào)兵山市污水處理廠氨氮年排放量49.41 t，總磷6.16 t。

2 污染排放與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系

2.1 水質(zhì)模型

目標(biāo)河流屬于遼河一級(jí)支流，劃分后的各個(gè)河段長(zhǎng)度較短，本方案選取河流一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型模擬河流水質(zhì)變化，污染物在河流橫向方向上混合均勻。

式中：C'為支流或排污口等邊界匯入后稀釋濃度，mg·L-1；C0為上游來(lái)水濃度，mg·L-1；Q0為上游來(lái)水流量，m3·s-1；q 為支流或排污口等邊界的污染物排放量，kg·d-1；Cq為支流或排污口等邊界匯入濃度，mg·L-1；C為距離邊界下游x米處斷面的濃度，mg·L-1；K 降解系數(shù)，1·d-1；x 為控制斷面距離支流或排污口等邊界的距離，m；u 為河段的流速，m·s-1。

2.2 降解系數(shù)

水質(zhì)模型中的參數(shù)選定是預(yù)測(cè)成功的關(guān)鍵，對(duì)于河流降解系數(shù)已有研究成果及文獻(xiàn)資料表明：

（1）總磷降解系數(shù)的取值小于氨氮降解系數(shù)；

（2）總磷降解系數(shù)的取值下限一般不大于0.02，保守情況下取值0.013，平原地區(qū)河流取值0.015；

（3）氨氮降解系數(shù)的取值下限一般不大于0.15，保守情況下取值0.05，平原地區(qū)河流取值0.025。

根據(jù)《全國(guó)地表水環(huán)境容量核定》、已有研究成果、水文年鑒等確定了目標(biāo)區(qū)域總磷和氨氮的綜合降解系數(shù)取值范圍，并通過(guò)模型的調(diào)試驗(yàn)證確定了總磷和氨氮的綜合降解系數(shù)分別取 0.015 d-1和 0.05 d-1。

3 水環(huán)境現(xiàn)狀模擬結(jié)果

長(zhǎng)溝河馮家窩鋪斷面2015年氨氮超標(biāo)月份為5、6月，總磷超標(biāo)月份為4、5、7、9、11、12月。由于斷面流量數(shù)據(jù)僅有 4月到12月，因此模擬了2015年4月到12月的氨氮和總磷水質(zhì)情況。

馮家窩鋪斷面氨氮模擬值與監(jiān)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致，總體上來(lái)說(shuō)模擬值大于監(jiān)測(cè)值，但在出現(xiàn)峰值的5月，則是監(jiān)測(cè)值高于模擬值。分析其主要原因是在模擬過(guò)程中，計(jì)入的入河污染物是按照全年月平均計(jì)算，不能反映各月不同，除去5月的其他月份，計(jì)入量高于實(shí)際入河量；而5月則剛好相反，是實(shí)際入河量高于計(jì)入量。

圖1 氨氮模擬結(jié)果

馮家窩鋪斷面總磷模擬值與監(jiān)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致，總體上來(lái)說(shuō)模擬值高于監(jiān)測(cè)值，但是超標(biāo)嚴(yán)重的1月和2月，則是監(jiān)測(cè)值高于模擬值。分析原因是流入污染源為年度月平均值，與實(shí)際的入河污染物情況有一定差距。

圖2 總磷模擬結(jié)果

4 許可排放量的分配

4.1 環(huán)境容量

環(huán)境容量是在人類生存和自然生態(tài)系統(tǒng)不致受害的前提下，某一環(huán)境所能容納的污染物的最大負(fù)荷量。或一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)在維持生命機(jī)體的再生能力、適應(yīng)能力和更新能力的前提下，承受有機(jī)體數(shù)量的最大限度。狹義的水環(huán)境容量是指在保持水功能用途的前提下，在一定的水質(zhì)目標(biāo)下，水體對(duì)于排放其中的污染物所具有的容納能力，是滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的最大允許污染負(fù)荷量。水環(huán)境容量反應(yīng)了水體自身維持、調(diào)節(jié)水環(huán)境功能的能力，即水體的最大納污量。

長(zhǎng)溝河水文條件有限，考核斷面（馮家窩鋪）有2015年的流量數(shù)據(jù)，但缺少1～3月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本方案在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用最枯流量，并通過(guò)流量查出相應(yīng)流速，見(jiàn)表1。

長(zhǎng)溝河考核斷面水質(zhì)目標(biāo)為Ⅴ類水體，總磷目標(biāo)值0.4 mg/L，氨氮目標(biāo)值2 mg/L。環(huán)境容量見(jiàn)表2。

表2 長(zhǎng)溝河環(huán)境容量

4.2 排放量削減

排放量的分配主要取決于環(huán)境容量和控制范圍內(nèi)污染源的分布狀況。根據(jù)長(zhǎng)溝河各類型污染源分布，氨氮和總磷農(nóng)村污染源排放量所占比例較大，工業(yè)污水大部分直接排入環(huán)境，畜禽養(yǎng)殖屬于無(wú)處理排放，其中皮埃西種豬擴(kuò)繁場(chǎng)和劉振新肉牛場(chǎng)排放的氨氮和總磷嚴(yán)重超標(biāo)，畜禽糞便污染為主要污染源。因此，在分配過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同類型污染源進(jìn)行合理分配。對(duì)于工業(yè)污水，排污企業(yè)的污水應(yīng)全部進(jìn)行處理。實(shí)施重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，對(duì)企業(yè)依法安裝在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，盡快完成污水處理設(shè)施驗(yàn)收，并啟動(dòng)運(yùn)行。根據(jù)處理情況適度分配環(huán)境容量。方案從經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益等多方面綜合考慮。具體情況見(jiàn)表3。

表3 許可排放量分配表 單位：t/a

為保證馮家窩鋪斷面在上游水質(zhì)較差時(shí)水質(zhì)仍符合Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，所分配的排放量合計(jì)都不大于環(huán)境容量。

4.3 減排前后水質(zhì)模擬

完成減排任務(wù)后的排放數(shù)據(jù)代入長(zhǎng)溝河水質(zhì)模型中，推算相對(duì)應(yīng)的馮家窩鋪斷面的水質(zhì)數(shù)據(jù)。結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 氨氮削減效果

圖2 總磷削減效果

根據(jù)模擬結(jié)果，長(zhǎng)溝河馮家窩鋪斷面除5月份存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)外，其他時(shí)間水質(zhì)均符合Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。5月份水質(zhì)較差的原因主要是建立模型所用數(shù)據(jù)中長(zhǎng)溝河馮家窩鋪斷面5月份水質(zhì)均超標(biāo)。

5 結(jié)論

通過(guò)本方案的實(shí)施，長(zhǎng)溝河流域內(nèi)的水污染問(wèn)題將得到有效控制，水生態(tài)環(huán)境得到明顯改善，優(yōu)化區(qū)域內(nèi)居民居住環(huán)境和生態(tài)狀況，提高飲用水安全保障水平，生態(tài)功能逐步恢復(fù)和強(qiáng)化，生物多樣性得到有效保護(hù)，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境使其滿足功能區(qū)劃的要求起到十分顯著的作用。將與環(huán)境優(yōu)美城鄉(xiāng)發(fā)展、生態(tài)文明城鄉(xiāng)建設(shè)互動(dòng)共進(jìn)，對(duì)構(gòu)建和諧社會(huì)有著重要意義。通過(guò)治理，長(zhǎng)溝河流域經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益顯著提高，社會(huì)效益也必將成效顯著。