東江源水功能區(qū)納污能力及入河控制負荷研究

詹曉群

(江西省水利規(guī)劃設計研究院，江西 南昌 330029)

0 引 言

近年來，隨著水資源環(huán)境的惡化，納污能力及總量分配的工作得到社會的普遍關注，成為環(huán)境管理與規(guī)劃的重點內容。早在1992年葉文虎[1]等人就提出了環(huán)境承載力及其科學意義的研究；Daily[2]等學者也進行了人口、可持續(xù)發(fā)展和地球容量的關系研究。2002年《中國大百科全書·環(huán)境科學》中正式提出了環(huán)境納污能力的概念，程聲通在《河流環(huán)境容量與允許排放量》[3]中，指出環(huán)境容量的大小與環(huán)境自身特征和污水的排放方式有關。水域納污能力是科學合理制定水污染控制規(guī)劃的基礎，也是驗證水功能區(qū)劃的重要依據(jù)。

東江是珠江三角洲和香港地區(qū)的主要飲水水源，東江水源區(qū)生態(tài)環(huán)境質量直接影響珠江三角洲和香港地區(qū)的用水安全。本文在《江西省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃》和《贛州市地表水功能區(qū)劃》的基礎上，針對源區(qū)的水體污染特點與分布，對各功能區(qū)的水體納污能力進行計算分析；結合地區(qū)經濟發(fā)展趨勢確定了污染物入河控制量，劃定了尋烏水馬蹄河尋烏工業(yè)用水區(qū)、定南水下歷河定南工業(yè)用水區(qū)和尋烏水尋烏保留區(qū)為水資源保護重點控制區(qū)域，并提出了污染物限制排放總量意見。

1 水功能區(qū)劃分及基本狀況

東江源區(qū)尋烏水和定南水共劃分了18個水功能區(qū)[4]，其中自然保護區(qū)3個75.0 km，保留區(qū)8個307.5 km，緩沖區(qū)2個18.8 km，開發(fā)利用區(qū)3個34.8 km。開發(fā)利用區(qū)中又劃分為工業(yè)用水區(qū)2個18.8 km，飲用水源區(qū)3個16.0 km。所劃分的功能區(qū)河段總長為430.25 km，開發(fā)利用區(qū)占總河長的8.1%，工業(yè)用水區(qū)則僅占總河長的4.4%，主要分布在縣城河段。

東江源區(qū)水質達標的有13個功能區(qū)，占72%；水質不能達標的有5個功能區(qū)，占28%。其中，尋烏石排下游河段、定南城區(qū)下游河段和定南水砂頭河段為劣Ⅴ類水，屬嚴重污染；尋烏斗晏出境水為Ⅴ類水，屬重度污染；尋烏縣城下游和定南長灘出境水為Ⅳ類水，屬輕度污染。主要水庫水質狀況為：達標7個，占總數(shù)64%；不達標4個，占總數(shù)36%。不達標功能區(qū)中受輕度污染2個，嚴重污染2個。

各水功能區(qū)主要污染物COD和氨氮的入河量分別為1 235.4萬t和1 116.8萬t。COD主要來源于城鎮(zhèn)生活污水和農業(yè)污染，分別占總量的47.5%和27.2%，采礦跡地污染主要指標為氨氮，占總量的44.2%，工農業(yè)氨氮污染也不容忽視，均占總量的23.5%。

圖1 東江流域地表水功能區(qū)劃圖

2 納污能力計算

2.1 計算范圍與內容

水域納污能力是指在設計水文條件下，滿足水功能區(qū)水質目標要求時，該水域所能容納的某種污染物的最大數(shù)量[5]。納污能力是根據(jù)各水功能區(qū)的設計條件和水質目標，選擇適當?shù)乃克|模型進行計算。

本次納污能力計算范圍與水功能區(qū)劃范圍相一致，對所有區(qū)劃的18個功能區(qū)進行納污能力計算，同時根據(jù)區(qū)域水質現(xiàn)狀和水污染的特點，計算控制指標確定為化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)。

2.2 數(shù)學模型選用[6]

根據(jù)模型適用條件，結合各河流的具體情況，水質數(shù)學模型選用見表1。

表1 水功能區(qū)水質數(shù)學模型選用統(tǒng)計表

(1)河流一維模型。對寬深比不大的中小型河道，污染物排放到水體后，在較短縱向距離的河段內基本上能在斷面內達到均勻混合狀態(tài)，污染物濃度在斷面上橫向變化不大，可用一維水質數(shù)學模型模擬污染物沿河流縱向的遷移轉化規(guī)律[7]，入河排污口概化為河段的中部，水功能區(qū)下斷面的污染物濃度按式(1)計算：

(1)

相應的水域納污能力按式(2)計算：

M=(Cs-C0)(Q+Qp)

(2)

式中：m為污染物入河速率，g/s；Cs為水功能區(qū)下斷面污染物濃度，mg/L；C0為水功能區(qū)污染物初始濃度值，mg/L；K為污染物綜合衰減系數(shù)，s-1；L為功能區(qū)長度，m；u為設計流量下河道斷面的平均流速，m/s；Q和Qp分別為初始斷面的入流流量和廢污水排放流量，m3/s。

(2)河流二維模型。適用于污染物非均勻混合的大型河段。對于順直河段，忽略橫向流速及縱向離散作用，且污染物排放不隨時間變化時，二維對流擴散方程為：

(3)

式中：Ey為污染物的橫向擴散系數(shù)，m2/s；y為計算點到岸邊的橫向距離，m。

河道斷面為矩形，可用解析法求解：

(4)

式中：C(x，y)為縱向距離為x的斷面岸邊(y=0)污染物濃度，mg/L；v為設計流量下計算水域的平均流速，m/s；h為設計流量下計算水域的平均水深，m；

相應的水域納污能力按式(5)計算。

M=[Cs-C(x，y)]Q

(5)

(3)湖庫均勻混合衰減模型。小湖(庫)(平均水深≤10 m，水面≤5 km2)采用均勻混合衰減模型預測水質。

(6)

3 水功能區(qū)納污能力及入河控制負荷

3.1 功能區(qū)納污能力計算

水功能區(qū)納污能力是指在滿足水域功能要求前提下，按劃定的水功能區(qū)水質目標值、設計水量、排污口位置及排污方式下的功能區(qū)水體所能容納的最大污染物量[8～10]。納污能力計算的設計水量，一般采用最近10年最枯月平均流量(水量)或90%保證率最枯月平均流量(水量)；集中式飲用水水源地采用95%保證率最枯月平均流量(水量)[11]。

3.2 入河控制負荷確定原則

為保證水質滿足功能區(qū)要求，本次規(guī)劃入河控制量按以下原則確定[12]：

(1)對于污染物入河量小于納污能力的水功能區(qū)，應綜合考慮功能區(qū)水質狀況和目標，采用小于納污能力的入河控制量進行控制，保留區(qū)作為經濟可持續(xù)發(fā)展的預留區(qū)域，原則上保持現(xiàn)狀。

(2)對于污染物入河量大于納污能力的水功能區(qū)：①保護區(qū)原則上不允許排污；②飲用水源區(qū)必須實現(xiàn)零排放；③對保留區(qū)和開發(fā)利用區(qū)各水功能二級區(qū)，按納污能力確定入河控制量。

3.3 成果及合理性分析

根據(jù)水功能區(qū)劃和水質目標要求，對各功能區(qū)污染物排放總量控制，東江源區(qū)水功能區(qū)劃水域COD現(xiàn)狀入河量為1 235.40 t/a，納污能力為1 246.23 t/a，入河控制量為819.24 t/a；氨氮現(xiàn)狀入河量為1 116.60 t/a，納污能力為103.35 t/a，入河控制量為97.84 t/a。

納污能力計算參數(shù)及成果見表2，各水功能區(qū)污染物入河控制量見表3。

表2 水域納污能力計算過程表

表3 各水功能區(qū)污染物入河控制量一覽表 t

從計算成果分析，需削減污染物的功能區(qū)有17個，占全部功能區(qū)的比例為94%，需削減COD的功能區(qū)有9個，削減氨氮的17個，尋烏水源頭保護區(qū)、定南水源頭保護區(qū)和下歷河定南飲用水源區(qū)等6個功能區(qū)由于執(zhí)行水源區(qū)污染物零排放政策導致要削減，并不代表功能區(qū)水質不達標，總體而言源區(qū)減污任務較重。

東江源區(qū)主要污染指標為氨氮，削減量較大的是尋烏水尋烏保留區(qū)，由于前期稀土礦的無序開采，尋烏水中下游的石排雙茶亭、石排涵水、南橋下廖、上甲柯樹塘、上甲園墩背等礦區(qū)面積約9.28 km2，水土流失嚴重，氨氮等污染物嚴重超標，水質多為Ⅴ或劣Ⅴ類水。

從景觀生態(tài)學來講，采礦地是劇烈人為干擾下的一種特殊景觀類型，是人類為獲得礦產資源而對土地進行劇烈改造的區(qū)域。在開采前后，采礦地會表現(xiàn)出十分不同的景觀[13]。稀土采礦方法分為原地堆浸法和異地堆浸法兩類，區(qū)內95﹪以上的礦區(qū)都采用異地堆浸法采礦，異地堆浸法采礦首先是剝去表土，再掘取全風化花崗巖中的礦體，搬運集中堆浸獲取礦精泥，在這種采礦中，采掘活動產生的大量剝離面、棄土和尾礦大面積直接暴露在地表，在雨水的沖刷下產生水土流失，在溝谷低洼處的農田區(qū)形成淤積區(qū)。礦采區(qū)的環(huán)境問題主要集中在采剝區(qū)、尾砂堆積區(qū)和溝谷淤積區(qū)。部分城區(qū)河段的工業(yè)污染也較為嚴重，源區(qū)內二個工業(yè)用水區(qū)均需大幅削減排污量，氨氮削減量占現(xiàn)狀入河量的70%～94%。

各功能區(qū)污染物削減情況見表4。

表4 污染物削減量情況一覽表

4 結 語

針對東江源區(qū)域水環(huán)境特征，分別采用一維、二維非穩(wěn)態(tài)模型和湖庫模型計算源區(qū)水功能區(qū)納污能力，計算得出各個功能區(qū)COD和氨氮納污能力分別為1 246.23 t/a和103.35 t/a；結合東江源水質現(xiàn)狀、污染源類型及特點，核定COD和氨氮限排總量分別為819.24 t/a和97.84 t/a，均小于納污能力。

東江源區(qū)水質現(xiàn)狀與納污能力、限排總量、入河量削減率之間關系基本合理，同時對保護區(qū)和飲用水源區(qū)等水功能區(qū)提出了污染物“零排放”的限排要求，納污能力和限排總量計算基本合理。計算成果可作為東江源區(qū)水資源保護工作的參考依據(jù)，同時也可為其他地區(qū)水污染控制工作提供思路。

本文是在已有水功能區(qū)劃的基礎上計算的成果，由于保留區(qū)限排量是以現(xiàn)狀污染物入河量作為控制指標，該區(qū)域的水環(huán)境容量并沒有得到充分利用，制約了地區(qū)社會經濟發(fā)展，下一步水功能區(qū)劃調整工作應充分考慮各功能區(qū)納污能力和當?shù)亟洕l(fā)展規(guī)劃的需求，優(yōu)化產業(yè)結構和布局，促進東江源區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。