雙橋河流域水環(huán)境容量及污染負(fù)荷分配研究

花 莉, 曹立帆, 張 瀏, 黨海迪

(1.陜西科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230071)

0 引言

隨著環(huán)境狀況惡化、生態(tài)加劇退化的環(huán)境形勢，在推行污染物總量控制的背景下對水環(huán)境容量和污染物排放總量控制的研究已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)問題[1-3].

環(huán)境容量又稱為水體納污能力，是指在給定水域范圍和水文條件下規(guī)定排污方式和水質(zhì)目標(biāo)單位時(shí)間內(nèi)該水域最大允許納污量[4].水環(huán)境容量是規(guī)劃環(huán)評中研究水環(huán)境承載力的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，是水環(huán)境污染控制和治理的重要依據(jù)[5].很多學(xué)者利用水質(zhì)模型在河流納污能力計(jì)算方面進(jìn)行了研究工作.吳師[6]利用一維水質(zhì)模型估算動態(tài)納污能力，預(yù)測不同污水排放量對指定河段水質(zhì)的不同影響；劉曉東等[7]基于一維水質(zhì)模型的原理，提出了多參數(shù)識別的反演優(yōu)化算法.Wang等[8-11]運(yùn)用一維穩(wěn)態(tài)河流水質(zhì)模型對國內(nèi)眾多河流的環(huán)境容量進(jìn)行核算.

同時(shí)，在對水環(huán)境容量進(jìn)行控制的基礎(chǔ)上，對于水體中污染物總量進(jìn)行控制也十分必要，水污染負(fù)荷分配是其中的核心問題[12].Kerachian等[13]在對河流水庫系統(tǒng)的水質(zhì)管理過程中將水質(zhì)模型與遺傳算法相結(jié)合，進(jìn)一步對污染負(fù)荷提出合理的分配方案.

因雙橋河流域面積小，水質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏、水域管理體系不完善，故不能借鑒大流域水環(huán)境容量的研究方法.而小流域作為流域體系的低級組成單位，因其自然跨度小，作為研究區(qū)域更有利于發(fā)揮流域內(nèi)自然、經(jīng)濟(jì)、社會的連貫性和整體性.本研究以雙橋河流域?yàn)檠芯繉ο螅ㄟ^一維水質(zhì)模型，計(jì)算其水環(huán)境容量，在此基礎(chǔ)上利用TMDL分配模式對流域進(jìn)行污染負(fù)荷總量分配.研究結(jié)果可以為基礎(chǔ)資料匱乏相近的流域水質(zhì)模擬提供借鑒，對今后的小流域水環(huán)境綜合治理規(guī)劃與控制提供科學(xué)依據(jù).

1 區(qū)域概況

1.1 自然地理概況

雙橋河位于巢湖北岸東側(cè)，巢湖城區(qū)西北郊，地理坐標(biāo)北緯31°16′～31°，東經(jīng)117°25′～117°58′，東南與巢湖閘相距約2km，南直通巢湖，北至淮南鐵道復(fù)線涵洞，屬巢湖市居巢區(qū)管轄.雙橋河全長9km，河床底寬約70m.流域面積27km2.其主要流域水系位置如圖1所示.

圖1 雙橋河流域水系圖

1.2 水體功能區(qū)劃分

根據(jù)《合肥市水功能區(qū)劃》(2013年8月14日合肥市人民政府批準(zhǔn)實(shí)施)，雙橋河一級功能區(qū)為雙橋河巢湖開發(fā)利用區(qū)，二級功能區(qū)為雙橋河工業(yè)用水過渡區(qū)，劃為調(diào)水水源保護(hù)區(qū)，2020年和2030年水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)均為地表水Ⅲ類.

1.3 水環(huán)境狀況調(diào)查與分析

在枯水季節(jié)，區(qū)域內(nèi)企事業(yè)單位的生產(chǎn)和生活廢水全部進(jìn)入雙橋河，包括化工、機(jī)械和建材等行業(yè)的受污染雨水、廠區(qū)沖洗廢水等；雨水季節(jié)，除上述污水水源外，流域內(nèi)的地表徑流經(jīng)過城市雨水管網(wǎng)全部匯入雙橋河，因此雙橋河實(shí)質(zhì)上是一條集防洪、排澇為一體的重要水系.

為了解雙橋河水質(zhì)現(xiàn)狀，本著“于對照、控制、削減三類斷面設(shè)置斷面”的原則，本研究分別于皖維集團(tuán)、7410廠、北外環(huán)路、長江西路橋、湖光路橋、觀光大道、雙橋河大橋位置布設(shè)斷面，并對COD、NH3-N、TP等指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場采樣分析，水質(zhì)分析方法采用國標(biāo)法.各斷面位置如圖2所示.

圖2 雙橋河各斷面位置

各斷面的水質(zhì)分析結(jié)果如表1所示.NH3-N、TP兩項(xiàng)指標(biāo)在上游皖維集團(tuán)和7410廠均能滿足III類水要求，隨后河道沿程水質(zhì)開始超標(biāo)，到湖光路橋出現(xiàn)峰值，NH3-N指標(biāo)在雙橋河入湖口位置又出現(xiàn)上升狀況，分析是該位置蔡崗泵站污水匯入該處所導(dǎo)致.基準(zhǔn)年2016年雙橋河國控雙橋河入湖口斷面COD、NH3-N、TP的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)分別為0.807、2.93、1.1，由此可知，雙橋河流域首要污染物為NH3-N，TP和COD次之.

表1 雙橋河各監(jiān)測斷面水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

2 雙橋河流域水環(huán)境容量計(jì)算

2.1 水環(huán)境容量模型的選擇

雙橋河屬小型河流，在較短的時(shí)間內(nèi)基本能混合均勻，污染物濃度在斷面橫向方向變化不大，橫向和垂向的污染物濃度梯度可以忽略.根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》(SL348-2010)，應(yīng)選擇一維水質(zhì)模型進(jìn)行計(jì)算.在忽略離散作用時(shí)，描述河流污染物一維穩(wěn)態(tài)衰減規(guī)律的微分方程為：

(1)

式(1)中：x為沿河段的縱向距離(km)；u為設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流度(m/s)；k為污染物綜合衰減系數(shù)(1/s)；C0為初始斷面的污染物濃度(mg/L)，Cx為流經(jīng)x距離后的污染物濃度(mg/L).則相應(yīng)的一維模型水環(huán)境容量的計(jì)算公式為：

W=(CS-Cx)·(Q+QP)

(2)

式(2)中：W為水域納污能力(g/s)；CS為河段的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(mg/L)；Cx為河段某污染物背景濃度監(jiān)測值或來水濃度值(mg/L)；Q為初始斷面的入流流量(m3/s)；QP為該河段廢污水入河量(m3/s).

2.2 污染物綜合衰減系數(shù)

污染物綜合降解系數(shù)是計(jì)算水體納污能力的一項(xiàng)重要參數(shù).不同的污染物、不同的水體、不同的環(huán)境條件，其綜合降解系數(shù)是不同的.主要通過水團(tuán)追蹤實(shí)驗(yàn)、實(shí)測資料反推、類比法和分析借用等方法確定[14].本文利用常規(guī)監(jiān)測資料的段末斷面濃度值和流程平均流速，采用實(shí)測資料反推法計(jì)算污染物降解系數(shù)k值，計(jì)算公式如下：

k=86.4(LnC1-LnC2)u/L

(3)

式(3)中：k為污染物綜合降解系數(shù)(1/d) ，C1、C2分別為河段上、下斷面污染物濃度(mg/L) ，L為上下斷面距離(km) ，u為河段平均流速(m/s).

2.3 水環(huán)境容量的計(jì)算

2.3.1 斷面劃分

根據(jù)雙橋河流域情況及監(jiān)測斷面分布，將雙橋河劃分為6個(gè)水環(huán)境容量計(jì)算單元，詳細(xì)劃分情況及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 雙橋河流域單元?jiǎng)澐旨盎A(chǔ)數(shù)據(jù)

2.3.2 污染物在綜合衰減系數(shù)

為排除入河污染物量及水量隨機(jī)波動對水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果的干擾，本研究結(jié)合疏浚對雙橋河的影響文獻(xiàn)[15]，因入湖口-觀光大道和北外環(huán)路-皖維集團(tuán)兩個(gè)河段沒有排污口，故本文選擇這兩個(gè)河段作為污染物綜合衰減系數(shù),如表3所示.

表3 雙橋河污染物綜合降解系數(shù)

2.4 雙橋河流域水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果及分析

由于雙橋河河段的徑流量變化較大，一般表現(xiàn)為豐水期的徑流量 > 平水期的徑流量 > 枯水期的徑流量.一般情況下，流量越大，水環(huán)境容量越大.針對缺乏全年監(jiān)測數(shù)據(jù)的小流域，在排污量相同的情況下，平水期計(jì)算的水環(huán)境容量比另外兩個(gè)時(shí)期的更具有可靠性和合理性.

根據(jù)一維模型水質(zhì)模型，雙橋河流域水環(huán)境容量核算結(jié)果如表4所示.根據(jù)流域內(nèi)水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果可知：

(1)流域內(nèi)COD、NH3-N及TP的環(huán)境容量分別為-755.7 t/a、38.42 t/a、-3.438 t/a.基于流域內(nèi)III類水質(zhì)目標(biāo)，除NH3-N以外，COD、TP均有負(fù)容量出現(xiàn)，且大部分河段的COD現(xiàn)狀均為負(fù)環(huán)境容量.

(2)沿河尚有諸多排污點(diǎn)，受巢湖湖水倒灌和入湖口處漁船的影響，入湖口處水質(zhì)水量波動較大，導(dǎo)致環(huán)境容量負(fù)荷較大，但雙橋河具備一定的稀釋、自凈功能，流經(jīng)觀光大道后流域內(nèi)COD已達(dá)標(biāo)，滿足地表水III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

表4 雙橋河河段水環(huán)境容量

3 污染負(fù)荷總量分配

3.1 分配方案的選擇

水污染總量控制和分配是影響雙橋河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展命脈的關(guān)鍵因素.根據(jù)前文計(jì)算出的雙橋河流域水環(huán)境容量，通過污染物負(fù)荷的點(diǎn)源、面源以及安全余量為研究變量建立模型，本研究采用TMDL來完成污染負(fù)荷總量的分配，以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，制定合理的污染物削減方案，同時(shí)針對農(nóng)村、企業(yè)和個(gè)體住戶提出合理高效的應(yīng)對策略，最終實(shí)現(xiàn)雙橋河流域污染物控制的目的，保證雙橋河水質(zhì)達(dá)標(biāo).

TMDL分配模式是將各污染源的排放總量進(jìn)行具體分配，詳細(xì)的分解到點(diǎn)源及非點(diǎn)源污染中，也叫污染物最大負(fù)荷通量分配，其分配公式為[16]：

TMDL=∑WLAs+∑LAs+MOS

(4)

式(4)中：WLAs(Waste Load Allocations)為現(xiàn)有及未來允許排放的點(diǎn)源污染負(fù)荷；LAs(Load Allocations)為現(xiàn)有及未來允許排放的面源污染負(fù)荷及本底負(fù)荷值；MOS(Margin of Safety)則代表安全臨界值[17].其中MOS主要是從科學(xué)角度出發(fā)綜合考慮污染水體特征，消除過程中的不確定性，并預(yù)留一定的緩沖符合為前提，然后將排放總量合理地分配到各污染源，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的有效管控.

3.2 污染負(fù)荷分配方案

3.2.1初次分配

雙橋河流域內(nèi)主要為零星的城鎮(zhèn)污水排口，工業(yè)企業(yè)排口在2018年前將徹底截污，污水進(jìn)入污水處理廠，而雙橋河流域未接納任何污水處理廠尾水，因此無其他責(zé)任主體明確的排放口，主要是城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)村生活污水排放.且經(jīng)與相關(guān)單位溝通，在2018年底前，流域內(nèi)無增設(shè)其他排污口計(jì)劃.

基于污染負(fù)荷分配遵循從點(diǎn)源到非點(diǎn)源的原則，根據(jù)各個(gè)污染源負(fù)荷比例及水質(zhì)安全性，對點(diǎn)源、面源進(jìn)行等比例分配，結(jié)合雙橋河流域平水期水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果，對各污染物污染負(fù)荷TMDL總量初次分配，MOS為TMDL的5%，2017年雙橋河流域NH3-N還有一定的剩余容量(38.42 t/a)，COD、TP(-755.7 t/a、-3.438 t/a)已經(jīng)沒有剩余環(huán)境容量.本文主要針對NH3-N排放總量的初次分配(污染源·污染源負(fù)荷比)結(jié)果如表5所示.

表5 污染物點(diǎn)源、面源負(fù)荷比

根據(jù)計(jì)算，在5%的安全余量下，NH3-N的初次分配的點(diǎn)源、面源分別是18.44 t/a和17.76 t/a，且還有1.92 t/a的安全余量.由于COD、TP是負(fù)值，因此不參與初次分配.

3.2.2 二次分配

初次分配是簡單的遵循從點(diǎn)源和非點(diǎn)源這兩大類貢獻(xiàn)率上分配的路線，簡單介紹了流域內(nèi)NH3-N的點(diǎn)源、面源的分配.

由于雙橋河小流域點(diǎn)源污染主要是城鎮(zhèn)生活污水，而面源污染牽涉面廣，污染比較嚴(yán)重又難集中處理.為了更好地控制雙橋河水質(zhì)達(dá)到地表水III類，保證流域水污染物總量削減可操作及效率性，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步詳細(xì)分配到各個(gè)污染源上，便于以后污染防治工作更加簡單.二次分配結(jié)果如表6所示.

根據(jù)分配結(jié)果可知，點(diǎn)源的城鎮(zhèn)生活和面源的農(nóng)村生活分配比例較大，主要是沿河村民在沒有經(jīng)過任何處理的情況下就地將生活廢水傾倒入河中.

3.3 雙橋河流域污染負(fù)荷削減量及結(jié)果分析

通過對雙橋河流域的TMDL初次和二次分配分析可知，流域大部分水域COD和TP均超標(biāo).針對雙橋河點(diǎn)源和非點(diǎn)源的污染負(fù)荷現(xiàn)狀，雙橋河的污染削減措施以COD和TP為對象，但基于III類水質(zhì)目標(biāo)的要求下，COD和TP均無剩余，可以通過制定不同的污染控制措施，從而更有效的提高雙橋河流域的水質(zhì)要求.

表6 點(diǎn)源、面源的二次分配

污染負(fù)荷削減需要考察因素較多，根據(jù)上文所得污染負(fù)荷總量分配結(jié)果，點(diǎn)源、面源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率，結(jié)合控制單元現(xiàn)狀污染負(fù)荷、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保規(guī)劃、污染源與水體納污關(guān)系等，計(jì)算NH3-N污染負(fù)荷削減量(削減量=污染負(fù)荷-分配結(jié)果)，制定控制單元NH3-N污染負(fù)荷削減方案如表7所示.

表7 NH3-N污染物削減量

根據(jù)表7，從削減的程度上看，負(fù)荷削減措施應(yīng)主要以點(diǎn)源的城鎮(zhèn)生活和面源的農(nóng)村生活方面為對象制定污染負(fù)荷削減方案.

3.3.1 點(diǎn)源

目前流域建成區(qū)污水管網(wǎng)尚未實(shí)現(xiàn)全覆蓋，已建成的管網(wǎng)錯(cuò)接、漏接、混接及零散點(diǎn)源無序排放是流域污染物主來源之一.對雙橋河沿岸一期未截污的141個(gè)排污口進(jìn)行源頭雨污分流，對不具備雨污分流條件的可直接對沿河排口進(jìn)行截污，并在無污水管網(wǎng)區(qū)域新建污水管網(wǎng).同時(shí)建設(shè)提升污水處理泵站，減少城鎮(zhèn)生活污水排放的污染.

3.3.2 面源

雙橋河流域農(nóng)業(yè)區(qū)域占比大，基于污染現(xiàn)狀應(yīng)該采用切實(shí)可行、因地制宜的低成本污水處理技術(shù).從成本角度考慮，可采用生物處理.

4 結(jié)論

(1)雙橋河流域部分河段水質(zhì)狀況依然超標(biāo)嚴(yán)重，流域內(nèi)整體上未達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)的要求.

(2)根據(jù)流域內(nèi)基本情況，基于流域內(nèi)的地表水III類水質(zhì)控制目標(biāo)，本研究結(jié)合一維水質(zhì)模型核算出流域內(nèi)的COD、NH3-N及TP的現(xiàn)狀環(huán)境容量分別為-755.7 t/a、38.42 t/a和-3.438 t/a.

(3)根據(jù)雙橋河流域各污染源污染負(fù)荷排放狀況，流域內(nèi)NH3-N的點(diǎn)源、面源負(fù)荷比分別為50.53%、48.66%.其中，點(diǎn)源的城鎮(zhèn)生活削減為17.59 t/a，面源的農(nóng)村生活、分散式畜禽養(yǎng)殖、集中式畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)面源、城市地表徑流、垃圾滲濾液、水產(chǎn)養(yǎng)殖削減量分別為16.6 t/a、0.45 t/a、0.47 t/a、1.63 t/a、0.04 t/a、0.13 t/a、0.41 t/a.

(4)小流域不能完全借鑒大流域水環(huán)境容量的研究方法，但小流域作為流域體系的低級組成單位，其自然跨度小，以它們作為研究區(qū)域更有利于發(fā)揮流域自然、經(jīng)濟(jì)、社會的連貫性和整體性，可操作性強(qiáng).