漢江中下游流域污染負荷及水環(huán)境容量研究

張強 劉巍 楊霞 容譽

摘要：通過調(diào)查和分析漢江中下游流域各污染源，以化學(xué)需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）為污染負荷指標(biāo)，分析了流域污染負荷現(xiàn)狀，確定了主要污染源。在此基礎(chǔ)上，選擇COD和NH3-N作為計算因子，利用一維水質(zhì)模型測算漢江中下游流域干流及主要支流的水環(huán)境容量。結(jié)果表明：江漢污染源主要為中心城鎮(zhèn)生活污染源、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染源和工業(yè)污染源;2015年排入漢江中下游干流河道的污染負荷量為340 572.15 t，以COD為主;潛江段以規(guī)模畜禽養(yǎng)殖污染源為主，其他均以城鎮(zhèn)生活污染源為主。根據(jù)模型計算結(jié)果可推知，漢江中下游干流河道COD的水環(huán)境容量目前尚較富足，但NH3-N的水環(huán)境容量已接近負荷閾值;漢江中下游支流唐白河、竹皮河和天門河的COD和NH3-N水環(huán)境容量均較小。

關(guān)鍵詞：污染負荷; 主要污染源; 水環(huán)境容量; 漢江中下游

中圖法分類號：X143文獻標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.015

湖北省水資源充沛，但隨著人口與社會經(jīng)濟的快速增長，同時也面臨著水環(huán)境污染日益加劇的嚴峻形勢。環(huán)境容量是環(huán)境目標(biāo)管理的基本依據(jù)，是環(huán)境規(guī)劃的主要環(huán)境約束條件。水環(huán)境容量的估算及其在各污染源或區(qū)域之間的分配則是水污染總量控制的基礎(chǔ)和核心[1-2]。因此，研究水環(huán)境容量可以為水環(huán)境規(guī)劃與管理提供技術(shù)支持，對于水域污染物排放的總量控制，保護和改善目前的水生態(tài)環(huán)境具有重要現(xiàn)實意義。水環(huán)境容量是指在滿足水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的前提下，水體最大允許污染負荷量，又稱水體的納污能力[3-5]。它反映了污染物在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化和賦存規(guī)律，也反映了水環(huán)境在滿足特定功能條件下對污染物的承受能力，其容量大小與水體特征、水質(zhì)目標(biāo)及污染物特性有關(guān)[6]。

漢江中下游地區(qū)大部分位于湖北省，地域廣闊，人口眾多，經(jīng)濟發(fā)達，自然資源豐富，人均水資源量與全國平均水平相當(dāng)。漢江中下游地區(qū)是湖北的糧倉和重要的產(chǎn)業(yè)基地，是漢江流域經(jīng)濟發(fā)展的中心。因此，研究漢江中下游流域水環(huán)境容量對湖北省的社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。在河流水環(huán)境容量估算中，通常首先設(shè)定目標(biāo)水質(zhì)和一定保證率下的設(shè)計流量，再建立一維或二維的水環(huán)境容量模型，并在模型參數(shù)的率定基礎(chǔ)上進行估算[7-8]。因此，本研究擬采用一維水環(huán)境容量模型對漢江中下游流域的水環(huán)境容量進行計算，研究探討其水環(huán)境污染負荷及削減策略，在此基礎(chǔ)上從水功能區(qū)劃角度為該區(qū)域水環(huán)境規(guī)劃和總量控制提供依據(jù)和參考。

1水污染負荷分析

1.1污染物調(diào)查

將漢江中下游沿線城市的工業(yè)污染源、中心城鎮(zhèn)生活污染源、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染源作為重點調(diào)查污染來源。而農(nóng)村生活污染源、農(nóng)田徑流污染源、分散畜禽養(yǎng)殖污染源等面源污染未納入統(tǒng)計和計算。流域調(diào)查范圍詳見圖1，具體包括十堰市鄖縣、鄖西縣、竹山縣、竹溪縣、房縣，丹江口市及其茅箭區(qū)和張灣區(qū)，襄陽市襄城區(qū)及其樊城區(qū)和襄州區(qū)、南漳縣、谷城縣、?？悼h、老河口市、棗陽市、宜城市，荊門市東寶區(qū)和掇刀區(qū)、鐘祥市、沙洋縣、京山縣，孝感市的安陸市、云夢縣、應(yīng)城市、孝南區(qū)、漢川市，潛江市，天門市，仙桃市以及武漢市江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)、東西湖區(qū)、蔡甸區(qū)、漢南區(qū)等8市36個縣（市、區(qū)），調(diào)查基準(zhǔn)年份為2015年。

1.2污染負荷計算

污染負荷主要計算漢江中下游各種污染源的排放量和入河量。污染負荷計算因子為化學(xué)需氧量（COD）和氨氮（NH3-N），污染負荷計算系數(shù)見表1[9-10]。工業(yè)污染源排放量根據(jù)污染源調(diào)查排污量直接確定。生活污染源主要考查中心城鎮(zhèn)生活污染源部分，排放量由人口數(shù)和產(chǎn)污系數(shù)相乘得到。畜禽（以豬為基準(zhǔn)）養(yǎng)殖污染源主要考查規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖污染源部分，排放量由畜禽養(yǎng)殖數(shù)量與其畜禽產(chǎn)污系數(shù)相乘得到。

1.3污染負荷計算結(jié)果

漢江中下游水環(huán)境污染負荷先按行政區(qū)段進行計算，然后匯總統(tǒng)計，結(jié)果詳見表2。根據(jù)表2可知，2015年漢江中下游COD和NH3-N的排放量分別約為374 181.19 t和43 204.72 t，計算得出入河量分別約為307 219.33 t和33 352.82 t。從各污染源的貢獻來看，漢江中下游流域COD的主要來源為中心城鎮(zhèn)生活排放源（占56.18%），其次是畜禽養(yǎng)殖污染源（占31.54%），最后是工業(yè)污染源（占12.28%）;NH3-N的主要來源是中心城鎮(zhèn)生活排放源（占71.50%），其次是畜禽養(yǎng)殖污染源（占19.94%），最后是工業(yè)污染源（占8.56%）。由此可知，漢江中下游流域水污染物控制的重點應(yīng)是中心城鎮(zhèn)生活污染源。值得注意的是，漢江十堰段、荊門段和仙桃段的COD和NH3-N來源中工業(yè)源均顯著高于畜禽源，僅次于中心城鎮(zhèn)生活源排放;而漢江潛江段的COD和NH3-N來源中畜禽養(yǎng)殖污染源已成為該區(qū)段內(nèi)的首要污染來源，顯著高于其它兩類污染來源。因此，流域各行政區(qū)段的水污染防治應(yīng)注意根據(jù)各地實際情況，制定相應(yīng)的污染防治方案并實施。

2水環(huán)境容量分析

2.1水環(huán)境容量計算方法

在劃定的水環(huán)境功能區(qū)陸域和水域范圍和確定的水文設(shè)計條件的基礎(chǔ)上，將天然河道概化為計算河道，根據(jù)重要的水質(zhì)控制斷面位置將漢江中下游流域劃分成19個計算單元，同時選取漢江中下游區(qū)段內(nèi)3條具有代表性的支流（唐白河、竹皮河和天門河），選定水質(zhì)模型及其參數(shù)，建立負荷和水質(zhì)的負荷-響應(yīng)關(guān)系，輸入限制條件計算漢江中下游干流及支流的水環(huán)境容量。

2.2水環(huán)境容量計算模型

采用河流一維水質(zhì)模型計算漢江中下游干流河道及該區(qū)段內(nèi)3條主要支流河道的水環(huán)境容量，計算模型為

W=31.536[cs（Q0+QP）]exp（KL86 400u-Q0c0）

式中，W為水環(huán)境容量，t/a;Q0為進口斷面的入流流量，m?3/s;Qp為點源流量，m?3/s;為不均勻系數(shù);cs為水質(zhì)目標(biāo)質(zhì)量濃度，mg/L;c0為上游來水污染物質(zhì)量濃度，mg/L;K為污染物綜合降解系數(shù)，1/d;L為河段長度，m;u為平均流速，m/s。

2.3降解系數(shù)

污染物的生物降解、沉降和其他物化過程，可概括為污染物綜合降解系數(shù)，主要通過水團追蹤試驗、實測資料反推、類比法、分析借用等方法確定[11]。本文主要通過類比國內(nèi)外部分河流降解系數(shù)的研究成果，以此來確定漢江中下游流域干流和支流河道COD和NH3-N的降解系數(shù)。根據(jù)前人的研究可知[12-14]，國內(nèi)大多河流COD降解系數(shù)在0.20～0.25 d-1之間，NH3-N的降解系數(shù)要略小于COD。同時在查閱大量漢江中下游流域水文資料的基礎(chǔ)上，本文中COD和NH3-N的降解系數(shù)分別取0.20 d-1和0.1 d-1。

2.4水質(zhì)目標(biāo)值

以水環(huán)境功能區(qū)劃相應(yīng)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)類別的上限值為水質(zhì)目標(biāo)值。根據(jù)《湖北省地表水環(huán)境功能區(qū)類別》[15]，漢江中下游流域干流河道水體功能主要規(guī)劃為Ⅱ類，其中僅襄陽段的白家灣斷面至余家湖斷面和武漢段規(guī)劃為Ⅲ類。漢江支流唐白河、竹皮河水質(zhì)功能規(guī)劃均為Ⅳ類，天門河的楊林斷面以上的上游流域規(guī)劃為Ⅲ類，楊林斷面以下的下游流域規(guī)劃為Ⅱ類。

2.5水環(huán)境容量計算結(jié)果

根據(jù)水環(huán)境容量計算模型，選擇COD和NH3-N作為水容量計算的主要控制因子，計算漢江中下游流域及其3條主要支流的水環(huán)境容量，計算結(jié)果詳見表3。從表3中可知，漢江中下游流域干流河道COD的水環(huán)境容量為490 805.1 t/a，除去調(diào)查已知的污染源入河量307 219.33 t/a，目前最大允許排放量為183 585.8 t/a;NH3-N的水環(huán)境容量為34 372.0 t/a，除去調(diào)查已知的污染源入河量33 352.82 t/a，目前最大允許排放量僅為1 019.18 t/a。模型計算結(jié)果表明：漢江中下游干流水體COD的水環(huán)境容量目前尚較為富足;但就NH3-N的水環(huán)境容量而言，目前漢江中下游干流水體的NH3-N污染負荷已接近維持現(xiàn)有水質(zhì)功能下的水環(huán)境容量閾值，如不能及時對NH3-N污染排放源進行控制和削減，則漢江中下游干流水體極易發(fā)生NH3-N水環(huán)境容量超負荷現(xiàn)象。因此，在參考本研究所采用的河流一維水質(zhì)模型計算結(jié)果的前提下，可對流域NH3-N負荷進行有效削減，以滿足目前所規(guī)劃的流域水體環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)，保障漢江中下游干流水域水質(zhì)功能的正常發(fā)揮。同時需要注意的是，盡管模型計算得出漢江中下游干流COD水環(huán)境容量余量較大，但由于模型計算結(jié)果具有一定的不確定性，未來漢江中下游干流COD的實際排放量也應(yīng)以不超過目前的實際排放量為宜。

在調(diào)查的3條支流中，唐白河COD和NH3-N的水環(huán)境容量相對最大，竹皮河最小。天門河由于其水體功能規(guī)劃類別較高，其COD和NH3-N的水環(huán)境容量也較唐白河小。由于前期的調(diào)查工作中未對支流的污染負荷進行分類匯總和統(tǒng)計，因此僅從模型計算得出的水環(huán)境容量結(jié)果來看，3條支流NH3-N的水環(huán)境容量基數(shù)均較小，與干流情況相似，也極易發(fā)生河流水體NH3-N水環(huán)境容量超負荷情況。其中尤其需要注意的是，盡管竹皮河的水質(zhì)規(guī)劃類別為Ⅳ類，但是其計算出的剩余水環(huán)境容量仍舊低于水質(zhì)規(guī)劃類別為Ⅱ～Ⅲ類的天門河，加之尚存在一定未進行調(diào)查的污染源入河量，其實際剩余有效水環(huán)境容量將更為有限。由此可推知，竹皮河目前的水環(huán)境生態(tài)安全性相對較低，極易受到NH3-N超負荷的影響而失去正常生態(tài)功能的穩(wěn)定性。

綜上，根據(jù)河流一維水質(zhì)模型計算結(jié)果可推知，在漢江中下游流域干支流的水污染防治過程中尤其要注意對NH3-N負荷的削減控制，以保障全流域的水體安全。

3結(jié) 論

（1） 2015年，漢江中下游沿線城市的工業(yè)污染源、中心城鎮(zhèn)生活污染源和規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染源累計排入漢江干流河道的COD和NH3-N總量為340 572.15 t，其中COD占排放總量的90.21%，為主要入河污染物。

（2） 漢江中下游干流河道的污染源排放大多區(qū)段以中心城鎮(zhèn)生活污染源為主，規(guī)?；笄菰创沃I(yè)源最低。其中，僅漢江潛江段以畜禽養(yǎng)殖污染源為主，且顯著高于其它兩類污染源排放。

（3） 根據(jù)模型計算結(jié)果可推知，漢江中下游干流河道COD的水環(huán)境容量目前尚較充足，但NH3-N的水環(huán)境容量已接近負荷閾值。支流唐白河、竹皮河和天門河的COD和NH3-N水環(huán)境容量基數(shù)較小，尤其是NH3-N。其中，竹皮河盡管規(guī)劃類別較低，但實際剩余有效水環(huán)境容量依然較低，存在一定水環(huán)境安全風(fēng)險。由于模型計算結(jié)果具有一定的不確定性，在漢江中下游流域水環(huán)境容量管理與規(guī)劃中還應(yīng)充分結(jié)合目前COD和NH3-N的實際排放情況進行綜合考慮。

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引用本文：張強，劉巍，楊霞，容譽.漢江中下游流域污染負荷及水環(huán)境容量研究[J].人民長江，2019，50（2）：79-82.

Research on pollution load and water environmental capacity in middle and lower reaches of Hanjiang River

ZHANG Qiang， LIU Wei， YANG Xia， RONG Yu

（Hubei Academy of Environmental Science， Wuhan 430072， China）

Abstract： Based on the investigation and analysis of various pollution sources， pollution status quo in the middle and lower reaches of the Hangjiang River was analyzed with COD and NH3-N as index of pollution load， and main pollution sources were found. Choosing COD and NH3-N as main indicators， water environmental capacity was computed by one dimensional water quality model. Results indicated that the main pollution sources of the middle and lower reaches of the Hanjiang River were urban domestic sewage， scale livestock culturing and industry discharge; the pollution load discharged into the middle and lower reaches of the Hanjiang River was 340 572.15 t in 2015， most of which was COD; scale livestock culturing was the main pollution source to Qianjiang reach， and urban sewage for other reaches. According to the calculation result of the one-dimensional water quality model， the middle and lower reaches of the Hanjiang River have ample water environmental capacity of COD， but do not have enough residual water environmental capacity of NH3-N; the tributaries such as the Tangbai River， the Zhupi River and the Tianmen River both have low COD and NH3-N water environmental capacity.

Key words：pollution load; main pollution source;water environmental capacity; middle and lower reaches of Hanjiang River