基于河道水污染治理和水環(huán)境總量計算研究——以遼陽市境內(nèi)渾河段為例

王 暢

(燈塔市水利工作服務中心，遼寧 遼陽 111300)

0 引 言

在不破壞水體使用功能的情況下，水環(huán)境容量即為水體所能容納的最大污染物量。若給定設(shè)計水量、水質(zhì)目標和水質(zhì)條件，水環(huán)境容量是指水資源開發(fā)利用區(qū)域內(nèi)能容納的最大污染物量。河流水體中污染物遷移轉(zhuǎn)化的自然凈化與物理稀釋功能，通過自凈容量和稀釋容量來反映。一般條件下，自凈容量小于稀釋容量，水體凈污比超過10-20倍時，僅考慮稀釋容量[1]。

隨著城市需水量的逐年增加和環(huán)境污染的日趨嚴重，由于水源水質(zhì)污染和水資源供給不足引起的用水持續(xù)緊張問題成為城市發(fā)展的瓶頸之一，水環(huán)境保護領(lǐng)域的研究熱點逐漸轉(zhuǎn)向為污染物排放總量控制和水環(huán)境容量的計算。在控制總污染物的情況下，對水環(huán)境容量的研究為當前研究的熱點和重要課題。

關(guān)于環(huán)境容量的計算方法，諸多學者在不同河流中開展了一系列的研究，并取得了較好的成效。如韓龍喜等對南通河網(wǎng)的水環(huán)境容量和水量水質(zhì)，運用考慮了水文地理特性的水量水質(zhì)模型進行計算模擬；周剛等基于粒子群算法中的非線性優(yōu)化法和水質(zhì)模擬模型，在動態(tài)水文條件下提出了考慮氨氮、化學需氧量水質(zhì)因子的水環(huán)境容量計算方法，為贛江下游的污染物總量控制提供一定的決策依據(jù)；孟偉等通過分析水環(huán)境質(zhì)量標準與基準的內(nèi)涵，系統(tǒng)概括了兩者對污染物控制的作用及其制定過程，從制定方法、保護功能、體系組成等方面對比了國內(nèi)外水質(zhì)標準體系的差異，研究了在污染物控制時水質(zhì)標準的應用狀況[2-4]。

綜上分析，現(xiàn)有研究主要集中在目標總量的控制技術(shù)分析，實現(xiàn)流域單元的容量總量水質(zhì)目標控制與目標總量控制的轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥戆l(fā)展的必然趨勢。鑒于此，文章依據(jù)控制斷面法和區(qū)域水系的水文特征，嘗試按月分配河流水環(huán)境容量，為優(yōu)化設(shè)計更加嚴格、更加精細的流域污染控制方案提供一定的依據(jù)[5-7]。

1 水環(huán)境容量計算方法

枯水期流量少、匯水面積小、水環(huán)境容量有限以及水源補給條件差等為遼陽市渾河流域的典型特征，因此該河段屬于雨源型河流。近年來，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)和經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，各行業(yè)用水量的急劇增大使得流域內(nèi)水資源開發(fā)強度較高，并對河流水污染治理造成較大壓力。文章以遼陽市渾河流域為例，為了能夠滿足監(jiān)測斷面Ⅲ類水質(zhì)的目標要求并最大限度的利用渾河流域水環(huán)境容量，對渾河水環(huán)境容量利用控制斷面法確定。

在達到某一控制斷面水質(zhì)要求的條件下確定控制斷面之間的環(huán)境容量，然后向上游反推至上一斷面，則該控制斷面的水環(huán)境容量為兩斷面之間所有排污口的允許排污量之和。河流水環(huán)境容量包括自凈容量和稀釋容量2個部分，其計算方法如下：

(1)

(2)

E=E1+E2

(3)

式中：E1、E2、E為河流稀釋容量、自凈容量和水環(huán)境容量，g/s；Q、qi為河流合計流量和平均污染物排放量，m3/s；cs、c0為水質(zhì)標準值和河流標準濃度，mg/L；u、k為河流水流速度和污染物降解系數(shù)，m/s、d-1；ti為時段i內(nèi)的水流時間，d。

2 水環(huán)境容量計算參數(shù)

2.1 設(shè)計水文條件

考慮到渾河流域?qū)崪y水文資料不完整的實際情況，選用遼寧省水文圖集相關(guān)成果計算分析流域的徑流深，由此推算出不同保證率下渾河交接斷面的天然徑流量。查算結(jié)果為，渾河流域的偏態(tài)系數(shù)Cs和年徑流變差系數(shù)Cv值分別為0.76、0.38，詳見表1。

表1 渾河流域天然徑流量計算值

渾河流域具有非汛期水量極少、汛期洪水陡漲陡落等特征，屬于典型的雨源型河流。對于北方地區(qū)河流，水環(huán)境容量的計算通常為90%保證率的設(shè)計流量，且環(huán)境容量的逐月分配還要考慮典型年徑流量月分配狀況，從而制定更加科學的污染治理措施和控制方案。

另外，為維持河流的流動性、自然性和確保河流常年流水不斷，結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計資料，每年補給遼陽市渾河流域的再生水約8285萬m3，河流水環(huán)境容量在一定程度上受補給的水資源的影響。隨時間的變化調(diào)水量的變化較小且調(diào)水的水量來源穩(wěn)定，所以可認為在實踐上均勻分配這部分容量[11-12]。

本次水環(huán)境容量計算的水文條件為天然徑流量與補給水量之和，然后逐月分配水環(huán)境容量，從而獲取渾河流域遼陽段月徑流量，見表2所示。

表2 渾河流域遼陽段逐月水文條件

2.2 水環(huán)境治理目標

根據(jù)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀、功能要求和自然條件等劃分的水功能區(qū)劃，不同功能區(qū)的水質(zhì)管理目標存在差異。結(jié)合遼寧省河流水質(zhì)管理要求和遼陽市地面水環(huán)境功能區(qū)劃，確定渾河流域水環(huán)境治理目標為監(jiān)測斷面水質(zhì)達到Ⅲ類水質(zhì)要求，其基本項目的質(zhì)量濃度標準限值如表3。

表3 Ⅲ類水質(zhì)關(guān)鍵指標濃度標準限值

2.3 水質(zhì)降解系數(shù)

在生物、化學、物理等綜合降解作用下水體中污染物濃度下降快慢的程度可通過污染物降解系數(shù)來反映，它是表征一系列降解作用后污染物質(zhì)概化的重要參數(shù)。當前，模型率定法、經(jīng)驗系數(shù)法、試驗室測定法和現(xiàn)場實測法等為污染物降解系數(shù)測定的主要方法。文章依據(jù)韓龍等關(guān)于納污能力相關(guān)研究，采用經(jīng)驗系數(shù)法確定渾河流域遼陽段的污染物降級系數(shù)K為0.15d-1。

3 水環(huán)境容量計算結(jié)果

3.1 結(jié)果分析

按照以上計算方法，90%保證率條件下渾河流域遼陽段天然補水與流量的水環(huán)境容量月分配情況如表4。以COD污染物為例，進一步分析入河污染量月分配狀況。

表4 現(xiàn)狀月入河COD水環(huán)境容量

根據(jù)表4可知，渾河流域遼陽段年水環(huán)境容量為5160t，在年內(nèi)分配上整體呈現(xiàn)出枯水期水環(huán)境容量小，而豐水期大的變化特征，其中水環(huán)境容量最小、最大的月份為12月和7月。

通過分析渾河流域污染源調(diào)查資料和污水處理廠運行數(shù)據(jù)，確定該河段的COD年負荷量為110751t，其中年入河量為40750t，年處理量56200t，入河污染物總量在枯水期12月份達到水環(huán)境容量的61.8倍。由此表明，相對于污染入河量而言渾河的水環(huán)境容量非常的小，河流水環(huán)境承載能力顯著低于污染負荷量，特別是在枯水期12月份，入河污染物總量約為水環(huán)境容量的61.8倍，即使將河流系統(tǒng)最大承載能力按水環(huán)境容量最大月計算，也遠遠低于污染負荷量。

根據(jù)渾河流域2005-2017年土地利用類型空間變化特征，期間大片的林業(yè)、農(nóng)業(yè)用地被建設(shè)用地取代。隨著人口的增多、經(jīng)濟的發(fā)展以及城市的不斷擴張，流域內(nèi)污廢水量和水資源用量急劇增多，而滯后的水污染治理措施使得水環(huán)境進一步惡化，這也是渾河流域長期超過Ⅴ類水質(zhì)、水環(huán)境功能受損、水質(zhì)惡化和水體嚴重污染的主要原因。

3.2 水質(zhì)改善措施

根據(jù)生態(tài)恢復、水質(zhì)凈化、內(nèi)源清淤、清水補給、外源減排的技術(shù)路線開展城市河道的水質(zhì)綜合治理，其中內(nèi)源清淤和外源減排為水質(zhì)治理的基本前提，污染治理的階段性手段以水質(zhì)凈化為主，而保證河流水環(huán)境的有效措施為生態(tài)恢復和水動力改善技術(shù)，具體如下：

1)外源阻斷。面源控制和截污納管為外源阻斷的兩種重要方法，其中城市面源以周邊的垃圾和雨水徑流中污染物為主，面源污染控制的有效措施為清理水體周邊的垃圾；截污納管主要是通過原位處理或接入市政污水管，阻斷直接排放消減外源入河量。

2)內(nèi)源控制。城市河流水質(zhì)在很大程度上受外源入河沉淀的影響，即底泥對水體環(huán)境可產(chǎn)生二次污染，氮磷、重金屬等在外源污染有效控制的條件下也會在特定的條件下進入水體，并在河道底部逐漸積累，對河流上部分水體產(chǎn)生影響。對此，可采取機械清淤和生物酶底泥修復相結(jié)合的內(nèi)源污染控制的有效措施，具有可持續(xù)性好、去除污染率高及減少快等優(yōu)點。

3)水質(zhì)凈化。穩(wěn)定塘、人工濕地技術(shù)、絮凝沉淀技術(shù)、生態(tài)輔導、人工曝氣充氧等為凈化城市黑臭水體水質(zhì)的主要技術(shù)，人工曝氣充氧有包括臭氧、純氧或空氣等。

4)水動力技術(shù)。河道水環(huán)境系統(tǒng)在外界污染物迅速進入河道時產(chǎn)生失衡或不穩(wěn)定，因此要采用應急措施確保河流水系統(tǒng)的完整性，河道抵抗外界干擾的能力可通過人工凈化干預體系提升。在促進污染物輸出、凈化、擴散以及稀釋黑臭水體污染物濃度等方面，調(diào)水措施具有明顯的效益，一般適用于環(huán)境容量低、水動力不足、納污負荷高的城市水環(huán)境治理工程。

5)生態(tài)修復措施。水體中氮、磷濃度較高不僅可造成其他水生生物大量死亡、藻毒素和水質(zhì)惡化等問題，而且可使得水體發(fā)黑發(fā)臭，所以這也屬于生態(tài)失衡問題。磷的控制為城市河流富營養(yǎng)化治理的核心，當前污水廠對磷指標的排放限值遠遠低于地表水標準。因此，在條件允許的情況下提高總磷排放標準或?qū)嵭邢蘖着欧糯胧┚哂酗@著的成效。紫外線殺藻和直接收集藻類為常用的物理控制技術(shù)，而化學控制以投放有機或無機抑藻劑為主，投放食藻魚類或種植抑藻水生植物為生物控制的主要方法，在緊急情況下這些措施的成效非常明顯。水生態(tài)修復有構(gòu)建水位生態(tài)系統(tǒng)、恢復水生動物和水生植物食物鏈等，充分發(fā)揮完整的食物鏈功能持續(xù)去除城市水體的營養(yǎng)物與污染物，進一步改善水體質(zhì)量和河流生境。

4 結(jié) 論

對渾河流域遼陽段水環(huán)境容量依據(jù)控制斷面法和COD指標進行計算分析，通過疊加計算流域外調(diào)水增加和天然流量產(chǎn)生的水環(huán)境容量，按月分配得到渾河流域逐月水環(huán)境容量，結(jié)合計算結(jié)果對比分析了流域入河污染總量，主要結(jié)論為：

1)相對于污染入河量而言渾河的水環(huán)境容量非常的小，河流水環(huán)境承載能力顯著低于污染負荷量。隨著人口的增多、經(jīng)濟的發(fā)展以及城市的不斷擴張，流域內(nèi)污廢水量和水資源用量急劇增多，而滯后的水污染治理措施使得水環(huán)境進一步惡化，這也是渾河流域長期超過Ⅴ類水質(zhì)、水環(huán)境功能受損、水質(zhì)惡化和水體嚴重污染的關(guān)鍵因素。

2)為改善河流水環(huán)境質(zhì)量，充分發(fā)揮治污措施的功能作用，相關(guān)部門治污方案的設(shè)計應盡可能的遵循生態(tài)修復、水質(zhì)凈化、內(nèi)源清淤、清水補給和外源減排等技術(shù)路線。