遼河污染物允許排放量分配分析研究

王 永

（遼寧葠窩水力發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 遼陽 111009）

2000年以來，遼寧省高度重視水污染治理工作，大力開展了遼河流域水污染治理及水環(huán)境保護工作，首次達到了“摘帽”預(yù)期目標。但近年來，隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，干支流水質(zhì)均受到一定影響。遼河為沈陽市過境河流，干流由上游至下游設(shè)置3個控制斷面，分別為馬虎山、巨流河大橋、紅廟子斷面。馬虎山為參考入境斷面，紅廟子為沈陽市遼河干流出境斷面，通過對馬虎山、紅廟子斷面2011年～2015年逐月水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果進行統(tǒng)計分析，馬虎山、紅廟子斷面化學(xué)需氧量、氨氮等指標均基本可達到Ⅳ類水體標準要求。但生化需氧量、總磷指標較難穩(wěn)定達到Ⅳ類水體標準。按照國家的控制斷面水質(zhì)達標目標要求，遼河干流馬虎山、巨流河大橋、紅廟子等三個國控斷面距離目標還有一定差距。本文以水質(zhì)達標控制單元為基礎(chǔ)，計算遼河污染物負荷，分析污染成因及演變規(guī)律，以此計算各控制單元污染物允許排放量。為遼河水質(zhì)達標提供方向與依據(jù)。

1 控制單元劃分

在充分考慮地形地貌、水文等自然特征，以及河流流經(jīng)農(nóng)村區(qū)域和城市區(qū)域的不同納污類型、行政區(qū)域管理可操作等因素基礎(chǔ)上，綜合控制斷面設(shè)置情況，將遼河劃分為3個控制單元，見表1。

表1 遼河水質(zhì)達標控制單元劃分表

2 污染物負荷計算

遼河污染負荷以非點源為主，污染源主要有：農(nóng)村生活污染、種植業(yè)污染、畜禽養(yǎng)殖污染；點源污染主要是沿河城鎮(zhèn)生活集中排放、中小企業(yè)污染排放和主要工業(yè)區(qū)污水處理廠污水排放。

2.1 生活污染負荷

生活污染負荷根據(jù)《第一次全國污染普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》估算沈陽市境內(nèi)遼河城鎮(zhèn)生活污染負荷；參考遼河源頭區(qū)域農(nóng)業(yè)非點源污染負荷的經(jīng)驗參數(shù)對遼河農(nóng)村生活面源污染負荷進行估算，具體各污染物的排放值，見表2。

表2 生活污水及污染物排放量

2.2 畜禽養(yǎng)殖污染負荷

根據(jù)畜禽養(yǎng)殖業(yè)非點源污染形成過程，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便以及糞便中污染物的含量乘以流失系數(shù)為流失到周圍環(huán)境中的污染物排放量，具體估算方法如下[1]：

式中：L畜禽養(yǎng)殖為污染物排放量，t；Q 為畜禽養(yǎng)殖數(shù)量；ρ糞便為畜禽糞便排泄系數(shù)，kg/(只·d)；γ 為糞便污染物含量，%；λ畜禽養(yǎng)殖為污染物流失系數(shù)。各參數(shù)的取值見表3。

表3 畜禽養(yǎng)殖污染物流失系數(shù)

2.3 種植業(yè)污染負荷

肥料流失有兩種方式，一是隨下滲的水分向土壤層遷移，即地下淋溶方式，二是當(dāng)降水強度大于土壤入滲能力或田間排水時，產(chǎn)生地表徑流，土壤營養(yǎng)物質(zhì)隨地表徑流發(fā)生遷移，即地表徑流方式。農(nóng)業(yè)種植面源污染負荷的估算方法如下[2]：

式中：L種植業(yè)為污染物排放量，t；M為化肥施用量（折純量），t；ρ地表徑流為地表徑流肥料流失系數(shù)；ρ地下淋溶為地下淋溶肥料流失系數(shù)。

根據(jù)《第一次全國污染源普查：農(nóng)業(yè)污染源肥料流失系數(shù)手冊》各參數(shù)取值見表4。

表4 農(nóng)業(yè)污染肥料流失系數(shù)

2.4 控制單元污染物入河量估算

根據(jù)沈陽市統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，利用以上數(shù)據(jù)和經(jīng)驗參數(shù)估算境內(nèi)遼河的面源污染物的排放系數(shù)，再乘以各類污染源污染物的入河系數(shù)，即可估算控制單元各污染物的入河量。根據(jù)境內(nèi)遼河的多年平均降雨徑流系數(shù)，農(nóng)業(yè)種植的污染物入河系數(shù)為0.11；畜禽養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村生活污染物入河系數(shù)為0.2；城鎮(zhèn)生活污染物入河系數(shù)為0.4。污染物入河量見表5。

表5 遼河控制單元污染物入河量 單位：t/a

根據(jù)表5可知，遼河控制單元污染物入河量中，COD為12031.77t/a，BOD 為2138.07t/a，TN為 1989.11t/a，TP為117.30t/a，氨氮為355.69 t/a。

3 污染成因及演變規(guī)律分析

影響水體污染物濃度的三個主要因素：一是污染物入河量；二是河道納污水量；三是污染降解能力。

3.1 污染物入河量

遼河污染物入河估算量的主要影響因素是入河系數(shù)，不同污染源的入河系數(shù)差異較大。污染源主要包括農(nóng)業(yè)種植面源排放、蓄禽養(yǎng)殖面源排放、農(nóng)村生活面源排放、沿河城鎮(zhèn)生活集中排放和污水處理廠點源排放。

農(nóng)業(yè)種植面源污染的入河量受產(chǎn)匯流過程影響顯著，污染物隨降雨或灌溉引起的產(chǎn)匯流過程而發(fā)生下滲和水平空間遷移最終進入河道水體，污染物入河系數(shù)可近似看作是降雨徑流系數(shù)，遼河多年平均降雨徑流系數(shù)約為0.11。由于規(guī)模化蓄禽養(yǎng)殖對動物糞便進行集中處理，其污染物排放入河量相對比較穩(wěn)定，且入河系數(shù)較大；對于農(nóng)村散戶養(yǎng)殖，污染物入河主要由雨水沖刷產(chǎn)生，受降水徑流關(guān)系影響，入河系數(shù)可近似看作是降雨徑流系數(shù)。農(nóng)村生活污染主要包括生活垃圾和生活污水，在非沿河區(qū)域，生活污染物主要由雨水沖刷產(chǎn)生，其入河系數(shù)可近似看作是降雨徑流系數(shù)。沿河城鎮(zhèn)生活集中排放和污水處理廠點源排放，污染物直接排放進入水體，入河系數(shù)可取1，基本不受降雨徑流過程影響。

3.2 河道納污水量

遼河干流及支流河道沿河排水量相對較小，水量主要來自上游入境水量和境內(nèi)產(chǎn)流量，主要受降雨徑流關(guān)系影響。

3.3 污染物降解能力

河道污染物降解能力受水溫、污染物濃度、流速、含沙量等因素的影響，在不同河道、不同水文條件下污染物的降解能力不同。一般情況下，水溫越高、污染物濃度越高、流域越小的情況下，污染物降解能力越強。

3.4 污染物演變規(guī)律

通過對遼河干流及支流的污染源解析分析可知，總磷污染主要是由農(nóng)業(yè)種植和畜禽養(yǎng)殖引起的，總磷指標的入河量受降雨徑流過程影響顯著，同時河道納污水量也隨降雨徑流過程發(fā)生變化，但由于流速增加，污染物降解能力下降，河道內(nèi)污染物量較徑流量更為敏感，污染物濃度與河道徑流成較好的正相關(guān)關(guān)系。河道水體總磷濃度及河道徑流的年際變化規(guī)律見圖1，由于馬虎山監(jiān)測斷面污染物變化受上游其他地區(qū)產(chǎn)排污影響，這里僅分析紅廟子監(jiān)測斷面的水質(zhì)與水量之間的關(guān)系。生化需氧量主要是由畜禽養(yǎng)殖、污水處理廠和城鎮(zhèn)生活集中排放引起的，污染物入河量受降雨徑流過程影響較弱，入河量比較穩(wěn)定，而河道納污水量則隨降雨徑流過程發(fā)生變化，因此在河道徑流較大的情況下，污染物濃度相對較低，污染物濃度與河道徑流成負相關(guān)關(guān)系。

圖1 遼河干流水質(zhì)水量關(guān)系

4 水質(zhì)達標計算

4.1 一維水質(zhì)模型

式中：W為水環(huán)境容量，t/a；QP為點源設(shè)計水量，m3/s；QM面源水量，m3/s；Q0為設(shè)計流量，m3/s；q為單位長度沿程面源水量，m2/s；CS為水質(zhì)標準，mg/L；CM為面源濃度，mg/L；A 斷面面積，m2；x計算（控制）單元長度或面源沿程距離，m；K為降解系數(shù)，1/d；α為不均勻系數(shù)；EL為中間變量。

4.2 污染物允許排放量分配

遼河干流有3個國控斷面，分別是馬虎山、巨流河大橋和紅廟子斷面。按照近年遼河干流水質(zhì)分析結(jié)果，干流主要超標污染物為總磷和生化需氧量，污染物排放以非點源排放為主。在沈陽市遼河干流沿線水質(zhì)達標控制斷面中，馬虎山為參考入境斷面，上游由鐵嶺入境，水質(zhì)為Ⅴ類水，馬虎山控制單元主要污染源有長河和左小河支流匯入；巨流河大橋控制單元污染源主要有秀水河和養(yǎng)息牧河支流匯入，以及控制區(qū)面源污染排放；紅廟子控制單元主要污染源有吉康污水處理廠排水、沿河面源污染，以及柳河匯流，但柳河水質(zhì)基本達到Ⅳ類水，對下游水體水質(zhì)影響較小。受上游來水水質(zhì)和支流河匯入水質(zhì)影響，遼河干流各控制斷面尚無法達到地表水Ⅳ類水體標準要求。采用河流一維容量模型建立遼河污染物排放量與河流水質(zhì)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，基于馬虎山、巨流河大橋和紅廟子3個國控斷面達到Ⅳ類水體標準，反推各控制單元的污染物許可排放量。

（1）馬虎山控制單元

根據(jù)2012年～2014年的水質(zhì)和水量監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算各支流河的污染物匯入量；根據(jù)2014年的沈陽市統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)以及《第一次全國污染源普查》中提供的東北地區(qū)的相關(guān)污染源排放系統(tǒng)對遼河干流的面源污染排放量進行統(tǒng)計，見表6?？梢钥闯鲴R虎山控制斷面的污染物來源主要是上游入境污染物，沈陽市境內(nèi)干流馬虎山控制單元和支流河長河、左小河控制單元的生化需氧量和總磷的排放入河量分別為824.12 t/a和40.97 t/a。在鐵嶺入境水質(zhì)達到Ⅳ類水體標準的條件下，以馬虎山控制斷面水質(zhì)達到Ⅳ類水為標準，計算河段的生化需氧量和總磷的環(huán)境容量分別為1065.78 t/a和25.12 t/a。對于生化需氧量指標而言，只要長河和左小河匯入水質(zhì)達到Ⅳ類水體標準，則馬虎山斷面生化需氧量指標將達標；對于總磷而言，除了支流匯入水質(zhì)需達到Ⅳ類水體標準之外，還需要通過合理施肥、新建污水處理站、增加污糞集中處理設(shè)施等對沿線村屯的面源污染進行控制，將城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)種植和畜禽養(yǎng)殖總磷排放量控制在現(xiàn)狀條件的70%以下。

表6 馬虎山控制單元污染控制方案

（2）巨流河大橋控制單元

計算巨流河大橋控制單元各支流河的污染物匯入量和干流的面源污染排放量見表7?？梢钥闯鼍蘖骱哟髽蚩刂茢嗝娴奈廴疚飦碓粗饕巧嫌稳刖澄廴疚?，巨流河大橋控制單元和支流河秀水河、養(yǎng)息牧河控制單元的生化需氧量和總磷的排放入河量分別為2088.64 t/a和89.91 t/a。在上游斷面水質(zhì)達到Ⅳ類水體標準的條件下，以巨流河大橋控制斷面水質(zhì)達到Ⅳ類水為標準，計算河段生化需氧量和總磷的環(huán)境容量分別為1569.97 t/a和95.60 t/a。只要秀水河和養(yǎng)息牧河匯入水質(zhì)達到Ⅳ類水體標準，則巨流河大橋控制斷面的生化需氧量和總磷指標將達到Ⅳ類水體標準。該斷面水體達標的主要控制方案是控制秀水河和養(yǎng)息牧河水體達標匯入遼河干流。

表7 巨流河大橋控制單元污染控制方案

（3）紅廟子控制單元

計算紅廟子控制單元各支流河的污染物匯入量和干流的面源污染排放量見表8?？梢钥闯鼍蘖骱哟髽蚩刂茢嗝娴奈廴疚飦碓粗饕巧嫌螖嗝嫖廴疚铮t廟子控制單元和支流河柳河控制單元的生化需氧量和總磷的排放入河量分別為2189.46 t/a和144.93 t/a。在上游斷面水質(zhì)達到Ⅳ類水體標準的條件下，以紅廟子控制斷面水質(zhì)達到Ⅳ類水為標準，計算河段生化需氧量和總磷的環(huán)境容量分別為1459.06 t/a和194.36 t/a。保持柳河匯流水質(zhì)不變，只要新民市吉康污水處理廠的排放表由二級標準提高到一級A標準，則紅廟子控制斷面的總磷指標將達到Ⅳ類水體標準；生化需氧量指標要達到Ⅳ類水體標準，還應(yīng)該加強控制單元內(nèi)的面源污染治理措施，通過排污管線擴建工程和污水處理站工程提高城鎮(zhèn)生活污水的收集處理率，使其提高到70%以上；此外，還應(yīng)通過改變污糞處理方式、增加集中處理設(shè)施等措施，控制遼中區(qū)畜禽養(yǎng)殖污染排放量，將總磷排放量控制在現(xiàn)狀條件的70%以下。

表8 紅廟子控制單元污染控制方案

5 結(jié)論

本文采用一維水質(zhì)模型，能夠較好地預(yù)測污染源BOD、TP的控制值，對遼河干流提出的污染物允許排放量控制分配能夠?qū)笃谒|(zhì)達標目標要求提供有力的幫助與參考。同時，為了使水質(zhì)達標更具有穩(wěn)定性，建議后期可以在原來控制斷面的基礎(chǔ)上增設(shè)一部分監(jiān)測斷面進行水質(zhì)監(jiān)測，使得預(yù)測污染源控制值更加準確。