水環(huán)境容量與目標(biāo)削減量測(cè)算方法研究
——以重慶市梁灘河為例

黃 樂

（重慶臨空開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，重慶 401100）

二十一世紀(jì)以來(lái)尤其是十八大以來(lái)，黨中央高度重視環(huán)境保護(hù)，習(xí)近平總書記提出“綠水青山就是金山銀山”的新理念，倡導(dǎo)保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)人與自然的和諧發(fā)展。在水環(huán)境領(lǐng)域，以保障水環(huán)境安全和促進(jìn)流域全面協(xié)調(diào)發(fā)展為根本目標(biāo)，開展“碧水行動(dòng)”，開展“水安全、水環(huán)境、水資源、水生態(tài)、水管理”綜合治理，順應(yīng)自然，依托自然生態(tài)系統(tǒng)，因地制宜地進(jìn)行生態(tài)清潔小流域建設(shè)和綜合整治[1]。但是，通常情況下，簡(jiǎn)單的污染總量控制不能完全解決水環(huán)境污染問題，水質(zhì)改善需應(yīng)用水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)，以水環(huán)境改善為核心，以水生態(tài)修復(fù)為重點(diǎn)[2]。依法治水，健全水污染防治法制與執(zhí)法監(jiān)管體系；協(xié)同治水，健全水環(huán)境區(qū)域治理協(xié)調(diào)與績(jī)效評(píng)估機(jī)制；科技治水，構(gòu)建水環(huán)境治理科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)；智慧治水，實(shí)現(xiàn)污染源監(jiān)管和污染治理過(guò)程信息化；多元治水，推動(dòng)“城水共治”和污染第三方治理[3]。在實(shí)際工作中，常常采用水質(zhì)模型對(duì)河道水環(huán)境容量進(jìn)行核算分析，確定水環(huán)境容量和污染負(fù)荷削減量，根據(jù)現(xiàn)狀污染負(fù)荷分析河道污染源及污染物類型[4]。水環(huán)境容量與目標(biāo)削減量測(cè)算方法較多，但以往多是考慮一個(gè)或幾個(gè)單一因素，要么停留在理念階段，要么只是簡(jiǎn)單地進(jìn)行總量控制，要么推廣適用性不強(qiáng)。本文以重慶市梁灘河流域水環(huán)境綜合整治為例，綜合考慮水容量估算方法和減排目標(biāo)控制，提出了水環(huán)境容量與目標(biāo)削減量測(cè)算方法，具有一定的借鑒意義和參考價(jià)值，對(duì)于開展流域水環(huán)境整體改善和流域生態(tài)綜合調(diào)控具有重要的指導(dǎo)作用。

1 水污染導(dǎo)致的環(huán)境問題

水環(huán)境容量預(yù)測(cè)與計(jì)算是污染防治的前提。一般來(lái)講，流域水環(huán)境容量預(yù)測(cè)與計(jì)算需要考慮以下主要存在的水污染環(huán)境問題。

（1）城鎮(zhèn)生活污水處理率較低。一般情況下，除部分經(jīng)污水處理廠處理達(dá)標(biāo)排放外，大部分污水未經(jīng)處理或經(jīng)簡(jiǎn)單處理后，直接排入河流或其支流，對(duì)水體水環(huán)境造成了一定的污染，增加了水環(huán)境負(fù)荷。

（2）水體周邊生活垃圾處理率較低。垃圾收集處理設(shè)施十分簡(jiǎn)陋，大部分生活垃圾沿水體兩岸亂堆亂放，垃圾中的有害物質(zhì)容易對(duì)水體造成一定的污染。

（3）大部分工業(yè)廢水等未達(dá)到國(guó)家或地方標(biāo)準(zhǔn)排放，工業(yè)廢水含有一定的有害物質(zhì)，容易對(duì)水質(zhì)造成污染，清理難度也大。

（4）水體底泥淤積嚴(yán)重，對(duì)水體產(chǎn)生一定的影響，某種程度上還會(huì)影響到居民身體健康，對(duì)工農(nóng)業(yè)用水也不利。

（5）流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重，農(nóng)田施肥、農(nóng)藥不科學(xué)使用導(dǎo)致大量氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體。

（6）在流域沿線有一些畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)，部分畜禽養(yǎng)殖的糞便未經(jīng)處理便排入水體容易引起富營(yíng)養(yǎng)化，造成水環(huán)境污染。

（7）流域內(nèi)水土保持不足，部分水體流失，地表徑流中含有的污染物容易進(jìn)入水體，對(duì)水體造成污染。

由此可見，水環(huán)境污染情形較多，有工業(yè)污染、生活污水和生活垃圾污染、底泥淤積污染、水土流失污染、農(nóng)村面源污染等。在水環(huán)境容量預(yù)測(cè)和污染減排目標(biāo)設(shè)置時(shí)，必須全面地、綜合地考慮所有因素。

2 污染負(fù)荷預(yù)測(cè)

梁灘河流域面積491.27 km2，干流長(zhǎng)約88 km，有5條支流匯入其中，見圖1。梁灘河屬嘉陵江下游右岸一級(jí)支流，發(fā)源于重慶市九龍坡區(qū)白市驛廖家溝水庫(kù)，地處縉云山脈與中梁山脈之間，流經(jīng)九龍坡、沙坪壩、北碚三個(gè)區(qū)，在北碚區(qū)龍鳳鎮(zhèn)匯入嘉陵江。

2.1 工業(yè)污染負(fù)荷年預(yù)測(cè)

2.1.1 沙坪壩區(qū)西永微電子產(chǎn)業(yè)園區(qū)

重慶西永微電子產(chǎn)業(yè)園由“四園兩區(qū)”組成，“四園”指封裝測(cè)試園、芯片制造園、應(yīng)用產(chǎn)品園、軟件園，“兩區(qū)”指生活配套區(qū)、科技創(chuàng)新區(qū)。根據(jù)《重慶市梁灘河流域水污染綜合整治總體規(guī)劃》，到2022年西永微電子產(chǎn)業(yè)園區(qū)新增污水處理規(guī)模30 000 m3/d（表1）。類比同類型的工業(yè)園區(qū)污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)，預(yù)測(cè)化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）濃度為480 mg/L，氨氮（NH3-N）濃度為35 mg/L，總磷（total phos?phorus，TP）濃度為4 mg/L。這三項(xiàng)指標(biāo)是評(píng)價(jià)工業(yè)污染負(fù)荷的核心指標(biāo)。

圖1 梁灘河流域示意圖Fig.1 Map of Liangtan River basin

表1 西永微電子產(chǎn)業(yè)園區(qū)2022年工業(yè)企業(yè)污廢水污染負(fù)荷預(yù)測(cè)Table 1 Forecast of industrial wastewater pollution load in Xiyong Microelectronic Industrial Park in Chongqing in 2022

2.1.2 沙坪壩區(qū)西部現(xiàn)代物流園區(qū)

重慶市現(xiàn)代物流產(chǎn)業(yè)園區(qū)位于沙坪壩區(qū)土主鎮(zhèn)團(tuán)結(jié)村。物流園區(qū)是以鐵路集裝箱中心站為基礎(chǔ)，依托“一江兩翼”的物流腹地產(chǎn)業(yè)支撐，集多式聯(lián)運(yùn)、現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)、貨運(yùn)配載、城市配送、保稅物流、物流裝備、商貿(mào)流通、物流社區(qū)等功能于一體的鐵路樞紐型經(jīng)濟(jì)試驗(yàn)區(qū)。根據(jù)《西部現(xiàn)代物流園區(qū)供水規(guī)劃》（2007年），經(jīng)過(guò)計(jì)算，預(yù)測(cè)2022年西部現(xiàn)代物流園區(qū)污水量可達(dá)22 000 m3/d（表2）。類比同類型的工業(yè)園區(qū)污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)，預(yù)測(cè)COD濃度為430 mg/L，NH3-N濃度為35 mg/L，TP濃度為4 mg/L。

表2 西部現(xiàn)代物流園2022年工業(yè)企業(yè)污廢水污染負(fù)荷預(yù)測(cè)Table 2 Forecast of industrial wastewater pollution load in Western Modern Logistics Park in Chongqing in 2022

2.1.3 梁灘河流域工業(yè)企業(yè)污染負(fù)荷匯總

梁灘河流域2022年工業(yè)企業(yè)污染負(fù)荷預(yù)測(cè)見表3。每項(xiàng)指標(biāo)中都是沙坪壩區(qū)占比最大，主要原因是梁灘河流經(jīng)沙坪壩區(qū)的流程最長(zhǎng)，且流經(jīng)區(qū)域中沙坪壩區(qū)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化水平最高。

表3 梁灘河流域2022年工業(yè)企業(yè)污染負(fù)荷預(yù)測(cè)Table 3 Forecast of pollution load for industrial enterprises in Liangtan River basin in 2022

2.2 城鎮(zhèn)生活污水和垃圾污染負(fù)荷預(yù)測(cè)

根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)，結(jié)合梁灘河流域的實(shí)際情況，城鎮(zhèn)集鎮(zhèn)人口增長(zhǎng)按4%考慮，人均綜合生活用水量按150 L/（人·d）考慮，據(jù)實(shí)際情況，折污系數(shù)為0.8，污水中預(yù)測(cè)COD濃度為320 mg/L、NH3-N濃度為30 mg/L、TN濃度為45 mg/L、TP濃度為3.5 mg/L，梁灘河沿線城鎮(zhèn)2022年污水及污染物產(chǎn)生情況，見表4。集鎮(zhèn)人均產(chǎn)生的生活垃圾按1.0 kg計(jì)算，其中1.0 kg生活垃圾可折算0.05 kg COD、1.0 g TN、0.2 g TP，按照5%生活垃圾進(jìn)入河流考慮，2022年梁灘河流域城鎮(zhèn)生活垃圾排放量、污染物排放量見表5。

表4 2022年梁灘河流域城鎮(zhèn)生活污水負(fù)荷預(yù)測(cè)Table 4 Forecast of municipal domestic sewage load in Liangtan River basin in 2022

表5 2022年梁灘河流域生活垃圾負(fù)荷預(yù)測(cè)Table 5 Forecast of household waste load in Liangtan River basin in 2022

2.3 底泥污染負(fù)荷預(yù)測(cè)

按流域在不治理的情況下考慮，梁灘河底泥污染在2022年不會(huì)有太大的變化，產(chǎn)生的污染負(fù)荷基本維持現(xiàn)狀，即COD 1 402.2 t/a，BOD51 459.9 t/a，TN 15.4 t/a，TP 1.7 t/a。

2.4 水土流失污染負(fù)荷預(yù)測(cè)

考慮到在不治理的情況下，梁灘河流域水土流失及由此產(chǎn)生的污染負(fù)荷基本維持現(xiàn)狀，各污染物產(chǎn)生量見表6。

表6 2022年梁灘河流域水土流失造成的污染負(fù)荷預(yù)測(cè)Table 6 Forecast of soil erosion-caused pollution load in Liangtan River basin in 2022

2.5 農(nóng)村面源污染預(yù)測(cè)

2.5.1 集中居民點(diǎn)污水污染負(fù)荷預(yù)測(cè)

梁灘河流域集中居民點(diǎn)人口增長(zhǎng)按0.6%考慮，其2022年污水污染負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果見表7。當(dāng)天馬村人口為永遠(yuǎn)村人口的2.76倍時(shí)，其各項(xiàng)污水污染負(fù)荷近似成比例增加。

表7 2022年梁灘河流域集中居民點(diǎn)污水污染負(fù)荷預(yù)測(cè)Table 7 Forecast of domestic sewage load in concentrated settlements in Liangtan River basin in 2022

2.5.2 畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷預(yù)測(cè)

考慮到今后人民生活水平提高和流域城鎮(zhèn)化率加快的趨勢(shì)，并根據(jù)《重慶市都市區(qū)城市總體規(guī)劃綱要》的要求，為便于進(jìn)行畜禽養(yǎng)殖污染控制，梁灘河流域被規(guī)劃為畜禽養(yǎng)殖限養(yǎng)區(qū)。由此確定到2022年畜禽養(yǎng)殖規(guī)模維持現(xiàn)狀不變，即產(chǎn)生的污染負(fù)荷也維持現(xiàn)狀不變。

2022年梁灘河流域畜禽污染導(dǎo)致的COD負(fù)荷估計(jì)為1 007.69 t/a，BOD5930.76 t/a，TN 46.85 t/a，TP 24.37 t/a。

2.5.3 農(nóng)田施肥污染負(fù)荷預(yù)測(cè)

考慮到在不治理的情況下，梁灘河流域農(nóng)田耕地面積、化肥使用量在2022年不會(huì)有太大的變化，基本維持現(xiàn)狀，則由于農(nóng)田施肥產(chǎn)生的流域污染負(fù)荷基本維持現(xiàn)狀，各污染物產(chǎn)生量見表8。同樣，由于梁灘河流經(jīng)沙坪壩區(qū)的流程最長(zhǎng)，農(nóng)田面積最多，每項(xiàng)指標(biāo)都是沙坪壩區(qū)占比最大。

表8 2022年梁灘河流域農(nóng)田施肥污染負(fù)荷預(yù)測(cè)Table 8 Forecast of fertilization pollution load in Liangtan River basin in 2022

2.6 梁灘河流域污染負(fù)荷預(yù)測(cè)

綜合各項(xiàng)污染負(fù)荷預(yù)測(cè)，梁灘河流域2022年水污染總負(fù)荷預(yù)測(cè)匯總見表9。

由表9可以看出，工業(yè)污染負(fù)荷占比最大的為沙坪壩區(qū)，城鎮(zhèn)生活污水和城鎮(zhèn)生活垃圾污染負(fù)荷占比最大的為北碚區(qū)，底泥污染負(fù)荷預(yù)測(cè)占比最大的為沙坪壩區(qū)，水土流失污染負(fù)荷占比最大的為九龍坡區(qū)，農(nóng)村面源污染占比最大的為九龍坡區(qū)。每項(xiàng)指標(biāo)中，COD指標(biāo)沙坪壩區(qū)占比最大，比例為61.54%；NH3-N指標(biāo)沙坪壩區(qū)占比最大，比例為60.45%；TN指標(biāo)沙坪壩區(qū)占比最大，比例為44.70%；TP指標(biāo)沙坪壩區(qū)占比最大，比例為64.84%。每項(xiàng)指標(biāo)中都是沙坪壩區(qū)占比最大，主要原因是梁灘河流經(jīng)沙坪壩區(qū)的流程最長(zhǎng)，且流經(jīng)區(qū)域中沙坪壩區(qū)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化水平最高。

3 環(huán)境容量與目標(biāo)削減量

梁灘河流域沿線城鎮(zhèn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等污染源產(chǎn)生的污染物通過(guò)流域轉(zhuǎn)移將會(huì)進(jìn)入長(zhǎng)江干流。如果不及早治理梁灘河流域范圍內(nèi)現(xiàn)有的污染物，久而久之有惡化的趨勢(shì)，對(duì)梁灘河及長(zhǎng)江流域沿線生態(tài)環(huán)境保護(hù)將造成巨大的威脅。因此，加快梁灘河流域水環(huán)境綜合整治已經(jīng)是迫在眉睫。

水環(huán)境容量測(cè)算和目標(biāo)削減量估算是污染綜合整治和控制的基礎(chǔ)，水質(zhì)目標(biāo)和測(cè)算模型的確定是水環(huán)境容量和目標(biāo)削減量估算的關(guān)鍵和核心[5]。

3.1 環(huán)境容量測(cè)算

在滿足規(guī)劃的環(huán)境目標(biāo)下，水體在單位時(shí)間內(nèi)所能容納污染物的最大數(shù)量，或所能容納的污染物總量，就是河流水環(huán)境容量。梁灘河水環(huán)境容量估算如下。

3.1.1 邊界條件設(shè)定

梁灘河屬于次級(jí)河流，綜合考慮流域水文特征、水系特征、水體水質(zhì)目標(biāo)、排污狀況等因素，水環(huán)境容量測(cè)算的邊界條件設(shè)定為：

（1）合理選擇各河流（河段）近10年最枯流量作為設(shè)計(jì)流量；

表9 2022年梁灘河流域水污染總負(fù)荷預(yù)測(cè)量Table 9 Forecast of total pollution load in Liangtan River basin in 2022

（2）假定現(xiàn)有排污口的位置不變，各河流（河段）的支流作為排污口考慮；

（3）選擇的河流斷面應(yīng)達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定濃度上限值作為目標(biāo)約束條件。

3.1.2 環(huán)境容量測(cè)算設(shè)計(jì)條件說(shuō)明

（1）環(huán)境容量測(cè)算單元

為了更好地分析梁灘河流域現(xiàn)有水環(huán)境容量，為后續(xù)污染物負(fù)荷削減奠定基礎(chǔ)，分單元進(jìn)行水環(huán)境容量核算。根據(jù)《關(guān)于重慶市次級(jí)河流綜合整治工作考核暫行辦法的通知》〔渝辦發(fā)（2009）311號(hào)〕，水環(huán)境單元?jiǎng)澐忠姳?0。

（2）測(cè)算模式選擇

容量測(cè)算設(shè)計(jì)的水文條件是保證率P=90%的枯水期平均流量及相應(yīng)的設(shè)計(jì)水深、設(shè)計(jì)水面坡降、設(shè)計(jì)流速等。

表10 水環(huán)境容量單元?jiǎng)澐諸able 10 Unit division for estimation of water environment capacity

梁灘河流域?qū)儆诖渭?jí)河流，采用一維計(jì)算模式進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)控制斷面符合指定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，非持久性污染物環(huán)境容量的計(jì)算公式為：

式中：W為環(huán)境容量，t/a；Qh為河流枯水期流量，m3/s；Cs為河流水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)濃度，mg/L；K為污染物綜合降解系數(shù)，1/d；L為河流間距，m；u為河流流速，m/s；C0為河流對(duì)照斷面的背景濃度，mg/L。

（3）降解系數(shù)確定

梁灘河流域污染物綜合降解系數(shù)采用實(shí)測(cè)法，根據(jù)下面公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：ΔL為功能區(qū)河段長(zhǎng)度，m；C上為功能區(qū)上斷面污染物濃度，mg/L；C下為功能區(qū)下斷面污染物濃度，mg/L。

參考《三峽水庫(kù)對(duì)重慶庫(kù)段生態(tài)環(huán)境影響及整治對(duì)策研究》中水環(huán)境容量計(jì)算，根據(jù)各斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)值以及各斷面現(xiàn)狀污染負(fù)荷，計(jì)算河流污染物綜合降解系數(shù)。然后用2016年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料和2016年的污染負(fù)荷校核K值，經(jīng)分析得出梁灘河流域污染物綜合降解系數(shù)K值，見表11。

表11 水環(huán)境容量測(cè)算不同污染物綜合降解系數(shù)K取值Table 11 Values of comprehensive degradation factor K for different pollutants

（4）計(jì)算結(jié)果

計(jì)算梁灘河流域各段的水環(huán)境容量，結(jié)果見表12。負(fù)號(hào)表示水環(huán)境容納的污染負(fù)荷量。由于梁灘河沿途的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)差異及城鄉(xiāng)生活差異，所產(chǎn)生的污染物不同且排放量不一樣。同時(shí)梁灘河沿途流經(jīng)流域長(zhǎng)度、水深、水質(zhì)等不一樣，也會(huì)導(dǎo)致水環(huán)境容量差異。

表12 梁灘河流域水環(huán)境容量計(jì)算Table 12 Estimated water environment capacity in Liangtan River basin

3.2 整體目標(biāo)削減量

流域綜合整治削減量分配原則：主要污染物削減量進(jìn)行一次性分配，即按照污染負(fù)荷比分配到入河排污口及各支流口；規(guī)劃河段主要污染物削減量可進(jìn)行二次分配，即先按照動(dòng)態(tài)污染負(fù)荷比分配到各入河排污口及各支流口[6]。

與水環(huán)境功能區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)量相比較，可以得到理論上需要削減的負(fù)荷量，即得出在實(shí)施階段的目標(biāo)削減量，具體見表13。

表13 梁灘河流域目標(biāo)削減量Table 13 Targeted reduction amount in Liangtan River basin

由表13可以看出，九龍坡區(qū)需要削減的污染負(fù)荷主要為COD、TN，難點(diǎn)是控制城鎮(zhèn)工業(yè)廢水排放、城鎮(zhèn)生活污水排放和農(nóng)村面源污染；沙坪壩區(qū)需要削減的污染負(fù)荷主要為COD、NH3-N、TN，難點(diǎn)是控制城鎮(zhèn)工業(yè)廢水排放、城鎮(zhèn)生活污水排放和農(nóng)村面源污染；北碚區(qū)需要削減的污染負(fù)荷主要為COD、NH3-N，難點(diǎn)是控制城鎮(zhèn)生活污水排放、城鎮(zhèn)生活垃圾和底泥污染。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以重慶市梁灘河流域?yàn)槔?，在現(xiàn)有污染防治水平、不考慮新增污染控制措施情況下，根據(jù)相關(guān)發(fā)展規(guī)劃和流域內(nèi)近年人口增長(zhǎng)情況、流域內(nèi)工業(yè)負(fù)荷增長(zhǎng)率和生活污染負(fù)荷增長(zhǎng)率，在其他類別負(fù)荷維持現(xiàn)狀不變情況下預(yù)測(cè)流域水環(huán)境污染負(fù)荷總量。根據(jù)水質(zhì)目標(biāo)、一定的水文水動(dòng)力條件、污染排放空間布局等因素，采用水環(huán)境模型確定水環(huán)境承載力。通過(guò)與現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)值及預(yù)測(cè)污染負(fù)荷等對(duì)比，按照水環(huán)境容量計(jì)算公式得到目標(biāo)負(fù)荷削減總量。研究結(jié)果表明：由于梁灘河沿途的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)差異及城鄉(xiāng)生活差異，加之流經(jīng)流域長(zhǎng)度、水深、水質(zhì)等不一樣，水環(huán)境容量也會(huì)有差異。梁灘河流域整治重點(diǎn)是要嚴(yán)格控制城鎮(zhèn)工業(yè)廢水排放、城鎮(zhèn)生活污水排放、農(nóng)村面源污染、城鎮(zhèn)生活垃圾和底泥污染，其中九龍坡區(qū)需要削減的污染負(fù)荷主要為COD、TN，沙坪壩區(qū)需要削減的污染負(fù)荷主要為COD、NH3-N、TN，北碚區(qū)需要削減的污染負(fù)荷主要為COD、NH3-N。

本研究為流域水環(huán)境容量和目標(biāo)負(fù)荷削減估算提供參考，為梁灘河流域水環(huán)境綜合整治提供技術(shù)支撐，有助于提升流域水環(huán)境綜合整治的效果與效率，有助于推動(dòng)建設(shè)綠水青山的美好生活家園。