遼河盤錦段廢水污染物排放與水環(huán)境質(zhì)量響應關系研究

史美玲 王留鎖

（遼寧省生態(tài)環(huán)境保護科技中心,遼寧沈陽 110161）

1 引言

遼河盤錦段地處遼河最下游，其水生態(tài)環(huán)境保護對渤海地區(qū)具有重要的生態(tài)安全戰(zhàn)略意義。近年來，盤錦市在經(jīng)濟發(fā)展的同時其水污染問題也較多，首先，遼河盤錦段氮污染問題依然嚴峻，2016—2018年，遼河盤錦段干流3個國控斷面水質(zhì)評價結(jié)果顯示，其總氮一直超標嚴重；重污染河流依然存在，遼河28條重污染河流中遼河盤錦段占4條。其次，工業(yè)廢水種類復雜、治理難度大；部分支流污染源復雜，如遼河盤錦段一級支流清水河，既是城市重污染河流，又是面源污染主導型河流。

本文旨在對遼河盤錦段控制單元進行細化、分析污染特征、探尋污染物的空間分布規(guī)律，同時利用MIKE11水質(zhì)模型構(gòu)建曙光大橋控制單元廢水污染物排放與水環(huán)境質(zhì)量響應關系，為遼河盤錦段干流及其支流水質(zhì)改善提供科技支撐。

2 研究內(nèi)容與方法

2.1 研究區(qū)域概況

遼河盤錦段亦稱雙臺子河，包括一統(tǒng)河、小柳河、太平河、清水河（含趙圈河排干）、繞陽河、螃蟹溝等主要一級河流，地處121°25′～122°31′E，40°39′～41°27′N之間，境內(nèi)長124.3 km，流域面積2 526 km2，占遼河流域總面積的1.1%，流域內(nèi)屬暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候。

2.2 控制單元劃分

基于“水十條”，對照水功能區(qū)劃，結(jié)合流域水質(zhì)考核監(jiān)測斷面分布，綜合考慮行政區(qū)完整性、水功能區(qū)劃、清潔邊界、水體類型、水質(zhì)類別等原則，將遼河盤錦段劃分為曙光大橋控制單元、趙圈河控制單元以及繞陽河盤錦段控制單元，見圖1。

圖1 遼河盤錦段控制單元劃分示意

2.3 研究方法

2.3.1 污染負荷核定

2.3.1.1 點源污染負荷核定

依據(jù)2018年工業(yè)污染源、污水處理廠環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)核?；A上，選取統(tǒng)計法核定點源污染負荷。統(tǒng)計法計算公式如下：

W＝Q×C×d

式中，W為點源污染負荷，t/a；Q為污水出口排放流量，m3/s；C為出口污水排放濃度，mg/L；d為入河系數(shù)。其中，入河距離≤1 km，d＝1；1 km＜入河距離≤10 km，d＝0.9；10 km＜入河距離≤20 km，d＝0.8；20 km＜入河距離≤30 km，d＝0.7；入河距離＞40 km，d＝0.6。

2.3.1.2 面源污染負荷核定

選取輸出系數(shù)法［1］核定面源污染負荷，利用遙感解譯出的土地利用類型，依據(jù)污染物的輸出系數(shù)，對不同土地利用類型污染負荷求和，估算遼河盤錦段各控制單元面源污染負荷的輸出量。輸出系數(shù)模型表達如下：

式中，i為流域中非點源污染物類型；j為流域中土地利用類型的種類（j＝1，2，3，…，n）；Lj為污染物j在流域內(nèi)的總負荷量，t/a；Eij為污染物j在第i種污染源的輸出系數(shù)，t/（km2·a）［t/（萬人·a），t/（萬只·a）］，輸出系數(shù)取值見表1；Aj為第j種土地利用類型的面積，km2（萬人）；P為流域內(nèi)平均降水量，mm；e為降雨輸出系數(shù)，t/（mm·a）。

表1 各土地利用類型輸出系數(shù) t（/km·2a）

2.3.2 水質(zhì)模型的構(gòu)建與驗證

2.3.2.1 水質(zhì)模型的構(gòu)建

建立水動力模型是建立水質(zhì)模型的基礎，水動力模型的建立主要包括研究區(qū)河網(wǎng)文件、干流及主要支流斷面文件、邊界文件、上下游水位和流量等時間序列文件、參數(shù)文件［3-5］。MIKE11 HD的建立結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MIKE11 HD模型結(jié)構(gòu)

具體構(gòu)建方式如下：

（1）河網(wǎng)文件構(gòu)建。由于遼河盤錦段河網(wǎng)水系復雜，大小不一的河道眾多，而且遼河盤錦段一級支流除繞陽河及小柳河外，其余一級支流受水閘控制，除汛期外水閘關閉，其河水不與遼河水進行交換，因此將水閘控制的一級支流在模擬中設置為閉邊界，不參與水動力模擬計算。

（2）設置斷面文件。在河流源頭、控制斷面、支流入干處、水文站的位置輸入河底高程、河寬、河流與源頭的距離數(shù)據(jù)，設置完整的河流斷面信息。

（3）邊界文件構(gòu)建。在河網(wǎng)中每條河源頭建立開放邊界，設置初始流量、水質(zhì)，在曙光大橋斷面處設置水位、水質(zhì)邊界，將點源按排入河流的里程位置建立在河網(wǎng)邊界上，并輸入點源的廢水排放流量與測定的污染物指標濃度數(shù)據(jù)。

（4）參數(shù)文件構(gòu)建。設置河流初始流量、水位、河床糙率等，保證水動力模擬能夠穩(wěn)定計算。

（5）建立時間序列文件。根據(jù)水文站、國控斷面監(jiān)測的相關數(shù)據(jù)，按照時間順序建立流量、水位、COD、NH3－N、TN、TP等時間序列文件。

（6）建立水動力模擬文件。將河網(wǎng)文件、斷面文件、邊界文件、時間序列文件、參數(shù)文件5個文件導入水動力模型，建立水動力模擬文件。

（7）水質(zhì)模型構(gòu)建。建立COD，NH3－N，TN，TP分組文件。

2.3.2.2 水質(zhì)模型的驗證

（1）水動力參數(shù)率定與驗證

根據(jù)2016年遼河盤錦段六間房（金三）、盤山（四）水文站水文數(shù)據(jù)，應用構(gòu)建水動力模型率定流量、水位、糙率等參數(shù)，保障水動力模型穩(wěn)定運行。經(jīng)驗證模擬流量與實測流量誤差率在10%左右。計算時段內(nèi)的實測流量與模擬流量并進行驗證，5，6月在最大和最小流量峰值變化時擬合度相對偏低，見表2。通過對比驗證，可以看出模擬時間內(nèi)模擬值與實測值二者擬合較好，證明水動力模擬結(jié)果可以反映模擬河段的水動力狀態(tài)，能應用于下一步的水質(zhì)分析計算。根據(jù)2017年水文數(shù)據(jù)，驗證率定的水動力參數(shù)。

表2 實測流量與模擬流量對比驗證

（2）水質(zhì)模型參數(shù)率定與驗證

應用2016年水質(zhì)數(shù)據(jù)，擬合水動力與水質(zhì)模型，率定河流污染物衰減系數(shù)、擴散系數(shù)。根據(jù)2017年遼河盤錦段曙光大橋控制單元內(nèi)干流水文、水質(zhì)、污染源等數(shù)據(jù)，驗證水質(zhì)參數(shù)。經(jīng)驗證，各指標誤差均在10%以下，因此確定水質(zhì)模擬結(jié)果可以反映實際的水質(zhì)狀態(tài)，并可以將驗證后的模型參數(shù)及水文環(huán)境作為2018年污染物指標分析的基礎條件。實測指標濃度與模擬指標濃度對比驗證見表3。

表3 實測指標濃度與模擬指標濃度對比驗證

3 結(jié)果與分析

3.1 控制單元污染負荷解析

3.1.1 點源污染負荷解析

遼河盤錦段控制單元直排點源污染負荷見表4。

表4 遼河盤錦段控制單元直排點源污染負荷 t/a

由表4可知，曙光大橋控制單元在3個控制單元中污染物排放量居首，其中，COD，NH3－N分別占污染物總排放量的89.22%，79.16%。其原因可能是曙光大橋斷面受盤錦感潮河段“頂托”；同時該控制單元內(nèi)分布著遼河盤錦段80%以上的企業(yè)及污水處理廠，其污染較重的支流太平河、螃蟹溝水質(zhì)現(xiàn)狀為劣Ⅴ類，汛期發(fā)生內(nèi)澇開閘，使支流河水與遼河水進行交換，對遼河干流水質(zhì)有影響；上游沈陽來水超標有影響。

3.1.2 面源污染負荷解析

遼河盤錦段控制單元面源污染負荷見表5。

表5 遼河盤錦段控制單元面源污染負荷 t/a

由表5可知，繞陽河盤錦段控制單元面源污染負荷居首，其次為曙光大橋控制單元、趙圈河控制單元。其原因可能是繞陽河勝利塘斷面受上游錦州市龐家河、沙子河等污染支流河來水影響；盤錦境內(nèi)沿岸農(nóng)村地區(qū)存在部分生活污水直排。面源中各污染源對COD，NH3－N污染的貢獻率由大到小依次為農(nóng)業(yè)用地污染、城鎮(zhèn)用地污染、自然地污染，繞陽河盤錦段控制單元內(nèi)農(nóng)業(yè)用地面積占比大。

3.2 控制單元污染物排放與水質(zhì)響應關系分析

利用已經(jīng)驗證的水質(zhì)模型，根據(jù)盤錦段“水十條”水質(zhì)目標（Ⅳ類），設定2017年平水期流量作為設計水文條件，模擬遼河盤錦段污染物排放與水質(zhì)響應關系，計算曙光大橋控制單元水環(huán)境容量及點源污染物允許排放限值?；?017年水動力和水質(zhì)模型參數(shù)驗證結(jié)果，最終可確定水動力參數(shù)與對流擴散參數(shù)，見表6。本次模擬的區(qū)域地形較為平坦，比降為萬分之一，河床較規(guī)整，因此相關參數(shù)設置均取全域值［6-8］。

表6 驗證后的模型參數(shù)

如圖2所示，按照現(xiàn)有污染物排放特征與方式，經(jīng)模擬可知曙光大橋斷面COD，NH3－N超過Ⅳ類水質(zhì)標準，TP不超標。

圖2 曙光大橋斷面COD，NH3－N，TP模擬排放限值

曙光大橋斷面水環(huán)境容量見表7。

表7 曙光大橋斷面水環(huán)境容量 t/m

3.3 廢水污染物減排與水環(huán)境質(zhì)量響應關系分析

3.3.1 方案一：企業(yè)污染物減排

2018年遼河盤錦段控制單元點源COD，NH3－N，TP減排模擬結(jié)果見圖3。

圖3 2018年遼河盤錦段控制單元點源COD，NH3－N，TP減排模擬結(jié)果

2018年遼河盤錦段控制單元點源污染物排放 現(xiàn)狀見表8。

表8 2018年遼河盤錦段控制單元點源污染物排放現(xiàn)狀

依據(jù)DB 21/1627—2008《遼寧省污水綜合排放標準》［9］，基于2017年水文環(huán)境，分析2018年工業(yè)企業(yè)現(xiàn)狀排放情況，由圖3、表8可知，點源QY5需進行減排。對曙光大橋斷面5，6月COD濃度進行削減，仍然超Ⅳ類水質(zhì)標準。NH3－N，TP排放濃度符合DB 21/1627—2008，但是NH3－N已無法削減負荷，5月NH3－N仍然超GB 3838—2002Ⅳ類水質(zhì)標準；6月TP仍然超Ⅳ類水質(zhì)標準。根據(jù)DB 21/1627—2008無法使河流斷面達標，故需制定方案二，考慮污水處理廠污染物減排。

3.3.2 方案二：污水處理廠污染物減排

由圖3、表8可知，依據(jù)GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》，3家污水廠COD，NH3－N排放濃度低于一級A標準，無法削減負荷，雖然3家污水廠已經(jīng)按一級A標準排放，但是曙光大橋斷面5，6月COD仍然超Ⅳ類水質(zhì)標準。5月NH3－N仍然超Ⅳ類水質(zhì)標準。點源WSC10 TP現(xiàn)狀排放濃度超過一級A標準，對WSC10 TP減排0.032 597 t/月，但是曙光大橋斷面6月TP仍然超Ⅳ類水質(zhì)標準。根據(jù)GB 18918—2002無法使河流斷面達標，故需制定方案三，考慮點源污染負荷減排。

3.3.3 方案三：點源污染負荷減排

根據(jù)GB 3838—2002［4］，基于2017年水文環(huán)境，分析2018年點源現(xiàn)狀排放情況。由圖3、表8可知，按照GB 3838—2002，不同點源相應污染物仍然存在超標現(xiàn)象，經(jīng)過減排削減后不同月份也存在超標現(xiàn)象。根據(jù)GB 3838—2002無法使河流斷面達標，故需制定方案四，考慮面源污染負荷減排。

3.3.4 方案四：面源污染負荷減排

2018年曙光大橋控制單元面源COD，NH3－N，TP減排模擬結(jié)果見圖4。

圖4 2018年曙光大橋控制單元面源COD，NH3－N，TP減排模擬結(jié)果

2018年曙光大橋控制單元面源污染物減排見 表9。

表9 2018年曙光大橋控制單元面源污染物減排

由于面源要從匯水區(qū)考慮，故模擬點源按污水綜合排放標準計算面源減排量，以曙光大橋控制單元內(nèi)干流和一級支流小柳河為對象，分析減排潛力。由圖4、表9可知，干流5，6月COD分別減排166.63，51.60 t，5月NH3－N削減1.97 t，6月TP削減1.64 t；小柳河5，6月COD分別減排187.90，58.19 t，5月NH3－N削減2.23 t，6月TP削減1.85 t，曙光大橋斷面達到斷面水質(zhì)目標。由此可知，曙光大橋控制單元河流斷面水質(zhì)達標，點源污染物按DB 21/1627—2008排放，并且從面源上削減河流污染使水質(zhì)達標。

4 結(jié)論

（1）遼河盤錦段3個控制單元中，點源主要集中于曙光大橋控制單元，面源主要集中于遼河盤錦段繞陽河控制單元。

（2）采用MIKE11水質(zhì)模型重點模擬曙光大橋控制單元污染物排放與水質(zhì)響應關系，模擬結(jié)果顯示，在現(xiàn)有經(jīng)濟技術及污染物排放標準條件下，平水期曙光大橋斷面COD，NH3－N超標，點源污染物排放要符合DB 21/1627—2008，并且從面源上削減污染使河流水質(zhì)達標。