曹娥江流域水環(huán)境容量與污染負(fù)荷分配研究*

張志敏 翁巧然 程全國 王 艷 孫明東 雷 坤#

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012;2.沈陽大學(xué)環(huán)境學(xué)院,遼寧 沈陽 110044)

隨著全球沿海城市經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的快速發(fā)展,近岸海域生態(tài)環(huán)境引起了人們的重視[1]。研究顯示,海洋污染物總量的85%以上來自于陸源污染物,其中由入海河流排入的超過80%[2]。杭州灣—浙江近海是我國近海生態(tài)環(huán)境問題最突出的海域,其入海河流主要有錢塘江和曹娥江,曹娥江受城市規(guī)模和社會發(fā)展影響,流域水環(huán)境污染問題依然不容樂觀,控制和減少流域污染負(fù)荷是流域水質(zhì)的關(guān)鍵問題。水環(huán)境容量的估算及其在各污染源或區(qū)域之間的分配是水污染總量控制的基礎(chǔ)和核心[3-4]。根據(jù)已有研究發(fā)現(xiàn),水環(huán)境容量計算方法主要分為模型試錯法、公式法和線性規(guī)劃法等確定性數(shù)學(xué)方法,概率稀釋模型法、隨機(jī)規(guī)劃法和未確知數(shù)學(xué)法等不確定性數(shù)學(xué)方法[5]。污染負(fù)荷分配是指根據(jù)環(huán)境容量或目標(biāo)總量控制,通過一定的分配原則和方法,將污染物總量分配到區(qū)域或污染源。國外關(guān)于污染負(fù)荷分配的研究更趨向于考慮研究主體污染需求的不確定性或污染排放的不平等性,綜合利用各種水質(zhì)、規(guī)劃模型、改進(jìn)優(yōu)化算法求解污染分配優(yōu)化方案[6]。國內(nèi)學(xué)者則普遍提出基于公平、效率、可行性原則的多種污染負(fù)荷分配方法,主要包括優(yōu)化分配法、等比例分配法、層次分析法、貢獻(xiàn)率分配法、基尼系數(shù)法和綜合分配法等[7]。

近幾年未有學(xué)者對曹娥江進(jìn)行水環(huán)境容量和污染負(fù)荷分配的研究,本研究從流域的角度出發(fā),基于滿足流域水體監(jiān)測斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)和入海斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的約束條件下,進(jìn)行水環(huán)境容量計算。采用優(yōu)化分配法、綜合分配法和貢獻(xiàn)率分配法將水環(huán)境容量分配至各控制單元并細(xì)化到污染源類型,對比分析各控制單元的水環(huán)境容量和污染物入河量,提出各控制單元污染物的削減量,以期提升曹娥江水環(huán)境質(zhì)量,對于水環(huán)境污染控制有重要意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

曹娥江處于紹興市的東部,干流長197 km,平均比降0.3%,流域面積為6 080 km2,占紹興市總面積的61.8%,最后經(jīng)曹娥江大閘注入錢塘江河口。曹娥江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),冬夏季風(fēng)交替顯著,年溫適中,四季分明,雨量豐沛,日照充足。流域內(nèi)河道密布,湖庫大部分位于流域上游,根據(jù)多年的水文資料可知,流域內(nèi)的年平均降水量為1 463.2 mm,年內(nèi)雨量分配不均,差異明顯。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

數(shù)據(jù)主要包括2016—2021年的曹娥江流域內(nèi)3個國控監(jiān)測斷面的逐月水質(zhì)數(shù)據(jù),2017年第二次全國污染源普查數(shù)據(jù),2021年紹興統(tǒng)計年鑒、不同土地利用類型及面積、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、農(nóng)村人口數(shù)量、流域數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)及水文數(shù)據(jù)等,具體見表1。運(yùn)用ArcGIS 10.7、Origin 2020軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、分析和繪圖。

表1 數(shù)據(jù)來源

1.3 研究方法

1.3.1 控制單元劃分

控制單元是水污染控制和管理的基本單元,通過控制單元劃分,將污染物入河量與相應(yīng)的控制單元環(huán)境容量結(jié)合,進(jìn)行容量總量控制。采用ArcGIS水文分析法,基于曹娥江流域DEM數(shù)據(jù)劃定流域邊界,結(jié)合流域水系分布特征和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)劃,考慮研究區(qū)自身的水體污染特征和流域水質(zhì)目標(biāo)管理實施,最終將流域劃分成24個控制單元,各控制單元分布情況如圖1所示。

圖1 曹娥江流域控制單元的劃分

1.3.2 水質(zhì)評價方法

單因子評價法[8]能清晰反映斷面水體污染物是否超標(biāo),目前使用較多且計算簡單易操作。根據(jù)《浙江省地表水環(huán)境功能區(qū)劃》要求,本研究調(diào)查的監(jiān)測斷面為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類水質(zhì),分析曹娥江流域內(nèi)的3個監(jiān)測斷面水質(zhì)情況,采用單因子評價法根據(jù)Ⅲ類水質(zhì)要求進(jìn)行評價。單因子評價法的具體計算方法見式(1),如Pi≤1,則達(dá)標(biāo)。

Pi=Ci/Si

(1)

式中:Pi為國控監(jiān)測斷面污染物i的單因子指數(shù);Ci、Si分別為國控監(jiān)測斷面污染物i實測值、評價標(biāo)準(zhǔn)值,mg/L。

1.3.3 污染負(fù)荷估算方法

流域水體污染源一般包括點源和非點源污染,兩者對水體污染貢獻(xiàn)存在一定的差異[9]。點源污染包括工業(yè)企業(yè)、集中式污水處理和規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染源,非點源污染包括農(nóng)村生活、不同土地利用類型和分散式畜禽養(yǎng)殖污染源。點源污染負(fù)荷采用統(tǒng)計法進(jìn)行估算,根據(jù)獲得點源的污染物排放口到入河排放口經(jīng)緯度坐標(biāo)估算污染物的入河距離,進(jìn)而確定入河系數(shù),并計算各種污染源的排放量和入河量。當(dāng)入河距離分別為≤1、>1～10、>10～20、>20～40、>40 km時,對應(yīng)的入河系數(shù)參考值分別為1.0、0.9、0.8、0.7、0.6。

非點源污染負(fù)荷采用輸出系數(shù)模型(見式(2))計算,該模型由于所需參數(shù)較少,操作簡便,能進(jìn)行大尺度非點源污染負(fù)荷估算,被廣泛應(yīng)用于非點源污染負(fù)荷估算[10-13]。

(2)

式中:Li為污染物i的污染負(fù)荷總量,t/a;Eij為第j種土地利用類型(或人口或畜禽)污染物i的輸出系數(shù),t/(km2·a)(或t/(人·a)或t/(頭·a)、t/(羽·a)、t/(只·a));Aj為第j種土地利用類型面積(或人口數(shù)量或畜禽數(shù)量),km2(或人或頭、羽、只);p為來自降雨的污染量,相對于非點源污染可忽略不計,本研究暫不考慮此項影響。

1.3.4 水環(huán)境容量計算方法

本研究根據(jù)曹娥江設(shè)計水文條件下的設(shè)計流量計算結(jié)果,結(jié)合研究區(qū)各監(jiān)測斷面的流速情況,以各控制單元排放強(qiáng)度污染負(fù)荷至監(jiān)測斷面的流達(dá)率作為各控制單元與監(jiān)測斷面間的響應(yīng)關(guān)系,從而建立響應(yīng)系數(shù)矩陣?；谌饔蛩|(zhì)監(jiān)測斷面滿足“十四五”水質(zhì)目標(biāo)的前提條件下,建立線性規(guī)劃模型,估算曹娥江流域各控制單元水環(huán)境容量,計算公式如下:

(3)

(4)

式中:Xs為控制單元s的最大允許排放量,t/a;ast為控制單元s對監(jiān)測斷面t的響應(yīng)系數(shù);Ct為監(jiān)測斷面t的水質(zhì)控制值(除去背景值),mg/L。

1.3.5 污染負(fù)荷分配方法

綜合考慮科學(xué)性、公平性和可行性指標(biāo)之間的平衡,本研究一級分配采用基于合理性指數(shù)的目標(biāo)總量分配模型進(jìn)行控制單元允許排放量的優(yōu)化分配,計算公式如下:

(5)

式中:TCRI為總量分配合理性指數(shù);df為分項指標(biāo)f的權(quán)重系數(shù),可采用一般的統(tǒng)計方法(如專家打分法、熵值法、層次分析法等)確定;If為分項指標(biāo)f的合理性指數(shù),一般為0～1,值越大越合理。

本研究綜合考慮了各控制單元的6個分項指標(biāo)(容量利用率、徑流量、人口、耕地、國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)和現(xiàn)狀污染物入河量),具體見表2。

表2 總量分配合理性的各分項指標(biāo)

為進(jìn)一步細(xì)化分配到基于控制單元的環(huán)境容量,本研究采用綜合分配法進(jìn)行二級分配,計算公式如下:

Ms=D×95%×(ks1+ks2+ks3+ks4)/4

(6)

式中:Ms為控制單元s的水環(huán)境容量,t/a;D為監(jiān)測斷面的最大允許排放量,t/a;ks1為控制單元s的常住人口占所屬監(jiān)測斷面內(nèi)總常住人口的比例;ks2為控制單元s的GDP占所屬監(jiān)測斷面內(nèi)GDP的比例;ks3為控制單元s的污染物入河量占所屬監(jiān)測斷面內(nèi)污染物入河總量的比例;ks4為控制單元s的耕地面積占所屬監(jiān)測斷面內(nèi)總耕地面積的比例。

采用貢獻(xiàn)率分配法進(jìn)行三級分配,細(xì)化得到各控制單元的污染源類型,計算公式如下:

Ws=Ms×b/(b+c)

(7)

Ys=Ms×c/(b+c)

(8)

式中:Ws、Ys分別為控制單元s內(nèi)點源、非點源污染物水環(huán)境容量,t/a;b、c分別為點源、非點源入河量,t/a。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)評價結(jié)果

本研究對2016—2021年監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行年均水質(zhì)評價分析,由于GB 3838—2002中沒有流域水體TN限值,故不對TN進(jìn)行水質(zhì)評價,COD、氨氮、TP的單因子評價結(jié)果見表3。2016—2021年,曹娥江流域內(nèi)的屠家埠、湯曹匯合口和曹娥江大閘閘前3個監(jiān)測斷面的COD、氨氮、TP均達(dá)標(biāo)。

表3 曹娥江流域水質(zhì)單因子評價結(jié)果

2.2 污染負(fù)荷估算

根據(jù)統(tǒng)計法和輸出系數(shù)模型計算可知,曹娥江流域內(nèi)COD、氨氮、TN、TP入河量分別為16 013.20、959.10、3 658.53、416.05 t/a。點源和非點源污染物入河量對比發(fā)現(xiàn),在非點源污染物中,COD、氨氮、TN、TP入河量分別占總?cè)牒恿康?6.89%、85.29%、87.92%、93.63%,說明曹娥江流域內(nèi)污染物入河量主要以非點源為主。

采用ArcGIS對流域內(nèi)各控制單元的COD、氨氮、TN、TP污染負(fù)荷進(jìn)行空間分析,在自然間斷法分級的基礎(chǔ)上重新劃分,得到流域內(nèi)各控制單元的污染物入河量空間分布(見圖2)。整體來看,流域內(nèi)4種污染物入河量有相似的空間分布特征,都表現(xiàn)出中上游的嵊州市和中下游的越城區(qū)和上虞區(qū)的污染物入河量較大的污染特征?？刂茊卧?、9和11位于中游的嵊州市,該區(qū)域內(nèi)耕地、林地面積較大,畜牧業(yè)發(fā)展迅速,是人口集聚的地區(qū);控制單元4、21內(nèi)以耕地和城鎮(zhèn)用地為主,相應(yīng)產(chǎn)生的COD、氨氮、TN、TP入河量都很大。污染物入河量較多的控制單元有4、8、9、11和21,這5個控制單元的COD、氨氮、TN、TP入河量對曹娥江的貢獻(xiàn)率分別為45.12%、41.53%、38.83%、35.18%,因此應(yīng)將這5個控制單元作為重點單元進(jìn)行管控。

圖2 曹娥江流域污染物入河量空間分布

2.3 水環(huán)境容量計算結(jié)果

水環(huán)境容量是指在給定水域范圍和水文條件、規(guī)定排污方式和水質(zhì)目標(biāo)的前提下,單位時間內(nèi)該水域污染物的最大允許納污量[14-15]。水環(huán)境容量會隨著水資源情況的不斷變化和人們對環(huán)境需求的不斷提高而發(fā)生變化,在實際過程中,水環(huán)境容量和水域特性、水質(zhì)目標(biāo)、污染物特性、污染物排放、水文條件等有關(guān)[16]。水環(huán)境容量與納污水體水文特征有密切關(guān)系,其中設(shè)計水文條件包括設(shè)計流量、設(shè)計流速、污染物綜合降解系數(shù)等。

根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》(SL 348—2006),本研究以控制斷面2010—2019年月均流量為基礎(chǔ),通過選取90%保證率下的月均流量作為設(shè)計流量進(jìn)行水環(huán)境容量計算。根據(jù)《國家“十五”水環(huán)境容量模擬技術(shù)規(guī)范研究報告》,對流速—流量、河寬—流量、平均水深—流量滿足的關(guān)系[17-18]進(jìn)行擬合,在經(jīng)驗公式計算中,代入水文站的設(shè)計流量,可求出對應(yīng)的設(shè)計流速,曹娥江流域設(shè)計流量和流速見表4。參考國內(nèi)相似流域背景下的研究成果,結(jié)合流域的具體情況,類比確定各污染物的綜合降解系數(shù)[19-20]。流域水體內(nèi)COD、氨氮、TN、TP的綜合降解系數(shù)分別為0.11、0.13、0.07、0.10 d-1。

表4 曹娥江流域設(shè)計流量和流速

基于滿足曹娥江流域水體監(jiān)測斷面和入海斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的約束條件下,將設(shè)計水文條件及模型參數(shù)輸入水環(huán)境容量計算模型中,流域水環(huán)境容量計算結(jié)果如表5所示。曹娥江流域COD、氨氮、TN、TP水環(huán)境容量分別為47 945.18、2 435.81、6 863.19、474.98 t/a。

表5 曹娥江流域水環(huán)境容量計算結(jié)果

2.4 污染負(fù)荷分配與削減

為保證水體滿足水質(zhì)目標(biāo),降低容量模擬中的不確定風(fēng)險,污染負(fù)荷總量分配方案中,一般需要考慮安全余量(MOS)[21]。MOS是分析污染負(fù)荷與受納水體水質(zhì)間的不確定關(guān)系,確定不同計算條件下的MOS,從而降低水體中水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險,一般以水環(huán)境容量或污染負(fù)荷量的5%～10%作為MOS[22]。為確保曹娥江流域內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)達(dá)標(biāo),本研究以水環(huán)境容量的5%作為MOS。根據(jù)計算,曹娥江流域內(nèi)各控制單元的COD、氨氮、TN、TP水環(huán)境容量分配結(jié)果如表6所示。其中,控制單元11的COD、TN水環(huán)境容量和控制單元4、5的氨氮水環(huán)境容量分配以點源形式為主,其余都以非點源為主。

表6 各控制單元水環(huán)境容量分配結(jié)果

污染物削減量為水環(huán)境容量與入河量差值,正值時說明不需要進(jìn)行削減;負(fù)值時則需要進(jìn)行削減。根據(jù)計算,流域內(nèi)COD還有剩余水環(huán)境容量,不需削減,只需對氨氮、TN和TP進(jìn)行削減。流域內(nèi)各控制單元3種污染物削減計算結(jié)果如表7所示。氨氮需削減6.91 t/a,各控制單元需削減0.45～3.56 t/a;TN需削減501.52 t/a,各控制單元需削減9.52～160.23 t/a;TP需削減128.34 t/a,各控制單元需削減0.81～22.73 t/a。TN點源削減量主要來自城鎮(zhèn)污水處理廠,因為污水排放量較大且污水處理未能達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行。TN、TP非點源削減量較大,是由于控制單元內(nèi)種植業(yè)面積較大,且化肥和農(nóng)藥的施用強(qiáng)度較高,氮磷隨地表降水進(jìn)入水體;部分村莊污水管線尚未建成,污水收集率較低,污水零直排區(qū)沒有全覆蓋,部分農(nóng)戶污水沿河直排,造成水體污染。

表7 各控制單元3種污染物的削減計算結(jié)果

3 結(jié)論與建議

1) 2016—2021年,曹娥江流域內(nèi)的屠家埠、湯曹匯合口和曹娥江大閘閘前3個監(jiān)測斷面的COD、氨氮、TP均達(dá)標(biāo)。

2) 曹娥江流域內(nèi)COD、氨氮、TN、TP入河量分別為16 013.20、959.10、3 658.53、416.05 t/a,且主要以非點源為主。污染物入河量較多的控制單元有4、8、9、11和21,這5個控制單元的COD、氨氮、TN、TP入河量對曹娥江的貢獻(xiàn)率分別為45.12%、41.53%、38.83%、35.18%,應(yīng)將這5個控制單元作為重點單元進(jìn)行管控。

3) 基于滿足曹娥江流域水體監(jiān)測斷面和入海斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的約束條件下,COD、氨氮、TN、TP水環(huán)境容量分別為47 945.18、2 435.81、6 863.19、474.98 t/a。流域內(nèi)COD還有剩余水環(huán)境容量,不需削減,氨氮、TN、TP分別需削減6.91、501.52、128.34 t/a。

4) 根據(jù)曹娥江流域污染物入河量和水環(huán)境容量的分析結(jié)果,需從源頭削減污染物排放量從而改善流域水質(zhì)現(xiàn)狀,建議強(qiáng)化城鎮(zhèn)污水處理廠污水處理效能,有效提高污水處理廠出水達(dá)標(biāo)率;加強(qiáng)種植業(yè)污染管控,科學(xué)施用農(nóng)藥化肥,提高農(nóng)藥化肥利用率并減低其使用量;提高農(nóng)村生活污染治理水平,全面推進(jìn)污水零直排建設(shè),加快村鎮(zhèn)生活配套管網(wǎng)建設(shè)與改造。