邊 博，夏明芳，王志良，尤本勝，逄 勇，常聞捷，王偉霞，蔡安娟

(1：江蘇省環(huán)境科學研究院，南京210036)

(2：江蘇省太湖水污染防治辦公室，南京210024)

(3：河海大學，南京210098)

太湖流域重污染區(qū)主要水污染物總量控制*

邊 博1，夏明芳2，王志良1，尤本勝1，逄 勇3，常聞捷1，王偉霞1，蔡安娟1

(1：江蘇省環(huán)境科學研究院，南京210036)

(2：江蘇省太湖水污染防治辦公室，南京210024)

(3：河海大學，南京210098)

太湖流域產業(yè)、人口集聚，水環(huán)境污染已經(jīng)成為整個太湖流域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的制約因素之一，為解決經(jīng)濟發(fā)展引起的環(huán)境問題，對污染物排放實行總量控制至關重要.為此以太湖流域梅梁灣、竺山灣上游集水區(qū)域(重污染區(qū))為研究區(qū)域，全面調查區(qū)域社會經(jīng)濟、產業(yè)結構、土地利用以及各類污染源現(xiàn)狀，構建重污染區(qū)套網(wǎng)格水文、水質數(shù)學模型，計算區(qū)域水環(huán)境容量與污染物削減量，依據(jù)水功能區(qū)劃與水域面積分配到各鎮(zhèn)(街道)，確定重污染區(qū)以鎮(zhèn)(街道)級為基本單位的分階段總量控制目標，制訂主要污染物控制與負荷削減綜合系統(tǒng)方案，提出2015年各類污染源重點工程措施，方案實施后區(qū)域河網(wǎng)水質平均達標率達80%，為太湖流域水環(huán)境管理提供技術支撐.

太湖流域;重污染區(qū);水環(huán)境容量;總量控制;削減方案

太湖流域位于長江三角洲核心地區(qū)，區(qū)域內人口積聚、工業(yè)密集，流域水環(huán)境質量日益惡化，太湖西北部地區(qū)污染尤為嚴重，該區(qū)域總面積5272 km2，占太湖流域的14%，基本涵蓋了太湖流域上游主要入湖河流，河網(wǎng)區(qū)水質達標率僅為17%，占太湖入湖污染物通量的80%左右［1］，是影響太湖湖體，特別是梅梁灣、竺山灣水質的主要區(qū)域，是太湖流域的重污染區(qū).區(qū)域污染產業(yè)比重大、水污染物排放量居高不下，跨行政區(qū)域的上下游污染源削減和總量控制方面均存在較為突出的矛盾.因此開展重污染區(qū)水污染物總量研究，不僅對該地區(qū)具有現(xiàn)實意義，而且對整個太湖流域都具有重要作用.

流域是一個完整的水文循環(huán)單元，也是資源供求、人與自然、發(fā)展與水環(huán)境保護的矛盾沖突集中體.水環(huán)境問題是一個涉及土地利用、上下游相互關系、多種水體類型、多種污染類型的綜合性問題，所以基于流域尺度進行水環(huán)境管理勢在必行［2］.美國在1980s提出流域污染治理則強調抓住重點河流、重點流域，逐條河流治理和每個流域整治，強調流域生態(tài)系統(tǒng)的整體治理［3］，其中的美國日最大排放負荷(TMDL)計劃是在滿足水質標準的條件下確定總量，總量控制指標已多達9項(沉積物、病原體、重金屬、溶解氧、水溫、pH、殺蟲劑、汞和有機物)，允許排污量可根據(jù)上述指標在各季節(jié)的差異來確定，實現(xiàn)季節(jié)總量控制［4］，使得美國的水環(huán)境污染控制取得明顯成效.2000年歐盟《水框架指令》(WFD)強調從流域尺度綜合考慮水資源、水利用方式和價值、生態(tài)因素、治理措施以及不同層次決策者等諸多因素，通過質量標準反演法，制定基于水質標準的排放限值，實現(xiàn)污染物的控制.

近年來，我國在控制污染、削減污染物排放總量方面取得些進展，在總量指標篩選、排放總量核算、水環(huán)境功能區(qū)劃、水環(huán)境容量計算、總量指標分配與污染物削減方案等方面展開研究，將總量控制技術與水污染防治規(guī)劃相結合，逐步形成了以污染物目標總量控制技術為主，容量總量控制和行業(yè)總量控制為輔的水質管理技術體系［5］.基于該技術體系，制定了“三河”(淮河、海河、遼河)，“三湖”(太湖、巢湖、滇池)水污染防治規(guī)劃［6-8］.但是仍然沒有達到控制污染源、改善水質的效果，尤其是太湖入湖污染負荷居高不下，總量控制與水質改善脫節(jié)，總量控制缺乏顯著實效，難以滿足太湖流域水環(huán)境管理的迫切需求［9-10］.如何科學、合理地在各種污染源以及污染單位之間分配允許排放污染物量，提出公平科學的分配方法，確定更加有效的污染控制方案，成為總量控制的核心問題［11］.因此以梅梁灣、竺山灣上游集水區(qū)域(太湖流域重污染區(qū))為研究區(qū)域，通過綜合調查，查清各類污染源排放和水質情況，建立重污染區(qū)水質水量耦合水環(huán)境數(shù)學模型，測算水環(huán)境容量并科學分配，確定分階段總量控制目標，制定主要污染物控制綜合方案，形成重污染區(qū)污染源綜合控制技術體系，為太湖流域水環(huán)境管理提供技術支撐.

1 研究區(qū)概況

太湖流域重污染區(qū)主要指太湖竺山灣和梅梁灣的上游匯水區(qū)域，涉及無錫市南長、崇安、北塘、惠山、新區(qū)、濱湖6區(qū)和宜興市，以及常州市鐘樓、天寧、戚墅堰、新北和武進5區(qū)，共41個鎮(zhèn)，56個街道.研究區(qū)域總面積5272 km2，占太湖流域的14%.2007年研究區(qū)總人口744×104人，占太湖流域的21%，農村人口290×104人;人口密度達1412人/km2，為太湖流域的1.2倍;GDP總量3437×108元，人均GDP 4.6×104元，為太湖流域的0.97 倍;三產比例為1∶28∶21，總體呈“231”結構［12-14］;農用地類型主要有旱地、水田、茶園、桑園、果園5種，農用地總面積占土地總面積的40%，建設用地占土地總面積的33.28%.

2 計算方法

2.1 水環(huán)境模型構建及水環(huán)境容量計算

在太湖流域套網(wǎng)格模型計算提供的設計水文條件和邊界條件的基礎上，根據(jù)重污染區(qū)河網(wǎng)分布特征，將天然河網(wǎng)進行合并、概化;并利用面源產污規(guī)律實驗結果，參數(shù)化后嵌入重污染區(qū)水環(huán)境數(shù)學模型，建立考慮點源及面源共同影響的太湖流域及重污染區(qū)分布式污染負荷模型，構建完整的太湖流域重污染區(qū)污染物源頭發(fā)生－河網(wǎng)傳輸－入湖負荷水量水質耦合水環(huán)境數(shù)學模型.模型的研究區(qū)域主要為常州市區(qū)、武進區(qū)、無錫惠山區(qū)、濱湖區(qū)西部和宜興北部，模型計算范圍的邊界北至京杭大運河，南至東汣和西汣，西至滆湖，東至梅梁灣和竺山灣(圖1).

2.2 水環(huán)境容量計算及分配方法

根據(jù)確定的邊界水文條件，利用研究區(qū)域河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學模型，計算出研究區(qū)域最小空間單元和最小時間單元的水環(huán)境容量值，再根據(jù)公式匯總出研究區(qū)域的水環(huán)境容量值：

式中，αij為不均勻系數(shù);0 ＜ αij≤1;河道越寬、水面越大，則 αij越小.

影響控制單元水環(huán)境容量分配的主要因素有兩點：一是控制單元內水功能區(qū)劃情況，二是控制單元的水域面積(圖2).太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境容量計算過程中，以水功能區(qū)為最小計算單元，累加各功能區(qū)得到無錫市、常州市和宜興市三地市水環(huán)境容量總值，將三地市容量分配至97個鎮(zhèn)(街道).考慮控制單元水功能區(qū)劃并基于遙感資料和GIS技術分析得到各鎮(zhèn)區(qū)水域面積，采用水環(huán)境容量分配公式(2)和(3)進行分配：

式中，αij為某鎮(zhèn)j占環(huán)境容量的權重;W總為研究區(qū)域總水環(huán)境容量;Wj為某鎮(zhèn)j的水環(huán)境容量;Csi為i類水水質標準;Sj為某鎮(zhèn)j的水域面積;lij為某鎮(zhèn)j的i類水功能區(qū)總長;S為研究區(qū)域總的水域面積;li為研究區(qū)域的i類水功能區(qū)總長.

圖1 研究區(qū)域河網(wǎng)概化圖Fig.1 The river network generalization graph of study area

圖2 重污染區(qū)水域面積Fig.2 Water area of seriously polluted area

2.3 污染源削減目標的分配與優(yōu)化

以最小投資取得最大治污效果為目標，構建目標函數(shù)：

式中，Z為投資額;c為費效比;x為減排效益.設定約束條件：

式中，xij為第i類污染源第j類措施污染物減排效益，bi為第i類污染源減排效益.

以重污染區(qū)總量控制目標為總體約束，結合地方經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境治理及太湖流域水污染治理的總體要求，確定各污染源不同治理措施的約束條件及不同情景的費用效益比，最終科學確定工業(yè)源、城鎮(zhèn)生活源、農村面源污染物最優(yōu)削減目標.

3 結果與討論

3.1 水環(huán)境特征

3.1.1 污染源 以研究區(qū)各鎮(zhèn)、街道為基本單元和2007年為基礎年，詳細調查了工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農村生活和農業(yè)面源四類污染源，依據(jù)污染源普查、排污申報、環(huán)境統(tǒng)計中的基礎數(shù)據(jù)，通過分類抽樣調查與實地監(jiān)測，田間單元實驗與現(xiàn)場采樣分析，核實了各污染源數(shù)據(jù)，對缺失的污染物數(shù)據(jù)進行校核和補充.調查企業(yè)11023家，污染主要集中在無錫市惠山、新區(qū)、宜興市以及常州新北、武進、天寧等地區(qū).區(qū)內主要有化工、印染、鋼鐵、電鍍、造紙和食品制造六大行業(yè)，紡織染整和化學工業(yè)污染較重;農村生活污染主要集中在常州武進區(qū)、新北區(qū)，無錫惠山區(qū)、宜興市等地;面源污染主要集中在常州市武進、新北以及無錫惠山、宜興市等地區(qū).2007 年重污染區(qū)排放 COD、氨氮和總磷分別為11.06 ×104t、1.16 ×104t和 0.15 ×104t，排放量分別占總排放量的44.33%、58.25%和51.14%(圖3)，排放構成均以城鎮(zhèn)生活源為主.研究區(qū)共有城鎮(zhèn)污水處理廠52座，2007年污水處理率約為67.5%，2009年處理率約提高到78.2%.

圖3 重污染區(qū)各類污染源排放構成Fig.3 Composition of pollutant sources in seriously polluted area

3.1.2 水質 重污染區(qū)水系共設有55個省控監(jiān)測斷面，其中25個為國控斷面.依據(jù)COD、氨氮、TP 3個水質因子評價，在55個省控水質監(jiān)測斷面中，劣Ⅴ類水質占67.27%、Ⅴ類占18.18%、Ⅳ類占10.91%、Ⅲ類占3.64%.主要污染因子為氨氮，2009年水質超標率均有所降低，尤其是總磷超標率下降明顯.2007年研究區(qū)內14條主要入湖河流中有8條河流為劣Ⅴ類水質、3條為Ⅴ類水質(陳東港、官瀆港、洪巷港)、2條為Ⅳ類水質(大浦港、烏溪港)、1條為Ⅲ類水質(大港河);主要污染因子依次為氨氮、總磷和CODMn.

3.2 水環(huán)境容量計算及分配

3.2.1 重污染區(qū)水環(huán)境模型參數(shù)率定 2009年開展了研究區(qū)水文水質同步監(jiān)測實驗，共設置了73個監(jiān)測點位，其中23處水文監(jiān)測斷面(圖4)，水文監(jiān)測頻次每天1次，監(jiān)測因子為流量、流速、水深;水質監(jiān)測頻次每天2次，監(jiān)測因子為pH、水溫、COD、CODMn、氨氮、TN、TP，部分斷面加測BOD5.根據(jù)重污染區(qū)水文、水質同步監(jiān)測結果，利用建立的重污染區(qū)河網(wǎng)數(shù)學模型，率定得到的COD、氨氮、TP的降解系數(shù)分別為0.09～0.11、0.05～0.07、0.04 d－1.根據(jù)率定得到的參數(shù)，利用重污染區(qū)水文、水質同步監(jiān)測的結果，采用重污染區(qū)河網(wǎng)模型進行計算.重污染區(qū)水量的計算平均值和實測值的相對誤差在20%左右，CODCr、氨氮和總磷濃度的計算值和實測值的相對誤差分別為17%、16%、19%，四個主要因子的計算值和實測值的相對誤差在20%之內，說明建立的模型可應用于重污染區(qū)水環(huán)境容量計算.

圖4 重污染區(qū)主要水系水質、水量監(jiān)測斷面布點Fig.4 Water quality and quantity monitoring points of the main river system in seriously polluted area

3.2.2 水環(huán)境容量計算和分配 通過水文、水質同步監(jiān)測得到的研究區(qū)污染物降解規(guī)律成果，依據(jù)研究區(qū)河網(wǎng)水體水質目標，考慮研究區(qū)的水文情勢和水流特征，采用構建非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學模型計算建立了容量測算體系.根據(jù)設計水文條件計算成果、不均勻系數(shù)研究成果及重污染區(qū)2015年水環(huán)境功能區(qū)定位和功能區(qū)劃水質目標，利用水環(huán)境容量計算公式計算出每個功能區(qū)的水環(huán)境容量.將研究區(qū)總量分配削減方案得出的污染物削減率與研究區(qū)國控及省控斷面的水質監(jiān)測資料數(shù)據(jù)中斷面水質超標率進行對比分析，驗證研究區(qū)水環(huán)境容量計算結果的合理性，若兩者數(shù)據(jù)基本保持一致，則說明水環(huán)境容量計算結果基本符合實際.因為河流水質現(xiàn)狀主要受上游來水水質及沿岸污染物的影響，當污染物入河量增加時，河流的水質也將相應惡化.因此，當河流水質超標時，污染物削減率隨之增大，污染物削減率與斷面水質超標率的相對誤差小于20%，說明研究區(qū)水環(huán)境容量計算結果合理(圖5).

圖5 研究區(qū)水質超標率及污染物削減率對比Fig.5 Comparison of over-limit rate of water quality and pollutant reduction rate in the study area

依據(jù)重污染區(qū)水環(huán)境容量分配方法，以水環(huán)境功能區(qū)為基本單元，以水環(huán)境功能區(qū)上、下界面或常規(guī)監(jiān)測斷面作為節(jié)點，根據(jù)重污染區(qū)2010年與2020年功能定位和功能區(qū)劃水質目標，將2015年重污染區(qū)COD、氨氮、總磷水環(huán)境容量值分別為6.2×104t、0.39×104t、400 t，分配到97個鎮(zhèn)(街道)，將重污染區(qū)的分鎮(zhèn)入河量與環(huán)境容量進行對比，得出重污染區(qū)現(xiàn)狀條件下分鎮(zhèn)總體達標情況，結果表明，2007污染物排放現(xiàn)狀條件下，2015年COD、氨氮和總磷3項指標97個鎮(zhèn)(街道)中達標鎮(zhèn)(街道)的達標率最低為16.5%，最高的達標率也不超過50.0%(表1)，因此對于制定滿足分鎮(zhèn)總量達標情況下的各鎮(zhèn)(街道)2015年污染物削減方案的污染物控制目標，應在污染物負荷預測和對于重污染區(qū)的污染物排放現(xiàn)狀進行污染潛力分析的基礎上，確定污染源控制與污染物減排綜合系統(tǒng)方案分源污染物控制的優(yōu)化目標，然后進行分源削減.

3.3 污染源控制與污染物減排綜合系統(tǒng)方案

3.3.1 方案目標 以單位GDP排放強度法預測2015年工業(yè)源排放量、結合人口增長和城鎮(zhèn)化發(fā)展水平預測城鎮(zhèn)生活源排放量和加權平均法預測耕地面積、畜禽存欄量、水產養(yǎng)殖面積，測算面源污染物排放量.設定各污染源治理水平，分析主要污染治理措施減排效益，確定各種污染源的減排潛力，采用線性規(guī)劃方法，構建水環(huán)境 治污投資費用多目標優(yōu)化模型，依據(jù)工程項目樣本，核定費用效益比參數(shù)，應用MATLAB優(yōu)化求解，得到滿足最小治理費用取得最大治污效果的污染減排目標，確定2015年分源削減量控制目標(表2)，污染物分源控制目標以城鎮(zhèn)生活源削減為主，削減比例平均占80%，城鎮(zhèn)生活源污染物將得到大幅削減，平均削減率達90%左右.依據(jù)分源控制目標，制定研究區(qū)工業(yè)源削減方案、生活污染源削減方案、農村面源削減方案，將總量控制目標落實到具體空間，最終提出重污染區(qū)污染物控制綜合系統(tǒng)方案.依據(jù)方案目標至2015年，工業(yè)集中處理率至少達90%;城鎮(zhèn)污水、農村生活污水處理率分別達97%和55%以上;畜禽糞便綜合利用率達90%，測土配方施肥比例至少達85%，研究區(qū)污染物排放總量均達到環(huán)境容量要求，區(qū)域河網(wǎng)水質達標率需達到60%以上.

表1 2015年重污染區(qū)現(xiàn)狀條件下分鎮(zhèn)總體達標情況Tab.1 Situation of each town reaching the standards under the condition of serious contamination in 2015

表2 研究區(qū)2015年污染物排放量及削減量Tab.2 The pollutants emission and reduction of study area in 2015

3.3.2 污染源控制與污染物減排措施至2015年方案制定以下主要任務，重點實施四大類工程，共4736小項，總投資約200億元.

1)工業(yè)點源：開展調整產業(yè)結構和工業(yè)布局、提升廢水集中處理能力、實施重點企業(yè)提標改造、加強中水回用建設、推進清潔生產審核和促進工業(yè)園區(qū)循環(huán)經(jīng)濟建設五大類任務，2015年主要污染物COD、氨氮、總磷分別削減1.98×104t、1000 t、100 t，工業(yè)廢水集中處理率達95%以上，實現(xiàn)分源確定的目標.

2)城鎮(zhèn)生活源：加強城鎮(zhèn)生活污水處理能力建設，實施污水處理廠提標改造和加強尾水深度處理及中水回用措施，COD、氨氮、總磷分別削減108600 t、15600 t、1700 t(表3)，城鎮(zhèn)污水集中處理率達95%以上，尾水回用率達到40%，實現(xiàn)分源確定的目標.

3)農業(yè)面源：開展建設農村分散式污水處理設施、實施綠色農業(yè)工程、控制畜禽養(yǎng)殖污染、清理整頓水產圍墾養(yǎng)殖共四類重點任務，COD、氨氮、總磷分別削減分別削減1.5 ×104t、1.9 ×104t、300 t，農村生活污水處理率達到56%，氮肥減施20%，畜禽糞便綜合利用率達90%，實現(xiàn)分源確定的目標.

3.3.3 方案效益與實施效果 通過系統(tǒng)方案重點項目的實施，研究區(qū)污染物將得到有效削減，至2015年研究區(qū)需要削減的污染物量分別為COD 143000 t/a、氨氮18500 t/a和總磷2100 t/a(表3)，方案實施研究區(qū)97個鎮(zhèn)(街道)中將有72個鎮(zhèn)(街道)污染物排放量能夠達到各鎮(zhèn)(街道)水環(huán)境容量要求，達標率為74%，絕大部分鎮(zhèn)(街道)污染物排放都能滿足環(huán)境容量要求，其中有20個鎮(zhèn)(街道)是由于污水廠尾水集中排放，比重較大不能達標，加大污水廠中水回用率或對尾水進行進一步凈化處理.同時，根據(jù)河流水質模型進行控制斷面水質達標計算，方案實施后斷面CODMn、氨氮和總磷3項水質指標超標率呈逐年遞減，至2015年3項水質指標超標率分別為8.4%、37.6%、14.1%，河網(wǎng)水質平均達標率為80%，河網(wǎng)水質得到有效改善.

表3 重污染區(qū)污染物削減效益分析Tab.3 Analysis of pollutant reduction in seriously polluted area

4 結論

1)全面調查了重污染區(qū)各類污染源以及河網(wǎng)水質，污染物排放以城鎮(zhèn)生活源為主，工業(yè)行業(yè)性污染突出，農業(yè)面源以畜禽養(yǎng)殖污染為主，14條主要入湖河流中有8條為劣Ⅴ類水質、3條為Ⅴ類水質、2條為Ⅳ類水質、1條為Ⅲ類水質，河流水質主要污染因子依次為氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù).

2)構建了重污染區(qū)套網(wǎng)格水文、水質數(shù)學模型，計算了重污染區(qū)水環(huán)境容量，依據(jù)污染物削減率與斷面水質超標率的相對誤差，判斷水環(huán)境容量計算結果合理，同時基于控制單元水功能區(qū)劃和各鎮(zhèn)區(qū)水域面積，確定了水環(huán)境容量分配方法并分配到97個鎮(zhèn)(街道).

3)基于分鎮(zhèn)水環(huán)境容量、污染源排放量預測和減排潛力分析，構建水環(huán)境-治污投資費用多目標優(yōu)化模型，確定了分源削減量控制目標，制訂污染源控制與污染物減排綜合方案，實施減排措施，各鎮(zhèn)(街道)達到水環(huán)境容量要求，達標率為74%，平均達標率為80%，河網(wǎng)水質得到有效改善可滿足功能區(qū)水質標準要求.

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Total amount control of main water pollutants in seriously polluted area of Taihu Basin

BIAN Bo1，XIA Mingfang2，WANG Zhiliang1，YOU Bensheng1，PANG Yong3，CHANG Wenjie1，WANG Weixia1＆CAI Anjuan1
(1：Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science，Nanjing 210036，P.R.China)
(2：Jiangsu Provincial General Office of Lake Taihu Water Pollution Prevention and Control，Nanjing 210024，P.R.China)
(3：Hohai University，Nanjing 210098，P.R.China)

As industry and population increase rapidly，the pollution of water environment has become a main factor influencing the sustainability of economic development in Taihu Basin.In order to achieve the integrated development in economy and environment protection，the implementation of total quantity control of pollutant discharge is important.In the study areas of Meiliang Bay and Zhushan Bay，we made a comprehensive research on situations of area economy，industrial structure，landuse and status of pollutant sources.Nested grid hydrology model and water quality model have been established to calculate regional water environmental capacity and pollutant reduction.Based on the water function and water areas，the water environmental capacity was assigned to every town(settlement).Thus the aim of total quantity control in different periods of each town and the plan of control and reduction of main pollutants have been established.The solution of pollutant control of each source in different periods has been proposed.Qualifying rate of regional water quality in river network areas will reach 80%by the year of 2015 after the plan implemented.The plan will provide technical support for the water environmental management of Taihu Basin.

Taihu Basin;seriously polluted area;water environment capacity;total amount control;reduction plans

http：//www.jlakes.org.E-mail：jlakes@niglas.ac.cn

?2012 by Journal of Lake Sciences

* 國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2008ZX07101-002)和江蘇省自然科學基金項目(BK2010091)聯(lián)合資助.2011-08-16收稿;2011-10-11 收修改稿.邊博，男，1978 年生，博士，高工;E-mail：bianbo1@163.com.