雷 坤,孟 偉,喬 飛,富 國(guó),蘇保林
(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境保護(hù)河口與海岸帶環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012;2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875)
從20世紀(jì)70年代開(kāi)始,我國(guó)相繼開(kāi)展了大量關(guān)于水環(huán)境容量、水功能區(qū)劃、水質(zhì)模型、流域水污染防治綜合規(guī)劃以及排污許可證管理制度等方面的研究,同時(shí)將總量控制技術(shù)與水污染防治規(guī)劃相結(jié)合,逐步形成了以污染物目標(biāo)總量控制技術(shù)為主,容量總量控制和行業(yè)總量控制為輔的水質(zhì)管理技術(shù)體系,初步建立了我國(guó)水環(huán)境管理基本制度[1~3]?!熬盼濉薄ⅰ笆濉逼陂g,隨著污染物排放總量控制的理論及應(yīng)用技術(shù)不斷得到深化與拓展,我國(guó)污染控制由濃度控制進(jìn)入了總量控制階段[4]?!笆濉币詠?lái),我國(guó)采用了目標(biāo)總量控制體系,根據(jù)污染物現(xiàn)狀排放情況按照一定比例確定總量控制目標(biāo),在管理上具有較強(qiáng)的可操作性,容易實(shí)施,在一定發(fā)展階段對(duì)我國(guó)的污染防治工作具有積極的作用[5]。目標(biāo)總量控制以行政區(qū)為單位,采用了“一刀切”的模式,減少了污染物排放量,一定程度上遏制了流域水質(zhì)惡化的趨勢(shì)。但是,由于污染物總量削減目標(biāo)的確定過(guò)程中沒(méi)有考慮污染物排放量和受納水體水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系,污染物削減與水質(zhì)改善相脫節(jié),水質(zhì)改善效果不夠明顯[5]。
隨著水環(huán)境管理技術(shù)研究的不斷發(fā)展,發(fā)達(dá)國(guó)家提出很多先進(jìn)的總量控制模式,如日本的流域總量控制計(jì)劃、美國(guó)最大日負(fù)荷總量(TMDL)、歐盟的水框架指令等[6]。這些管理模式對(duì)總量控制過(guò)程中納污水體問(wèn)題診斷、水質(zhì)指標(biāo)確定、污染控制措施的制定、實(shí)施和評(píng)估等每個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)都有詳細(xì)、具體的規(guī)定,保證了水環(huán)境管理效率[6]。相較而言,我國(guó)現(xiàn)行的目標(biāo)總量控制技術(shù)在方法科學(xué)性和總量合理性方面與國(guó)際先進(jìn)水平之間還存在一定差距,無(wú)法滿足當(dāng)前和未來(lái)水環(huán)境管理發(fā)展的需求,需要構(gòu)建新的水環(huán)境管理技術(shù)方法[6~12]。
控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理是在“分區(qū)、分類、分級(jí)、分期”的水環(huán)境管理理念的指導(dǎo)下,在“流域-區(qū)域-控制單元-污染源”水環(huán)境管理層次體系中,以流域總量控制為基礎(chǔ)、立足于控制單元、面向污染源的水質(zhì)管理方法[12]??刂茊卧|(zhì)目標(biāo)管理,可以兼顧行政區(qū)劃和流域的特點(diǎn),克服單一區(qū)域水質(zhì)管理的局限性,為污染治理提供具體的、具有可操作性的建議方案,并且可以根據(jù)需要對(duì)水環(huán)境管理目標(biāo)對(duì)象逐級(jí)細(xì)化,有利于考察水質(zhì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況和污染源的治理效果,是一種方便而直接的水環(huán)境管理技術(shù),也是我國(guó)水環(huán)境管理發(fā)展的方向[13]。
控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理是以實(shí)現(xiàn)人體健康和流域水生態(tài)系統(tǒng)健康為最終目的,以水質(zhì)目標(biāo)為基礎(chǔ)的水環(huán)境容量總量控制技術(shù)??刂茊卧|(zhì)目標(biāo)管理強(qiáng)調(diào)在“分區(qū)、分級(jí)、分類、分期”水環(huán)境管理模式指導(dǎo)下,以先進(jìn)的、規(guī)范的技術(shù)方法體系為支撐,建立一個(gè)“流域-控制區(qū)-控制單元-污染源”的多層次體系[6~12]。
控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理以保障控制單元生態(tài)系統(tǒng)健康、維護(hù)水生態(tài)功能、降低水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為最終目的。基于污染物環(huán)境基準(zhǔn)研究、確定保證流域水生態(tài)系統(tǒng)健康的污染物濃度閾值,從而將水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為水質(zhì)目標(biāo),將控制單元污染負(fù)荷削減和流域水質(zhì)與水生態(tài)安全結(jié)合起來(lái)。
控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理在流域總量控制的基礎(chǔ)上,著眼于全局,以流域的綜合水質(zhì)達(dá)標(biāo)為最終目標(biāo),克服單一區(qū)域水質(zhì)管理的局限性。
控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理兼顧行政區(qū)劃和流域的特點(diǎn),將水環(huán)境管理目標(biāo)對(duì)象逐級(jí)細(xì)化,并落實(shí)于行政單元上,有利于考察水質(zhì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況和污染源的治理效果,有利于考察控制單元主體的責(zé)任落實(shí)情況。
基于水環(huán)境問(wèn)題和流域水質(zhì)目標(biāo)管理的復(fù)雜性和其內(nèi)在的層次性,控制單元將錯(cuò)綜復(fù)雜的流域水環(huán)境系統(tǒng)按照某種特征(水污染特征、受納水體類型、污染源的類型、行政區(qū)域)分解為各具特色的子系統(tǒng),逐一實(shí)現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)管理。
控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理主要包括以下關(guān)鍵技術(shù):控制單元?jiǎng)澐郑豢刂茊卧|(zhì)目標(biāo)核定;控制單元水環(huán)境問(wèn)題診斷;控制單元水質(zhì)響應(yīng)特征分析;控制單元允許納污量計(jì)算與總量分配;控制單元污染物減排方案制訂;控制單元污染物總量監(jiān)控與評(píng)估。
劃分控制單元的目的是將一個(gè)復(fù)雜的流域劃分為數(shù)個(gè)既相互獨(dú)立、又相互聯(lián)系的單元,從而便于進(jìn)行系統(tǒng)管理,落實(shí)流域水質(zhì)目標(biāo)管理的戰(zhàn)略意圖。通過(guò)控制單元?jiǎng)澐?,可以深化和落?shí)流域水質(zhì)目標(biāo)管理的控制要求,分解控制指標(biāo),體現(xiàn)了流域水質(zhì)目標(biāo)管理的分層控制,層層落實(shí)、層層銜接,最終將流域水質(zhì)目標(biāo)管理落實(shí)于單元控制。
控制單元?jiǎng)澐植襟E:a.依據(jù)數(shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行流域地表水文分析,實(shí)現(xiàn)流域邊界識(shí)別與子流域劃分。b.分析干流各河段及子流域的水生態(tài)功能區(qū)劃(或水功能區(qū)),以及相應(yīng)水質(zhì)目標(biāo)、敏感生態(tài)保護(hù)目標(biāo),確定流域水質(zhì)目標(biāo)。c.對(duì)流域污染源的類型、分布、排放去向進(jìn)行分析,建立起流域點(diǎn)源、非點(diǎn)源分布及其與入河排污口、納污河流之間的拓?fù)潢P(guān)系。d.按照匯水區(qū)完整性的原則,沿著干流進(jìn)行河段劃分,將干流河段及其匯水區(qū)域劃分成為控制區(qū)。如果干流中存在水質(zhì)要求較高的高功能水體,可遵循優(yōu)先保護(hù)高功能水體的原則,將高功能水體的上、下端界面作為劃分干流河段的控制斷面。同時(shí),劃分過(guò)程中應(yīng)注意保持不同干流河段的界面水質(zhì)目標(biāo)的協(xié)調(diào),從而保證兩個(gè)控制單元之間跨界斷面水質(zhì)目標(biāo)的協(xié)調(diào)性,使得兩個(gè)控制單元可獨(dú)立進(jìn)行污染控制規(guī)劃。
控制單元水環(huán)境目標(biāo)的主要構(gòu)成因素及水環(huán)境規(guī)劃約束體系包括:a.地理約束:水環(huán)境功能區(qū)劃等區(qū)劃,形成空間約束;b.功能約束:功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo),形成控制級(jí)別的約束;c.排污口約束:允許混合區(qū)限制,形成對(duì)排放量、排放濃度和排放位置的限制。
各類約束形成一個(gè)多約束關(guān)系系統(tǒng),其中各方面最嚴(yán)格約束的組合作為對(duì)流域及區(qū)域最大允許納污量的限制。水質(zhì)目標(biāo)確定方法如下所示。
1)全部指標(biāo)達(dá)標(biāo)。當(dāng)某一功能區(qū)的功能很多,應(yīng)執(zhí)行功能區(qū)的最高功能。一般情況相當(dāng)于全部指標(biāo)均需滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)某一功能區(qū)的目前功能單一且較低,但水質(zhì)良好,為保持其潛在功能,現(xiàn)有水質(zhì)的各濃度指標(biāo)不得降低。
2)部分指標(biāo)達(dá)標(biāo)。當(dāng)某一功能區(qū)的功能單一,其中某類指標(biāo)超標(biāo)不影響本功能區(qū)的功能及下游功能區(qū)的功能時(shí),不作為硬性的限制指標(biāo)(如農(nóng)業(yè)灌溉用水區(qū)對(duì)氨氮的限制較低)。
控制單元水環(huán)境問(wèn)題診斷主要包括水環(huán)境特征分析和污染源結(jié)構(gòu)分析。
3.3.1 水環(huán)境特征分析
水環(huán)境特征分析包括四部分內(nèi)容:水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及變化趨勢(shì)分析、水生生物評(píng)價(jià)、物理生境評(píng)價(jià)、綜合評(píng)價(jià)。
1)水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及變化趨勢(shì)分析:根據(jù)斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià);針對(duì)重點(diǎn)斷面進(jìn)行水質(zhì)空間變化趨勢(shì)分析;針對(duì)特征污染物進(jìn)行污染類型變化趨勢(shì)分析。
2)水生生物評(píng)價(jià):對(duì)浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物分別進(jìn)行多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)、豐富度分析,進(jìn)行生物完整性評(píng)價(jià)。
3)物理生境評(píng)價(jià):利用河流穩(wěn)態(tài)流量和含沙量等指標(biāo)進(jìn)行水生生物個(gè)體、種群或者群落生存棲息環(huán)境評(píng)價(jià)。
4)綜合評(píng)價(jià):將水質(zhì)、水生生物、物理生境評(píng)價(jià)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化,并根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn),對(duì)每項(xiàng)指標(biāo)賦權(quán)重,最后進(jìn)行加權(quán)求和,得到控制單元水環(huán)境綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。
3.3.2 污染源結(jié)構(gòu)分析
控制單元污染負(fù)荷估算是控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理中的重要環(huán)節(jié)。點(diǎn)源排放負(fù)荷可以通過(guò)多種成熟的方法進(jìn)行定量化估算[14~16],比如通過(guò)對(duì)排污企業(yè)的污水量和濃度監(jiān)測(cè)、企業(yè)生產(chǎn)工藝的物料衡算等方法來(lái)進(jìn)行定量化??刂茊卧屈c(diǎn)源污染負(fù)荷估算相對(duì)比較復(fù)雜[17~23],考慮到不同類型下墊面非點(diǎn)源污染產(chǎn)生機(jī)制和特征存在差異,不同下墊面類型非點(diǎn)源負(fù)荷估算方法也存在較大差異。本文針對(duì)山區(qū)丘陵、平原河網(wǎng)、平原圩區(qū)、城市區(qū)域以及感潮河流/河口下墊面類型,分別提出非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算方法。
1)混合類型:改進(jìn)的輸出系數(shù)法,適應(yīng)于各類控制單元,時(shí)間精度相對(duì)較低。
2)山區(qū)和丘陵:過(guò)程模擬模型與類型源試驗(yàn)法相結(jié)合,適用于具有明確產(chǎn)匯流關(guān)系的控制單元。
3)平原河網(wǎng):輸出系數(shù)法與類型源試驗(yàn)相結(jié)合,適用于匯水關(guān)系復(fù)雜的控制單元。
4)平原圩區(qū):改進(jìn)的SWAT(soil and water asscssment tool)模型,適用于人類活動(dòng)對(duì)排水過(guò)程影響較大的控制單元。
5)城市區(qū)域:SWMM(storm water management model)模型與城市徑流試驗(yàn)相結(jié)合,適用于排水管網(wǎng)復(fù)雜的城市控制單元。
一般通過(guò)水質(zhì)模型模擬的手段建立污染負(fù)荷同水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系[24~26],針對(duì)控制單元,水質(zhì)模型選擇和應(yīng)用可遵循以下步驟。
1)確定水質(zhì)模型類別。根據(jù)模型計(jì)算需求,確定水質(zhì)模型類別。a.流域模型:城市、農(nóng)村、森林、農(nóng)業(yè);b.水體模型:河流、湖泊、水庫(kù)、近岸海域。
2)確定水質(zhì)模型空間尺度。根據(jù)模擬水域的空間分布特征和水質(zhì)分布特征,確定模型空間尺度。a.流域模型:集總式模型、分布式模型;b.水體模型:零維、一維模型、二維模型、三維模型。
3)確定水質(zhì)模擬的時(shí)間尺度。根據(jù)水環(huán)境問(wèn)題確定模型時(shí)間尺度。a.流域模型:過(guò)程模擬(小時(shí)、日、月、年)、統(tǒng)計(jì)分析;b.水體模型:穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)。
4)確定水質(zhì)模擬功能。根據(jù)實(shí)際需要,確定水質(zhì)模擬指標(biāo)和組份。a.流域模型:徑流、泥沙、好氧有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)物、有毒物質(zhì)、重金屬、生化需氧量(BOD)、細(xì)菌;b.水體模型:水動(dòng)力模擬、好氧有機(jī)物、沉積物、營(yíng)養(yǎng)物、有毒物質(zhì)、重金屬、BOD、溶解氧、細(xì)菌。
5)確定水質(zhì)模型求解方法。根據(jù)實(shí)際需要,確定水體水質(zhì)模型求解方法。a.河流水質(zhì)模型:解析模型、數(shù)值模型;b.湖庫(kù)水質(zhì)模型:解析模型、數(shù)值模型。
6)水質(zhì)模型應(yīng)用。選擇適用的水質(zhì)模型,進(jìn)行模型率定、驗(yàn)證和應(yīng)用,進(jìn)行水質(zhì)響應(yīng)特征分析。
控制單元允許納污量計(jì)算與污染物總量分配是控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理的核心所在[27~29]。如何科學(xué)、合理地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)源和面源之間的分配、各個(gè)排污單位或者污染源之間允許排放量的分配,直接關(guān)系到總量控制制度的落實(shí),也是水環(huán)境管理中的一個(gè)難點(diǎn)??刂茊卧试S納污量計(jì)算與分配通過(guò)兩個(gè)步驟完成:排污口總量分配、污染源總量分配。
1)排污口總量分配。按照控制斷面水質(zhì)目標(biāo)要求,排污口位置等條件,選擇合適的規(guī)劃模型,將控制單元納污總量分配到各入河排污口,得到各入河排污口的允許納污量。
2)污染源總量分配。根據(jù)排污口的允許納污量,結(jié)合各排污區(qū)的污染源結(jié)構(gòu)、不同污染源的入河系數(shù),對(duì)排污區(qū)內(nèi)不同污染源進(jìn)行允許排放量分配。
針對(duì)控制單元的污染源結(jié)構(gòu)特征,通過(guò)結(jié)構(gòu)減排、工程減排、管理減排手段,實(shí)現(xiàn)污染負(fù)荷削減。
污染物總量監(jiān)控主要包括控制斷面污染物通量監(jiān)控、污染源排污口排放量監(jiān)控和污染源排放總量監(jiān)控3個(gè)方面[30],其中河流控制斷面污染物通量監(jiān)控、污染源排污口排放量監(jiān)控均屬通量監(jiān)控的內(nèi)容。
1)污染物通量監(jiān)控。國(guó)際上常用的非感潮河流物質(zhì)通量估算方法有5種[31~33],可以根據(jù)流域水文、污染負(fù)荷的具體情況選用適用的估算方法。
2)工業(yè)污染源監(jiān)控。污染源是總量分配的最后一個(gè)層次,是污染物削減的實(shí)施主體,對(duì)其有效監(jiān)控是評(píng)價(jià)總量控制實(shí)施情況的基礎(chǔ)。污染源的總量監(jiān)控方案包括污染源監(jiān)控對(duì)象的篩選、監(jiān)控指標(biāo)和監(jiān)控頻率的確定等方面。
南沙河屬于遼河水系,是大遼河一級(jí)支流太子河的主要支流,每年的6—10月為汛期,11月至次年5月為非汛期。河流呈東南—西北走向,發(fā)源于千山風(fēng)景區(qū)仙人臺(tái),流域面積458 km2,河長(zhǎng)67 km,上游共6條支流,河寬一般為80~100 m。南沙河多年平均降水量為703.7 mm,降水量自東南向西北逐漸減少。
南沙河主要流經(jīng)鞍山市,流域內(nèi)主要包含鐵東、鐵西、立山、千山4個(gè)城區(qū)。區(qū)域內(nèi)人口約350.2萬(wàn)人,年度地區(qū)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值1344億元,工業(yè)增加值533億元,工業(yè)增加值占地區(qū)生產(chǎn)總值的比例達(dá)51.6%,成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。鞍山市工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不盡合理,高耗能產(chǎn)業(yè)比重大,形成了重工業(yè)偏重,輕工業(yè)偏輕的態(tài)勢(shì)。農(nóng)業(yè)以谷物、玉米、蔬菜、瓜果類種植和魚類、蝦蟹類養(yǎng)殖為主。
4.2.1 水環(huán)境特征
南沙河現(xiàn)狀水質(zhì)較差,均為劣Ⅴ類,主要污染物為氨氮、化學(xué)需氧量(COD)、BOD、高錳酸鹽指數(shù)等,為點(diǎn)源占優(yōu)型污染,枯水期污染物濃度高,豐水期污染物濃度較低。由于南沙河水體嚴(yán)重污染,使河流生態(tài)系統(tǒng)受損嚴(yán)重,生物多樣性顯著降低,生態(tài)修復(fù)難度較大。
4.2.2 污染源結(jié)構(gòu)
南沙河有3條支流,按照分水嶺隔離和行政區(qū)隔離的原則,將控制單元?jiǎng)澐譃?個(gè)控制區(qū),大孤山鎮(zhèn)為西支控制區(qū),千山鎮(zhèn)為中支控制區(qū),齊大山鎮(zhèn)為東支控制區(qū),下游鞍山市區(qū)為干流控制區(qū),南沙河控制區(qū)空間分布見(jiàn)圖1。
圖1 控制區(qū)劃分示意圖Fig.1 The map of pollution control zones in Nansha River
按照控制區(qū)對(duì)南沙河控制單元主要污染物進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì)。COD的排放總量為17287.55 t,其中干流控制區(qū)對(duì)排放量的貢獻(xiàn)最大,占到總量的66.55%;其次為中支控制區(qū),占到總量的17.84%。氨氮的排放總量為1775.80 t,其中干流控制區(qū)對(duì)排放量的貢獻(xiàn)最大,占到總量的78.12%;其次為中支控制區(qū),占到總量的12.10%。干流控制區(qū)是南沙河控制單元污染防治的重點(diǎn)。
按照污染源類型對(duì)南沙河控制單元主要污染物進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì)。城鎮(zhèn)生活污染源對(duì)污染物排放總量貢獻(xiàn)較大,其COD和氨氮的排放量分別占到總量的79.75%和96.03%;工業(yè)污染源的COD和氨氮的排放量分別占到總量的1.38%和1.66%;農(nóng)業(yè)污染源COD和氨氮的排放量分別占到總量的13.44%和2.10%;畜禽養(yǎng)殖污染源的COD和氨氮的排放量較低,分別占到總量的5.43%和0.21%。城鎮(zhèn)生活污染是南沙河控制單元最主要的污染來(lái)源,這與南沙河枯水期水質(zhì)較差的結(jié)論是一致的。
從控制單元水環(huán)境問(wèn)題診斷結(jié)果可以看出,南沙河主要污染因子是氨氮、COD等常規(guī)污染物。按照風(fēng)險(xiǎn)控制要求,其允許平均期為30天。參照《鞍山市地表水功能區(qū)劃》水功能區(qū)設(shè)置情況(見(jiàn)圖2),確定水功能區(qū)水質(zhì)要求為控制斷面水質(zhì)目標(biāo)。
圖2 南沙河水功能區(qū)劃圖Fig.2 The map of water function zones in Nansha River
4.4.1 模型選擇及參數(shù)確定
1)模型選擇。南沙河位于中國(guó)北方地區(qū),流域面積較小,非汛期水體流動(dòng)較穩(wěn)定。沿岸污染物排放隨時(shí)間變化較小,水體中的污染物濃度空間分布較為穩(wěn)定。同時(shí),南沙河具有流量小、河道窄、水淺、單向流的特點(diǎn),污染物入河后在短時(shí)間內(nèi)就可以混合均勻。綜合考慮,選用一維穩(wěn)態(tài)河流水質(zhì)模型,采用解析方法求解。
2)設(shè)計(jì)水文條件選擇。南沙河水環(huán)境的主要問(wèn)題是耗氧有機(jī)物污染導(dǎo)致的生物損害,最主要的控制因子是COD和氨氮,按照水文條件設(shè)計(jì)的要求,明確允許平均期和重現(xiàn)期,選擇穩(wěn)態(tài)水文條件為30B3和30Q10。
3)水力學(xué)參數(shù)確定。根據(jù)3個(gè)水文站所在位置計(jì)算相應(yīng)河道斷面的一些參數(shù),確定水位-流量,起點(diǎn)距-高程的對(duì)應(yīng)關(guān)系,利用河流水力學(xué)方程,計(jì)算主要控制斷面的水力學(xué)參數(shù)。利用河道水力關(guān)系和設(shè)計(jì)水文條件計(jì)算河道設(shè)計(jì)流速,千山水文站為2.31 m/s,立山水文站為0.07 m/s,溫泉水文站為0.37 m/s。
4)水質(zhì)參數(shù)確定。根據(jù)排污口位置和水功能區(qū)分布,與穩(wěn)態(tài)計(jì)算相結(jié)合,將南沙河劃分為5個(gè)污染源,9個(gè)控制斷面,最上游為千山水文站控制斷面,最下游為城昂堡控制斷面,見(jiàn)圖3。根據(jù)南沙河區(qū)間污染物排放和斷面水質(zhì)情況確定COD和氨氮的降解系數(shù)(1/d),COD降解系數(shù)從上游到下游分別為:0.2、0.2、0.15、0.15、0.18、0.18、0.1、0.1、0.1;氨氮降解系數(shù)為:0.18、0.18、0.1、0.1、0.15、0.15、0.05、0.05、0.05。
圖3 南沙河控制斷面分布圖Fig.3 The map of control sections in Nansha River
4.4.2 響應(yīng)系數(shù)計(jì)算
將降解系數(shù)帶入一維穩(wěn)態(tài)模型,計(jì)算設(shè)計(jì)水文條件下9個(gè)斷面水質(zhì)對(duì)5個(gè)污染源COD和氨氮負(fù)荷的響應(yīng)系數(shù)矩陣,控制斷面和污染源位置見(jiàn)圖3,9個(gè)斷面響應(yīng)系數(shù)矩陣見(jiàn)表1。
表1 控制斷面響應(yīng)系數(shù)矩陣Table 1 The response coefficient matrix of the control sections mg/L
4.5.1 最大允許納污量
針對(duì)南沙河控制單元主要污染物(COD和氨氮)進(jìn)行總量分配,將南沙河沿岸排污口匯總為5個(gè)排放口進(jìn)行總量分配(見(jiàn)圖3)。利用響應(yīng)系數(shù)矩陣,考慮背景濃度,以納污量最大化為目標(biāo)函數(shù),斷面水質(zhì)目標(biāo)為約束方程,建立線性規(guī)劃模型。求解得到COD的最大納污量為2634.20 t/a,氨氮的最大納污量為134.97 t/a?,F(xiàn)狀南沙河控制單元COD的排放總量為17287.55 t/a,氨氮的排放總量為1775.80 t/a,如果不考慮入河系數(shù)作用,南沙河控制單元COD與氨氮的排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了最大納污量,超標(biāo)倍數(shù)分別為6.5倍和13.1倍,處于嚴(yán)重超載狀態(tài),需要進(jìn)行污染物總量控制。
4.5.2 總量分配方案
1)排污口總量分配。根據(jù)南沙河控制單元實(shí)際情況,選取容量利用率、人口、耕地、GDP以及現(xiàn)狀負(fù)荷作為總量分配評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)專家打分法,得到南沙河控制單元COD總量分配指標(biāo)權(quán)重系數(shù)分別為:環(huán)境容量利用率0.1,人口0.3,耕地0.2,GDP 0.3,現(xiàn)狀負(fù)荷0.1,以此為依據(jù)對(duì)南沙河控制單元COD進(jìn)行總量分配;氨氮的分配方法與COD相同,氨氮總量分配指標(biāo)權(quán)重系數(shù)為:環(huán)境容量利用率0.1,人口0.3,耕地0.3,GDP 0.2,現(xiàn)狀負(fù)荷0.1。
控制單元設(shè)置3種方案進(jìn)行總量分配比選。方案1:僅考慮簡(jiǎn)單打分的權(quán)重系數(shù)參與總量分配;方案2:考慮到南沙河流域以點(diǎn)源污染為主,而城鎮(zhèn)居民生活污染是最主要的點(diǎn)源污染,所以方案2在與方案1和現(xiàn)狀排放比較的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)人口最多的源4進(jìn)行削減;方案3:在方案2的基礎(chǔ)上,考慮源1、源2由于流量小,下游水環(huán)境對(duì)這兩個(gè)污染源變化引起的反應(yīng)非常敏感,所以對(duì)源1和源2進(jìn)行進(jìn)一步削減。從3種分配方案對(duì)比來(lái)看,方案3考慮因素最多,TCRI(合理性指數(shù))最大(TCRICOD=0.79、TCRI氨氮=0.90),環(huán)境容量利用率也最高(COD為94.8%,氨氮為83.8%),得到COD納污量為2497 t/a,氨氮納污量為112.9 t/a,總量分配結(jié)果見(jiàn)表2。
2)點(diǎn)源污染源入河系數(shù)。2010年,在2月、4月、6月、8月、9月對(duì)鞍山市25個(gè)排污口進(jìn)行水量、水質(zhì)監(jiān)測(cè),得到各排污口的COD入河量。同時(shí),根據(jù)各排污口以上區(qū)域COD、氨氮排放的普查數(shù)據(jù),得到排污口以上區(qū)域COD、氨氮排放量,對(duì)兩者進(jìn)行比較,得到各個(gè)排污口以上點(diǎn)源COD入河系數(shù)為0.49、0.74、0.74、0.88、0.49,氨氮的入河系數(shù)為0.65、0.66、0.66、0.91、0.48。
3)點(diǎn)源污染源總量分配。根據(jù)排污口COD、氨氮允許納污量,結(jié)合各排污口入河系數(shù),計(jì)算得到不同區(qū)域點(diǎn)源污染排放量。在此基礎(chǔ)上,按照現(xiàn)狀工業(yè)污染在點(diǎn)源污染負(fù)荷中的比例,計(jì)算工業(yè)COD、氨氮允許排放量,確定排污口以上區(qū)域企業(yè)和生活COD、氨氮排放量。考慮到南沙河各排污區(qū)域面積不大,各區(qū)域內(nèi)企業(yè)分布較均勻,排放方式基本一致,每個(gè)排污區(qū)域內(nèi)污染源采用相同的入河系數(shù),各污染源按照現(xiàn)狀排放量進(jìn)行等比例分配,得到控制單元內(nèi)工業(yè)COD、氨氮污染物允許排放量為202 t/a和9.7 t/a,生活COD、氨氮污染物允許排放量為740.3 t/a和215.3 t/a。詳見(jiàn)表3。
表2 南沙河排污口污染物分配方案Table 2 The pollutant allocation result for sewage outfall in Nansha River t/a
表3 點(diǎn)源污染物允許排放量Table 3 The pollutant allocation result for point sources in Nansha River t/a
南沙河控制單元重點(diǎn)控制點(diǎn)源,點(diǎn)源中以控制生活污染為重點(diǎn)。實(shí)施大孤山、寧遠(yuǎn)、東臺(tái)、湯南、湯北、高西等10座污水處理廠建設(shè);配合新區(qū)建設(shè)規(guī)劃實(shí)施牛莊鎮(zhèn)1座污水處理廠建設(shè);提標(biāo)改造海城市城市污水處理廠及感王污水處理廠;加強(qiáng)中水回用,重點(diǎn)推進(jìn)達(dá)道灣、臺(tái)安縣污水處理廠和鞍鋼中水回用等5項(xiàng)工程;保障城市污水處理廠正常運(yùn)行,實(shí)施判甲爐、寧遠(yuǎn)、東臺(tái)、西部第二污水處理廠截流干管工程及市區(qū)老舊管網(wǎng)改造工程;對(duì)重點(diǎn)工業(yè)水污染源實(shí)施限期治理,重點(diǎn)實(shí)施遼寧仁泰公司等11家企業(yè)污水處理工程建設(shè)或升級(jí)改造。
實(shí)施各項(xiàng)工程后COD減排能力提高到35950t/a,氨氮減排能力提高到3280 t/a,能夠滿足污染物削減需求。
我國(guó)目前每月1次常規(guī)采樣的流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)通量誤差存在著較大的誤差,約為40%左右。為提高南沙河控制單元污染物通量監(jiān)控的精度,可考慮將千山水文斷面水質(zhì)采樣的頻率提高到每月2次,這樣污染物入庫(kù)通量監(jiān)測(cè)的誤差可提高到20%左右。另外,由于該控制斷面以上區(qū)域以面源污染為主,也可考慮在汛期(6—10月份)加大水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻率,如汛期每月采樣增加為3~4次,而非汛期可考慮仍然采用每月2次的監(jiān)測(cè)頻率。
控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)是流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)體系中的一個(gè)重要組成部分,也是實(shí)現(xiàn)基于流域水生態(tài)功能分區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文在“流域-區(qū)域-控制單元-污染源”的體系下,遵循“分區(qū)、分類、分級(jí)、分期”的流域水環(huán)境管理思路,提出了面向控制單元的污染物總量控制技術(shù)體系。
通過(guò)控制單元?jiǎng)澐?、控制單元水質(zhì)目標(biāo)核定、控制單元水環(huán)境問(wèn)題診斷、控制單元水質(zhì)響應(yīng)特征分析、控制單元允許納污量計(jì)算與總量分配、控制單元污染物減排方案制訂,以及控制單元污染物總量監(jiān)控與評(píng)估7個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)將控制單元水質(zhì)管理目標(biāo)逐級(jí)細(xì)分至具體的控制對(duì)象,使得管理措施的針對(duì)性、科學(xué)性、操作性更強(qiáng)。
南沙河控制單元技術(shù)示范研究結(jié)果表明,控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)方法可以滿足我國(guó)當(dāng)前的管理需求,在現(xiàn)有技術(shù)水平上具有較強(qiáng)的操作性,能夠服務(wù)于流域水生態(tài)目標(biāo)管理工作。
[1] 環(huán)境保護(hù)部污染物體放總量控制司.“十二五”主要污染物總量減排目標(biāo)責(zé)任書[M] .北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2012.
[2] 梁 博,王曉燕.我國(guó)水環(huán)境污染物總量控制研究的現(xiàn)狀與展望[J] .首都師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,26(1):93-98.
[3] 鄭英銘,周晶璧,袁國(guó)兵.控制排污總量的水質(zhì)管理—實(shí)例介紹[J] .水資源保護(hù),1993(2):13-18.
[4] 夏 青.流域水污染物總量控制[M] .北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,1996.
[5] 楊文杰.水污染物總量控制方案研究[D] .北京:北京化工大學(xué),2011.
[6] 孟 偉,張 楠,張 遠(yuǎn),等.流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究(I)——控制單元的總量控制技術(shù)[J] .環(huán)境科學(xué),2007,20(4):1-8.
[7] 孟 偉,張 遠(yuǎn),張 楠,等.流域水生態(tài)功能分區(qū)與質(zhì)量目標(biāo)管理技術(shù)研究的若干問(wèn)題[J] .環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(7):1345-1351.
[8] 孟 偉,張 遠(yuǎn),王西琴,等.流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究:V.水污染防治的環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策[J] .環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(4):1-9.
[9] 孟 偉,王海燕,王業(yè)耀.流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究(IV)——控制單元的水污染物排放限值與削減技術(shù)評(píng)估[J] .環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(2):1-9.
[10] 孟 偉,劉征濤,張 楠,等.流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究(II)——水環(huán)境基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)與總量控制[J] .環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(1):1-8.
[11] 孟 偉,秦延文,鄭丙輝,等.流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究(III)——水環(huán)境流域監(jiān)控技術(shù)研究[J] .環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(1):9-16.
[12] 孟 偉.流域水污染物總量控制技術(shù)與示范[M] .北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2008.
[13] 譚 斌,陳武權(quán),譚廣宇,等.基于GIS的流域水質(zhì)目標(biāo)管理TMYL構(gòu)架研究——以贛江流域?yàn)槔齕J] .環(huán)境保護(hù)科學(xué),2011,37(6):52-54.
[14] Walling D E,Webb B W.Estimating the discharge of contaminants to coastal waters by rivers:Some cautionarycomments[J] .Mar Pollut Bull,1985,16(12):488-492.
[15] 蔡 明,李懷恩,莊詠濤,等.改進(jìn)的輸出系數(shù)法在流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算中的應(yīng)用[J] .水利學(xué)報(bào),2004(7):1-8.
[16] 彭 里,王定勇.重慶市畜禽糞便年排放量的估算研究[J] .農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(1):288-292.
[17] Thomas R B.Estimating total suspended sediment yield with probability sampling[J] .Water Resour Res,1985,21(9):1381-1388.
[18] Chi-Feng Chen,Hwong-wen Ma,Kenneth H Reckhow.Assessment of water quality management with a systematic qualitative uncertainty analysis[J] .Science of the Total Environment,2007,374 :13-25.
[19] 李懷恩,沈 晉.非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算的單位線法[J] .西北水資源與水工程,1991,2(4):19-27.
[20] 李懷恩.估算非點(diǎn)源污染負(fù)荷的平均濃度法及其應(yīng)用[J] .環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2000,20(4):397-340.
[21] 李強(qiáng)坤,李懷恩,胡亞偉,等.黃河干流潼關(guān)斷面非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算[J] .水科學(xué)進(jìn)展,2008,19(4):460-466.
[22] 高秋霞,李 田.國(guó)外城市非點(diǎn)源徑流水質(zhì)模型簡(jiǎn)介[J] .安全與環(huán)境工程,2003,10(4):9-12.
[23] 蔡 明,李懷恩,莊詠濤.估算流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷的降雨量差值法[J] .西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,33(4):102-106.
[24] 任華堂,陶 亞,夏建新.深圳灣水環(huán)境特性及其突發(fā)污染負(fù)荷響應(yīng)研究[J] .應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2011,19(1):52-63.
[25] 程聲通.河流環(huán)境容量與允許排放量[J] .水資源保護(hù),2003,19(2):8-10.
[26] Li Xi,Wang Yigang,Zhang Suxiang.Numerical simulation of water quality in Yangtze Estuary[J] .Water Science and Engineering,2009,2(4):40-51.
[27] 郭宏飛.基于宏觀經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型的區(qū)域污染負(fù)荷分配[J] .應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2003,11(2):133-142.
[28] 同園園,馬宏瑞.我國(guó)水污染負(fù)荷總量分配模型研究進(jìn)展及分析[J] .實(shí)用技術(shù),2010,11(15):41-43.
[29] Lei Zhao,Xiaoling Zhang,Yong Liu,et al.Three-dimensional hydrodynamic and water quality model for TMDL development of Lake Fuxian,China[J] .Journal of Environmental Sciences,2012,24(8):1355-1363.
[30] Florentina Moatar,Gwenaelle Person,Meybeck M,et al.The influence of contrasting suspended particulate matter transport regimes on the bias and precision of flux estimates[J] .Science of The Total Environment,2006,370(2-3):515-531.
[31] 富 國(guó).河流污染物通量估算方法分析(I)——時(shí)段通量估算方法比較分析[J] .環(huán)境科學(xué)研究,2003,16(1):1-4.
[32] 富 國(guó),雷 坤.河流污染物通量估算方法分析(II)——時(shí)段通量估算方法比較分析[J] .環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2003,16(1):5-9.
[33] 郝晨林,鄧義祥,汪永輝,等.河流污染物通量估算方法篩選及誤差分析[J] .環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(7):1670-1676.