■李曉連李艷李國玉陳志強(qiáng)

（1沈陽理工大學(xué) 遼寧沈陽110159；2遼寧省環(huán)境保護(hù)廳 遼寧沈陽110000；3鐵嶺市城市污水處理管理中心 遼寧鐵嶺112008）

基于環(huán)境容量的河流污染區(qū)域和原因識(shí)別

■李曉連1李艷1李國玉2陳志強(qiáng)3

（1沈陽理工大學(xué) 遼寧沈陽110159；2遼寧省環(huán)境保護(hù)廳 遼寧沈陽110000；3鐵嶺市城市污水處理管理中心 遼寧鐵嶺112008）

本文采用統(tǒng)計(jì)法和輸出系數(shù)法核定污染負(fù)荷，采用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型和線性規(guī)劃方法求出了各流域的環(huán)境容量，最后將環(huán)境容量分配到控制單元，診斷控制單元污染物排放超環(huán)境容量率，識(shí)別河流污染區(qū)域，最后分析產(chǎn)生污染的原因，為其污染物總量控制及產(chǎn)業(yè)布局提供科學(xué)依據(jù)。得出：該區(qū)域COD、NH3-N污染負(fù)荷分別為18346.6t/a、1880.58t/a，環(huán)境容量分別為13979.92t/a、776.95t/a。；容量超標(biāo)排放率分別為31.2%、142.0%。

水環(huán)境容量污染負(fù)荷污染識(shí)別

1　前言

水污染物總量控制目標(biāo)最早由美國環(huán)境保護(hù)局（US EPA）提出，1972年US EPA頒布實(shí)施了《清潔水法》并提出了基于水質(zhì)決策的污染物總量控制方法—最大日負(fù)荷限值，隨后各國相繼實(shí)行了水污染物總量控制管理辦法。20世紀(jì)70年代末，我國開始進(jìn)行水污染物總量控制研究，并以制定松花江流域BOD總量控制標(biāo)準(zhǔn)為先導(dǎo)，進(jìn)行了最早的實(shí)踐和探索。隨著眾多研究者的努力我國污染負(fù)荷總量控制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，為我國水環(huán)境管理基本制度的建立奠定了基礎(chǔ)。本文從“流域-污染源-控制單元”層面上計(jì)算環(huán)境容量，結(jié)合污染負(fù)荷識(shí)別污染負(fù)荷超容量排放率，識(shí)別污染區(qū)域，為河流水環(huán)境污染物控制提供科學(xué)依據(jù)。

2　研究區(qū)域概況

該區(qū)域位于遼寧省，流域總面積11905 km2，包括7個(gè)縣市，流域內(nèi)共有8條主要支流。屬于溫帶大陸性氣候，四季分明，雨熱同期。冬季平均氣溫在10℃以下，最低氣溫-30℃左右，封凍期150天左右。其他季節(jié)溫度在10℃~30℃之間，全年日照為2700 h左右，作物生長期有效日照時(shí)數(shù)約1750 h。年平均降雨量約為700 mm，降水量年內(nèi)分布不均，集中在6~8月，約占全年降水量的60%。該區(qū)域共包括89個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總?cè)丝诩s46.7萬人，城鎮(zhèn)化率56%。生產(chǎn)總值為5651987萬元，其中第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值所占比例分別為20.48%、52.26%、27.26%。

3　河流污染區(qū)域識(shí)別

3.1環(huán)境容量

水環(huán)境容量是指水體在規(guī)定的環(huán)境目標(biāo)下所能容納的污染物最大負(fù)荷量，河流流域環(huán)境容量總量分配一般采用線性穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型計(jì)算污染源點(diǎn)對(duì)控制斷面的貢獻(xiàn)，進(jìn)而將水環(huán)境容量的計(jì)算及點(diǎn)源間的總量分配歸結(jié)為規(guī)劃模型求解。本文根據(jù)一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型，以環(huán)境容量利用率最大為目標(biāo)，以控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)為約束條件建立線性規(guī)劃求解方程如下：

目標(biāo)函數(shù)：

約束方程：

式中：xj—第j污染源的排放量，g/s；

aij—第j污染源對(duì)第i控制點(diǎn)的響應(yīng)系數(shù)；

ci—水質(zhì)控制斷面i的水質(zhì)目標(biāo)與背景貢獻(xiàn)的差值，mg/L。

利用此模型計(jì)算河流水環(huán)境容量的步驟：（1）根據(jù)水質(zhì)目標(biāo)和控制單元邊界分布情況確定研究范圍內(nèi)河流的的水質(zhì)控制斷面，并確定水質(zhì)目標(biāo)；（2）根據(jù)河流和污染源分布情況采用重心概化法將多個(gè)排污口概化為一個(gè)排污口；（3）利用Google earth、Arcgis等軟件計(jì)算污染源到控制斷面間的距離；（4）設(shè)定一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型主要參數(shù)（流量、流速、衰減系數(shù)）；（5）利用Excel軟件計(jì)算污染負(fù)荷與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系和背景濃度，最后通過規(guī)劃求解工具求解得到河流最大允許納污量。

規(guī)劃求解得到的環(huán)境容量是環(huán)境容量利用率最大情況下的最優(yōu)解，但是很多河流周圍的產(chǎn)業(yè)布局已經(jīng)形成，所以可以根據(jù)污染負(fù)荷排放現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)整最優(yōu)解下的環(huán)境容量，然后根據(jù)TMDL方法將環(huán)境容量分為點(diǎn)源、面源和安全余量，最后將點(diǎn)源環(huán)境容量分配到各個(gè)污染源，完成流域環(huán)境容量分配。應(yīng)環(huán)境管理要求，將計(jì)算得到的流域環(huán)境容量分配到控制單元內(nèi)。

3.2識(shí)別方法

定義（污染負(fù)荷-環(huán)境容量）與環(huán)境容量的比值表示污染物超環(huán)境容量排放率（簡稱“超排率”）。控制單元的污染物超標(biāo)排放率公式為3-3。按照污染物超環(huán)境容量率200%以上、100%-200%、50% -100%、0-50%、0以下將控制單元分為紅橙黃綠藍(lán)五個(gè)管理等級(jí)。

F—控制單元內(nèi)的污染負(fù)荷超環(huán)境容量排放率，%；

W—控制單元內(nèi)的污染負(fù)荷，t/a；

Q—環(huán)境容量，t/a。

3.3識(shí)別

3.3.1污染負(fù)荷核定

根據(jù)水系分布和污染物排放情況，確定流域污染負(fù)荷來源。一般點(diǎn)源污染負(fù)荷包括直排企業(yè)、污水處理廠和規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)，非點(diǎn)源污染負(fù)荷包括農(nóng)村人口、耕地、城鎮(zhèn)用地、其他用地、散養(yǎng)的畜禽、降水等產(chǎn)生的污染物。

點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算采用常規(guī)統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行核定，統(tǒng)計(jì)法是利用已有的環(huán)境統(tǒng)計(jì)、排污申報(bào)登記、污染源監(jiān)督性監(jiān)測等數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)，核定點(diǎn)源排放量，其中入河系數(shù)根據(jù)溫度、距離、渠道系數(shù)進(jìn)行修正。非點(diǎn)源污染負(fù)荷采用輸出系數(shù)法進(jìn)行核定，此方法輸出系數(shù)需要經(jīng)過試驗(yàn)進(jìn)行確定，統(tǒng)計(jì)每條河流流域面積內(nèi)的不同土地利用類型的面積。

3.3.2污染區(qū)域識(shí)別

負(fù)荷核定數(shù)據(jù)來源為省環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究區(qū)域內(nèi)COD、NH3-N污染負(fù)荷分別為18346.6t/a、1880.58t/a，該研究區(qū)域每個(gè)縣市的環(huán)境容量、污染源排放情況、超排率見表1。COD在A、D、F區(qū)、縣實(shí)行紅色管理，B區(qū)、縣實(shí)行綠色管理，其他縣實(shí)行藍(lán)色管理。NH3-N在A、D、F區(qū)、縣實(shí)行紅色管理，B區(qū)、縣實(shí)行橙色管理，C區(qū)、縣實(shí)行黃色管理，G區(qū)、縣實(shí)行綠色管理，E區(qū)、縣實(shí)行藍(lán)色管理。

4　污染原因識(shí)別

本文主要從污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率，點(diǎn)源主要污染源，面源主要污染類型等方面識(shí)別污染原因。

（1）污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率：分別統(tǒng)計(jì)控制單元內(nèi)點(diǎn)源、面源污染負(fù)荷，計(jì)算點(diǎn)源、面源的污染負(fù)荷排放比例，識(shí)別出控制單元的污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率。該研究區(qū)域COD、NH-N點(diǎn)源入河量分別為2605.93t/a、337.22t/a，非點(diǎn)源輸出量分別為15740.7t/a、1543.36t/a，以面源貢獻(xiàn)率為主。

表1　控制單元超排率情況

（2）統(tǒng)計(jì)點(diǎn)源排污企業(yè)，篩選出污染物排放量80%的企業(yè)，識(shí)別出主要排污企業(yè)；統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域內(nèi)計(jì)算控制單元內(nèi)農(nóng)村人口、耕地、城鎮(zhèn)用地、其他用地、散養(yǎng)的畜禽、降水等產(chǎn)生的污染負(fù)荷，并求出非點(diǎn)源污染負(fù)荷排放貢獻(xiàn)率，該研究區(qū)域以農(nóng)業(yè)用地和畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷貢獻(xiàn)為主。

5　結(jié)論與建議

（1）該研究區(qū)域COD、NH3-N環(huán)境容量分別為13979.92t/a、776.95t/a，污染負(fù)荷超環(huán)境容量排放率分別為31.2%、142.0%。識(shí)別出該研究區(qū)域COD污染物排放優(yōu)先控制單元為A、D、F區(qū)、縣；NH3-N污染物排放優(yōu)先控制單元為A、B、D、F區(qū)、縣。

（2）該研究區(qū)域以面源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)為主。下一步可進(jìn)行的工作：測土施肥，合理使用化肥，政府可鼓勵(lì)有機(jī)肥制造行業(yè)的發(fā)展；定期更換農(nóng)藥的品牌，減少限制農(nóng)藥的使用；可進(jìn)行分區(qū)域（山地、平原）、分水期（豐水期、平水期、枯水期）的輸出系數(shù)計(jì)算，使非點(diǎn)源污染負(fù)荷核定更接近于實(shí)際，進(jìn)行非點(diǎn)源容量的計(jì)算和分配。分河段分水期的測算主要污染物的降解系數(shù)，使水環(huán)境容量的計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)際水環(huán)境容量，從而使污染物排放得到很好地控制，也能充分利用水環(huán)境容量帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]夏青.流域水污染總量控制 [M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1996.

[2]孟偉,張楠,張遠(yuǎn)等.流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究-控制單元的總量控制技術(shù).環(huán)境科學(xué)研究.2007,20(4):1-8.

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X8[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-318-2

李曉連（1990～），女，沈陽理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境規(guī)劃與評(píng)價(jià)。

遼河流域主要污染物排放控制與管理體系建設(shè)示范（2012ZX07505-002）