何 斐, 李維新*, 馬秋霞, 徐 斌, 晁建穎, 劉 莊, 莊 巍

1.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210042

2.河海大學(xué), 江蘇 南京 210098

2016年1月和2018年4月習(xí)近平總書記分別在重慶和武漢推進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)帶座談會上發(fā)表重要講話，強(qiáng)調(diào)推動長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展，必須堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，把生態(tài)環(huán)境保護(hù)擺上優(yōu)先地位，共抓大保護(hù)，不搞大開發(fā)，正確把握生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系[1].

長江經(jīng)濟(jì)帶覆蓋上海市、江蘇省、浙江省、安徽省、江西省、湖北省、湖南省、重慶市、四川省、貴州省、云南省共11省市，面積約205×104km2，人口和生產(chǎn)總值均超過全國的40%，是我國經(jīng)濟(jì)重心所在、活力所在，也是中華民族永續(xù)發(fā)展的重要支撐[2-4]. 歷經(jīng)多年開發(fā)建設(shè)，長江經(jīng)濟(jì)帶傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式仍未根本轉(zhuǎn)變，生態(tài)環(huán)境狀況形勢嚴(yán)峻.

20世紀(jì)70年代以來，歐美等許多發(fā)達(dá)國家針對本國水污染狀況相繼開展了水質(zhì)管理技術(shù)研究，如美國TMDL (Total Maximum Daily Loads，最大日負(fù)荷總量)計(jì)劃[5-9]，歐盟萊茵河總量控制管理[10-12]以及日本東京灣、伊勢灣及瀨戶內(nèi)海等流域的總量控制計(jì)劃[13-16]等. “十一五”和“十二五”期間，國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)在流域水環(huán)境管理技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了共性關(guān)鍵技術(shù)的重點(diǎn)突破[17-18]，為流域水質(zhì)目標(biāo)管理提供了有力技術(shù)支撐，但相關(guān)課題多在單一流域開展[19-23]，從國家層面看，長三角、珠三角、京津冀以及長江經(jīng)濟(jì)帶等大區(qū)域水環(huán)境水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)體系尚未得到系統(tǒng)集成，流域管理模型及參數(shù)的規(guī)范化、本土化不夠，水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)體系的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和精細(xì)化程度還有待提高.

該研究在水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，集成長江經(jīng)濟(jì)帶水質(zhì)目標(biāo)管理集成技術(shù)體系，結(jié)合長江經(jīng)濟(jì)帶下游典型研究區(qū)域水文、水質(zhì)同步監(jiān)測，構(gòu)建二維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，模擬長江經(jīng)濟(jì)帶下游典型區(qū)域水環(huán)境，對研究區(qū)域長江干流90個(gè)三級功能分區(qū)進(jìn)行容量總量計(jì)算，確定研究區(qū)域基于控制單元三級水生態(tài)功能分區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的COD、氨氮、TP區(qū)域總量控制值，以期為沿江城市污染負(fù)荷削減、污染物入江量管控提供科學(xué)決策依據(jù).

1 長江經(jīng)濟(jì)帶水質(zhì)目標(biāo)管理集成技術(shù)內(nèi)涵

1.1 長江經(jīng)濟(jì)帶水質(zhì)目標(biāo)管理需求

長江流域經(jīng)過近20年的污染治理，水環(huán)境質(zhì)量顯著改善[24-25]，但生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)形勢仍然嚴(yán)峻[26-28]. 長江經(jīng)濟(jì)帶局部重點(diǎn)區(qū)域面臨著水資源量短缺、飲用水水源風(fēng)險(xiǎn)、湖泊富營養(yǎng)化等壓力，流域水環(huán)境問題制約流域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，長江經(jīng)濟(jì)帶現(xiàn)有水環(huán)境管理技術(shù)不能滿足面向水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)的要求，水質(zhì)目標(biāo)管理是長江經(jīng)濟(jì)帶水環(huán)境管理的重要環(huán)節(jié)，開展有效的水質(zhì)目標(biāo)管理迫在眉睫[29-30].

1.2 長江經(jīng)濟(jì)帶典型區(qū)域水質(zhì)目標(biāo)管理集成技術(shù)內(nèi)涵

長江經(jīng)濟(jì)帶水質(zhì)目標(biāo)管理集成技術(shù)體系是在“十一五”“十二五”水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)“分區(qū)、分類、分級、分期”的流域水環(huán)境管理思路，系統(tǒng)評估了長江經(jīng)濟(jì)帶分區(qū)分類的生態(tài)環(huán)境問題，梳理并分析不同水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)之間的結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性、系統(tǒng)銜接性和技術(shù)適用性. 針對長江上游生態(tài)脆弱區(qū)和長江中下游沿江區(qū)域重化工業(yè)密集的污染特點(diǎn)，緊密結(jié)合長江經(jīng)濟(jì)帶水環(huán)境管理的現(xiàn)實(shí)需求，甄選適用于長江經(jīng)濟(jì)帶水環(huán)境特征和差異化需求的水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)，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，完成“流域水生態(tài)功能分區(qū)-水環(huán)境基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)-容量總量(排污許可)管理-最佳可行技術(shù)-風(fēng)險(xiǎn)管理”的水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)的甄選和集成，由目前單一水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研發(fā)、部分集成及局部應(yīng)用為主，提升形成有機(jī)一體的長江經(jīng)濟(jì)帶水質(zhì)目標(biāo)管理集成技術(shù)體系，長江經(jīng)濟(jì)帶水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)銜接關(guān)系見圖1.

圖1 長江經(jīng)濟(jì)帶水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)銜接關(guān)系

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

長江下游大通至長江入?？诙?，干流自西向東橫穿安徽省、江蘇省、上海市，全長約557 km，流經(jīng)11個(gè)地級市及1個(gè)直轄市(銅陵市、蕪湖市、馬鞍山市、南京市、揚(yáng)州市、鎮(zhèn)江市、泰州市、常州市、無錫市、南通市、蘇州市、上海市)，劃分為28個(gè)二級分區(qū)、154個(gè)三級功能分區(qū)(見圖2). 研究區(qū)域?yàn)榻K省沿江8市(南京市、揚(yáng)州市、鎮(zhèn)江市、泰州市、常州市、無錫市、蘇州市、南通市)，屬長三角地區(qū)，劃分為90個(gè)三級功能分區(qū)，是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的地區(qū)之一，但同時(shí)也面臨著嚴(yán)重的流域水環(huán)境問題，時(shí)刻考驗(yàn)著飲用水水源和水生態(tài)的安全. 研究區(qū)域工業(yè)結(jié)構(gòu)性污染突出，城鎮(zhèn)污水處理水平有待進(jìn)一步提高，農(nóng)業(yè)源污染影響嚴(yán)重，流動源污染對水環(huán)境形成較大壓力，湖泊生態(tài)安全水平下降，近岸海域污染嚴(yán)重，沿岸支流水質(zhì)基本都在GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ～Ⅳ類. 以長江江蘇段為例，其沿江聚集了化工園區(qū)38個(gè)、涉重生產(chǎn)片區(qū)14個(gè)、涉?；て髽I(yè)700多家，沿江8市的污水排放量約占江蘇省全省總量的80%，對長江干流水質(zhì)安全造成嚴(yán)重影響.

圖2 長江經(jīng)濟(jì)帶研究范圍

2.2 研究方法

2.2.1污染負(fù)荷計(jì)算方法

工業(yè)污染負(fù)荷計(jì)算公式：

G=(GP+θ1)×β1

(1)

式中：G為工業(yè)污染物入河量，t/a；GP為工業(yè)污染物排放量，t/a；β1為工業(yè)污染物入河系數(shù)，取值為0.8～1.0；θ1為污水處理廠排放的工業(yè)污染物的量，t/a.

農(nóng)村生活污染負(fù)荷計(jì)算公式:

S1=S1P×β2

(2)

式中：S1為農(nóng)村生活污染物入河量，t/a；S1P為農(nóng)村生活污染物排放量，t/a；β2為農(nóng)村生活污染物入河系數(shù)，取值為0.2～0.5.

S1P=R1×α1

(3)

式中：R1為農(nóng)村人口數(shù)，人；α1為農(nóng)村生活排污系數(shù)(見表1).

表1 生活污染源排污系數(shù)

城市生活污染負(fù)荷計(jì)算公式:

S2=(S2P+θ2)×β3

(4)

式中：S2為城市生活污染物入河量，t/a；S2P為城市生活污染物排入河道內(nèi)量，t/a；β3為城市生活污染物入河系數(shù)，取值0.6～0.9；θ2為污水處理廠排放的城市生活污染物的量，t/a.

S2P=R2×α2

(5)

式中：R2為城市人口數(shù)(未接入城市污水管網(wǎng)的部分)，人；α2為城市生活排污系數(shù)，取自《第一次全國污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊》(見表1).

根據(jù)中國環(huán)境科學(xué)研究院提供的排污當(dāng)量，進(jìn)行區(qū)域內(nèi)種植業(yè)污染物計(jì)算，計(jì)算公式：

N=NP×β4×γ1

(6)

式中：N為農(nóng)田污染物入河量，t/a；NP為農(nóng)田污染物排放量，t/a；β4為農(nóng)田污染物入河系數(shù)，取值為0.1～0.3.γ1為修正系數(shù)，取自《第一次全國污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊》，農(nóng)田化肥施用量在0.037 kg/m2以下，修正系數(shù)取0.8～1.0；農(nóng)田化肥施用量為0.037～0.052 kg/m2，修正系數(shù)取1.0～1.2；農(nóng)田化肥施用量在0.052 kg/m2以上，修正系數(shù)取1.2～1.5.

NP=M×α3

(7)

式中：M為耕地面積，m2；α3為農(nóng)田排污系數(shù)，取自《第一次全國污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊》，其中，COD排污系數(shù)為 15 000 kg/(m2·a)，氨氮排污系數(shù)為 3 000 kg/(m2·a)，TP排污系數(shù)為300～450 kg/(m2·a)，TN排污系數(shù)為 3 000～6 000 kg/(m2·a).

依據(jù)《長江流域主要入江河流水環(huán)境綜合整治規(guī)劃編制技術(shù)規(guī)范》確定的畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放系數(shù)，參照長江流域相關(guān)規(guī)劃進(jìn)行養(yǎng)殖業(yè)污染物排放量測算，畜禽養(yǎng)殖排污系數(shù)如表2所示，養(yǎng)殖業(yè)污染物入河系數(shù)取30%.

表2 養(yǎng)殖業(yè)污染源排污系數(shù)

2.2.2水環(huán)境容量計(jì)算與分配

以DHI的MIKE21模型為基礎(chǔ)，建立了長江水環(huán)境數(shù)學(xué)模型. 其中，笛卡爾坐標(biāo)系下的二維水動力控制方程是不可壓流體三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深方向積分的連續(xù)方程和動量方程.

連續(xù)性方程：

(8)

動量方程：

(9)

(10)

橫向應(yīng)力Tij包括黏滯阻力、紊流摩擦阻力和差動平流摩擦阻力，可用垂向流速平均的渦黏方程來計(jì)算：

污染物在二維非均勻流中的對流擴(kuò)散基本方程可以表示為

(12)

3 結(jié)果與討論

3.1 研究區(qū)污染負(fù)荷測算結(jié)果

采用污染源調(diào)查計(jì)算法根據(jù)《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2018年)、《第一次全國污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊》，并結(jié)合研究區(qū)域特征，對江蘇省沿江8市污染源進(jìn)行分類調(diào)查，按污染負(fù)荷計(jì)算方法研究區(qū)域各市不同污染源的污染負(fù)荷，結(jié)果如表3所示. 江蘇省沿江8市中，蘇州市污染負(fù)荷最大，其次為南通市，再次為南京市，鎮(zhèn)江市污染負(fù)荷最小.

表3 研究區(qū)域各市COD、氨氮、TP污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

對研究區(qū)域8市所有污染負(fù)荷進(jìn)行分析匯總，其中COD的總負(fù)荷為 1 088 732.3 t/a，氨氮的總負(fù)荷為 169 627.4 t/a，TP的總負(fù)荷為 25 614.1 t/a. 各種污染負(fù)荷占比如表4所示，其中，城鎮(zhèn)生活源對研究區(qū)域內(nèi)COD、氨氮總負(fù)荷的貢獻(xiàn)最大，分別為68.3%、75.2%；工業(yè)企業(yè)源對研究區(qū)域內(nèi)TP總負(fù)荷的貢獻(xiàn)最大，為43.8%，此外，城鎮(zhèn)生活源對TP總負(fù)荷的貢獻(xiàn)也較大，為37.3%.

3.2 模型率定結(jié)果

該研究建立了覆蓋研究區(qū)域的長江干流段(安徽馬鞍山—上海高橋)水環(huán)境模型(見圖3). 將馬鞍山—高橋段劃分網(wǎng)格，平均網(wǎng)格邊長約300 m，網(wǎng)格數(shù) 42 991 個(gè)，并對局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密(見圖4)，根據(jù)《中華人民共和國水文年鑒》2015年10月15—22日南京站、鎮(zhèn)江(二)站、江陰站、營船港站和徐六涇(二)站感潮水位數(shù)據(jù)及實(shí)測COD、氨氮、TP的濃度，通過試錯(cuò)法對模型參數(shù)進(jìn)行率定，計(jì)算得研究區(qū)域主槽槽率高度的取值為0.01～0.02，COD、氨氮、TP降解系數(shù)分別為0.20、0.15、0.06 d-1.

圖3 研究區(qū)域(馬鞍山—高橋段)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍及水下地形

圖4 研究區(qū)域水環(huán)境數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格劃分(以南京八卦洲段為例)

3.3 容量總量計(jì)算結(jié)果

3.3.1功能區(qū)劃

根據(jù)《江蘇省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃》《國務(wù)院關(guān)于全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃(2011—2030年)》，綜合確定研究區(qū)域長江下游干流水環(huán)境容量的三級功能分區(qū)共90個(gè)，其中，Ⅱ類水質(zhì)目標(biāo)三級功能分區(qū)72個(gè)，Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)三級功能分區(qū)17個(gè)，維持現(xiàn)狀三級功能分區(qū)1個(gè).

3.3.2設(shè)計(jì)水文條件

按照選取對水環(huán)境最不利的原則，在大通站90%水文保證率的基礎(chǔ)上，綜合考慮三峽大壩建設(shè)后，南水北調(diào)中線、南水北調(diào)東線以及引江濟(jì)淮工程對長江水量的影響，并將水文保證率和重大水利工程雙方因素組合后的水量作為計(jì)算方案的設(shè)計(jì)水文條件.

3.3.3容量總量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)長江沿線的工業(yè)污染源分布情況、沿江污水處理廠分布情況、主要入江支流排污口分布情況進(jìn)行入江排污口概化，在設(shè)計(jì)水文條件下，綜合考慮飲用水水源地、國控?cái)嗝?、省控?cái)嗝嫠|(zhì)達(dá)標(biāo)，采用一、二維聯(lián)解的非穩(wěn)態(tài)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型對概化排污口進(jìn)行污染帶長度計(jì)算，求得不同污染帶長度時(shí)的各排污口允許排污量. 以長江岸線長度的10%作為最大排污混合帶，且在斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)概化排污口的允許排污量計(jì)算結(jié)果，對研究區(qū)域長江干流90個(gè)三級功能分區(qū)進(jìn)行容量總量計(jì)算. 江蘇省沿江8市容量總量計(jì)算結(jié)果如表5所示，其中南京市COD、氨氮和TP的容量總量均最大，無錫市COD、氨氮和TP的容量總量均最小. 此次以南京段為例，在南京18個(gè)長江水功能區(qū)中，長江南京六合漁業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)(左岸)的容量總量位列第一，COD、氨氮和TP的容量總量分別為 11 160、1 541 和191 t/a，各三級功能分區(qū)基本信息及容量總量計(jì)算結(jié)果如表6所示.

表5 研究區(qū)域各地級市容量總量

表6 長江下游南京段干流各三級功能分區(qū)基本信息及容量總量

通過與《省水利廳、省發(fā)展和改革委關(guān)于水功能區(qū)納污能力和限制排污總量的意見》(蘇水資〔2019〕26號)中2020年限排總量數(shù)據(jù)對比分析可知，此次研究區(qū)域長江下游干流90個(gè)三級功能分區(qū)容量總量與《省水利廳、省發(fā)展和改革委關(guān)于水功能區(qū)納污能力和限制排污總量的意見》(蘇水資〔2019〕26號)中2020年限排總量一致，表明該研究容量總量計(jì)算合理.

綜合上述對模擬結(jié)果的分析，在滿足斷面水質(zhì)目標(biāo)要求，嚴(yán)格控制區(qū)域污染物排放情況下，計(jì)算得到COD、氨氮、TP的區(qū)域總量控制值分別為 25 076、24 719、3 247 t/a.

4 結(jié)論

a) 長江流域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)形勢嚴(yán)峻，現(xiàn)有水環(huán)境管理技術(shù)不能滿足面向水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)的要求，開展有效的長江經(jīng)濟(jì)帶水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究與應(yīng)用，是支撐長江經(jīng)濟(jì)帶“共抓大保護(hù)，不搞大開發(fā)”的重要管理抓手.

b)依據(jù)“分區(qū)、分類、分級、分期”的流域水環(huán)境管理思路，針對長江上游生態(tài)脆弱區(qū)和長江中下游沿江區(qū)域重化工業(yè)密集的污染特點(diǎn)，完成了“流域水生態(tài)功能分區(qū)-水環(huán)境基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)-容量總量(排污許可)管理-最佳可行技術(shù)-風(fēng)險(xiǎn)管理”的水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)的甄選和集成，形成有機(jī)一體的長江經(jīng)濟(jì)帶水質(zhì)目標(biāo)管理集成技術(shù)體系.

c) 對長江經(jīng)濟(jì)帶下游典型區(qū)域構(gòu)建一、二維聯(lián)解的非穩(wěn)態(tài)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，以長江岸線長度的10%作為最大排污混合帶，且在斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)概化排污口的允許排污量計(jì)算結(jié)果，對研究區(qū)域長江干流90個(gè)水環(huán)境功能區(qū)進(jìn)行容量總量計(jì)算，沿江8市中南京市COD、氨氮、TP的區(qū)域總量控制值分別為 59 537、8 099、1 008 t/a，揚(yáng)州市分別為 26 830、2 668、356 t/a，鎮(zhèn)江市分別為 44 683、3 344、480 t/a，泰州市分別為 36 919、2 598、383 t/a，常州市分別為 6 689、538、76 t/a，無錫市分別為831、121、15 t/a，蘇州市分別為 42 384、4 365、546 t/a，南通市分別為 32 893、2 986、382 t/a，其中南京市COD、氨氮和TP的容量總量最大，無錫市COD、氨氮和TP的容量總量最小.

d) 對研究區(qū)域長江下游干流90個(gè)三級功能分區(qū)的納污總量計(jì)算結(jié)果，可為沿江城市污染負(fù)荷削減、污染物入江量管控提供科學(xué)決策依據(jù).