熊 勇

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海，200434）

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各方面的污染對河道造成的污染愈發(fā)嚴重，水體的功能逐漸衰退，大大破壞了水體環(huán)境的生態(tài)平衡[1]。由于污染源較多、河道自凈能力減弱等多方面的原因，導致區(qū)域水環(huán)境的環(huán)境狀況變得越來越差。因此，恢復水體本身的自凈能力，逐漸改善水質(zhì)環(huán)境，對于保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義。對區(qū)域水環(huán)境容量進行分析，計算流域水環(huán)境容量和允許排放量[2]是制定污染物排放總量控制方案的前提。針對某個區(qū)域的水體，依據(jù)其水質(zhì)功能目標，進行整個系統(tǒng)的全面綜合分析，從而計算出該區(qū)域污染物的允許最大排放量，可以為水體污染物總量控制提供依據(jù)，也可以為保護和合理利用水資源提供依據(jù)[3]。

1 研究區(qū)域概況

東辛農(nóng)場位于江蘇省連云港市，是華東地區(qū)最大的國有農(nóng)場，農(nóng)場東西最長處21.5km，南北最寬處19km，總面積200km2（約30萬畝）。東辛農(nóng)場總?cè)丝诩s4萬，其中約3萬人居住在場部所在的城鎮(zhèn)范圍，其他約1萬人分散于各分場居民組。東辛農(nóng)場屬于燒香河水系，區(qū)域現(xiàn)狀南引北排，即南引善后河水，北排燒香河的格局，如圖1所示。南邊善后河為飲用水源區(qū)，水質(zhì)目標要求為Ⅲ類水，北邊燒香河為工業(yè)用水區(qū)，水質(zhì)目標為Ⅳ類。

圖1 東辛農(nóng)場與周邊水系區(qū)位關(guān)系

區(qū)域內(nèi)部形成了“四縱兩橫”的河網(wǎng)水系，“四縱”即四條南北向骨干排澇河道，分別為西干河、新溝河～小鹽河、中干河、東干河，“兩橫”即兩條東西向調(diào)節(jié)河道，分別為小海河、扁擔河。農(nóng)場內(nèi)部河道現(xiàn)狀水質(zhì)基本在Ⅳ類到劣V類之間，部分黑臭河道對其周邊水系存在較大的污染風險。

2 區(qū)域污染源分析

2.1 城鎮(zhèn)生活污染

區(qū)域內(nèi)的生活污水按分布可以分為兩類：第一類是集中居民區(qū)產(chǎn)生的生活污水，第二類是分散居民區(qū)產(chǎn)生的生活污水。生活污染源以生活污水直排及管網(wǎng)漏損、合流制區(qū)域溢流污染為主。根據(jù)各片區(qū)居民戶數(shù)人口數(shù)采用排污系數(shù)法估算。區(qū)塊污染物年均產(chǎn)生量可由下式計算：

式中：MP為污染物年均產(chǎn)生量，t/a；f為污染物產(chǎn)生負荷，kg/（人·a）；N為區(qū)塊內(nèi)人口數(shù)。

可進一步得到區(qū)塊污染物入河量（t/a）：

式中：MR為污染物年均入河（湖）量，t/a；φ為污染物入河（湖）系數(shù)，受排水體制影響，取值分旱季和雨季。

生活污水排放去向分為進入城鎮(zhèn)污水處理廠和直接排入環(huán)境兩部分，現(xiàn)狀城鎮(zhèn)生活污水處理率按照實際調(diào)研的污水管網(wǎng)覆蓋情況和城鎮(zhèn)污水處理廠進水濃度綜合取值。通過污水處理廠處理后排放的生活污水入河系數(shù)取1.0，城鎮(zhèn)直排生活污水根據(jù)城鎮(zhèn)與河流臨近程度及排口設(shè)置情況等按70%～90%進入河流考慮。根據(jù)《第二次全國污染源普查-生活污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》，東辛農(nóng)場區(qū)域?qū)膮^(qū)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研了解的情況，確定東辛農(nóng)場鎮(zhèn)區(qū)人均日生活用水量取118升/（人·天），化學需氧量濃度為360mg/L，總磷濃度為4.46mg/L。

2.2 工業(yè)點源污染

工業(yè)點源污染量主要以統(tǒng)計為主。通過現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合東辛農(nóng)村第二次污染源排查資料以及相關(guān)材料，對區(qū)域主要工業(yè)點源排放處理情況進行統(tǒng)計分析。區(qū)域共有11家規(guī)模以上企業(yè)，分屬畜禽養(yǎng)殖、種子生產(chǎn)、食品加工、紙制品加工、飼料加工、紡織等行業(yè)，依據(jù)各自污水產(chǎn)量、處理情況、排放去向等條件，統(tǒng)計計算工業(yè)點源的入河污染量。

2.3 城鎮(zhèn)面源污染

城鎮(zhèn)面源污染主要是由降雨徑流的淋浴和沖刷作用產(chǎn)生，可根據(jù)不同下墊面的降雨徑流產(chǎn)生量及次降雨徑流平均濃度（EMC）估算城鎮(zhèn)面源污染產(chǎn)生量：

式中：W為城鎮(zhèn)面源污染產(chǎn)生量，t/a；Ci為地類的次降雨徑流平均濃度，mg/L；Ai為地類面積，m2；P為降雨量，mm；φi為地類的徑流系數(shù)。

城鎮(zhèn)面源污染主要來源于交通運輸用地、城鎮(zhèn)村及工礦用地。經(jīng)分析，區(qū)域硬質(zhì)化面積約5.5km2。城鎮(zhèn)面源污染計算的降雨量數(shù)據(jù)采用1982年板浦站降雨資料。根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014-2006）（2016版），城鎮(zhèn)建筑密集區(qū)綜合徑流系數(shù)取值0.6。城鎮(zhèn)面源入河系數(shù)取0.2。參考相關(guān)文獻研究[4]，確定次降雨徑流平均濃度（EMC）取值如下：CODCr100mg/L，TP 1.5mg/L。

2.4 農(nóng)田面源污染

由于小麥、水稻的肥料施用，化肥不能被農(nóng)作物完全吸收，農(nóng)田面源污染主要是由農(nóng)田中剩余的化肥和農(nóng)藥經(jīng)徑流進入水體，使水環(huán)境中氮、磷等營養(yǎng)鹽負荷增加，從而導致水體遭受污染[5]。農(nóng)田中的污染物流失不僅受到降雨量、降雨強度、降雨歷時、地形坡度、土壤類型和植被等各種自然地理因素的影響，同時還取決于地表污染物數(shù)量和人類不規(guī)則活動的影響，如不合理的化肥使用和不科學的耕作方式等。

農(nóng)田面源污染物入河量采用產(chǎn)排污系數(shù)法計算。根據(jù)《全國地表水環(huán)境容量核定技術(shù)報告》，結(jié)合對平原河網(wǎng)地區(qū)大量面源污染研究文獻的分析和調(diào)查數(shù)據(jù)[6]，并在標準農(nóng)田源強系數(shù)的基礎(chǔ)上根據(jù)區(qū)域土壤類型、降雨量、化肥施用量、化肥施用結(jié)構(gòu)進行修正，得到修正后源強系數(shù)分別為CODCr23.5kg/（畝·年），TP 2.2kg/（畝·年）。參考已有文獻對農(nóng)田化肥流失情況的統(tǒng)計資料，氮、磷約有3%～10%進入地表水體，本次農(nóng)田肥料污染物入河系數(shù)取值為0.05。

2.5 養(yǎng)殖污染

區(qū)域內(nèi)養(yǎng)殖污染分畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖兩類。根據(jù)國家環(huán)保總局制定的《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準（GB18596-2001）》以及《第一次全國污染源普查-水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》，確定畜禽養(yǎng)殖CODCr和TP的排放量為67.87克/（頭·天）和1.02克/（頭·天），并考慮現(xiàn)狀糞污水處理措施，入河系數(shù)取0.35，結(jié)合現(xiàn)場勘查及相關(guān)污染普查數(shù)據(jù)進行污染分析。

2.6 內(nèi)源污染

農(nóng)場內(nèi)部河道長期受農(nóng)藥化肥和水產(chǎn)養(yǎng)殖排放影響，底泥不斷淤積。大部分河道長期未進行底泥疏浚，在一定的物理化學環(huán)境條件下，污染物從底泥中釋放重新進入水中，從而形成河道內(nèi)源污染。通過對河道底泥取樣，進行靜態(tài)釋放實驗獲得農(nóng)場河道底泥中污染物的釋放速率，CODCr和TP的內(nèi)源釋放負荷分別為65 mg/（m2·d）和1 mg/（m2·d）。

2.7 現(xiàn)狀污染物入河總量及特征

根據(jù)各類污染源入河量的計算結(jié)果，分析各類污染源對CODCr與TP兩個指標的污染貢獻情況，如表1和圖2所示。

圖2 各類污染源入河負荷貢獻率

表1 現(xiàn)狀污染物入河量計算結(jié)果

3 水環(huán)境容量核算

3.1 計算單元劃分

水環(huán)境容量計算單元的劃分，本文采用節(jié)點劃分法，即從保證重要水域水體功能角度出發(fā)，以重要工業(yè)區(qū)、工業(yè)企業(yè)生活等重要和敏感的區(qū)域或斷面作為劃分節(jié)點，把河道劃分為若干較小的計算單元進行水環(huán)境容量計算。

考慮到水（環(huán)境）功能區(qū)劃河段往往不是太長，在區(qū)劃過程中往往都考慮到了各種取水、用水點，可以覆蓋各種節(jié)點或控制點。結(jié)合東辛農(nóng)場片流域排水特征及污染源分布情況，概化主要河道，將整個農(nóng)場片劃分為7個水環(huán)境容量計算分區(qū)，如圖3所示。

圖3 水環(huán)境容量計算分區(qū)示意

3.2 設(shè)計水文條件

對于河流，設(shè)計水文條件指河段內(nèi)的水位、流速和流量等條件。根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程GB/T 25173-2010》，一般采用最近10年最枯月平均流量（水量）或90%保證率最枯月平均流量（水量）作為設(shè)計流量（水量）。由于設(shè)計流量（水量）受江河水文情勢和水資源配置的影響，對水量條件變化的水功能區(qū)，設(shè)計流量（水量）應根據(jù)水資源配置推薦方案的成果確定。

3.2.1 降雨徑流計算

東辛農(nóng)場區(qū)域附近的降水量測站主要有板浦站、善后新閘站、龍苴站、朱貴莊站，考慮資料系列長度，本次選取板浦站的降水量觀測值作為降水量分析資料。利用P-Ⅲ曲線對板浦站1960～2017年降雨資料進行排頻，并采用目估適線法進行調(diào)整，得到不同保證率下善后河流域年降水量?？紤]年內(nèi)降雨最不利分析，選取90%保證率下年降雨量最為接近的1966年進行產(chǎn)匯流計算。

由于徑流大小與地表下墊面條件密切相關(guān)，按照《江蘇省水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細則》，分別對水面、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、水田、旱地四種不同下墊面條件進行產(chǎn)流分析。

表2 板浦站多年面雨量頻率計算成果表

表3 東辛農(nóng)場不同排水片枯水年（90%）徑流量 m2/s

3.2.2 設(shè)計流量的計算

有長系列水文資料時，現(xiàn)狀設(shè)計流量應選用設(shè)計保證率的最枯月平均流量，采用頻率計算法計算。無長系列水文資料時，可采用近10年系列資料中的最枯月平均流量作為設(shè)計流量。無水文資料時，可采用內(nèi)插法、水量平衡法、類比法等方法推求設(shè)計流量。

3.3 控制因子及水質(zhì)目標

根據(jù)確定原則及東辛農(nóng)場區(qū)域水系水環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)狀情況，統(tǒng)一采用化學需氧量（CODCr）和總磷（TP）作為污染物控制因子。由于區(qū)域北排受納水體（燒香河）功能區(qū)的水質(zhì)目標為Ⅳ類，根據(jù)水（環(huán)境）功能區(qū)的水質(zhì)目標要求，故水質(zhì)目標定為Ⅳ類。

3.4 計算方法

3.4.1 一維水質(zhì)模型

根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》（GB/T 25173-2010），江河湖庫納污能力計算模型主要包括：河流零維模型、河流一維模型、河流二維模型、河口一維模型，湖庫均勻混合模型、湖庫非均勻混合模型、湖庫富營養(yǎng)化模型和湖庫分層模型等幾種類型。

根據(jù)區(qū)域河道現(xiàn)狀，本研究采用河流一維模型，按下式計算：

式中：Cx為流經(jīng)x距離后的污染物濃度，mg/L；C0為起始段的污染物濃度，mg/L；x為沿河段的縱向距離，m；u為設(shè)計流量下河道斷面的平均流速，m/s；K為污染物綜合衰減系數(shù)，1/s。

相應的水域納污能力按下式計算：

式中：Q為設(shè)計流量，m3/s；Qp排污口的流量，m3/s；其他符號意義同前。

3.4.2 排污口概化

河流的納污能力與污染物的排放位置和排放方式有關(guān)，限定的排放方式是確定河流納污能力的一個重要確定因素[7]。目前排污口概化一般有3種方法：中點概化、均勻概化及排污口重心概化。

本次研究選取排污口中點概化法，即x=L/2，將計算河段內(nèi)的多個排污口概化成一個集中排污口，該點源的實際自凈長度為河段長度的一半，其概化示意見圖4。

圖4 排污口中點概化示意

當x=L/2時，即入河排污口位于計算河段的中部時，水功能區(qū)下斷面的污染物濃度按下式計算：

式中：m為污染物入河速率，g/s；L為計算河段長，m；Cx=L為水功能區(qū)下斷面污染物濃度，mg/L；

相應的水域納污能力按下式計算。

東辛農(nóng)場內(nèi)部河道水動力除引水外，主要靠降雨形成的產(chǎn)匯流，按照水文計算章節(jié)中枯水年（90%）的徑流量計算各河道初始斷面入流流量，進而推算出不同月份不同河道的斷面平均流速u。參考江蘇蘇北地區(qū)相關(guān)河道的水質(zhì)降解系數(shù)，并基于2020年9月和2020年12月分別3次的同步野外監(jiān)測資料，根據(jù)一維水量模型計算率定水質(zhì)降解系數(shù)K，率定得到CODCr的降解系數(shù)為0.08/d～0.12/d，TP的降解系數(shù)為0.045/d～0.068/d。

3.5 核算結(jié)果

根據(jù)東辛農(nóng)場片的排水規(guī)律及污染物排放時空分布特征，將7個片區(qū)按照逐月變化，按片計算區(qū)域水體的水環(huán)境容量。當農(nóng)場片來水充沛，河道水量充足時，片區(qū)總的水環(huán)境容量較大。研究區(qū)域內(nèi)全年CODCr和TP總的水環(huán)境容量分別為：907.09t/a和12.53t/a。具體情況見表4。

表4 東辛農(nóng)場各片區(qū)水環(huán)境容量核算 t/a

4 污染負荷削減分析

綜合考慮東辛農(nóng)場內(nèi)部排水格局和農(nóng)田面源排放特征，將排入內(nèi)部水體的污染源的污染排放量按照逐月統(tǒng)計計算，結(jié)合河道水環(huán)境容量進行污染物限排總量方案制定[8]。通過分析逐月的水環(huán)境容量與入河污染負荷對比，分別進行污染物總量控制，確定每個控制片區(qū)每個月的污染物削減量?，F(xiàn)階段河道水環(huán)境容量無法穩(wěn)定維持CODCr和總磷的濃度保持在Ⅳ類水水質(zhì)以下，且汛期產(chǎn)生的面源污染更為嚴重，污染物汛期削減量普遍大于非汛期，各片區(qū)污染負荷削減如表5所示。

表5 東辛農(nóng)場各片區(qū)污染物削減分析 t/a

5 結(jié)論

基于區(qū)域河道水質(zhì)目標要求下的水環(huán)境容量核算，通過對東辛農(nóng)場的污染源進行系統(tǒng)分析，根據(jù)不同污染源類型分別計算污染貢獻值，分析區(qū)域控制片內(nèi)污染物的削減量[9]，為后續(xù)提出水環(huán)境改善措施提供依據(jù)。本研究可得到以下結(jié)論：

（1）區(qū)域污染CODCr入河量主要來源于生活污水，貢獻率為30%，其次為農(nóng)田面源，貢獻率為18%；TP入河量主要來源于農(nóng)田面源污染，貢獻率為46%，其次為生活污染，貢獻率為20%。

（2）CODCr和總磷均需要削減，整體上CODCr削減比例小于總磷，因此區(qū)域?qū)偭椎奈廴究刂朴葹橹匾?。河道水環(huán)境容量總磷無法穩(wěn)定優(yōu)于Ⅳ類水水質(zhì)，且汛期產(chǎn)生的面源污染更為嚴重，污染物汛期削減量普遍大于非汛期。

（3）東辛農(nóng)場區(qū)域河道CODCr和TP的平均削減率分別為28%和40%。中干河南片和東干河中片為東辛農(nóng)場生活生產(chǎn)集中區(qū)域，為COD削減的主要控制片，削減率分別為20.3%和44.7%；各片區(qū)總磷削減率均大于30%。