山西省沁河流域水環境承載能力與限制排污總量控制分析

□陳琳

(山西省防汛應急搶險總隊山西太原030002)

山西省沁河流域水環境承載能力與限制排污總量控制分析

□陳琳

(山西省防汛應急搶險總隊山西太原030002)

本文以化學需氧量COD和氨氮NH3-N為污染物控制目標，根據山西省沁河流域水功能區劃、水質現狀和保護目標等情況，運用河流一維模型計算出沁河流域的水環境承載能力，并提出了污染物總量控制方案和水資源保護的一些措施，為落實最嚴格的水資源管理制度，加強水功能區限制納污紅線管理提供科學的依據。

沁河流域、水環境承載能力、排污總量控制

本文DOI編碼：10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2015.06.019

《中共中央國務院關于加快水利改革發展的決定》（中發[2011]1號）、《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》（國發[2012]3號），明確提出建立水功能區限制承載制度，確立水功能區限制承載紅線，從嚴核定水域承載容量，嚴格控制入河湖排污總量。為了貫徹落實最嚴格的水資源管理制度，強化水資源保護的監督管理，迫切需要從嚴核定承載容量，建立以限制排放總量為核心的水功能區限制承載制度。

近年來，隨著經濟的飛速發展，工農業等產生的廢污水排放量急劇增加，山西省沁河流域的河流水質狀況也日益惡化，因此對沁河流域水功能區進行承載能力的核定和限制排污總量控制分析，是落實最嚴格水資源管理制度的重要基礎，也將為各級政府防治水污染、強化水資源保護提供強有力的依據。

1　沁河流域及水功能區概況

沁河水系包括沁河干流和其支流丹河發源于山西省沁源縣霍山南麓，位于東經111°55'～113°30'，北緯35°11'～37°08'，居山西省東南部，包括長治市、臨汾市和晉城市。由北向南流經沁源、安澤、沁水、澤州、陽城五縣，進入河南省的沁陽、武陟，于南賈村匯入黃河。河長485km，流域面積13 532 km2，其中最大支流丹河2 980 km2，干流落差1 674m，平均比降4.15%。根據《山西省水功能區劃》，沁河水功能一級區劃共劃分6個功能區，其中2個保護區、2個緩沖區和2個開發利用區，即沁河沁源源頭水保護區、沁河臨汾晉城開發利用區、沁河陽城緩沖區、丹河高平源頭水保護區、丹河晉城開發利用區、丹河晉城緩沖區，在2個開發利用區中又劃分為沁河沁源縣飲用農業用水區、沁河安澤縣飲用工業用水區、丹河任莊水庫農業工業用水區等7個二級水功能區。

在水功能區上，分別以一級與二級功能區為基本統計單元，不同水功能區排污口分布見表1，其中開發利用區為排污口調查的重點，共調查排污口77處。

表1　沁丹河水系不同水功能區入河排污口分布表

在不同量級廢污水的水資源分布上，沁河干流入河排污口以廢水量10～100萬m3/a為主，丹河以廢水量10萬m3/a以下排污口為主,不同量級廢污水的水資源分布見表2。

表2　沁丹河水資源分區不同量級排污口分布統計表

2　水環境承載的能力分析

水環境的承載能力也稱為水體納污能力，主要指對確定的水功能區，在滿足水域功能要求的前提下，按照給定的設計水文條件，功能區水體所能容納的最大污染物量。

2.1模型選擇

水功能區承載能力的計算應當根據實際情況來確定不同的數學計算模型。根據污染物在各河段橫斷面上均勻混合的特點，采用河流一維模型計算水域承載能力。公式為：

式中：W——水功能區承載能力，t/a；

q——水功能區入河污水量，m3/s；

Cs——水功能區水質目標，mg/L；

Q——水功能區設計流量，m3/s；

C0——水功能區上斷面污染物濃度，mg/L；

k——污染物綜合衰減系數，1/d；

x——水功能區上斷面到下斷面的距離，km；

xi——簡化后排污口到下計算斷面的距離，km；

u——水功能區設計流量下的河段平均流速，m/s。

2.2控制指標的確定

按照《山西省水功能區劃》中規定的水質目標對照相應標準予以確定。以COD、氨氮為主要污染控制指標。

2.3模型參數的確定

2.3.1設計流量的確定。1）控制站設計流量確定各控制站以95%保證率最枯月平均流量作為設計流量。2）水功能區設計流量確定。有水文站的水功能區，設計流量直接采用控制站設計流量進行分析計算。無水文資料的河段，設計流量按以下原則確定：

a）距水文站較近，區間無較大的支流加入或大的取水口，直接借用鄰近水文站的資料推求設計流量；

b）距水文站較遠，區間有較大的支流加入或大的取水口，通過水量平衡計算，確定設計流量。

2.3.2斷面設計流速確定。利用水文站斷面及流量資料，點繪水位～流量、水位～面積關系

根據設計流量推求設計面積，采用公式計算:

式中：——設計流速(m/s)；

——設計流量(m3/s)；

——過水斷面面積(m2)。

2.3.3初始濃度值C0的確定。根據上一個水功能區的水質目標值來確定C0，即上一個水功能區的水質目標值就是下一個功能區的初始濃度值C0。

2.3.4綜合降解系數的確定。綜合降解系數反映了污染物在水體作用下降解速度的快慢。研究表明，降解系數不但與河流的水文條件，如流量、流速、河寬、水深、泥沙含量等一系列的因素有關，更為重要的是降解系數還與河道的污染程度有關。污染物降解系數可用實測資料反推或水團追蹤法求取，亦可經類比分析確定。利用實測水質資料反推K值，計算公式如下：

式中：C1——河段上斷面污染物濃度(mg/L)；

C2——河段下斷面污染物濃度(mg/L)；

Vs——河段平均流速(km/d)；

吟x——上、下斷面距離(km)。

山西省水文水資源勘測局2003年在汾河下游選取無支流和排污口匯入的柴莊河段進行試驗，根據上下斷面的監測值、水流流速、河長距離等參數，對CODcr和氨氮的降解系數分別進行計算，其結果是：CODcr的降解系數為0.40d-1,氨氮的降解系數為0.22d-1。

在缺乏實測資料的情況下，綜合衰減系數根據以下經驗公式進行確定：

式中：u——設計流量下河段平均流速(m/s)。

根據沁河實際情況，并參考汾河實驗的結果，COD的k值取值范圍在0.2～0.48（1/d）之間，平均為0.34（1/d）；氨氮的k值取值范圍在0.12～0.32（1/d）之間，平均為0.22（1/d）。

由于流量、水質情況的差異，綜合衰減系數會有所不同。

2.4水環境承載能力計算結果

按照確定的計算原則和采用水質計算模型，根據不同的河段斷面形態和水力特性、污染物擴散特征以及各河段水體功能和水質管理目標，以各水功能區為計算單元，自上而下逐段進行水域承載能力的計算。各水功能區水環境承載能力計算結果見表3。

沁丹河水系COD和NH3-N的承載能力分別為8444.8t/a和374.0t/a，見表3。

表3　沁丹河水系水環境承載能力統計表

2.5承載能力結果分析

在一級水功能區上，承載能力最大的為開發利用區，其COD和氨氮的承載能力分別為7969.8t/a和352.0t/a，分別占水系總承載能力的94.4%、94.1%；而沁丹河源頭水保護區為河流重點保護河段，禁止在本段進行對水質不利的開發利用活動，其承載能力則計為0。在二級水功能區上，承載能力最大水功能區為農業用水區，其COD和氨氮的承載能力分別為4 264.6t/a和196.1t/a，沁丹河水系不同功能區承載能力統計結果見表4。

3　污染物總量控制方案

污染物總量控制的目的是河道水質達到水功能區水質目標。考慮到沁河水質較好、丹河中下游水質已遭受嚴重污染的現實，本次限制排污總量原則是流域內各行政區排放的主要污染物總量不再增加，具體計算方法為：若功能區現狀入河量小于或者等于該功能區的允許承載量，否則該目標控制總量將視其為功能區入河污染物的控制總量；反之，將該功能區允許承載量作為其入河污染物控制總量。沁丹河水系各水功能區污染物限制排放總量統計見附表4。

以分析計算范圍內水功能區為基礎統計得沁河COD、NH3-N限制排污總量分別為901.7t/a和103.4t/ a，丹河COD、NH3-N限制排污總量分別為461.7 t/a和37.7t/a。沁丹河流域限制排放總量成果見表5。

表4　沁丹河流域水功能區承載能力統計結果表

表5　沁丹河流域限制排污總量意見統計表

4　水資源保護對策的措施

4.1制定一些保護方面的措施

1）制定一些飲用水資源的保護區和一些比較集中的飲用水源地保護方案，重點在于落實和監督管理舉措，以防水資源的枯竭和水體等方面的污染，確證城鄉居民的飲用水安全。

2）做好沁河源頭的生態系統保護和建設工作，保護好河源的生態環境。利用當地的自然資源和地理優勢，重點發展一些綠色產業和生態農業，采取一系列的措施來提高當地的水資源及水環境的承載能力。

3）嚴格按照保護優先原則和經濟社會可持續發展的原則，限制在較好的水源質量區域內建設一些規模大和污染重的開發項目。

4）提高人們的節水意識，大力推廣合理用水、節約用水及污水資源化。采取一系列的方法去處理生活中的污水。

4.2治理方面的措施

1）對有污染物的源頭實施嚴格的監督管理制度，以此來控制污染物的排放，制定一系列的規章制度。按照以水定供和以供定需的原則，大力調整產業結構、對工業重新布局，進行一系列的技術改造，重點推行清潔生產和厲行節水減污。提高工業用水的重復率，加大對工業廢水的處理，堅決淘汰一些落后的生產工藝產品，關停一些高耗水和重污染的企業。

2）加大城市的污水處理設施建設，包括建立城市集中污水處理廠和居民小區污水處理設施等，統籌安排城市的供水設施。

3）提高水環境容量和水體自凈能力：主要有水工程的調度、引水的減污、疏浚和清淤等一系列的工程措施。其中水工程的調度主要用于一些有閘壩控制的水體，理應結合水情和自然條件，加大水量的調度，提出一些調度的方案。引水的減污應該提出一些具體的工程規模和調水量，從而分析出提高水資源承載力和減污的效果。清淤措施應該提出具體的清淤量以及實施方案。

4）修復生態措施：通過一系列的措施，修復已經破壞的生態環境。通過合理配置使用水資源，使得生產、生活和生態用水得以同時兼顧，從而解決了水資源稀缺的河道斷流等問題。

5）控制面源污染采取措施。大力發展生態農業，改進傳統的模式，調整農業結構，提高農作物對氮磷鉀的吸收效率；為了防止土壤氮磷的流失，采取生物和工程措施相結合的方法，加大水土流失的治理工作。

6）加大水功能區的水質監測和主要入河排污口污染物監測，結合已有規劃成果，提出一系列的內容，如監測斷面、項目、站點布設等。

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1004-7026（2015）06-0036-03中國圖書分類號：X323

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