山丘區水環境容量計算及限制排污總量分析
——以臨海市“五水共治”規劃為例

陳　玥,李一平,高小孟,章雙雙,孔　文

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京　210098; 2.河海大學環境學院,江蘇 南京　210098;3.蘇州科技學院環境科學與工程學院,江蘇 蘇州　215009; 4.南京智慧新城工程管理有限公司,江蘇 南京　210008)

山丘區水環境容量計算及限制排污總量分析

——以臨海市“五水共治”規劃為例

陳玥1,李一平2,高小孟2,章雙雙3,孔文4

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098; 2.河海大學環境學院,江蘇 南京210098;3.蘇州科技學院環境科學與工程學院,江蘇 蘇州215009; 4.南京智慧新城工程管理有限公司,江蘇 南京210008)

摘要：為改善山丘區水環境,以典型山丘區城市臨海市為研究對象,基于對臨海市水環境現狀、水環境功能及水污染負荷的充分調查,建立河網水量水質數學模型,計算了河網水環境容量,并提出了污染物排放總量控制和削減方案。結果表明:臨海市河網的水環境容量COD為15 904.3 t/a,NH3-N為1 585.2 t/a,水質超標率分別為COD 15.61%，NH3-N 16.67%。規劃年工程實施后預計新增水環境容量COD 1 137.7 t/a,NH3-N 114 t/a,削減污染物入河量COD 10 610.6 t/a,NH3-N 1 082 t/a,水環境質量得到較大提升。

關鍵詞：水環境容量;排污總量;數學模型;總量控制;山丘區

山丘地區地形坡度大,河流驅動力較強,徑流對地面的沖刷作用較強,水土容易流失;河網密度小,蓄水能力不足,水資源分布不均勻;地勢低洼地區尾水外排能力差,且水體自凈能力弱,這些特點決定了山丘區水體水環境容量較小[1]。水環境容量的研究是實行區域污染物總量控制、水環境保護的理論依據[2]。因此,進行山丘區水環境容量計算研究是實行山丘區污染物總量控制的前提,對改善山丘區水環境質量意義重大。臨海市地處浙江省東南沿海中部,中部和西部山丘地區大多是單向流動的山區性河流,東部平原地區河網縱橫交錯,境內椒江臨海段(靈江)是隨著漲落潮而頻繁改變流向的河口感潮河段。山區河道彎道多、比降大、流向單一,汛期洪水陡漲陡落、歷時短、洪量集中,斷面形態沿程變化大,局部河勢急劇變化致使阻力變化對水流流態產生較大影響,導致糙率等水文因子較難確定。而感潮河網地區,水流流向往復,流態不穩定,運動復雜,流量、水位、水質受潮汐、污染源、徑流等多種因素的多重影響,污染物質隨水流遷移擴散,這給模擬污染物遷移、降解帶來較大困難。近年來,隨著臨海市人口的聚集、經濟社會的發展,生產、生活及工業用水量增加,農業灌溉回歸水、工業廢污水、生活污水劇增,水質持續惡化。

我國地域廣闊,不同地形地貌下的河流特性差異較大。國內的學者針對不同類型的水體作了大量的研究。針對流向隨著漲落潮變化的潮汐河流,鄭英銘等[3]分析了影響潮汐河流水環境容量的主要因素,并建立了潮汐河流水環境容量的計算方法;韓龍喜等[4]運用水質平面二維解析解,針對寬淺型河道提出了水環境容量的計算公式;逄勇等[5]通過建立河網區水量水質數學模型,對鶴地水庫(文官至石角段)的水環境容量進行了計算;羅縉等[6]通過建立太湖流域平原河網區的水環境數學模型,對蘇南地區往復流河道進行了水環境容量的計算研究;朱維斌等[7]針對大江大河,應用有限容積法對二維動態水質模型進行求解,進一步研究污染物在水體中的二維濃度分布;胡維平等[8]針對平原河網區的湖泊,提出首先要對湖泊進行水功能區的劃分,再分別計算每一個水功能區的水環境容量,將這些水功能區的水環境容量相加得到整個湖泊的水環境容量;考慮到污染物進入水體后的混合程度對水環境容量計算結果的影響；姚國金等[9]提出采用不均勻系數對水環境容量計算結果進行修正,并給出了不均勻系數的取值范圍。

目前國內外對平原河網區水環境容量研究較多,相對而言對山丘區水環境容量計算研究較少,而且針對污染物排放總量控制進行的水環境容量計算多選擇最枯條件下的設計流量進行,未考慮水系連通及濕地工程增加的環境容量。本研究以臨海市為例,對典型山丘區水環境容量進行研究,考慮“五水共治”工程的綜合效益,對科學地制定山丘區污染防治措施,從而改善山丘區水環境質量具有一定的指導意義。

1研究區概況及水環境現狀

臨海市地處浙江省東南沿海中部,東西長85 km,南北寬44 km,市域陸地面積2 203 km2,其中山地丘陵面積1 507 km2,占總面積的68.4%;平原面積553 km2,占總面積的25.1%;水域面積143 km2,占總面積的6.5%。

臨海自然水系主要屬于椒江和洞港(含桃渚港)兩大水系。椒江水系包括靈江、始豐溪、永安溪、大田港、義城港、雙港溪、方溪以及流入椒江或臺州灣的百里大河。洞港水系包括洞港、桃渚港以及桃渚平原內其他河流水系。市域內現有2 831條河道,總長約3 368 km。

臨海市地表水常規監測斷面共布設18個監測斷面,水環境功能區劃和水質監測斷面見圖1。本研究考慮其中15個斷面(不包含牛頭山水庫2斷面、溪口水庫斷面、童燎水庫斷面)。根據2013年水質例行監測資料,這15個斷面中符合水功能區水質類別要求的斷面有11個,占73.3%,不符合水功能區水質類別要求的斷面有4個,占26.7%。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V類水質斷面占總斷面數的比例為46.7%、33.3%、6.7%、13.3%。2013年豐、平、枯水期DO、COD、NH3-N等指標均存在不同程度超標現象,具體評價結果見表1。

表1　2013年臨海市豐、平、枯水期各指標超標率 　%

圖1　臨海市水環境功能區劃及水質監測斷面位置分布

2水環境容量計算

2.1水量方程

水量計算的微分方程是建立在質量和動量守恒定律基礎上的圣維南方程組,以流量Q(x,t)和水位Z(x,t)為未知變量,并補充考慮了漫灘和旁側入流的完全形式圣維南方程組為

(1)

式中:Q為流量,m3/s;x為沿水流方向空間坐標;BW為調蓄寬度,指包括灘地在內的全部河寬,m;Z為水位,m;t為時間，s;q為旁側入流流量,入流為正,出流為負,m3/s;u為斷面平均流速,m/s;g為重力加速度,m/s2;A為主槽過水斷面面積,m2;B為主流斷面寬度,m;n為糙率;R為水力半徑,m。

2.2水質方程

河網水體中污染物對流擴散方程表達如下:

(3)

式中:Ex為縱向分散系數;ρ為水流輸送的污染物質量濃度,mg/L;Ω為河道叉點-節點的水面面積,m2;j為節點編號;i為與節點j相關聯的河道編號;N為與節點j相關聯的河道總數;Sc為與輸送污染物質量濃度相關的衰減項,可寫為Sc=KdAρ,Kd為衰減項,d-1;S為外部的源匯項。在方程求解時,對時間項、對流項、擴散項分別采用向前差分格式、上風格式、中心差分格式。

模型流量邊界計算條件:臨海地區河流多為山區性河流,除始豐溪和永安溪有境外來水外,其余河流來水都由境內降雨徑流產生。河流邊界流量根據2013年的逐日降雨資料、蒸發資料、臨海市水系圖、DEM高程圖劃分的流域面積,得到該流域產生的降水量,乘以徑流系數得到匯入該條河流的流量。始豐溪和永安溪兩條河流邊界流量由境內降雨徑流產生的流量加上境外來水得到。

模型水位邊界計算條件:選取靈江下游邊界作為模型的水位邊界。根據靈江潮汐特征,以靈江下游不利條件下的大、小潮潮位過程線作為下邊界。該潮位過程線根據臨海西門水文站2013年預報的潮位過程線結果得到。

其中2個重要水文站(沙段、柏枝岙水文站)的流量、水位和典型水質參數率定驗證結果見圖2。流量、水位計算值與實測值吻合較好,水位率定絕對誤差最大約為15 cm,流量率定相對誤差最大約為13.84%,故河道糙率值為0.02～0.04。COD、NH3-N濃度計算值與實測值平均相對誤差為7.13%、8.39%,吻合度較好,故取COD降解系數為0.08～0.12 d-1,NH3-N降解系數為0.05～0.08 d-1。

以水功能區水質達標為目標,根據臨海市柏枝岙站、沙段站、百步站、水家洋站、仙人橋站等水文站提供的水文資料,采用泰森多邊形法對臨海市12個雨量站1957—2010年連續54年的逐月降雨資料進行頻率分析,將每年最枯月份降雨量排序后,得出臨海市90%保證率下最枯月典型年為1988年。采用90%保證率下最枯月的平均流量作為水文設計條件,輸入臨海市水環境數學模型,計算臨海市各分區水環境容量,結果見表2。

圖2　2013年兩個重要水文站流量、水位和典型水質參數模型計算值與實測值對比

t/a

根據臨海市2013年現狀污染物入河量及水環境容量值,可計算得到污染物削減率,結果見表3。對比現狀污染物削減率與水質超標率,二者的差距在5%以內,說明上述方法得到的水環境容量基本合理。

表3　臨海市污染物削減率與水質超標率

注:超標率為河流斷面監測數據超標個數除以河流斷面總監測數據斷面個數。

3污染物總量控制方案

為到達臨海市規劃年總量控制目標,根據臨海市河網區污染源特征及地區水環境治理現狀,結合各類污染源削減潛力分析,提出相應的污染物防治措施,具體如下:

a. 生活污染源治理。新建城鎮生活污水處理廠、污水管網和泵站,增加污水處理能力,擴大污水收集范圍;對老城區污水管網進行改造;新建中水回用處理設施;加快農村生活污水治理進度。

b. 工業污染源治理。在對企業污染源治理基礎上,①要加強對重點工業企業的監管,對不符合國家、地方標準的企業實施關、停、并、轉、遷等整治措施,并加強企業內部污水的預處理,對排放污水進行實時監測,達到排放標準后排放;②要加強中小型企業的整治,要求對污染較高的中小型企業根據行業類別分別搬遷入相應的工業園區,污水進行集中分類處理;③要加強企業的清潔生產和節水型企業建設,實行“三條紅線”中的用水總量控制,從源頭減少污染物量;④要加強工業污水處理廠的提標改造工程,從終端減少污染物的排放。

c.農業面源治理。進一步推廣農作物測土配方施肥技術、農藥減量控害增效技術;建設生態循環農業,推廣農作物秸稈資源化利用示范工程、“三沼”資源化利用示范工程;科學地劃定禁、限養區;優化生態畜牧業產業布局;對畜禽糞尿污染進行綜合治理,建設畜禽糞便收集處理中心、養殖排泄物治理沼氣工程和病死動物無害化處理設施。

d. 湖泊濕地建設。規劃近期新建4個人工湖,中遠期新建4個人工湖,增加河道調蓄能力,凈化水體。

e. 河湖水系綜合調控工程建設。對城區暗河和古河道進行優化調整,增加城區排澇能力,改善城區水環境;新建河道、濕地等對小流域來水進行分流,減少上游來水對城區防洪的壓力;加強流域及河道整治,減輕城區防洪排澇壓力。

f. 低影響開發工程建設。居民小區的雨水控制利用目標以削減地表徑流及雨水滯蓄為主,建設植草溝、透溝渠等自然地表排水形式輸送滯留雨水徑流,減少小區內雨水管道的使用;在廣場、停車場、步行道等設計荷載較小的路面鋪裝透水材料,增加雨水的下滲利用。

g. 節水工程建設。生活節水需推廣普及生活節水器具、加大供水管網的改造力度、提高非常規水的用水比例。工業節水要與水環境的治理和保護要求相協調,提高工業用水重復利用率、降低萬元增加值取水,結合工業自身的產業結構調整、技術水平升級以及產品更新,以節水工業企業試點引導和帶動,整體逐步達到國內先進用水水平。農業節水工程包括河道整治工程、農田改造工程、灌區續建配套及節水改造工程。

將計算得到的規劃年(2030年)污染物限制排放總量與規劃年污染物入河量進行對比,進行污染物總量控制可達性分析(表4),結果表明規劃年污染物入河量全部達標。

表4　臨海市COD、NH3-N污染物總量控制分析結果　t/a

4結論

a. 由于山丘河網區地形地貌復雜,污水處理設施、配套管網及泵站建設滯后,臨海市水環境現狀較差。臨海市各控制斷面達標時,臨海市河網的水環境容量COD為15 904.3 t/a,NH3-N為1 585.2 t/a,水質超標率分別為COD 11.11%,NH3-N 16.67%,削減率分別為COD 15.61%,NH3-N 20.04%,超標率和削減率相差小于5%,說明臨海市水環境容量計算結果合理。

b. 山丘地區由于河網密度小、蓄水能力不足、水體自凈能力弱、人類活動污染嚴重等原因,臨海市現狀污染物入河量大于水環境容量。目前臨海市的城鎮生活和農村生活污染源的污染物排放量占排放總量的80%以上,為實現上述總量控制目標,改善臨海市水生態環境質量,應重點控制這兩類污染源。

c. 規劃年(2030年)工程實施后預計新增環境容量COD 1 137.7 t/a,NH3-N 114 t/a,削減污染物入河量COD 10 610.6 t/a,NH3-N 1 082.1 t/a,水環境質量得到較大提升。

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Calculation of water enviromental capacity and analysis of total quantity control of pollution discharge in hilly area:a case study of co-governance on five water categories in Linhai City

CHEN Yue1, LI Yiping2, GAO Xiaomeng2, ZHANG Shuangshuang3, KONG Wen4

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009,China;4.NanjingWisdomNewTownProjectManagementCo.Ltd.,Nanjing210008,China)

Abstract：Based on the full investigation on the present situation of water environment, water environment function, and the water pollution load, Linhai City, a typical hilly area city, was chosen in this study for improving the water environmental quality in hilly area. In this study, we established the water quantity and quality mathematical models, calculated the water environmental capacity of the river net, and put forward the water pollution total quantity control and water pollution reduction plan for Linhai City. Results show that the water environmental capacity of COD and NH3-N in Linhai City is 15 904.3 tons per year and 1 585.2 tons per year,respectively.The over-limit ratio of water quantity is 15.61% for COD and 16.67% for NH3-N. After the project is completed in the planning year, the increase of the water environmental capacity will be 1 137.7 tons per year for COD and 114 tons per year for NH3-N, the water pollution reduction flowing into the river net will be 10 610.6 tons per year for COD and 1 082 tons per year for NH3-N, and the water environmental quality of Linhai City can be improved.

Key words：water environmental capacity; pollution discharge; mathematical model; total quantity control; hilly area

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.025

基金項目:霍英東教育基金(141073)

作者簡介:陳玥 (1992—),女,碩士研究生,研究方向為生態水文與水環境保護。E-mail:2504784595@qq.com 通信作者:李一平,副教授。E-mail:liyiping@hhu.edu.cn

中圖分類號：X832

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0123-06

(收稿日期：2016-01-06編輯：王芳)