基于TMDL計劃的榆溪河流域水污染治理方案研究

彭欣雨，唐 彥，唐德善，楊慶慶

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué)計算機與信息學(xué)院，南京 210098； 3.揚州市勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225000)

榆林市工業(yè)的發(fā)展、河川徑流量逐步減少、廢污水堵截、儲蓄利用量不斷增加從而導(dǎo)致流域河道內(nèi)污染物質(zhì)不斷積累。流域內(nèi)超標(biāo)超量排放污水污染物的情況時有發(fā)生，主要污染物為化學(xué)需氧量、氨氮等。為改善榆溪河流域水質(zhì)污染嚴重的現(xiàn)狀，急需科學(xué)的水質(zhì)管理方法來指導(dǎo)水污染防治規(guī)劃研究。

近些年來，許多專家學(xué)者從不同的角度、運用不同的方法對水污染防治進行了研究。夏菁[1]等，采用TMDL計劃，針對長湖進行了水污染總量控制；牛麗東[2]等采用WARMF水環(huán)境管理模型，制定了污染物削減方法和分配量；陶亞、夏建新[3,4]等采用TMDL計劃，計算分析了深圳灣點源與非點源污染負荷、各子流域污染貢獻率及BOD5最大日污染負荷；王生愿[5]采用負荷歷時曲線法(LDC)，研究梁子湖流域水體納污能力，確定最大日負荷總量。以榆溪河流域為研究對象，采用數(shù)學(xué)模型模擬的方法，計算水環(huán)境容量值(TMDL)，分析研究各個水源地對榆溪河流域的污染入河量、現(xiàn)狀點源和非點源污染負荷量，從而對污染負荷進行分配并提出相關(guān)的污染削減措施。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及污染源調(diào)查

榆溪河是黃河一級支流無定河中游的主要支流，發(fā)源于榆陽區(qū)小壕兔鄉(xiāng)，在榆陽區(qū)魚河鎮(zhèn)匯入無定河，河長97.8km。榆溪河流域西北接內(nèi)蒙古自治區(qū)，西南與橫山縣相連，東北為禿尾河流域，東南為佳蘆河流域，流域總面積4 938 km2，其中榆陽區(qū)境內(nèi)匯流面積3 796 km2，內(nèi)蒙古境內(nèi)匯流面積1 142 km2。

將榆溪河流域分為小壕兔、頭道河則、金雞灘、色草灣、趙家灣、芹河、馬合、沙河、水掌灣及牛家梁-紅石峽10個水源地，進行榆溪河流域污染源研究。10個水源地合計面積3 637.2 km2，占榆溪河流域(榆林市境內(nèi))面積3 796 km2的95.8%，見圖1。

圖1 榆溪河流域劃分Fig.1 Division map of Yuxi River Basin

1.2 TMDL計劃

流域 TMDL 計劃的關(guān)鍵技術(shù)主要包括流域地表水水質(zhì)受損水體和潛在污染源識別，選擇與構(gòu)建污染負荷和水質(zhì)關(guān)聯(lián)技術(shù)模型，計算最大容許污染負荷總量，確定點源污染負荷和非點源污染負荷分配方案，構(gòu)建公平、合理、可行的點源污染負荷削減分配模型，優(yōu)化非點源污染控制措施[6]。明確了制定流域TMDL計劃的步驟[7]: ①分析流域特征；②計算污染負荷容量；③確定污染負荷分配；④提交TMDL報告。

TMDL計劃的主要目標(biāo)就是將污染負荷在各個污染源之間合理分配，包括點源和非點源。進行污染負荷分配依據(jù)的方法為[8]：

TMDL=∑WLA+∑LA+MOS

(1)

式中：TMDL為流域內(nèi)某特定水質(zhì)指標(biāo)的最大日污染負荷；WLA為允許的現(xiàn)存和未來點源的污染負荷；LA為允許的現(xiàn)存和未來非點源的污染負荷；MOS為預(yù)留安全值。

2 流域TMDL計劃模型構(gòu)建

2.1 選擇水質(zhì)指標(biāo)

水質(zhì)評價是將水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果與水質(zhì)標(biāo)準進行比較，判定水質(zhì)狀況，水質(zhì)評價是工程設(shè)計水資源評價中非常重要的內(nèi)容[9]。利用不同水環(huán)境評價模型進行污染程度評價，如單因子評價法、污染指數(shù)法、模糊指數(shù)法等[10,11]。其中單因子評價法具有能直接反映出水質(zhì)狀況與評價標(biāo)準之間關(guān)系的優(yōu)點，能快速的反映出各河道污染指數(shù)的變化。

單因子評價指標(biāo)法。單項水質(zhì)參數(shù)(污染物指標(biāo))i在e點的評價指數(shù)Sie的計算公式為：

Sie=Cie/Ci

(2)

式中：Cie為污染物指標(biāo)i在監(jiān)測點e的數(shù)值，mg/L；Ci為污染物指標(biāo)i的環(huán)境標(biāo)準值，mg/L。

研究表明，有機物污染指標(biāo)COD、氨氮的評價指標(biāo)最大，是造成榆溪河水污染的主要元素，所以本次TMDL的計算選取的指標(biāo)為污染物指標(biāo)COD、氨氮。

2.2 TMDL值計算

水環(huán)境容量由稀釋容量和自凈容量構(gòu)成，其中自凈容量一般較小，故忽略其影響并以最大稀釋容量代替水環(huán)境容量[12]。水環(huán)境容量計算公式為：

Mi=Q(Ci/C0i)/100

(3)

式中：i為污染物指標(biāo)(本文為COD、氨氮)；Mi為污染物指標(biāo)i的環(huán)境容量，萬t/a；Q為多年平均地表水資源量，億m3/a；Ci為污染物指標(biāo)i的環(huán)境標(biāo)準值，mg/L，采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》(GB 3838-2002)中Ⅱ類水標(biāo)準值；C0i為污染物指標(biāo)i的環(huán)境背景值，mg/L，這里忽略本底值的影響，設(shè)C0i=0。

水資源量采用榆林市韓家峁水文站和高家堡水文站為參證站，榆林水文站地處韓家峁、高家堡2站之間，采用30 aP=90%保證率推求榆林水文站多年平均徑流量，相應(yīng)得到榆溪河流域COD、氨氮的水環(huán)境容量。

表1 榆溪河COD、氨氮的水環(huán)境容量 萬t/a

2.3 安全臨界值確定

目前國內(nèi)大多數(shù)依據(jù)經(jīng)驗定性確定安全臨界值的范圍，一般取水體最大納污量的5%～10%，取7%。

2.4 污染負荷分配

計算污染負荷分配權(quán)重時，采用客觀賦權(quán)法中的離差和均方差法求得點源和非點源污染的權(quán)重進行負荷分配，見表2。該方法的計算步驟如下。

(1)求隨機變量的均值：

(2)求第j種污染源的均方差：

(3)求第j種污染源的權(quán)重：

(4)進行多指標(biāo)決策與排序：

表2 榆溪河流域允許負荷分配 t/a

2.5 現(xiàn)狀污染負荷估算

污染物入河量計算：

Rijk=Pijkβj

(4)

式中：i為污染物指標(biāo)(i=1,2,…,n)；j為流域中污染源的種類(j=1,2,…,m)；k為流域切分的水源地(k=1,2,…,h)；Rijk為第k個水源地第j種污染源的第i種污染物的入河量，t/a；Pijk為第k個水源地內(nèi)第j種污染源的第i種污染物的總量，t/a；βj為第j種污染源的入河系數(shù)，農(nóng)村生活污染物入河系數(shù)取值0.3，農(nóng)田污染物的入河系數(shù)取值0.2，工業(yè)污染物入河系數(shù)取值0.8，畜禽養(yǎng)殖入河系數(shù)取值0.2，水產(chǎn)養(yǎng)殖入河系數(shù)取值0.3。

計算污染物入河量后，相應(yīng)計算污染物削減量和污染物削減率。

2.6 結(jié)果與討論

(1)現(xiàn)狀點源負荷估算。根據(jù)《榆林市統(tǒng)計年鑒》及2014年榆溪河流域的污染物濃度調(diào)查統(tǒng)計分析，點狀污染源主要包括生活污染源、工業(yè)污染源、規(guī)模化養(yǎng)殖場，見表3。榆溪河流域主要的生活污染源為榆林市污水處理廠和榆林市高新區(qū)閆莊則污水處理廠。工業(yè)污染源分為工業(yè)園區(qū)和經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，國控、省控工業(yè)污染源以及各水源地煤礦礦井水排放產(chǎn)生的污染源。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及資料統(tǒng)計，規(guī)劃范圍內(nèi)有規(guī)模化養(yǎng)殖場30個。

(2)現(xiàn)狀非點源負荷估算。根據(jù)榆溪河流域的污染源調(diào)查，非點源負荷包括農(nóng)業(yè)非點狀污染源、分散畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村居民生活污染、漁業(yè)非點狀污染源，見表3。榆溪河流域耕地以種植玉米、高粱、大豆等為主。農(nóng)村以分散家庭養(yǎng)殖為主，家庭養(yǎng)殖業(yè)的條件較差，地面無防滲排水設(shè)施，動物的糞便不經(jīng)任何處理隨意堆放。農(nóng)村居民生活污染包括垃圾、污水及糞便等。漁業(yè)以養(yǎng)殖草魚為主。

表3 榆溪河流域污染源負荷估計統(tǒng)計匯總 t/a

(3)水源地污染物削減量估算。水源地污染物削減量按照等比例分配法進行總量分配，即按照各個水源地的入河量在總?cè)牒恿恐兴嫉谋壤秊闄?quán)重進行，按照小壕兔、頭道河則、金雞灘、色草灣、趙家灣、芹河、馬合、沙河、水掌灣及牛家梁-紅石峽10個水源地進行分配，結(jié)果見表4、表5。

(4)制定污染削減措施。榆溪河流域想要實現(xiàn)“水清、河暢、岸綠、景美”的目標(biāo)，首先，加快對污水處理設(shè)施的提標(biāo)改造，完善榆溪河沿河鄉(xiāng)鎮(zhèn)的污水處理廠建設(shè)，開展污水處理系統(tǒng)建設(shè)，污水處理后回用。其次，加強生活垃圾收集處理，在流域內(nèi)建立起完善的“戶分類、村收集、鎮(zhèn)中轉(zhuǎn)、區(qū)處理”的城鄉(xiāng)垃圾一體化處理模式。針對流域內(nèi)易截污位置采用人工方式進行生活垃圾、建筑垃圾、漂浮物全面打撈。最后，對散養(yǎng)的畜禽養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)模化養(yǎng)殖，對養(yǎng)殖場實施污染治理保證治理達標(biāo)。

3 結(jié) 論

榆溪河流域氨氮的污染較COD更為嚴重。污染物COD和氨氮，削減量要求最大為非點源污染的分散畜禽養(yǎng)殖，其次點源污染中的工業(yè)污染源榆溪河流域COD和氨氮污染物均來自非點源污染，其中分散畜禽養(yǎng)殖占比重大；點源污染負荷中，工業(yè)污染源入河量占比重大。

表4 榆溪河水源地COD污染物削減量匯總 t/a

表5 榆溪河水源地氨氮污染物削減量匯總 t/a

榆溪河流域10個水源地中，COD入河量的高低次序為馬合水源地>小壕兔水源地>金雞灘水源地，COD的削減量高低次序為馬合水源地>小壕兔水源地>水掌溝水源地。氨氮入河量的高低次序為馬合水源地>小壕兔水源地>金雞灘水源地，氨氮削減總量的高低次序為水掌溝水源地>馬合水源地>小壕兔水源地。

通過對榆溪河流域構(gòu)建TMDL模型，對該流域的點源、非點源污染負荷及10個水源地的污染負荷進行了分配且明確了各指標(biāo)削減量，根據(jù)負荷分配采取污染控制措施,制定水污染治理方案。引入TMDL模型，結(jié)合客觀賦權(quán)法進行權(quán)重分配，更加客觀地反映污染物的削減量及負荷指標(biāo)。其次，該模型還存在不確定的因素，該方法不能完全真實且公平地分配污染負荷，故該模型還有改進的空間。針對榆溪河流域水污染治理方案進行分析，明晰現(xiàn)狀的不足，并提出相應(yīng)的整改對策，這對榆溪河流域改善水污染現(xiàn)狀具有重要意義。

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