江蘇省水環境容量計算及總量控制目標可達性研究

胡開明 婁明月 馮彬 逄勇

摘要：改革開放三十多年來，江蘇省在經濟高速發展的同時，環境污染和生態破壞問題較為突出，江河湖海水環境污染尚未得到有效遏制。污染物總量控制可以彌補由排放濃度控制所帶來的缺陷，在水環境治理過程中具有舉足輕重的地位，水環境容量的計算為總量控制目標的確定提供了理論基礎。本研究通過對江蘇省全省生活污染源、工業污染源和農業面源污染源排污的分布情況進行調查，并計算現狀污染物入河量，利用構建的江蘇區域水量水質數學模型，依據水環境功能區的水質目標與水域面積，估算了各地區水環境容量，量化出各地區污染物入河總量，對各地區水質目標可達性進行分析。計算結果表明，全省水環境容量COD為90.79萬噸，氨氮為11.76萬噸，2015年各地市污染物入河量均超過了水環境容量，水體功能嚴重受損。在采取一系列環境保護政策和水污染控制工程后，到2020年全省COD入河量下降到77.31萬噸，氨氮入河量下降到10.42萬噸，均達到規劃總量控制要求，但南京市、無錫市、揚州市、鎮江市和泰州市仍未達標，這些地區需進一步采取措施削減污染負荷。

關鍵詞：水環境容量;總量控制;水量水質模型;目標可達性

中圖分類號：X11? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-672X（2021）01-0103-09

DOI.10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2021.01.017

Calculation of water environmental capacity and accessibility of total amount control target in Jiangsu Province

Hu Kaiming1，2，Lou Mingyue1，2，3，Feng Bin1，2，Pang Yong3

（1. Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science， Nanjing 210036，P.R.China;

2. Jiangsu Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering， Nanjing 210036， P.R.China;

3. College of Environment， Hohai University， Nanjing 210098， P.R.China）

Abstract：Over the past 30 years of reform and opening up， Jiangsu Province has witnessed rapid economic development， while environmental pollution and ecological damage have become more prominent. The total amount control of pollutants can make up for the defects caused by the emission concentration control， and plays an important role in the process of water environment treatment. The calculation of water environment capacity provides a theoretical basis for the determination of total amount control objectives. In this study， the distribution of domestic pollution sources， industrial pollution sources and agricultural non-point sources pollution sources in Jiangsu Province was investigated， and the current amount of pollutants into the river was calculated. Based on the water quality objectives and water area of the water environment functional areas， the water environment capacity of each region was estimated and the total amount of pollutants into the river was quantified The accessibility of water quality objectives in each region was analyzed. The calculation results show that the water environmental capacity of the whole province is 90.79 ten thousand tons of COD and 11.76 ten thousand tons of ammonia nitrogen. In 2015， the amount of pollutants into the river exceeded the water environmental capacity， and the water function was seriously damaged. After adopting a series of environmental protection policies and water pollution control projects， by 2020， the amount of COD entering the river will be reduced to 77.31 ten thousand tons， and the amount of ammonia nitrogen will be reduced to 10.42 ten thousand tons， all of which can meet the requirements of total planning control. However， Nanjing， Wuxi， Yangzhou， Zhenjiang and Taizhou are still not up to the standard. Further measures should be taken to reduce the pollution load in these areas.

Key words：Water environmental capacity;Total control;Water quantity and quality model;Target accessibility

隨著社會經濟的快速發展和城市化進程的不斷推進，江蘇省生態環境急劇惡化，尤其是水域污染和富營養化日趨嚴重，總氮、總磷、生化需氧量（BOD）、化學需氧量（COD）等多項污染物指標超標，水質的急劇惡化逐漸成為經濟發展的制約因素[1-2]。為此各地政府開展了大量的河流污染治理工作，雖然局部水域污染狀況得到一定程度的改善，但是水環境惡化的趨勢并未得到有效遏制[3]。控制河湖污染物總量的關鍵在于制定科學合理的河湖污染防治措施，而水環境容量是制定科學合理的流域污染防治措施的主要依據，水環境容量分析與流域污染物排放預測已逐漸成為水環境管理的一種重要手段。

本研究通過綜合調查和總結以往研究成果，對江蘇省各地市水污染現狀及其污染源進行了分析和測算，并通過建立區域河網、湖泊及長江江蘇段水量水質數學模型[4-5]，根據水功能區的水質目標測算各控制單元水環境容量，并基于各控制單元水環境容量，對各地市水環境容量進行匯總，確定各地市污染物總量控制目標。最終，結合各地市污染物入河量預測，進行目標可達性分析，為江蘇省各地市后續的科學治理河湖污染提供基礎支撐。

1? ? 研究區域概況

江蘇省按流域可劃分為淮河、長江（含太湖）兩大流域。長江流域共分4個水生態控制區，分別為沿江風險防范區、跨界水生態保護控制區、太湖上游控制區、太湖湖體富營養化控制區，劃分為53個國家級控制單元。淮河流域水系共分4個水生態控制區，分別為京杭運河江蘇段控制區、淮河江蘇控制區、江蘇排海區和通榆河控制區，劃分為48個國家級控制單元[6]。

2? ? 計算方法

2.1? ? 水環境數學模型構建

以流域降雨徑流模型和分布式污染負荷模型[7]的計算結果（廢水量和污染物量）提供的設計水文條件和邊界條件為基礎，根據江蘇省河網、湖泊及長江江蘇段分布特征，將天然河流和湖泊進行合并、概化，建立考慮點源及面源共同影響的江蘇省河網模型，再與湖泊水動力和水質模型相互耦合，構建覆蓋研究區域的河網-湖泊污染負荷總量計算模型[8]，模擬河網以及湖體的水動力特征及污染物遷移轉化的變化過程，為江蘇省各地市水環境容量及總量控制計算提供條件。

2.2? ? 水環境容量計算方法

2.2.1? ? 河網區水環境容量計算方法

根據確定的邊界水文條件，利用研究區域河網水環境數學模型，根據功能區水質目標計算出研究區域最小空間單元和最小時間單元的水環境容量值;再根據公式匯總出各控制單元的水環境容量值[9-10]。河網區水環境容量具體計算公式如式（1）和式（2）。

式中：Csij為不同功能區相應水質標準下的濃度;K為水質降解系數;Vij為不同功能區的水體體積;Q0ij、C0ij分別為不同功能區進口斷面的入流流量和水質濃度。Wij為控制單元的水環境容量值。計算中最小空間計算單元為河段（河段為兩節點之間的河道，取值范圍為200～1000m），最小時間計算單元為天。

W=aij×[j=1ni=1mW]ij? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：αij為不均勻系數[11];αij∈（0，1]，河道越寬、水面越大，則αij越小。本次水環境容量計算中的αij取值范圍為0.6～1.0。

對于往復流地區，采用雙向流[12]計算公式，具體如下：

式中：A為正向流計算時間段天數;B為反向流計算時間段天數;W正為正向河流的水環境容量值;W反為反向河流的水環境容量值。

2.2.2? ? 長江水體水環境容量計算方法

長江江蘇段水環境容量由兩部分組成：一為向長江排污形成污染帶長度的水環境容量;二為引長江水到內河地區增加的稀釋容量。向長江排污產生的水環境容量由污染帶長度控制法進行計算;引長江水增加的稀釋容量按照完全混合公式進行計算。

首先根據長江沿線的工業污染源分布情況、主要入江支流排污口分布情況、沿江污水處理廠分布情況進行入江排污口概化。根據水文設計條件以及率定得到的水量水質模型參數，采用一、二維聯解的非穩態水量水質數學模型對概化排污口進行污染帶長度計算，求得不同污染帶長度時的各排污口允許排污量值。以各排污口允許排污量值為基礎進行向長江排污產生的水環境容量量計算，具體為：

①計算出概化排污口在不同污染帶長度下的允許排污量值。

②調查得到江蘇省沿江8個地級市的岸線長度，取岸線長度的10%作為排污混合帶區域。

③以8個地級市為單元，對所屬概化排污口的允許排污量值進行計算及累積。

在長江岸線長度的10%用作排污混合帶基礎上，根據概化排污口允許排污量計算結果，進行8個地級市允許排污量累計及向長江排污產生的水環境容量值計算。

2.2.3? ? 大型湖泊水環境容量計算方法

采用二維非穩態水量水質數學模型（模型應用守恒的二維非恒定流淺水方程），根據概化河道設計水量及相應功能區水質目標值計算得到不同風向下污染帶，形成污染帶的允許排污量即為湖泊的水環境容量[13]，計算公式見式（4）。

（4）

式中：Wij為單個排污口在某一風向風速下的水環境容量，并以污染帶面積控制;αij為各個風向風速頻率;n為排污口個數;b為不同風向風速頻率個數;ΔW為水環境容量訂正值，用以補充未概化到的河道的水環境容量值。

2.3? ? 污染物入河量計算方法

根據江蘇省各地市統計年鑒中2015年人口、耕地面積、畜牧業生產情況等相關資料，環保部門提供的2014-2015年污染源普查資料和動態更新數據及水利普查資料進行污染源入河量計算，具體計算方法如下：

W[入河量=W1]×[β1]+[W2]×[β2][+W3]×[β3]? ? ? ?（5）

式中：W1為工業源污染物排放量;β1為工業源污染物入河系數（取值范圍為0.8～1）;W2為生活污染源排放量;β2為生活源污染物入河系數（取值范圍為0.6～1）;W3為農業源污染物排放量;β3為農業源污染物入河系數（取值范圍為0.15～0.3）。

2.4? ? 計算條件及參數確定

2.4.1? ? 功能區劃

根據《江蘇省地表水（環境）功能區劃》（蘇政復〔2003〕29號）及相關調整[14]，結合《國務院關于全國重要江河湖泊水功能區劃（2011-2030年）》（國函〔2011〕167號）的批復要求[15]，綜合確定本次計算的水功能區單元為1338個。對于1338個水功能區單元中的水質目標值，首先以《國務院關于全國重要江河湖泊水功能區劃（2011-2030年）》（國函〔2011〕167號）的批復確定功能區水質目標為準，對于國家沒有劃分的水功能區單元的水質目標值，取《江蘇省地表水（環境）功能區劃》（蘇政復〔2003〕29號）規定的2020年水質目標值。

2.4.2? ? 設計水文條件

按照《水域納污能力計算規程》（GB25173-2010）[16]的規定，利用江蘇省主要水文測站長序列降雨、水文資料計算得到90%保證率下的典型年水位及流量值，以進行90%保證率下的水環境容量值的計算。

2.4.3? ? 水質降解系數

在以往工作的基礎上，取本次計算環境容量的降解系數值的范圍為：蘇南水體CODMn的水質綜合降解系數在0.08～0.13（1/d）之間，蘇北水體CODMn的水質綜合降解系數在0.07～0.19（1/d）之間;蘇南水體氨氮的水質綜合降解系數在 0.07～0.18（1/d）之間，蘇北水體氨氮的水質綜合降解系數在0.07～0.19（1/d）之間。

2.4.4? ? 不均勻系數

水體環境容量的理論值，為水體污染物均勻混合后的數值，但是污染物排入水體后在上下游、左右岸、上下層很難達到均勻混合。為保證環境容量計算結果與實際不均勻現象相一致，在河網（河道）區和湖泊（水庫）區環境容量計算過程中采用了不均勻系數進行訂正，將水體不均勻混合的環境容量乘以不均勻系數，得出水體滿足一定控制條件下的水體環境容量值，不均勻系數取值界于0和1之間。

2.4.4.1? ? 河網（河道）區不均勻系數

河道越寬，污染物排入水體后達到均勻混合越難，不均勻系數就越小，分析得出河網（河道）區不均勻系數如表1所示。

2.4.4.2? ? 湖泊（水庫）區不均勻系數

湖泊越大，污染物排入水體后達到均勻混合越難，不均勻系數就越小，分析得出湖庫不均勻系數如表2所示。

3? ? 結果與討論

3.1? ? 水環境容量及減排量計算

根據江蘇省各控制單元水環境容量及現狀入河量計算結果，得出江蘇省13個地市污染物入河量、水環境容量以及需減排量，各地市水環境容量和2020年總量控制目標如表3所示。2015年江蘇省各地市污染入河量均超過了水環境容量，必須通過削減才能保障水體功能。本研究后續進一步分析江蘇省2015年后實施一系列環境保護政策和水污染控制工程后，到2020年各地市生活源、工業源和農業源污染物入河量預測值，并對總量控制目標進行可達性分析。

3.2? ? 污染物入河量預測

3.2.1? ? 生活污染源入河量預測

根據2020年江蘇省國民經濟社會發展趨勢，2020年江蘇城鎮人口增長率為2.21%。按照《江蘇省水污染防治工作方案》（省“水十條”）城市、縣城污水處理率取平均值90%，對2020年城鎮生活源進行預測。預測中新、擴、改建城鎮污水處理設施中出水應符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A標準[17]。預測生活源入河量計算結果如圖2所示。南京市、徐州市和鹽城市生活源COD入河量較高，生活源COD入河量分別為5.48、6.16和6.46萬噸/年。南京市、徐州市、蘇州市和鹽城市生活源氨氮入河量較高，生活源氨氮入河量分別為1.10、0.79、0.86和0.87萬噸/年。

根據對全省各行業2020年工業產值預測，對全省工業源COD和氨氮排放量進行預測。按照行業單位工業產值水污染物排放系數進行預測，暫不考慮技術進步對工業源減排的貢獻。預測工業源入河量計算結果如圖3所示。南京市、鹽城市和揚州市工業源COD入河量較高，工業源COD入河量分別為2.29、2.77和3.23萬噸/年。南京市、揚州市和泰州市工業源氨氮入河量較高，工業源氨氮入河量分別為0.19、0.33和0.34萬噸/年。

3.2.3? ? 農業污染源入河量預測

結合省“水十條”、《江蘇省太湖流域十三五總氮總磷污染控制方案》以及根據中央“一號文件”精神制定的《到2020年江蘇省農藥、化肥使用量零增長行動方案》等對區域面源污染控制的要求，2020年全省農業源污染排放總量削減1%～10%，之后維持農藥化肥“零增長”的同時，提高利用率。預測農業污染源入河量結果如圖4所示。徐州市、南通市、連云港市和鹽城市農業源COD入河量較高，農業源COD入河量分別為1.26、1.28、1.22和1.49萬噸/年。南通市、鹽城市和泰州市農業源氨氮入河量較高，農業源氨氮入河量分別為0.17、0.19和0.11萬噸/年。

3.3? ? 各地市總量控制目標可達性分析

將2020年江蘇省各地市生活源、工業源和農業源入河量預測值進行相加，得到2020年各地市污染物入河量，將前文計算得到的水環境容量與污染物入河量進行對比分析，進而判定到2020年各地市污染物總量控制是否達標。計算結果顯示，通過實施一系列環境保護政策和水污染控制工程后，江蘇省全省2020年COD入河量為77.31萬噸，氨氮入河量為10.42萬噸，均能達到規劃總量控制要求。但是到2020年13個地市未完全達標，COD總量未達標的地區有南京市、無錫市、揚州市和鎮江市，氨氮總量未達標的地區有南京市、無錫市、揚州市和泰州市，這些地區需進一步采取措施削減污染負荷。

4? ? 結論與建議

4.1? ? 結論

（1）2015年江蘇省各地市COD和氨氮污染入河量均超過了水環境容量，水體功能嚴重受損，必須實施一系列環境保護政策和水污染控制工程，確保總量控制達標，保障水體功能。通過對2020年污染物入河量預測，結果顯示南京市、徐州市和鹽城市污染物入河總量較高。就生活源來說，COD入河量鹽城最高，氨氮則是南京為主;就工業源來說，COD入河量揚州居多，氨氮則是泰州第一;就農業源來說，COD和氨氮入河量均是鹽城最高。

（2）總量控制目標可達性分析表明，到2020年全省COD和氨氮入河量均能達到規劃總量控制要求，但南京市、無錫市、揚州市和鎮江市COD超過環境容量;南京市、無錫市、揚州市和泰州市氨氮超過環境容量，當前水環境形勢依然十分嚴峻，污染物總量控制壓力仍然較大。

4.2? ? 建議

4.2.1? ? 深入推進太湖治理

在太湖流域嚴控工業廢水排放，大幅削減太湖上游地區工業污染負荷，大力調整宜興、武進產業結構，建立嚴于全省的氮磷控制制度，實施太湖流域總磷、總氮總量控制方案，加強15條主要入湖河流綜合治理;大幅削減農業面源污染負荷，實施化肥農藥減量工程，加快畜禽和水產養殖污染治理與管控，推行水產生態養殖，推進標準化魚池建設，規范池塘循環水養殖，加強水產養殖廢水集中排放控制;加快污水管網建設管理。

4.2.2? ? 加強長江沿線綜合整治

集中整治入江河流，加強入江排污口的治理和監管;建設長江生態安全帶，加強岸線保護，實施長江干線及洲島岸線開發總量控制;加強沿江經濟開發區（工業園區）綜合整治，減少污水排放量。

4.2.3? ? 提高淮河流域防治水平

加強生活污水及生活垃圾收集處理等城鄉環境基礎設施建設;大力推進海綿城市建設，盡可能減少污水處理廠尾水長距離導流;限制徐州、宿遷等缺水地區發展耗水型產業，調整產業結構，嚴格控制高耗水、高耗能和重污染的建設項目;推進規模化畜禽糞便資源化利用，控制種植業污染。

4.2.4? ? 深化污染防治工作

對于南京市、無錫市、揚州市、鎮江市和泰州市這5個總量不達標的城市，要深化工業污染防治，嚴格環境準入，加大落后化工產能淘汰力度，加快產業結構升級和布局調整;同時進一步提升生活污水處理水平，提高污水集中處理設施運行效率;推進農業農村污染整治，調整漁業產業結構，并且深入開展區內水環境綜合整治，調活水體流動性，進行內河疏浚、河湖水生態修復。通過建立流域—控制單元—控制斷面的治理體系，以控制單元治理保障斷面水質達標，以斷面水質達標確保流域控制目標完成，系統推進流域水污染防治。

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收稿日期：2020-12-09

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項項目（2018ZX07208-004）、江蘇省自然科學基金——青年基金項目（BK20191083）與江蘇省環保科研課題（2018004、2018005）聯合資助。

作者簡介：胡開明（1985-），男，安徽銅陵人，博士，高級工程師，主要從事水環境數值模擬與水污染控制方向研究。