基于水環境約束的染整產業發展規模的優化研究
——以A工業園區為例

蔡 圃，邵 兵，李明亮

(廣西博環環境咨詢服務有限公司，廣西 南寧 530000)

紡織工業是我國發展最早且最具有國際競爭力的行業[1]，因該行業高耗水、高排放的特征[2]，已成為環境管理重點監控的行業。根據《第二次全國污染源普查公報》顯示，紡織工業水污染物的排放量已位居工業行業第3位。其中，化學需氧量（COD）、氨氮和總磷分別占工業行業排放總量的12.07%、7.64%和11.81%。其中，染整是紡織產業鏈的核心環節，也是排污量最大的環節[3]，對水環境的影響也最為嚴重。

目前，我國正處于紡織工業梯度轉移和重新布局的重塑期[4-5]，對于承接產業轉移的后發地區而言，科學確定產業發展規模十分重要。目前，在園區規劃工作中，土地、物流、能源、勞動力等要素對于產業的支撐作用報道較多[6]，但水環境的要素對于產業規模的約束作用報道較少。以A工業園區為例，根據園區規劃內容和區域環境等條件，提出了依據水環境的承載力和減排潛力來確定染整產業規模的方法和路徑。

1 概況

1.1 A園區規劃概況

A園區規劃建設用地面積為1 013公頃，其中，工業用地為443.25公頃，規劃布局為紡織染整、服裝加工、林產業加工、機械制造等產 業。其中，染整是園區規劃的主導產業，控制用地面積達2 250畝；規劃配套的給水和排水規模均為30萬t/d。但受當地水資源的分布約束，只能在流經園區南側的N河取水和排污，其取水口擬設置在排污口上游750 m處。規劃排污口COD執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中一級A標準（COD≤50 mg/L），氨氮和總磷執行《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中Ⅳ類標準（氨氮≤1.5 mg/L、總磷≤0.3 mg/L）。

1.2 N河環境概況

N河是當地流量最大的河流，從北向南獨流入海，干流全長287 km，河道平均坡降0.4‰，流域面積為9 704 km2，多年平均徑流量為69 m3/s，年徑流量為27.80億m3。在A園區斷面，控制流域面積為3 829 km2，典型的水文特征是：枯水期，90%保證率最枯月平均流量為9.17 m3/s，河寬107 m，平均水深0.57 m，平均流速0.15 m/s；豐水期，平均流量為139.42 m3/s，河寬140 m，平均水深1.53 m，平均流速0.6 5 m/s。

由于當地人口分布多，生豬養殖盛行，養殖污水和生活污水是N河面臨的主要環境問題，其主要污染因子是氨氮和總磷。根據水功能區劃，A園區規劃排污口到S電站（徑流式）25.4 km的河段為Ⅳ類水功能區，其后為Ⅲ類水功能區；規劃排污口下游42.8 km處為環境質量自動監測國控斷面。近年來，隨著流域環境治理的實施，流域水質逐漸好轉，在2020年國控斷面各項指標均滿足Ⅲ類水考核要求。但在局部河段，仍然存在總磷年均值不達標，氨氮年均值達標但個別月均值不達標的情況。因此，為確保國控斷面的穩定達標，新增排污量對應的超標因子應采取減量削減措施。

1.3 流域排污需求概況

在A園區上游27.8 km處分布有B園區，該園區正處于規劃階段，按照當地政府部門的要求，需預留的排污量為1萬m3/d，排污口執行一級A標準。在A園區上游54 km處分布有C園區，該園區正處于開發中期階段，現狀排污量為10萬m3/d，環評已批復、在建的污水處理設施的排污量為10萬m3/d，排污口執行標準與A園區相同。上述三個園區的位置關系及排污需求如圖1所示。

圖1 流域內園區位置關系及排污需求示意圖

1.4 區域減排潛力

區域內現有的工礦企業分布較散、排水較少，不具備削減潛力。因此，只能從造成流域水質問題的養殖污染源和生活污染源出發，從而采取減排措施，形成一定減排量。經當地政府部門多次研討，決定通過完善污水收集管網來提高現有污水處理設施的運行負荷，并根據相關需求增加社區和農村生活污水處理設施的建設，再通過清拆采用傳統水沖糞工藝的豬舍等途徑，實現了減排氨氮36.37 t/a、總磷6.19 t/a。具體減排情況詳見表1。

表1 區域減排措施和減排量統計表

2 水環境承載力以及改善質量狀況的評價方法

2.1 總體思路

按照《環境影響評價技術導則 地表水環境》（HJ 2.3-2018）推薦的方法，對于現狀達標因子（COD），計算剩余的環境承載力。計算方法是，將規劃排污口下游2 km處定為核算斷面，預留環境質量標準的8%作為安全余量，使該斷面的污染物最大濃度不超過Ⅳ類水質要求；而對于現狀超標因子（氨氮、總磷），根據區域減排潛力，采取減量削減措施，從而使區域環境質量整體得到一定改善，以達到改善水環境質量的目標。同時，在滿足上述要求的基礎上，還要確保下游國控斷面繼續滿足Ⅲ類水質的考核要求。

2.2 水環境承載力的評價方法

通常，排污口下游污染物的擴散河段稱為混合過程段，可采用二維連續穩定排放模型；而在混合過程段之后污染物完全混合均勻，稱為完全混合過程段，可采用一維連續穩定排放模型。

混合過程段計算公式見式（1）。

式中：Lm—混合段長度，單位：m；B—水面寬度，單位：m；a—排放口到岸邊的距離，單位：m；u—斷面流速，單位：m/s；Ey—污染物橫向擴散系數，單位：m2/s，按照《水域納污能力計算規程》（GB/T 25173-2010）推薦的方法計算。

二維連續穩定排放模型見式（2）。

式中：C—縱向距離x、橫向距離y點的污染物濃度，單位：mg/L；Ch—上游污染物背景濃度，單位：mg/L；m—污染物排放速率，單位：g/s；h—平均水深，單位：m；u—平均流速，單位：m/s；k—污染物綜合衰減系數，單位：/s，COD、氨氮、總磷分別取值0.2/d、0.1/d、0.05/d；n—河道糙率，無量綱，取值0.0004。

一維連續穩定排放模型見式（3）。

式中：C—預測點x處污染物的濃度，單位：mg/L；C0—完全混合斷面處的濃度，單位：mg/L；x—預測點離排放點的距離，單位：m。

2.3 水環境質量改善狀況的評價方法

通過對比規劃排污量和區域削減量對水環境質量的貢獻，采用平均質量濃度變化率評價流域環境質量改善狀況，計算公式見式（4）。將覆蓋規劃排污口和區域削減源的河段，每隔500 m劃分為一個計算斷面，分別計算規劃排污口新增污染物和區域削減措施減排污染物對各計算斷面的貢獻，然后求出各計算斷面貢獻值的算術平均值，得到規劃排污口和區域削減措施對流域的平均貢獻值。

3 計算結果分析與討論

3.1 水環境承載力的計算

3.1.1 背景濃度修正

在同一流域內，往往包含了不同的行政單元，為了避免各部分出現極不平衡的發展狀況，所以在水環境規劃和管控時要兼顧各單元的發展需求[7]。在計算COD的環境承載力之前，要根據區域排污需求對背景濃度進行修正。可采用一維水質模型，疊加B園區和C園區排污量在背景斷面的貢獻值，對背景濃度進行修正，使A園區允許排污量的計算結果更加合理。修正計算詳見表2。

表2 COD背景濃度修正計算表

3.1.2 水環境承載力計算

以修正背景濃度為基礎，把Ⅳ類水質標準限值的92%作為核算斷面的控制目標，將河道天然流量扣除6萬m3/d的園區的取水量作為計算的水文條件，采用二維連續穩定排放模型，計算得到COD的環境承載力詳見表3。按照一級A標準的排放限值（COD 50 mg/L）進行折算，得到允許排放量為豐水期44.10萬m3/d、枯水期5.61萬m3/d。為了確保各期水質均達標，要將豐、枯水期計算結果取嚴值，然后得到允許排放量為5.61萬m3/d。同時，還要結合當地政府的管理要求，分配5萬m3/d用于染整產業的發展，剩余部分用于其他產業的發展。

表3 COD水環境承載力和允許排放量計算結果表

3.2 區域削減與環境質量改善狀況計算

（1）將5萬m3/d的排水規模和Ⅳ類水質標準限值相乘，得到園區允許排污量。再利用區域削減減排量除以園區允許排污量，得到削減倍數為氨氮1.47、總磷1.25，達到了減量削減的目的。具體情況詳見表4。

表4 氨氮和總磷削減倍數計算表

（2）利用水質預測模型和平均質量濃度變化率公式，計算得到氨氮和總磷的平均質量濃度變化率，具體情況詳見表5。氨氮和總磷的計算結果均為負值，表明采取區域削減措施后，流域環境質量整體得到一定程度的改善。

表5 氨氮和總磷平均質量濃度變化率計算結果表

3.3 對下游國控斷面影響的計算

按照規劃排污口5萬m3/d的排水規模，考慮區域削減的貢獻，計算得到下游國控斷面豐、枯水期的質量濃度預測值，具體情況詳見表6。計算表明，三種主要污染物仍能滿足地表水Ⅲ類水質要求，說明規劃5萬m3/d的排水規模是可行的。

表6 規劃排污口對下游國控斷面的影響計算結果表

3.4 水環境承載力與產業規模的討論

園區染整產業主要以缸染、水洗、漿紗為主，因此，染整結構影響了產業的發展規模。根據類似園區的開發經驗，缸染、水洗和漿紗的畝均用水量分別為80 m3/d·畝、200 m3/d·畝、50 m3/d·畝。若規劃染整結構按5:3:2進行控制，通過加權計算得到畝均用水量為110 m3/d·畝。考慮中水回用率為30%，則允許的工業給水量為7.1萬m3/d，計算得到可開發面積為645畝。

為評判中水回用和染整結構對產業規模的影響，表7中給出了允許排污量保持在5萬m3/d不變時，5種不同情景下染整產業的可開發面積。在染整結構不變時，隨著中水回用率的提高，工業給水量增加，可開發面積增加；當中水回用率達到50%時，缸染、水洗和漿紗按5:3:2控制，計算得到可開發面積為907畝；在中水回用率不變時，隨著染整結構的調整，畝均用水量和可開發面積會發生一定變化。例如，當中水回用率保持30%不變時，隨著高耗水洗業務的下降，可開發面積會逐漸增加。

表7 不同情景下A園區染整產業的可開發面積計算表

根據上述計算，在現狀水環境約束和減排措施下，A園區的允許排污量應限定在5萬m3/ d以內。而在水環境承載力稀缺的情況下，應采取中水回用措施和調整染整結構，以進一步提高水資源的使用效率，且減小單位開發面積的排污量，在這種情況下推薦可開發面積控制在900畝以內，較規劃面積2 250畝減少60%。

4 結論

（1）染整產業具有高排放的特征，水環境承載力是影響產業規模的核心因素。在開展規劃工作時，要綜合考慮水環境質量現狀、區域排污需求和減排潛力，合理計算允許排污量，科學確定產業發展規模。

（2）對達標因子，建立了“環境質量現狀—水質目標要求—水環境承載力—允許排放量”的管控體系；對超標因子，建立了“區域污染源—減排潛力—減量削減—環境質量改善”的管控體系。

（3）在水環境承載力稀缺的地區，要加強中水回用和調整產業結構，以實現源頭節水和末端減排，從而促進染整產業的可持續發展。