陸海統籌的南流江流域污染物總量分配研究

王 黎 胡守明 孟慶佳 鄧義祥#

(1.上海市環境科學研究院,上海 200233;2.上海水環境模擬與水生態修復工程技術研究中心,上海 200233;3.上海環境保護有限公司,上海 200233;4.臨沂市生態環境局蒙陰縣分局,山東 臨沂 276200;5.中國環境科學研究院,北京 100012)

總量分配計算是實施污染物總量控制的核心步驟[1]。在確定的水文設計條件和分配原則下,總量分配可歸結為在水質目標或污染物削減目標的約束下,使污染物總量或污水處理費用等目標函數達到最優的問題[2]。總量控制建立起了污染物排放量和水體水質之間的響應關系,實現了水污染控制管理目標與水環境質量目標的緊密結合。

南流江位于廣西南部,匯入廉州灣。隨著沿海地區工農業生產迅速發展,大量污染物通過南流江進入廉州灣,導致廉州灣海水水質異常頻率增加。“源頭在陸域,影響在海域”是廉州灣環境問題的主要特點,因此廉州灣環境容量是南流江流域污染物總量控制的重要約束條件[3]。統籌分析廉州灣管理需求與南流江流域污染物產生的社會經濟活動情況,是制定該區域環境保護措施的關鍵。根據南流江流域內的相關地市的環境統計數據簡單計算發現,南流江流域1年的化學需氧量(COD)、氨氮、總氮(TN)和總磷(TP)產生量分別為199 169、9 725、22 837、3 960 t。

本研究以廉州灣和南流江控制斷面水質改善為目標,統籌考慮南流江流域、南流江河口、廉州灣近岸海域,建立廉州灣主要入海排污口與入海河流的污染負荷與廉州灣近岸海域水質的響應關系場,確定廉州灣近岸海域環境容量,具體以廉州灣近岸海域環境功能區水質目標為約束條件,利用線性規劃的方法計算入海主要污染物的最大允許排放量,進而以南流江河口最大允許排放量和南流江流域水功能區水質目標為約束條件,應用連續箱式(CSTR)模型計算南流江流域各控制單元的污染物排放總量,通過陸海統籌將污染物總量分配到南流江流域內玉林、欽州和北海3地市。

1 研究方法

1.1 研究區域

根據南流江流域的河流分布、匯水關系和行政邊界,將南流江流域劃分為18個控制單元(見圖1),分別為車陂江單元、清灣江單元、塘洋河單元、麗江單元、綠珠江單元、水鳴河單元、張黃江單元、馬江單元、武利江單元、洪潮江單元、東平河單元、干流福綿陸川段單元、干流博白北段單元、干流博白南段單元、干流浦北段單元、干流合浦段單元、合浦廉州灣區單元、海城廉州灣區單元。其中合浦廉州灣區單元、海城廉州灣區單元屬于南流江河口單元。

圖1 南流江流域的控制單元Fig.1 Control units of Nanliu River Basin

1.2 入海污染物總量分配

首先,利用區域海洋模擬系統(ROMS)模型建立廉州灣海域水動力模型和4種主要污染物的水質響應場,通過線性規劃的方法[4]計算廉州灣海域的主要污染物環境容量。然后,根據《廣西壯族自治區近岸海域環境功能區劃調整方案》(桂政辦發〔2011〕74號)確定廉州灣近岸海域環境功能區水質目標(見圖2),構建各個排口和廉州灣近岸海域環境功能區水質目標響應關系計算南流江河口主要污染物的最大允許排放量[5-8]。

圖2 廉州灣近岸海域環境功能區水質目標Fig.2 Water quality targets of coastal marine environment functional areas in Lianzhou Bay

1.3 陸域污染物總量分配

以南流江河口最大允許排放量為約束,同時根據《重點流域水污染防治規劃(2016—2020年)》確定南流江流域水功能區水質目標,利用CSTR模型[9-10]計算南流江流域各控制單元的污染物排放總量。南流江納入計算的河段共計84段,1 065 km。

根據《環境影響評價技術導則 地表水環境》(HJ 2.3—2018)關于邊界條件的規定并結合南流江流域水質目標的差異,對常規污染物(COD和氨氮)和富營養化污染物(TN和TP)分別設定水文條件。為保證在不利水量條件下水質達標,COD和氨氮總量計算時水文條件采用90%保證率的月均入海徑流量;TN和TP由于主要是長期累積效應,因此其水文條件采用多年平均入海徑流量。

南流江流域90%保證率的月均入海徑流量為45.68 m3/s,多年平均入海徑流量為229.41 m3/s。

河口單元的水質目標須以海域目標為關鍵約束,因為僅靠河口單元流域水功能區水質目標達標不能滿足廉州灣水質目標達標的要求,必須同時考慮廉州灣的近岸海域環境功能區水質目標進行總量控制,因此河口單元的水質目標按表1進行設置。

表1 南流江流域河口單元水質目標Table 1 Water quality targets of Nanliu River Basin estuary units mg/L

2 研究結果

2.1 入海污染物總量分配結果

廉州灣入海污排口和入海河流的主要污染物最大允許排放量、削減量和削減比例分配結果見表2。廉州灣入海COD最大允許排放量為24 493 t/a,其中南流江的占比最大,達到了75%;入海氨氮最大允許排放量為3 425 t/a,其中南流江的占比為61%;入海TN最大允許排放量為10 052 t/a,其中南流江的占比為89%;入海TP最大允許排放量為776 t/a,其中南流江的占比為79%。TN和TP所需的削減比例分別為49%、54%。COD和氨氮無需削減。

表2 入海主要污染物總量分配結果Table 2 Allocation results of total pollutants running into the sea

2.2 陸域污染物總量分配結果

遵照“地方各級人民政府對本行政區環境質量負責”的原則,以縣(市、區)為單位統計的陸域污染物總量分配結果見表3。結果顯示,南流江流域陸域的COD、氨氮、TN和TP的最大允許排放量分別為126 365、5 403、8 939、1 127 t/a,分配到玉林的總量最多,分配到北海的總量最少。污染物總量削減比例計算結果見表4,COD、氨氮、TN和TP削減比例分別為37%、44%、61%、72%。

表3 南流江流域陸域污染物總量分配結果Table 3 Allocation results of terrestrial total pollutants in Nanliu River Basin t/a

2.3 分階段削減目標的確定

根據南流江流域陸域污染物總量分配結果,由于污染物削減比例較大,難以在短期內完成,因此考慮采用分階段削減的方法。2020年,要求南流江和廉州灣控制斷面污染物年平均濃度達到相應功能區水質目標。以鄉鎮和街道為單位,對于城鎮生活源和工業源,按控制目標確定削減比例,最高削減比例設定為50%;對于農業源,同樣按控制目標確定削減比例,但最高削減比例設定為30%。按地市匯總得到的2020年南流江流域污染物總量控制削減量如表5所示。2030年,要求南流江和廉州灣控制斷面全面穩定達到相應功能區水質目標。以鄉鎮和街道為單位,城鎮生活源、工業源、農業源的污染物排放量全面達到基于相應功能區水質目標計算得到的總量控制要求。

表4 南流江流域陸域污染物總量削減比例Table 4 Percentage of terrestrial total pollutant reduction in Nanliu River Basin %

根據當地水污染防治的實際情況,南流江流域的污染物控制工程項目集中在南流江流域污染源治理、流域生態修復與保護兩方面,項目個數分別約占項目總數的70%、19%,項目投資比例分別占84.45%、14.50%。到2020年,南流江流域各地市已經達到的污染物削減能力見表6。對比2020年南流江流域污染物總量控制削減量和主要污染物控制工程項目的削減能力,2030年實現南流江和廉州灣控制斷面全面穩定達到相應功能區水質目標壓力不大。

表5 2020年南流江流域污染物總量控制削減量Table 5 Reduction amount based on total pollutants control for 2020 in Nanliu River Basin t/a

表6 2020年南流江流域主要工程項目污染物總量控制削減能力Table 6 Reduction capacity based on total pollutants control for 2020 in Nanliu River Basin by main engineering projects t/a

3 結 論

廉州灣入海COD、氨氮、TN和TP的最大允許排放量分別為24 494、3 425、10 052、776 t/a。南流江流域COD、氨氮、TN和TP的最大允許排放量分別為126 365、5 403、8 939、1 127 t/a。為實現入海總量的控制目標要求,重點應在南流江流域削減污染物排放量,COD、氨氮、TN和TP削減比例應分別達到37%、44%、61%、72%;同時廉州灣入海TN和TP也需分別削減49%、54%。

到2020年,南流江流域主要污染控制工程項目的削減能力已超過2020年污染物總量控制削減量,因此2030年實現南流江和廉州灣控制斷面全面穩定達到相應功能區水質目標壓力不大。