基于控制單元劃分技術(shù)的百瀆港斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析

鮑 琨,逄 勇,2,孫 瀚,莫旭東,王 民

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;3.連云港市環(huán)境監(jiān)測中心站,江蘇連云港 222000)

太湖流域是國家確定的“三河三湖”水污染防治的重點流域之一,隨著太湖流域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人口增長,污染湖泊的因素不斷增多,太湖現(xiàn)狀水質(zhì)總體劣于Ⅴ類[1].“十五”以來,雖然采取了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、污染源治理、達(dá)標(biāo)排放及加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)督管理等多方面的措施,但是水質(zhì)改善的總體效果不甚明顯[2].控制單元是具有經(jīng)濟(jì)管轄權(quán)和較為完整的社會、人口、環(huán)境和資源等相關(guān)資料的客觀實體,是進(jìn)行水污染控制和管理的基本單元.通過控制單元的劃分,可以有針對性地實現(xiàn)污染物排放的控制[3].

美國的TMDL計劃探討了控制單元的劃分原則和劃分尺度問題,并著重分析了大小尺度控制單元的各自優(yōu)缺點[4-5].國內(nèi)目前控制單元的劃分大都以自然形成的流域?qū)?yīng)的匯水區(qū)為基礎(chǔ),存在“一刀切”控制污染物指標(biāo)和排污數(shù)量的問題[6-7],而實現(xiàn)從污染物排放目標(biāo)總量控制技術(shù)向基于流域控制單元水質(zhì)目標(biāo)總量控制技術(shù)的轉(zhuǎn)變是必然的趨勢[8-9].太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)水流受潮汐的影響,河道中的水流方向不固定,該地區(qū)的河道多為往復(fù)流河道[10-12],這種水流特點決定了污染物對控制斷面水質(zhì)的影響復(fù)雜多樣,劃分控制單元存在一定的難度.

百瀆港位于宜興市東北部與常州交界處,為漕橋河與太氵鬲運河交匯后入太湖斷面.漕橋河與太氵鬲運河是連接太湖與氵鬲湖的主要水力通道,也是太湖主要入湖河流.本文劃分了影響百瀆港斷面水質(zhì)的污染控制單元,并通過權(quán)重分析法進(jìn)行了合理性分析.根據(jù)區(qū)域內(nèi)各類污染源排放情況以及水環(huán)境現(xiàn)狀,研究污染物的輸移全過程,構(gòu)建河網(wǎng)污染源-水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系模型,制定百瀆港入湖斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)控制方案,為全流域開展污染源控制與污染物減排提供技術(shù)支撐.

1 控制單元劃分方法

1.1 劃分原則

控制單元是保證控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的主要污染物控制區(qū)域.控制單元劃分技術(shù)指的是根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)污染源分布情況和河流水文特征,確定影響控制斷面水質(zhì)的主要污染源的分布區(qū)域的技術(shù)方法.主要思路是,首先建立研究區(qū)域水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,然后根據(jù)區(qū)域內(nèi)污染源分布特征及擬定邊界的水質(zhì)狀況,結(jié)合模型計算出影響控制斷面水質(zhì)的主要污染源所在區(qū)域.控制單元劃分原則主要有以下兩點:

a.水文情況.研究區(qū)域處于太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū),河流湖浜眾多,河流多為自西向東、自北向南的流向.由于受潮汐影響,大部分河流為雙向流,這使得上游污染源對斷面水質(zhì)的影響較為復(fù)雜多變,因此進(jìn)行控制單元劃分時要考慮到流域的完整性.

b.區(qū)域內(nèi)污染源分布情況.劃分控制單元時,應(yīng)考慮使控制斷面水質(zhì)主要取決于控制單元內(nèi)污染負(fù)荷的分布情況,即通過對控制單元內(nèi)部污染源的控制能基本使控制斷面的水質(zhì)達(dá)標(biāo).

1.2 水質(zhì)數(shù)學(xué)模型建立及參數(shù)選取

控制斷面水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計算公式[13-14]為

式中:ρ——計算斷面水體污染物質(zhì)量濃度,mg/L;k——水質(zhì)降解系數(shù),d-1;u——流速,m/s;x——污染源與計算斷面縱向距離,m;W——概化排污口排污量,t;ρ0——邊界水體污染物質(zhì)量濃度,mg/L;Q0——河流流量,m3/s,Q0=Bhu,B為河寬,h為河道平均深度.

計算選取的水質(zhì)降解系數(shù)k參考太湖流域大網(wǎng)模型的水質(zhì)降解系數(shù)的率定結(jié)果,綜合考慮附近區(qū)域水質(zhì)降解系數(shù)的規(guī)律,COD在0.08～0.12d-1之間選取,氨氮(NH3-N)在0.07～0.1d-1之間選取,總磷(TP)在0.07～0.1d-1之間選取.

1.3 控制斷面上游河流排污口的概化

概化排污口的入河污染源包括工業(yè)點源、生活點源和農(nóng)業(yè)面源,其中工業(yè)點源按雙80%(即占各單元污染物總量的80%與占各鎮(zhèn)污染物總量的80%相結(jié)合)的原則進(jìn)行了篩選.原則上,有大型污水處理廠處、工業(yè)企業(yè)密集區(qū)及城市人口密集區(qū)附近的河流需要概化排污口.排污口若距離較近,可把多個排污口簡化成集中的排污口.距離較遠(yuǎn)并且排污量均比較小的分散排污口,可概化為非點源入河.

通過排污口的概化,結(jié)合區(qū)域水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,可建立控制斷面水質(zhì)與上游概化排污口的響應(yīng)關(guān)系.響應(yīng)關(guān)系形如 ρ控制斷面=f(ρ邊界斷面,ρ支流,W1,W2,…).先建立支流排污口與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系,再確定干流排污口與控制斷面水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系.支流匯入時要求功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo),邊界水質(zhì)取實測值.

1.4 劃分合理性分析技術(shù)

在控制斷面水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,可采用水質(zhì)超標(biāo)率權(quán)重控制法對控制單元劃分合理性加以分析,其中控制單元外部污染源對控制斷面水質(zhì)的影響以邊界水質(zhì)的影響代替.設(shè)邊界來水水質(zhì)對控制斷面水質(zhì)超標(biāo)的影響率與控制單元內(nèi)污染源的排放對控制斷面水質(zhì)超標(biāo)的影響率比值為α,計算公式為

式中:ρ1——邊界取枯水期最不利情況實測水質(zhì)時,不考慮內(nèi)部污染源排放情況下按模型計算得出的控制斷面的水體污染物質(zhì)量濃度,mg/L;ρ2——邊界取功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)時,考慮內(nèi)部污染源排放情況下按模型計算得出的控制斷面水體污染物質(zhì)量濃度,mg/L;ρs0——控制斷面水質(zhì)目標(biāo),取江蘇省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃中要求的水體污染物質(zhì)量濃度,mg/L.α越小,則控制單元內(nèi)污染源的排放對控制斷面水質(zhì)影響越大,控制單元邊界來水水質(zhì)對控制斷面水質(zhì)影響越小,α＜1時,控制斷面水質(zhì)主要受控制單元內(nèi)污染源的排放影響;α＞1時,控制斷面水質(zhì)主要受控制單元邊界來水水質(zhì)的影響;若邊界水質(zhì)實測值優(yōu)于其水質(zhì)目標(biāo),即α≤0時,控制斷面水質(zhì)情況完全由控制單元內(nèi)污染源的排放決定.根據(jù) α可計算出控制單元內(nèi)外污染源對控制斷面水質(zhì)超標(biāo)影響的權(quán)重.一般當(dāng)單元內(nèi)污染源對控制斷面水質(zhì)超標(biāo)的影響超過50%時,可認(rèn)為控制單元劃分合理.

2 百瀆港控制單元的劃分

2.1 擬定控制單元的劃分

結(jié)合百瀆港斷面上游河流水文特征及污染源分布情況,擬定大小尺度不同的3個控制單元Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ.擬定控制單元Ⅰ主要包括了太氵鬲運河與漕橋河流域;擬定控制單元Ⅱ主要包括了氵鬲湖以東太湖以西,江南運河以南殷村港以北的流域;擬定控制單元Ⅲ主要包括了長江以南整個常州、宜興地區(qū)的流域范圍.具體如圖1所示.

根據(jù)圖1所示的污染源分布與河流水文特征,擬定控制單元Ⅰ尺度較小,未必能完全揭示流域的污染過程,若僅僅對控制單元內(nèi)污染負(fù)荷進(jìn)行削減,不足以使控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo);擬定控制單元Ⅲ尺度較大,可能出現(xiàn)對離控制斷面較遠(yuǎn)處上游的污染源削減后,控制斷面水質(zhì)將不會出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)的現(xiàn)象.因此初步確定擬定控制單元Ⅱ為百瀆港控制單元.

2.2 研究區(qū)域水質(zhì)數(shù)學(xué)模型合理性分析

將百瀆港斷面上游污染源概化為8個排污口,具體如圖2所示.

圖1 擬定控制單元范圍示意圖Fig.1 Sketch of control unit's scope

圖2 擬定控制單元概化排污口示意圖Fig.2 Sketch of control unit's generalized drain outlet

百瀆港斷面與上游排污口及河流邊界水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系公式如下:

將該模型計算值與2007年百瀆港斷面水質(zhì)實測值進(jìn)行比較,COD,NH3-N和TP計算值與實測值的誤差分別為2.13%,6.31%和10.72%,誤差均小于20%,說明該排污口概化及響應(yīng)關(guān)系計算模型基本合理.

2.3 控制單元劃分結(jié)果

在研究區(qū)域水質(zhì)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,根據(jù)水質(zhì)超標(biāo)率權(quán)重法計算出擬定各控制單元內(nèi)、外污染源影響權(quán)重,具體如表1所示.

從表1可知,擬定控制單元Ⅰ的內(nèi)外影響權(quán)重相當(dāng),擬定控制單元外污染物對控制斷面水質(zhì)影響依然很大,而擬定控制單元Ⅲ雖然比擬定控制單元Ⅱ面積大很多,但兩個控制單元內(nèi)外污染源影響權(quán)重變化不大,可見,擬定控制單元Ⅱ為影響百瀆港斷面水質(zhì)的主要控制區(qū)域范圍.結(jié)合行政區(qū)劃,最終確定影響百瀆港控制斷面水質(zhì)的污染控制單元如圖3所示.

表1 擬定控制單元內(nèi)、外污染源影響權(quán)重Table 1 Influence weights of control units for internal and external pollution sources

3 百瀆港斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)削減方案

根據(jù)《江蘇省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃》的要求,百瀆港斷面近期應(yīng)達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn),遠(yuǎn)期應(yīng)達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)2007年污染源普查資料及湖西重污染區(qū)各主要河流水質(zhì)斷面實測資料,分別從污染物分鎮(zhèn)總量達(dá)標(biāo)控制方案(A方案)和控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案(B方案)入手研究控制單元內(nèi)污染源的削減措施.

圖3 百瀆港控制單元范圍示意圖Fig.3 Sketch of control unit's scope of Baidu Port

A方案通過污染源和水質(zhì)資料計算出控制單元內(nèi)各鎮(zhèn)污染物的環(huán)境容量和入河量,利用入河量減去環(huán)境容量再除以入河量,得出各鎮(zhèn)污染物的削減率.根據(jù)各鎮(zhèn)污染物削減率,通過排污口概化和模型計算得出百瀆港斷面削減后的COD質(zhì)量濃度為29.8 mg/L,NH3-N質(zhì)量濃度為2.65mg/L,TP質(zhì)量濃度為0.31mg/L.COD經(jīng)削減后基本滿足功能區(qū)Ⅳ類水要求,NH3-N和TP仍不能滿足功能區(qū)水質(zhì)要求.

在A方案基礎(chǔ)上,以控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)為前提,根據(jù)上游河流來水水質(zhì)不同和各污染源污染物排放量的變化,得到控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案(B方案).控制單元內(nèi)污染負(fù)荷分配,主要是將控制單元內(nèi)允許排放總量分配到各概化排污口.各概化排污口按對控制斷面水體污染物質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)率方法削減.各概化排污口排污量Wi(i=1,2,…,n)對控制斷面水體污染物質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)率計算公式為

式中:βi——概化排污口i對水質(zhì)影響權(quán)重;ρi——概化排污口i與入河斷面完全混合后的水體污染物質(zhì)量濃度,mg/L.

按照各概化排污口對控制斷面水體污染物質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)比例進(jìn)行分配,將超出允許排放量的部分進(jìn)行削減.經(jīng)計算,在邊界水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況下,各概化排污口COD需削減22%～66%,NH3-N需削減66%～80%,TP需削減55%～76%,見表2.

4 結(jié) 語

表2 B方案下各概化排污口水體污染物的削減率Table 2 Cut rates of pollutants at generalized drain outlets in case B %

為確保百瀆港入湖斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo),控制單元內(nèi)的點源污染需通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和工業(yè)布局、抓緊工業(yè)點源的提標(biāo)改造、提高污水處理廠接管率等措施進(jìn)行削減;控制單元內(nèi)的面源污染可通過建設(shè)農(nóng)村分散式小型生活污水處理設(shè)施、種植田地結(jié)構(gòu)調(diào)整、養(yǎng)殖業(yè)糞便資源化利用等措施進(jìn)行削減.

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