基于控制斷面法的水環(huán)境容量及污染綜合治理研究

張國慶

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

在水體功能不被破壞的前提下，水體所能容納污染物的最大量即為水環(huán)境的容量[1]。水系統(tǒng)具有一定自凈和稀釋功能，該功能是影響水環(huán)境容量的重要參數(shù)指標(biāo)，是揭示污染物在水體環(huán)境中能夠得到擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移和消散的重要參數(shù)指標(biāo)[2]。一般條件狀況下，當(dāng)凈污比高于10～20倍之時(shí)，水環(huán)境容量可僅僅對(duì)稀釋作用進(jìn)行計(jì)算研究，而不考慮水體的自凈功能。隨著城市需水量和環(huán)境污染問題的日趨嚴(yán)峻，對(duì)染排放量控制和水環(huán)境容納量的研究已成為國內(nèi)外水環(huán)境領(lǐng)域的主要研究方向和重要內(nèi)容[3]。在控制污染物總排放量的狀況下，開展水環(huán)境容量的研究對(duì)緩解水體環(huán)境污染和水資源緊缺等問題具有重要意義[4]。

眾多學(xué)者分別針對(duì)不同流域開展了水環(huán)境容量的計(jì)算方法研究，如韓龍喜[5- 10]等結(jié)合南通水文地理河網(wǎng)特征，構(gòu)建了用于該地區(qū)的水質(zhì)水量模型并進(jìn)行模擬計(jì)算研究；孟偉[11]等通過分水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和基準(zhǔn)等概念，概述了制定上述標(biāo)準(zhǔn)的方法和過程，并探討了影響污染物總量控制的關(guān)鍵因素，同時(shí)對(duì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體系的保護(hù)功能、組成方面和制定方法等進(jìn)行了分析，總結(jié)了水指標(biāo)準(zhǔn)在污染物控制方面的應(yīng)用狀況；周剛[12]等以氨氮水質(zhì)和化學(xué)需氧量為研究指標(biāo)和參數(shù)，提出了RPSM非線性優(yōu)化算法和WESC2D水質(zhì)分析模型的河流污染物控制技術(shù)和方法。

當(dāng)前，對(duì)水質(zhì)環(huán)境的總目標(biāo)研究是水環(huán)境容量關(guān)鍵性技術(shù)控制措施探討研究的主要內(nèi)容，而實(shí)現(xiàn)從總目標(biāo)的設(shè)定到流域單元的水質(zhì)控制研究已成為未來相關(guān)控制計(jì)算研究發(fā)展的必然趨勢，且采用年際標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算采用較多的方法。據(jù)此，本文結(jié)合大凌河水系的基本稅額問特征，采用控制斷面法對(duì)水環(huán)境按月份進(jìn)行分配，以期為研究區(qū)域制定更加科學(xué)合理的水環(huán)境污染管理控制方案、水體污染治理措施提供參考依據(jù)和理論支持[13]。

1 水環(huán)境容量計(jì)算法

大凌河流域大部分區(qū)域?qū)儆谟暝葱秃恿鳎植康貐^(qū)匯水面積少且在枯水期河道徑流量小，通常情況下河流的補(bǔ)充水源不足，水環(huán)境的容納能力極其有限，而城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生產(chǎn)生活對(duì)水資源的需求導(dǎo)致對(duì)該流域的水資源開采強(qiáng)度較高，并給當(dāng)前的水環(huán)境治污系統(tǒng)帶來較大的壓力。本研究以遼寧省大凌河水環(huán)境容量為研究對(duì)象，依據(jù)大凌河流域交接斷面水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，為了對(duì)研究流域水環(huán)境容量進(jìn)行充分利用并達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)，本研究采用控制斷面法進(jìn)行大凌河流域水環(huán)境計(jì)算分析[14]。在滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求的條件下進(jìn)行某控制斷面處的水環(huán)境容量的計(jì)算分析是保證入河污染量計(jì)算準(zhǔn)確性和客觀性的基本前提。控制斷面的水環(huán)境容量是基于該控制斷面向上游方向進(jìn)行反推至某一斷面，將該區(qū)間內(nèi)排污口所能承受的排污能力極限值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并求和計(jì)算。自凈容量和稀釋容量是河流水環(huán)境容量的2個(gè)重要組成部分，其計(jì)算公式分別如下所示：

(1)

(2)

E=E1+E2

(3)

式中，E、E1、E2—分別為水環(huán)境容量，稀釋容量和自凈容量，g/s；c0、cs—分別為流域水體背景濃度和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L；Q—河流設(shè)計(jì)流量，m3/s；qi—河流污染物平均排放量，m3/s；k—河流污染物降解系數(shù)，d-1；ti—第i時(shí)段內(nèi)的水流時(shí)間，d；u—河流水流速度，m/s。

2 相關(guān)參數(shù)的確定

2.1 設(shè)計(jì)水文條件

因大凌河流域?qū)崪y水文資料相對(duì)缺乏，本研究對(duì)該該流域的計(jì)算分析采用遼寧省水文圖集徑流深等值線圖對(duì)不同保證率下大凌河交接斷面天然徑流量進(jìn)行推算。通過借鑒相關(guān)資料和圖集數(shù)據(jù)可知，研究區(qū)域年徑流變差系數(shù)Cv取0.36，平均徑流深度為980m，偏態(tài)系數(shù)Cs為2Cv，對(duì)不同頻率控制斷面的大凌河主要干、支流的天然徑流進(jìn)行推算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同頻率下大凌河流域交接斷面處天然徑流量計(jì)算結(jié)果

大凌河流域大部分區(qū)域?qū)儆谟暝葱秃恿?，在降雨汛期河流洪水存在明顯的陡漲陡落特征，而在非汛期的水流量較少。結(jié)合相關(guān)流域經(jīng)驗(yàn)，河流設(shè)計(jì)流量通常采用90%的保證率進(jìn)行水環(huán)境容量的計(jì)算，并利用典型年份的徑流量月分配狀況對(duì)水環(huán)境容量進(jìn)行逐月分配，以期為其他類似流域制定有效、合理的水環(huán)境污染控制管理方案和治理措施提供決策依據(jù)和理論支持。同時(shí)，為了保持河流的流動(dòng)性和自然性并維持河流一年四季的流水不斷，根據(jù)相關(guān)資料和研究成果，朝陽市對(duì)大凌河的再生補(bǔ)給年入水量月12870萬m3，該部分補(bǔ)給水資源量對(duì)大凌河的水環(huán)境在一定程度上產(chǎn)生影響。考慮到調(diào)水水量來源較為穩(wěn)定，且隨時(shí)間的變化量相對(duì)較小，據(jù)此可將該部分補(bǔ)給入水量在時(shí)間上假定為均勻分配。水環(huán)境容量水文條件為補(bǔ)給水量和保證率為90%的天然徑流量之和為24705萬m3，然后對(duì)其進(jìn)行逐月分配，大凌河月徑流量分配結(jié)果見表2。

表2 大凌河水環(huán)境容量逐月水文條件計(jì)算結(jié)果

2.2 大凌河水質(zhì)治理目標(biāo)

水資源不同功能要求、自然條件和開發(fā)利用現(xiàn)狀是進(jìn)行水功能區(qū)劃的主要依據(jù)，不同的水功能區(qū)劃具有各自的水質(zhì)管理目標(biāo)。結(jié)合遼寧省對(duì)跨界河流的水質(zhì)管理要求和朝陽市地面水環(huán)境功能區(qū)劃內(nèi)容，構(gòu)建了大凌河流域交接斷面處的水環(huán)境治理目標(biāo)為：除黑消臭，并達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，該水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)極限值表3。

表3 地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)水體中各項(xiàng)目指標(biāo)的質(zhì)量濃度極限值 單位：mg/L

2.3 水質(zhì)降解系數(shù)

水體環(huán)境中的污染物可通過物理、化學(xué)和生物降解作用進(jìn)行轉(zhuǎn)移、消除和稀釋作用，而降解系數(shù)是反映污染物在水體中降解速率快慢的重要參數(shù)，是表征水環(huán)境中一系列復(fù)雜行為的綜合體現(xiàn)。采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法、河道實(shí)地現(xiàn)場測量法、采用模型參數(shù)率定法和實(shí)驗(yàn)室測定法是污染物降解系數(shù)測定的主要方。本研究中結(jié)合大凌河流域納污能力相關(guān)計(jì)算研究，采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法進(jìn)行降解系數(shù)K的計(jì)算，K為0.18d-1。

3 結(jié)果與分析

利用文中所得基本參數(shù)和方法，可獲得大凌河朝陽區(qū)段的水環(huán)境容量在90%保證率河流補(bǔ)水和天然流量情況下分配狀況，月分配狀況統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 COD年大凌河朝陽段總水環(huán)境容量月分配情況與入河污染物量

以水體環(huán)境中COD參數(shù)指標(biāo)為例，由表4計(jì)算結(jié)果可知，大凌河入河污染物總量和水環(huán)境容量分別為65640、6436t，年平均污染物量與水環(huán)境容量比值為10.2。水環(huán)境容量整體表現(xiàn)為豐水期較大、枯水期較小，其最大和最小值分別位于7月份和12月份。

通過對(duì)大凌河流域污染源和污水處理廠運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析，得到研究區(qū)域COD年污染負(fù)荷量為122410t，且年污染物處理量約為567700t，污染物年入河總量為65640t，且在枯水期12月份的污染物量和水環(huán)境容量的最高比值可達(dá)57.0倍。由此可知，大凌河朝陽段河流污染物入河量相對(duì)于水環(huán)境容量非常大，污染負(fù)荷量明顯大于水環(huán)境的最大承載力，特別是在枯水期污染物量與水環(huán)境容量比值高達(dá)57.0倍；雖然在豐水期河流水環(huán)境容量較大，然而污染負(fù)荷量依舊超高水環(huán)境的最大承載力。

根據(jù)研究區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展基本特征和城鎮(zhèn)化發(fā)展基本狀況可知，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城鎮(zhèn)化建設(shè)、人口數(shù)量的增大是引起區(qū)域內(nèi)水資源用量廢水排放量增加的主要因素，而水環(huán)境治理措施滯后和污水處理技術(shù)的落實(shí)等是引起水環(huán)境持續(xù)惡化的關(guān)鍵性因素。

4 流域水質(zhì)改善措施

流域內(nèi)水質(zhì)環(huán)境改善的相關(guān)技術(shù)主要包括：外源阻斷和內(nèi)源控制、生態(tài)修復(fù)、水質(zhì)凈化、水動(dòng)力改善等。對(duì)人類生活垃圾和污水等面源控制、城鎮(zhèn)納污管道管理等措施是外源阻斷技術(shù)的主要方法，納污管道截?cái)嘧饔檬抢檬姓惶幚砘蛭鬯芘欧糯胧┲苯幼钄辔廴镜膩碓?，降低外源向河流的輸入，而城?zhèn)生活垃圾的隨意堆放是引起降雨徑流污水的主要原因，據(jù)此還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水體周邊環(huán)境的面源污染清理和控制；抽水清淤和挖泥船直接清淤是內(nèi)源控制技術(shù)兩種主要方法；氮磷污染濃度的偏高是引起水體黑臭等次生問題的內(nèi)在因素，氮磷含量較高可引起水體生物死亡、水質(zhì)惡化、水藻毒素驗(yàn)證等問題。據(jù)此，加強(qiáng)河流氮磷有機(jī)污染物的入河控制是進(jìn)行城市河道富養(yǎng)化治理的有效方法，當(dāng)前污水處理廠的氮磷排放濃度指標(biāo)值明顯低于地表水極限值，加強(qiáng)對(duì)氮磷總排放量的控制是改善水體環(huán)境的有效措施。而生物、物理和化學(xué)技術(shù)是控制藻類生產(chǎn)的主要方法，采用高強(qiáng)紫外線對(duì)藻類直接作用或人工集中打撈是進(jìn)行水環(huán)境物理治理的主要方法，而采用投放有機(jī)、無機(jī)抑制劑是主要的化學(xué)技術(shù)控制法，采用食藻魚類和水體生物是水體環(huán)境凈化的主要生物控制法；實(shí)施人工濕地技術(shù)、對(duì)河流進(jìn)行曝氣充氧、建造生態(tài)浮島和穩(wěn)定塘等措施是進(jìn)行水體環(huán)境凈化的技術(shù)措施；對(duì)于有條件的區(qū)域進(jìn)行調(diào)水是水動(dòng)力改善的主要措施，不僅有利于提高河道的納污水平，而且可加強(qiáng)并促進(jìn)污染物在水體中的轉(zhuǎn)移、消散和凈化作用，同時(shí)有利于稀釋水體中發(fā)黑發(fā)臭污染物濃度，對(duì)于改善水體環(huán)境具有明顯的治理效果。

5 結(jié)論

本文選取COD作為水體環(huán)境污染物參數(shù)指標(biāo)利用控制斷面法對(duì)大凌河水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算和分析，通過將外調(diào)水量與水環(huán)境容量進(jìn)行疊加并按月進(jìn)行水環(huán)境容量的分配，得到了大凌河朝陽區(qū)段的逐月水環(huán)境容量，并將計(jì)算結(jié)果研究區(qū)域入河污染總量進(jìn)行比較。得出的主要結(jié)論如下：

(1)大凌河朝陽段河流污染物入河量相對(duì)于水環(huán)境容量非常大，污染負(fù)荷量明顯大于水環(huán)境的最大承載力，特別是在枯水期污染物量與水環(huán)境容量比值高達(dá)57.0倍；雖然在豐水期河流水環(huán)境容量較大，然而污染負(fù)荷量依舊超高水環(huán)境的最大承載力。

(2)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城鎮(zhèn)化建設(shè)、人口數(shù)量的增大是引起區(qū)域內(nèi)水資源用量廢水排放量增加的主要因素，而水環(huán)境治理措施滯后和污水處理技術(shù)的落實(shí)等是引起水環(huán)境持續(xù)惡化的關(guān)鍵性因素。

(3)外源阻斷和內(nèi)源控制、生態(tài)修復(fù)、水質(zhì)凈化、水動(dòng)力改善等措施是改善流域內(nèi)水質(zhì)環(huán)境改善有效措施。