基于污染溯源分析的通榆河考核斷面水質達標方案研究

胡開明 董錦云 馮彬 周斌 唐佳麗

摘要：基于水文、水質和污染源資料，建立了大豐區(qū)通榆河流域一維水環(huán)境數學模型。利用控制斷面達標法計算得到通榆河水環(huán)境容量，進而與斷面現狀污染物入河量對比，確定了研究區(qū)域內各類污染物的削減量，并對草堰大橋考核斷面污染源解析，最終制定斷面水質達標方案及可行性分析，為草堰大橋斷面乃至通榆河的水環(huán)境綜合治理提供技術支持。結果證明：草堰大橋斷面達到Ⅲ類水要求時，水環(huán)境容量分別為：COD 272.66 t/a，氨氮33.77 t/a，總磷7.45 t/a;草堰大橋斷面污染源主要為畜禽養(yǎng)殖污染、上游污染及生活污水等。

關鍵詞：水環(huán)境容量;污染物入河量;污染源解析;水質達標

中圖分類號：X132 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）11-00-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.11.023

Research on the water quality reaching standard scheme of Tongyu River section based on pollution traceability analysis

Hu Kaiming1，2，Dong Jinyun1，2，3，Feng Bin1，2，Zhou Bin4，Tang Jiali4

（1.Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science，Nanjing Jiangsu 210036，China;2. Jiangsu Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering，Nanjing Jiangsu 210036，China;3. College of Environment，Hohai University，Nanjing Jiangsu 210098，China;4. Dafeng Ecological Environment Bureau of Yancheng City，Yancheng Jiangsu 224100，China）

Abstract：Based on the data of hydrology， water quality and pollution sources， the one-dimensional mathematical model of water environment of the Tongyu River basin was established. The water environmental capacity of the Tongyu River is calculated by using the control section meeting standard method. Then compared with the amount of pollutants discharged into rivers， the amount of pollutants cut was determined. And the sections pollution sources of Caoyan Bridge were analyzed. The plan of meeting the water quality standards and feasibility analysis were applied in order to provide technical support for the comprehensive treatment of the water environment of Caoyan Bridge section and Tongyu River further. The result showed that， when the section of Caoyan Bridge reaches the standards for Grade III water quality， the environmental capacity of COD， NH3-N and TP is 272.66 t/a， 33.77 t/a， 7.45 t/a respectively. The sections pollution sources of Caoyan Bridge are mainly livestock and poultry breeding pollution， upstream pollution and domestic sewage.

Key words：Water environmental capacity;River input discharge;Pollution source analysis;Water quality standards

隨著我國經濟社會的快速發(fā)展，工業(yè)化、城市化的規(guī)模不斷擴大，污染物入河量劇增，沖擊原本薄弱的水環(huán)境承載力。針對日益嚴峻的水污染形式，國家制定了“水十條”[1]，旨在改善和保護環(huán)境。根據“水十條”要求，未達到水質目標要求的地區(qū)需要制定達標方案，其中多數以考核斷面水質達標為整治目標[2]。

宋為威對秦淮河[3]及七橋甕國考斷面[4]、王長芳子[5]對廣東省鴉崗國家考核斷面進行水質分析及污染物入河量的計算，解析斷面相關水域污染源，最終對主要水環(huán)境問題進行診斷及提出對策。綜上可見，目前部分研究是根據污染物入河量確定控制斷面水質達標方案，在此基礎上，近年來，我國學者進一步采用不同模型及分析方法對斷面水質達標進行了系統性研究，其中針對將水環(huán)境容量理論及計算方法與斷面水質控制規(guī)劃相結合的研究也日益獲得重視[6]。周孝德[7]提出在一維穩(wěn)態(tài)條件下計算水環(huán)境容量的3種方法，即：段首控制方法、斷尾控制方法和功能區(qū)段尾控制方法，并將3種方法實際應用于渭河干流COD水環(huán)境容量計算;劉媛[2]利用一維穩(wěn)態(tài)計算公式建立湯水河流域水質模型，得到水環(huán)境容量，進行污染溯源分析，進而提出近遠期達標整治方案;展勇興[8]以常熟市東環(huán)河虞東路橋斷面為例，建立東環(huán)河水質模型，根據水質監(jiān)測數據進行模型參數率定，計算得出區(qū)域水環(huán)境容量，提出斷面水質達標方案。因此，本文通過建立一維穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數學模型，利用控制斷面達標法，計算出草堰大橋斷面所在流域水環(huán)境容量，與斷面相關水域污染物入河量對比，進而確定各類污染物削減量，開展研究區(qū)污染源解析，最終制定了基于斷面達標的污染源區(qū)域整治的對策方案。

通榆河草堰大橋斷面位于鹽城市大豐區(qū)境內，是考核通榆河（大豐段）水質的國家考核斷面，2018年水質考核目標為Ⅲ類，但2018年1-11月均值為Ⅳ類，汛期超標嚴重，尚不能實現穩(wěn)定達標。為此，本文將草堰大橋斷面作為研究斷面，開展基于污染源解析的草堰大橋考核斷面水質達標方案研究，以確保斷面水環(huán)境質量達到Ⅲ類水質目標要求，為草堰大橋斷面乃至通榆港的水環(huán)境綜合治理提供技術支持。

1 數據與方法

1.1 區(qū)域概況

草堰大橋斷面位于通榆河，為通榆河（大豐段）水質的國家考核斷面，通榆河是江蘇省江水東引北調工程的一部分，南起南通長江北岸，北至連云港市贛榆縣，全長415km，流域面積約30 000km2。通榆河草堰大橋斷面位于東臺與大豐交界下游2.3km處，區(qū)域土地總面積約

5 128.88hm2，土地利用類型以農用地為主，耕地面積約為3 276.64hm2，占研究區(qū)域土地面積的63.9%，其余主要為水域及水利設施用地。大豐區(qū)常年自然降水量1 066.7mm，豐水年超過2 000mm，欠水年最少也有500mm。

1.2 水環(huán)境容量計算方法

對于地表水體水環(huán)境容量的計算，目前已發(fā)展出公式法、模型試錯法、系統最優(yōu)化法（主要是線性規(guī)劃法和隨機規(guī)劃法）、概率稀釋模型法和未確知數學法等五大類計算方法[6]。由于通榆河研究區(qū)域位于平原河網地區(qū)，河流坡降平緩，因此，本文以環(huán)境容量定義法為基礎，運用基于斷面水質達標的水環(huán)境容量計算方法，并利用一維穩(wěn)態(tài)水環(huán)境模型模擬考核斷面水質和污染源之間的關系，保證水環(huán)境容量計算結果的準確可靠，使得斷面水質達標方案切實可行。

1.2.1 基于斷面水質達標的水環(huán)境容量計算方法

基于考核斷面水質達標的水環(huán)境容量是指依據水功能區(qū)水質邊界條件，在設計水文條件下，滿足考核斷面水質達標要求的區(qū)域內污染源的最大允許排放量[2]。

式中：W為水環(huán)境容量，kg/d;C為混合后下游水質濃度，下同，mg/L;C為初始斷面混合水質濃度，下同，mg/L;Q0為水體流量，下同，m3/s;k為水質降解系數，下同，1/d;V為水體體積，m3;CS為該水體相應水質標準下的濃度，mg/L，依據《關于下達“十三五”水環(huán)境質量考核目標的通知》（蘇環(huán)委辦〔2016〕5號），草堰大橋斷面2020年考核目標為Ⅲ類水質標準，即COD達到20 mg/L，氨氮達到1 mg/L，總磷達到0.2 mg/L。

1.2.2 主要河網及排口概化

根據調查通榆河研究區(qū)域主要污染源為畜禽養(yǎng)殖源，其次為生活源，存在部分農田面源及其他污染源。根據研究區(qū)域內河流水系特點及污染源分布，得到河網及排口概化與控制斷面位置見圖2。

1.2.3 水環(huán)境數學模型建立與參數選取

控制斷面水質模型采用一維穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數學模型[9]，具體計算公式如下：

式中：x為排污口與計算斷面縱向距離，m;u為流速，m/s;C0為邊界水質濃度，mg/L;C1為排污口排放濃度或匯入支流水質濃度，mg/L;q為排污口廢水排放量或流入的支流流量，m3。

本文水文條件方面，采用通榆河90%保證率下的最枯月均流量作為設計水文條件;水質本底值取2018年1-11月草堰大橋斷面平均濃度。水環(huán)境容量計算過程中選取的水質降解系數參考歷史實驗資料，綜合考慮附近區(qū)域水質降解系數的規(guī)律，取COD0.08/d，氨氮0.06/d，總磷0.04/d。

1.3 污染物入河量計算方法

污染物入河量一般是結合當地實際排污情況，多采用經驗系數與估算相結合的方法計算。本文依據《太湖流域主要入湖河流水環(huán)境綜合整治規(guī)劃編制技術規(guī)范》[10]對草堰大橋斷面污染物入河量進行計算。

2 研究區(qū)污染物溯源及水環(huán)境容量計算

2.1 研究區(qū)污染物入河量及污染源解析

本文在污水處理廠生活污水處理現狀調研的基礎上，分別針對草堰大橋斷面影響范圍內的農業(yè)污染源、生活污染源、工業(yè)污染源及船舶污染源，選出化學需氧量、氨氮、總氮和總磷4項污染較大的因子進行污染源分析?？紤]河流流向、匯水區(qū)域范圍及污染物排放情況，將草堰大橋斷面污染源調查范圍設定為大豐區(qū)草堰鎮(zhèn)丁溪村、雙河村、草堰村、界中村、合新村、雙垛村等區(qū)域。

2.1.1 研究區(qū)污染物結構特征分析

通過對各類污染源污染物排放量的調查，分析研究區(qū)域污染源構成情況，綜合生活污染源、農業(yè)污染源、船舶污染源等入河情況，匯總出研究區(qū)域范圍內的污染源入河量，COD為163.55 t/a，氨氮為19.03 t/a，總磷為7.76 t/a。

污染源調查范圍內產業(yè)主要以農業(yè)生產為主，區(qū)域污染物排放構成主要以養(yǎng)殖污染源為主，COD、氨氮、總磷的排放量分別占61.36%、45.40%、83.36%;其次為生活源，COD、氨氮、總磷排放量分別占32.09%、42.13%、10.62%，其中城鎮(zhèn)生活源與農村生活源相當。此外，農田面源、水產養(yǎng)殖源、船舶污染源總量相對不大，合計分別占6.55%、12.47%、6.02%。

2.1.2 研究區(qū)污染物地域特征分析

根據各地區(qū)污染物入河量統計數據分析，雙垛村污染物排放總量最大，COD、氨氮、總磷分別占區(qū)域排放總量的34.32%、30.61%、34.69%;其次為合新村，污染物排放量分別占26.03%、23.86%、28.52%;界中村和草堰村排放總量相當，分別占14.75%、15.02%、15.35%和14.43%、17.73%、8.64%;雙河村和丁溪村排放總量相當，分別占5.77%、6.52%、9.42%和4.70%、6.26%、3.38%。

2.2 水環(huán)境容量計算結果

根據以上環(huán)境容量計算方法、水環(huán)境質量考核目標（Ⅲ類水質目標限值）及確定的水文水質設計條件，結合《省水利廳、省發(fā)展和改革委關于水功能區(qū)納污能力和限制排污總量的意見》（蘇水資〔2014〕26號）計算得到通榆河研究河段COD、氨氮、總磷的環(huán)境容量，草堰大橋斷面達到Ⅲ類水要求時，水環(huán)境容量分別為：COD 272.66 t/a，氨氮33.77 t/a，總磷7.45 t/a，而經計算現狀入河量分別為：COD 163.55 t/a，氨氮19.03 t/a，總磷7.76 t/a。結果表明，目前通榆河研究河段除總磷總量超過水環(huán)境容量外，其余污染物總量均滿足要求，需針對總磷污染物進行削減。

3 草堰大橋斷面水質達標方案

3.1 草堰大橋斷面水環(huán)境問題分析

3.1.1 畜禽養(yǎng)殖污染問題突出

根據區(qū)域各污染源污染物排放特征分析，草堰大橋斷面污染調查范圍內畜禽養(yǎng)殖污染比重超過區(qū)域污染總量的50%。該區(qū)域畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展較為粗放，大型養(yǎng)殖場、規(guī)?；B(yǎng)殖場不多，呈現小而散的局面，且缺乏有效管理與治理措施。通榆河水體及其兩岸陸域范圍均劃定了禁養(yǎng)區(qū)，經現場調查發(fā)現，通榆河1km范圍內還存在一些畜禽養(yǎng)殖戶，很多養(yǎng)殖戶沒有針對性的治理措施，大量排泄物就近排入農田或入河，尤其5-10月份，降雨量較多時，大量蓄積的畜禽糞便隨雨水排入就近河道，而地勢相對低洼區(qū)域平時污水不易排出，汛期隨著水量增加進入主干河道，因而出現污染物超標現象。

3.1.2 生活污水處理能力偏低

根據統計數據及現場調查，污染源研究區(qū)域內無生活污水處理廠，除少部分集鎮(zhèn)生活污水接入其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠處理，其余集鎮(zhèn)生活污水收集處理率較低。而農村居民居住分散，除少部分村落建設小型農村污水處理設施，大部分村落污水管網建設不到位，管網覆蓋率嚴重不足，且由于管護水平低，導致現有管網損壞率高，直排現象比較普遍。

3.1.3 上游水質波動較大

通榆河草堰大橋斷面位于東臺與大豐交界（以車路河、丁溪河為界）下游2.3km處，斷面受西邊興化市、南邊東臺市上游客水影響較大，尤其通榆河穿越東臺市區(qū)和工業(yè)區(qū)全境，帶入境內大量污染物，例如：生活、養(yǎng)殖、工業(yè)、種植等污染源排放的污染物。尤其根據污染源普查數據，東臺市家禽養(yǎng)殖密度是大豐區(qū)的4倍，常住人口為大豐區(qū)的1.6倍，工業(yè)增加值為大豐區(qū)的1.3倍，且其人口、養(yǎng)殖量、工業(yè)企業(yè)均排在鹽城市所有區(qū)縣的前列，草堰大橋斷面水質受其影響較大。

3.1.4 其他污染

種植業(yè)面源污染、水產養(yǎng)殖污染、工業(yè)污染以及船舶航運污染對草堰大橋斷面水質影響也不容忽視。各項污染物的產生量已經遠遠超過環(huán)境自凈能力，而應該配套的處理設施則遠遠滯后，造成目前環(huán)境問題突出，成為影響河道水質的重要因素。

3.2 區(qū)域總量削減方案

研究區(qū)域需要削減的污染物主要為總磷，需削減0.31 t/a。結合上文針對草堰大橋斷面水質污染源分析結論和斷面影響區(qū)域現狀，重點組織實施五大類工程，包括：（1）生活污水控制工程。完善農村家庭標準化化糞池建設，新建分散式污水處理站、配套建設管網，界中村農村生活污水拉網式覆蓋微動力處理設施，草堰鎮(zhèn)集鎮(zhèn)建設生活污水收集管網二期3.km主管網及配套設施[11]。（2）農業(yè)面源污染控制工程。新設禁養(yǎng)區(qū)內畜禽養(yǎng)殖場及水產養(yǎng)殖塘口關閉，開展各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農田測土配方工作，推進農業(yè)化學肥料減施[12]。（3）船舶污染防治工程。開展船舶生活污水收集處理、作業(yè)運輸船舶油水分離設備配備等。（4）河道綜合整治工程。實施生態(tài)清淤疏浚，提升水體自凈能力，構建健康水循環(huán)體系。嚴格按照“市級河道10-12年疏浚一次，鎮(zhèn)級河道5-8年疏浚一次，村組3-5年疏浚一次”的要求，高標準實施河道疏浚，積極推進生態(tài)河道建設。（5）監(jiān)測預警與應急能力建設工程。具體為環(huán)境監(jiān)測能力建設、環(huán)境應急能力標準化建設工程、智慧環(huán)保平臺建設工程、“河長制”水環(huán)境監(jiān)測點建設工程、重點污染源在線監(jiān)控體系建設及提升工程[13]。最終共可削減COD為51.83t/a、氨氮為4.44t/a、總磷為3.08t/a，說明相關工程實施后，區(qū)域內整體污染物排放能得到大幅削減，各污染因子削減能力均能滿足削減量需求，區(qū)域水環(huán)境容量能夠容納區(qū)域相關工程實施后的污染物排放。

3.3 斷面水質目標可達性分析

3.3.1 內外源對考核斷面水質影響權重分析

影響區(qū)域控制斷面水質情況的因素主要有兩點：一是區(qū)域外污染源對控制斷面水質的影響，以邊界來水水質的影響計算，二是區(qū)域內污染源的排放量影響。

內外污染源對控制斷面水質影響權重分析計算公式[4]如下：

式中：α內為內部污染源所占的權重（%）;α外為外部污染源所占的權重（%）;c內為邊界取功能區(qū)水質目標時，考慮內部污染源排放情況下按一維水質模型計算得出的控制斷面水質濃度值（mg/L）;c外為邊界取實測水質時，不考慮內部污染源排放情況下按一維水質模型計算得出的控制斷面的水質濃度值（mg/L）。

根據水質監(jiān)測結果，草堰大橋斷面水質影響權重計算結果如表1所示。

由表1可見，通榆河草堰大橋斷面水質受外部污染源影響較大，主要為上游東臺污染物的輸入，基本占到54.66%～61.85%，其上游來水水質若得到改善且匯入的污染源得到削減，草堰大橋斷面水質濃度將逐步降低，抵御風險能力更高。

3.3.2 控制斷面水質改善效果分析

區(qū)內提高生活污水接管率，農田以及畜禽水產養(yǎng)殖等面源污染整治工程實施后，對主要河流的水質起到了改善的正效應，根據建立的一維穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數學模型計算得知最終通榆河研究河段污染物濃度均有所減少，其中COD濃度可下降0.74 mg/L，氨氮濃度可下降0.043 mg/L，總磷濃度可下降0.021 mg/L。加強上下游協同治理，在上游入境水質滿足相關功能區(qū)劃及考核目標要求的前提下，通過研究區(qū)域各污染控制措施的落實到位，可使通榆河草堰大橋斷面水質達標。

4 結論

基于水文、水質和污染源相關資料，建立了大豐區(qū)通榆河流域一維穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數學模型?；诳刂茢嗝孢_標法最終得到通榆河水環(huán)境容量，與斷面現狀污染物入河量對比，確定了研究區(qū)域內各類污染物的削減量，進而對草堰大橋考核斷面污染源解析，最終制定斷面水質達標方案及可行性分析，得出結論如下：

（1）草堰大橋斷面達到Ⅲ類水要求時，通榆河研究河段水環(huán)境容量分別為：COD 272.66 t/a，氨氮33.77 t/a，總磷7.45 t/a。目前通榆河研究河段除總磷總量超過水環(huán)境容量0.31 t/a外，其余污染物總量均滿足要求，需針對總磷污染物進行削減。

（2）通榆河草堰大橋斷面水質受外部污染源影響較大，主要為上游東臺污染物的輸入，基本占到54.66%～61.85%，其上游來水水質若得到改善且匯入的污染源得到削減，草堰大橋斷面水質濃度將逐步降低，抵御風險能力更高。

（3）通過影響草堰大橋斷面的區(qū)域內污染源分析表明，首先，結構特征上，區(qū)域污染物排放構成主要以養(yǎng)殖污染源為主，各污染因子占比基本上占到一半以上;其次為生活源，其中城鎮(zhèn)生活源與農村生活源相當。此外，農田面源、水產養(yǎng)殖源、船舶污染源總量相對不大;首先，從地域特征角度分析，雙垛村污染物排放總量最大，其次為合新村，這個區(qū)域合計總量占各污染因子的一半以上。

（4）根據污染源分析結果，以削減總磷排放量為主要目標，制定了草堰大橋斷面水質達標方案，提出了包括生活污水控制工程、農業(yè)面源污染控制工程、船舶污染防治工程、河道綜合整治工程、監(jiān)測預警與應急能力建設工程在內的5大類重點工程，共可削減COD為51.83t/a、氨氮為4.44t/a、總磷為3.08t/a，使得通榆河研究河段COD濃度可下降0.74 mg/L，氨氮濃度可下降0.043 mg/L，總磷濃度可下降0.021 mg/L，可以滿足考核目標要求。

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收稿日期：2020-09-21

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(huán)?？蒲姓n題（2018004）聯合資助。

作者簡介：胡開明（1985-），男，漢族，博士，高級工程師，研究方向為水環(huán)境數值模擬與水污染控制。