基于控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的河流水環(huán)境容量分析
——以宿城區(qū)肖河為例

付麗洋

（南大環(huán)境規(guī)劃設(shè)計研究院（江蘇）有限公司，江蘇 南京 210093）

0 引言

我國河流污染嚴(yán)重根本原因，是污染物排放總量超過河流自凈能力[1]。業(yè)界普遍認(rèn)為，實施污染物總量控制是改善河流環(huán)境的有效途徑，而計算水環(huán)境容量和總量分配是實現(xiàn)控制的關(guān)鍵[2-3]。

水環(huán)境容量計算，有確定性方法和非確定性方法兩種。確定性方法是基于污染物遷移轉(zhuǎn)換機(jī)理的數(shù)學(xué)描述，最常見的解析法采用穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型直接計算。不確定性方法是從不確定性角度分析與計算某種可信度水平下的水環(huán)境容量或容量的取值范圍。

呂麗等[4]在總量分配方法中引入合理性指數(shù)法，并成功應(yīng)用于渤海入海河流；Shi等[5]在考慮四種總量分配方案的穩(wěn)定性和公平性的前提下，建立了嘉祿江流域污染物總量分配的博弈模型。

肖河是宿城區(qū)主要入洪澤湖排水溝之一，其水質(zhì)直接影響洪澤湖水質(zhì)。目前肖河的水質(zhì)屬劣V類。通過建立一維穩(wěn)態(tài)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，計算研究區(qū)域水環(huán)境容量，提出相應(yīng)管控措施，為肖河水污染治理提供理論支撐。

1 研究區(qū)域概況

1.1 肖河概況

肖河位于宿遷市宿城區(qū)，北起十號中溝南側(cè)，途經(jīng)中揚鎮(zhèn)，南入洪澤湖，為區(qū)域性骨干排澇和引水灌溉河道，也是宿城區(qū)內(nèi)洪澤湖的主要入湖河道之一。肖河全長11.65km，流域面積17.4km2，河道上口寬18.0m，底寬6.0m，深度約4.0m，兩側(cè)主要為農(nóng)田和居民區(qū)。

肖河大橋省控斷面位于肖河下游，是入湖前的主要監(jiān)測斷面，2021年水質(zhì)目標(biāo)為V類。根據(jù)2019年10月—2020年6月肖河大橋斷面例行水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，肖河總體水質(zhì)為劣V類，主要污染物為氨氮，超標(biāo)率33.3%，最大超標(biāo)倍數(shù)0.85。

通過對肖河進(jìn)行深入調(diào)研，結(jié)合區(qū)域匯水情況、污染源分布、行政管理需要等，確定研究范圍為肖河及其匯水區(qū)域，見圖1，研究重點為與肖河貫通的九條中溝（九號~十七號中溝）。

圖1 肖河及研究區(qū)域示意圖

1.2 研究區(qū)域污染源解析

根據(jù)調(diào)查分析和資料收集，計算得到肖河現(xiàn)狀污染物入河量COD為90.585t/a、氨氮15.715t/a、總磷2.832t/a。根據(jù)研究區(qū)域的地形條件和污染源情況，將各類污染源概化為肖河沿線的排污口，概化排污口如表1所示。

表1 排污口概化信息表

根據(jù)2019年10月—2020年6月斷面例行水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，肖河總體水質(zhì)為劣V類，主要污染物為氨氮，超標(biāo)率33.3%，最大超標(biāo)倍數(shù)0.85。經(jīng)統(tǒng)計COD、氨氮、總磷等主要污染物的污染源結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域各類污染源污染物入河量示意圖

分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域主要污染源為種植面源、養(yǎng)殖面源和城鎮(zhèn)生活源，其中種植面源貢獻(xiàn)率占比最大，為35.33%~56.50%，養(yǎng)殖面源貢獻(xiàn)率為21.55%~37.02%，城鎮(zhèn)生活源貢獻(xiàn)率為13.94%~38.67%，農(nóng)村生活源、工業(yè)源、集中源等污染源貢獻(xiàn)率較小。

2 水環(huán)境容量的計算

2.1 水質(zhì)模型的構(gòu)建

肖河為小型長窄河道，用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)解析解模型進(jìn)行預(yù)測，基本方程為：

式中：C——斷面水質(zhì)，mg/L；

u——河道流速，m/s；

x——河道距離，m；

C0——排放污水與上游來水稀釋后的混合濃度，mg/L；

K——污染物降解系數(shù)，d-1。

根據(jù)上式推出斷面水質(zhì)與排污量之間的函數(shù)關(guān)系為：

式中：C——斷面水質(zhì)，mg/L；

Si——距第i個排污口的距離i=1，2…n（n為排污口數(shù)），m；

Ci——第i個排污口廢水濃度（C0為河水本地濃度），mg/L；

qi——第i個排污口廢水流量（q0為上游河水流量），m3/s；

αi——第i個排污口對控制斷面水質(zhì)的貢獻(xiàn)系數(shù)。

2.2 水環(huán)境容量的計算

運用（式2），以水質(zhì)目標(biāo)Cs為約束條件，計算水環(huán)境容量W。

2.3 總量分配

采用污染貢獻(xiàn)分析法，同時綜合考慮區(qū)域排污布局、水質(zhì)達(dá)標(biāo)要求、水質(zhì)目標(biāo)管理的經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性等因素，校核和調(diào)整分配許可排放量。

各排污口對控制斷面水體水質(zhì)的濃度貢獻(xiàn)比例βi計算如下：

3 結(jié)果與討論

3.1 水環(huán)境容量核算

采用90%保證率下枯水期流量0.033 m3/s作為設(shè)計流量，氨氮綜合衰減系數(shù)[6]K為0.068 d-1，河段平均流速u，由設(shè)計流量與實測過水?dāng)嗝嫫骄娣e求得。根據(jù)（式3）~（式5）和條件參數(shù)，計算得肖河氨氮水環(huán)境容量為5.305 t/a，現(xiàn)狀入河量15.715 t/a，因此需要進(jìn)行總量控制和污染源削減。

3.2 污染物總量分配

根據(jù)式2和式6計算，肖河大橋斷面上游各概化排污口對斷面氨氮濃度的貢獻(xiàn)權(quán)重，并考慮匯入流量的稀釋作用，見表2。

表2 各概化排污口對控制段面氨氮濃度的貢獻(xiàn)權(quán)重矩陣

以污染貢獻(xiàn)分析法進(jìn)行許可排放量分配，各概化排污口理論允許許可排放量見表3。

表3 實施整治方案前后各概化排口對比表

3.3 實際削減潛力分析

按照“控源—截污—治理”，制定系統(tǒng)的切實可行的允許排放量分配方案。

（1）控源，即源頭治理。實施化肥、農(nóng)藥減量增效行動，推廣測土配方施肥，預(yù)計測土配方施肥技術(shù)覆蓋率達(dá)到90%以上，氮肥利用率提高到40%以上。

（2）截污，即污染截留。在各支流中溝兩側(cè)建設(shè)節(jié)制閘；把沿岸小區(qū)污水截流至市政污水管網(wǎng)。

（3）治理，即末端治理。對上游養(yǎng)殖區(qū)實施專項整治，構(gòu)建沉淀池、曝氣池、生態(tài)凈化池和過濾壩；實施宿城區(qū)肖河水生態(tài)治理工程，長度約8 km。

預(yù)測結(jié)果，肖河大橋斷面氨氮濃度將改善為1.95 mg/L，達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

（1）肖河水質(zhì)常年為劣V類，主要超標(biāo)因子為氨氮，主要污染源為種植面源、養(yǎng)殖面源和城鎮(zhèn)生活源。

（2）肖河氨氮允許入河量5.305 t/a，現(xiàn)污染物入河量15.715 t/a，需要進(jìn)行水環(huán)境容量分配及污染削減。

（3）制定各排污口切合實際的可排放量分配方案，模擬結(jié)果表明，整治措施可保障斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)。