陸海統(tǒng)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(huán)境科學(xué)研究院,上海 200233;2.上海水環(huán)境模擬與水生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心,上海 200233;3.上海環(huán)境保護有限公司,上海 200233;4.臨沂市生態(tài)環(huán)境局蒙陰縣分局,山東 臨沂 276200;5.中國環(huán)境科學(xué)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(shè)計條件和分配原則下,總量分配可歸結(jié)為在水質(zhì)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(shù)達到最優(yōu)的問題[2]?？偭靠刂平⑵鹆宋廴疚锱欧帕亢退w水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系,實現(xiàn)了水污染控制管理目標與水環(huán)境質(zhì)量目標的緊密結(jié)合。

南流江位于廣西南部,匯入廉州灣。隨著沿海地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展,大量污染物通過南流江進入廉州灣,導(dǎo)致廉州灣海水水質(zhì)異常頻率增加?！霸搭^在陸域,影響在海域”是廉州灣環(huán)境問題的主要特點,因此廉州灣環(huán)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(tǒng)籌分析廉州灣管理需求與南流江流域污染物產(chǎn)生的社會經(jīng)濟活動情況,是制定該區(qū)域環(huán)境保護措施的關(guān)鍵。根據(jù)南流江流域內(nèi)的相關(guān)地市的環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)簡單計算發(fā)現(xiàn),南流江流域1年的化學(xué)需氧量(COD)、氨氮、總氮(TN)和總磷(TP)產(chǎn)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(zhì)改善為目標,統(tǒng)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(zhì)的響應(yīng)關(guān)系場,確定廉州灣近岸海域環(huán)境容量,具體以廉州灣近岸海域環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)目標為約束條件,利用線性規(guī)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(qū)水質(zhì)目標為約束條件,應(yīng)用連續(xù)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(tǒng)籌將污染物總量分配到南流江流域內(nèi)玉林、欽州和北海3地市。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

根據(jù)南流江流域的河流分布、匯水關(guān)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(qū)單元、海城廉州灣區(qū)單元。其中合浦廉州灣區(qū)單元、海城廉州灣區(qū)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(qū)域海洋模擬系統(tǒng)(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(zhì)響應(yīng)場,通過線性規(guī)劃的方法[4]計算廉州灣海域的主要污染物環(huán)境容量。然后,根據(jù)《廣西壯族自治區(qū)近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃調(diào)整方案》(桂政辦發(fā)〔2011〕74號)確定廉州灣近岸海域環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)目標(見圖2),構(gòu)建各個排口和廉州灣近岸海域環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)目標響應(yīng)關(guān)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(huán)境功能區(qū)水質(zhì)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(jù)《重點流域水污染防治規(guī)劃(2016—2020年)》確定南流江流域水功能區(qū)水質(zhì)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(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》(HJ 2.3—2018)關(guān)于邊界條件的規(guī)定并結(jié)合南流江流域水質(zhì)目標的差異,對常規(guī)污染物(COD和氨氮)和富營養(yǎng)化污染物(TN和TP)分別設(shè)定水文條件。為保證在不利水量條件下水質(zhì)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(yīng),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(zhì)目標須以海域目標為關(guān)鍵約束,因為僅靠河口單元流域水功能區(qū)水質(zhì)目標達標不能滿足廉州灣水質(zhì)目標達標的要求,必須同時考慮廉州灣的近岸海域環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)目標進行總量控制,因此河口單元的水質(zhì)目標按表1進行設(shè)置。

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

2 研究結(jié)果

2.1 入海污染物總量分配結(jié)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(jié)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(jié)果Table 2 Allocation results of total pollutants running into the sea

2.2 陸域污染物總量分配結(jié)果

遵照“地方各級人民政府對本行政區(qū)環(huán)境質(zhì)量負責(zé)”的原則,以縣(市、區(qū))為單位統(tǒng)計的陸域污染物總量分配結(jié)果見表3。結(jié)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(jié)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(jié)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(jù)南流江流域陸域污染物總量分配結(jié)果,由于污染物削減比例較大,難以在短期內(nèi)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(yīng)功能區(qū)水質(zhì)目標。以鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道為單位,對于城鎮(zhèn)生活源和工業(yè)源,按控制目標確定削減比例,最高削減比例設(shè)定為50%;對于農(nóng)業(yè)源,同樣按控制目標確定削減比例,但最高削減比例設(shè)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(wěn)定達到相應(yīng)功能區(qū)水質(zhì)目標。以鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道為單位,城鎮(zhèn)生活源、工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源的污染物排放量全面達到基于相應(yīng)功能區(qū)水質(zhì)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(jù)當?shù)厮廴痉乐蔚膶嶋H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(tài)修復(fù)與保護兩方面,項目個數(shù)分別約占項目總數(shù)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(jīng)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(xiàn)南流江和廉州灣控制斷面全面穩(wěn)定達到相應(yīng)功能區(qū)水質(zhì)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(jié) 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(xiàn)入?？偭康目刂颇繕艘?重點應(yīng)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(yīng)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(xiàn)南流江和廉州灣控制斷面全面穩(wěn)定達到相應(yīng)功能區(qū)水質(zhì)目標壓力不大。