昌圖縣水功能區(qū)污染物控制量與削減量研究

王樹生

(昌圖縣毛家店鎮(zhèn)水利工作站，遼寧 鐵嶺 112507)

隨著昌圖縣地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展，區(qū)域水環(huán)境污染情況也持續(xù)加重，對經(jīng)濟與民生可持續(xù)發(fā)展造成了嚴重的影響。確定水域納污能力以及污染物排放與消減量是緩解水環(huán)境壓力，促進水資源合理利用的關鍵問題。目前常用水質(zhì)數(shù)學模型來計算水域的納污能力。通過界定研究區(qū)的水文設計條件和計算公式，來模擬河流現(xiàn)狀及規(guī)劃時段的納污能力[1]。本文根據(jù)水質(zhì)數(shù)學模型，計算了水功能區(qū)的納污能力和污染物排放的控制與削減。并對地區(qū)水環(huán)境治理提供寶貴的意見。

1 研究區(qū)現(xiàn)狀

昌圖縣位于遼寧省北部邊緣，如圖1所示。昌圖縣內(nèi)分布在東北處的丘陵山地以及平原是境內(nèi)主要的地形地貌特征。地勢總體呈東北高西南低的趨勢[2]。昌圖縣各水文站實測河流年均徑流量為33.73萬m3。當設計保證率為75%時，河流徑流量為25298萬m3[3]。受降水及流域下墊面影響，河流徑流量時空分布與降水基本一致。年內(nèi)分布不均：全縣河流主要靠降水補給，年徑流分布直接受降水影響。汛期徑流波動大，旱季徑流小而穩(wěn)定。河流易受污染：由于工業(yè)污水和生活污水都排入河流，地表水極易受到污染，特別是四平鎮(zhèn)和昌圖鎮(zhèn)工業(yè)廢水污染的馬中河和跳子河，水環(huán)境極差。

圖1 昌圖縣位置

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 水功能區(qū)劃定及水質(zhì)目標

水功能區(qū)是指為滿足地區(qū)水資源保護規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，通過綜合考慮水資源利用現(xiàn)狀和生態(tài)條件，依據(jù)水功能區(qū)劃中規(guī)定的主要功能，制定水域最低保證水質(zhì)標準，以滿足水資源開發(fā)和水環(huán)境治理的需要。

按照標準，水功能區(qū)劃采用一、二兩級區(qū)劃制，根據(jù)遼寧省水功能區(qū)劃結(jié)果，將招蘇臺河水功能區(qū)劃分為招蘇臺河吉林遼寧緩沖區(qū)和招蘇臺河昌圖開發(fā)利用區(qū)2個一級水功能區(qū)[4]。將招蘇臺河昌圖開發(fā)利用區(qū)劃分為2個二級功能區(qū)(招蘇臺河黑港農(nóng)業(yè)用水區(qū)和黃酒館農(nóng)業(yè)、過渡區(qū))，見表1。

表1 昌圖縣水功能區(qū)劃

2.2 水質(zhì)現(xiàn)狀評價

水功能區(qū)現(xiàn)狀水質(zhì)評價可以劃分污染物等級，對污染程度進行量化評價。從量化的數(shù)據(jù)中得知水質(zhì)的現(xiàn)階段污染情況，對水環(huán)境未來的發(fā)展和方向提供詳細的依據(jù)。本文采用污染超倍數(shù)法對昌圖縣現(xiàn)狀水質(zhì)進行評價。根據(jù)污染物濃度的超標倍數(shù)來判斷水體污染的總體程度[5]，其評價公式為：

(1)

式中，Pi—評價指標i的超標倍數(shù)；Ci—評價指標i的實測濃度值，mg/L；Cs—評價指標i的最高允許值，mg/L。

與表2值對比得出水質(zhì)現(xiàn)狀評價表(見表3)。招蘇臺水功能區(qū)現(xiàn)狀水質(zhì)評價中，僅招蘇臺河黑崗農(nóng)業(yè)用水區(qū)現(xiàn)狀水質(zhì)與目標水質(zhì)相同，其余水功能區(qū)均不達標。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量標準相關項目標準限值 單位：mg/L

2.3 設計水文條件

2.3.1設計流量

在不同水平年和保證設計流量的條件下，河流相應的污染物承載能力是不同的。設計保證率的高低直接影響到水資源量、污染物總量控制和污染物削減，以及水資源保護投資和環(huán)境效應。為充分反映水功能區(qū)現(xiàn)狀，選取昌圖縣流域90%設計保證率流量進行容量計算。根據(jù)不同流量和斷面的特性，確定了相應的流量。

2.3.2設計流速

通過收集研究區(qū)各水文站的實測水文數(shù)據(jù)，對昌圖縣實測系列水文資料按公式計算設計流速[6]。

U=Q設/F

(2)

式中，U—設計流速，m/s；Q設—設計流量，m3/s；F—過水斷面面積。

2.3.3綜合衰減系數(shù)

污染源進入水域后，受到河流自凈功能的影響，污染物濃度會沿程發(fā)生變化，引入污染物沿程變化的衰減度作為衰減系數(shù)來判斷水域的自凈能力。對于不同的水域條件和入水污染物類型，綜合衰減系數(shù)(K)值是不同的。目前，最常用的測量綜合衰減系數(shù)(K)的方法是兩段法。選擇穩(wěn)定并且會發(fā)生均勻混合的河道作為測定區(qū)域，劃定一個無支流及排污口的上下斷面，測量污染物通過兩個斷面時的濃度，再使用公式計算：

(3)

式中，c1—河段上斷面污染物濃度，mg/L；c2—河段下斷面污染物濃度，mg/L；x—河段長度，km；u—平均流速，km/d。

2.3.4控制因子

昌圖縣的廢水排放包括農(nóng)業(yè)面源污染物和生活、工業(yè)點源污染物，根據(jù)《遼寧省水資源評價》確定研究區(qū)內(nèi)主要的污染物質(zhì)為COD、NH3-N。本文選取COD與NH3-N為主要控制因子。

表3 昌圖縣水質(zhì)現(xiàn)狀評價

表4 納污能力計算 單位：t/a

2.3.5背景濃度

背景濃度是指上游斷面來水的污染物濃度，取上游河段的水質(zhì)目標值，本文用水功能區(qū)近幾年實測資料分析確定。

2.4 計算模型

本文采用解析公式法建立了污染物承載力模型。分析公式法采用靜態(tài)水質(zhì)數(shù)學模型，計算設計條件下滿足規(guī)定水質(zhì)標準的河流的平均納污能力，即穩(wěn)態(tài)納污能力。由于昌圖縣河流排污口的分布具有一定的復雜性，可以將多個排污概化為一個集中點源排放排污口，位于河道中部[7]。穩(wěn)態(tài)容量的計算方法直觀、簡單、實用，對水文因素和水力條件變化不大的單向河流非常有效。公式如下：

(4)

式中，W—水功能區(qū)年納污能力，t/a；Q—控制斷面設計流量，m3/s；Cs、C0—功能區(qū)水質(zhì)目標值和初始目標值，mg/L；K—綜合衰減系數(shù)，1/s；X—水功能區(qū)河段水流流程，m；u—計算控制斷面水流速度，m/s。

該模型是一種理想化的一維模型，不考慮混合過程，并且認為納污能力在計算河段內(nèi)均勻分布，利用該模型計算出的納污能力反映的是河段的一種自然屬性[8]，如圖2所示。

圖2 一維水質(zhì)模型概化

3 納污能力計算結(jié)果

通過計算可知，招蘇臺河吉林遼寧緩沖區(qū)由于受到水質(zhì)目標的調(diào)控，在2020年，納污能力降低為負值。2級水功能區(qū)中，黑崗農(nóng)業(yè)用水區(qū)的納污能力出現(xiàn)少量增長，是招蘇臺河水功能區(qū)中納污能力最大的區(qū)域。而招蘇臺河黃酒館農(nóng)業(yè)過渡區(qū)的納污能力出現(xiàn)了負增長。這是由于受到水質(zhì)目標的調(diào)控，現(xiàn)狀水質(zhì)評價為V級，而水質(zhì)目標為Ⅲ級。見表4。

4 污染物消減量計算

為了保證功能區(qū)水體的功能，水質(zhì)應達到功能區(qū)的水質(zhì)目標[9]。在一定規(guī)劃設計水量下，功能區(qū)水體具有一定的納污能力，必須控制進入功能區(qū)水體的污染物總量。如果水功能區(qū)入河污染物總量超過入河污染物總量，則入河污染物總量與入河污染物總量之差即為水功能區(qū)入河污染物減少。入河污染物削減控制量可按下式計算[10]：

Wpx=Whx/r

(5)

式中，Wpx—污染物排放削減量，t/a；Whx—污染物入河削減量，t/a；r—入河系數(shù)。

Wpk=Whk/r

(6)

式中，Wpk—污染物排放控制量，t/a；Whk—污染物入河控制量，t/a；其他變量含義同前。

對納污能力小于入河污染物量，即污染物超過環(huán)境目標，水質(zhì)受到明顯污染的水功能區(qū)，入河污染物控制量應小于納污能力。

根據(jù)規(guī)劃水平年的目標水質(zhì)核定水功能區(qū)的排放控制量以及排放削減量。計算結(jié)果見表5。招蘇臺河黑崗農(nóng)業(yè)2級水功能區(qū)從2015—2020年未出現(xiàn)增長，其余水功能區(qū)的排放控制量和削減量均出現(xiàn)了增加，如圖3—5所示。昌圖縣招蘇臺水功能區(qū)主要的污染源是點源污染，針對這一點，其排放污染防治措施主要應加強污水處理廠及其污水收集系統(tǒng)建設。招蘇臺昌圖開發(fā)利用區(qū)主要的污染源來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的面源污染，應加強農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和耕作管理。加強農(nóng)村生活垃圾處理，減少生活垃圾的入河量。建立河流和土地綜合處理系統(tǒng)，降低污染物的入河系數(shù)。控制畜禽養(yǎng)殖帶來的排泄物污染。

表5 昌圖縣污染物入河削減量計算 單位：t/a

圖3 招蘇臺河吉林遼寧緩沖區(qū)削減與排放量變化(單位：t/a)

圖4 招蘇臺河黑崗農(nóng)業(yè)用水區(qū)削減與排放量變化(單位：t/a)

圖5 招蘇臺河黃酒館農(nóng)業(yè)、過渡區(qū)削減與排放量變化(單位：t/a)

5 結(jié)論

(1)昌圖縣水功能區(qū)僅招蘇臺河黑崗農(nóng)業(yè)用水區(qū)現(xiàn)狀水質(zhì)與目標水質(zhì)相同，其余均不達標。

(2)在現(xiàn)狀年條件下，昌圖縣水功能區(qū)納污能力計算結(jié)果表明，水平年2015和2020年招蘇臺河黃酒館農(nóng)業(yè)、過渡區(qū)的納污能力為負值，負擔較重。招蘇臺河吉遼緩沖區(qū)受到水質(zhì)目標的調(diào)控，納污能力由2015年的正值將為負值。招蘇臺河黑崗農(nóng)業(yè)用水區(qū)納污能力最大，且規(guī)劃年出現(xiàn)升高。此外，排放控制量與消減量在各水功能區(qū)均出現(xiàn)了增加。

(3)本文僅對昌圖縣水功能區(qū)段進行了探討，結(jié)論可以指導昌圖縣水工區(qū)的水環(huán)境治理決策。但未對整個流域進行計算。按照可持續(xù)發(fā)展的原則，昌圖縣要繼續(xù)加強各個水功能區(qū)污染物排放控制。