基于控制單元的小清河流域污染物允許排放量計(jì)算與分配?

李歡桐, 李正炎??, 孫明東, 王 艷

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100； 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所, 北京 100000)

隨著人口總量的增長(zhǎng)，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)，村鎮(zhèn)環(huán)境污染加劇、生態(tài)功能日漸退化，各種環(huán)境問題逐漸突出。在推行污染物總量控制的大背景下，解析流域污染負(fù)荷、核算水環(huán)境容量、對(duì)污染物進(jìn)行總量控制研究已經(jīng)成為人們重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境問題[1-2]。小清河在山東省的供水、生態(tài)環(huán)境保護(hù)中起著重要作用，其每年向萊州灣輸入的營(yíng)養(yǎng)鹽、無(wú)機(jī)氮等物質(zhì)的量不容忽視。為解決小清河流域的水環(huán)境問題，明確水環(huán)境容量、進(jìn)行污染負(fù)荷分配可為流域水環(huán)境規(guī)劃與管理提供基礎(chǔ)依據(jù)，對(duì)減輕海洋污染負(fù)擔(dān)起到重要作用。

中國(guó)于20世紀(jì)70年代后期引入了環(huán)境容量這一概念，目前國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)可的一種定義為：在規(guī)定的目標(biāo)條件下水體環(huán)境能容納的污染物量即為水環(huán)境容量[3-5]。污染負(fù)荷分配以環(huán)境容量為基礎(chǔ)[6-7]，遵照一定的原則對(duì)污染物負(fù)荷進(jìn)行分配。水污染負(fù)荷分配需要根據(jù)水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)或污染物減排目標(biāo)要求向各基礎(chǔ)單元或污染源合理分配[8]，主要方法包括：線性規(guī)劃法[9]、基尼系數(shù)法[10-12]、等比例分配法[13]、貢獻(xiàn)率分配法[14]、層次分析法[15]等。貢獻(xiàn)率分配法是較為基礎(chǔ)的方法，趙杰杰等[14]通過該方法對(duì)永定河河北段的水環(huán)境容量進(jìn)行分配，并給出相應(yīng)的負(fù)荷削減分析。等比例分配法是TMDL中應(yīng)用較多的一種分配方法，是以污染物排放單元的排污現(xiàn)狀為分配基礎(chǔ)，分配的排污量是按等量的削減比例，該方法還衍生出貢獻(xiàn)率分配法和加權(quán)分配法。林高松等[16]首先以公平性為首要原則提出等比例分配法，莫蕾等[17]將該方法應(yīng)用于鄱陽(yáng)湖流域的總量控制規(guī)劃，但該方法對(duì)于流域?qū)嶋H可削減量的考慮不足。在實(shí)際分配工作中，還需要同時(shí)考慮技術(shù)和方案的可行性[18-19]，多種分配方法聯(lián)合使用可在一定程度上減小單一方法局限性造成的影響。王笑楠等[20]借助基尼系數(shù)法對(duì)永定河張家口段的污染物允許排放量進(jìn)行優(yōu)化分配，肖偉華等[21]將層次分析法和基尼系數(shù)法結(jié)合起來對(duì)湯遜湖流域污染排放量進(jìn)行總量分配。

本研究基于2018年山東省環(huán)統(tǒng)數(shù)據(jù)及各市統(tǒng)計(jì)年鑒對(duì)小清河流域排污情況進(jìn)行核算，綜合考慮各控制單元的人口、經(jīng)濟(jì)、耕地面積和排污情況，采用等比例分配法對(duì)污染物允許排放量做出分配，并根據(jù)水環(huán)境現(xiàn)狀與分配結(jié)果提出合理的減排意見，以期為改善小清河河水水質(zhì)、促進(jìn)流域可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

小清河是山東省重要河道之一，東側(cè)緊鄰萊州灣，發(fā)源于濟(jì)南西郊睦里莊，流經(jīng)濟(jì)南、淄博、濱州、東營(yíng)和濰坊等5市18縣，最終于濰坊壽光羊角溝匯入渤海。全長(zhǎng)約233 km，流域面積10 336 km2，主要支流有巨野河、繡江河、孝婦河、淄河等。小清河流域?qū)儆谂瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，夏季盛行偏南風(fēng)，炎熱多雨，冬季多偏北風(fēng)，寒冷干燥，年均氣溫13 ℃。河流徑流量受降水情況的影響，多年平均降水量為600.3 mm，季節(jié)性變化明顯。

圖1 研究區(qū)域地理位置圖

2 研究方法與原理

2.1 控制單元的劃分

為便于水環(huán)境管理與污染防控，可以根據(jù)流域特點(diǎn)和研究區(qū)域行政區(qū)劃情況將流域劃成多個(gè)控制單元，便于進(jìn)行水污染管控，有利于各基礎(chǔ)單元的水質(zhì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況的考察、合理分配污染負(fù)荷。

劃分控制單元主要是采用定量自動(dòng)和人工輔助相結(jié)合的方式進(jìn)行[22-23]，需遵循匯水區(qū)隔離原則、行政管理隔離原則、水體調(diào)整隔離原則、優(yōu)先保護(hù)水體功能、便于管理和實(shí)施等原則。在充分考慮國(guó)家重點(diǎn)流域“十四五”規(guī)劃國(guó)控?cái)嗝鎱R水范圍的基礎(chǔ)上，結(jié)合行政區(qū)區(qū)劃、土地利用類型、地形地貌、海拔高度(數(shù)字高程)、水系和集污區(qū)分布等，按與街鎮(zhèn)面積匹配度≥95%且不跨行政區(qū)的要求，利用ARCGIS軟件將研究區(qū)域劃分為28個(gè)控制單元，其中10個(gè)位于濟(jì)南市、1個(gè)位于東營(yíng)市、3個(gè)位于濱州市、2個(gè)位于濰坊市、12個(gè)位于淄博市，各單元基本信息見表1。

表1 小清河流域控制單元基本信息Table 1 Basic information of Xiaoqing River basin control unit

圖2 研究區(qū)域控制單元的劃分

2.2 水環(huán)境問題診斷

文章對(duì)研究區(qū)域內(nèi)10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用污染指數(shù)法和改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。污染指數(shù)包括單因子指數(shù)、平均污染指數(shù)、綜合污染指數(shù)等。單因子指數(shù)(Pi)表示某監(jiān)測(cè)斷面的某污染物實(shí)測(cè)濃度與其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比值，計(jì)算公式為：

Pi=Ci/Si。

(1)

式中：Pi為污染物i的單因子指數(shù)；Ci為污染物i在某監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)測(cè)濃度；Si為該斷面污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。Pi≤1即為符合標(biāo)準(zhǔn)。

改進(jìn)后的內(nèi)梅羅指數(shù)法的基本計(jì)算公式如下:

(2)

式中：Pip為某監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水環(huán)境綜合污染指數(shù)；Cipmax為某監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大單項(xiàng)污染指數(shù)；Cipave為某監(jiān)測(cè)點(diǎn)位各單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值。

2.3 流域污染物排放量核算

研究采用數(shù)據(jù)調(diào)查法，以控制單元為基礎(chǔ)核算單元，整理了山東省2018年環(huán)統(tǒng)數(shù)據(jù)，核算點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染排放量。點(diǎn)源污染主要包括工業(yè)源、污水處理廠排放量；非點(diǎn)源污染主要包括農(nóng)業(yè)源、分散式規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)生活源、農(nóng)村生活源污染排放量。

2.4 污染物允許排放量計(jì)算

允許排放量的計(jì)算方法眾多[24-25]，研究收集了2018年山東省水文數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了黃臺(tái)橋、岔河、石村水文站逐日平均流量數(shù)據(jù)。根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的分布情況，在空間分布以就近水文站流量作為對(duì)應(yīng)控制斷面流量，結(jié)合第一章中水環(huán)境質(zhì)量的分析結(jié)果，充分考慮掌握的數(shù)據(jù)完整和連續(xù)情況以及后續(xù)總量分配的可行性、合理性，本次研究選取了還鄉(xiāng)店斷面、位橋斷面、石村斷面、羊口斷面作為研究斷面。結(jié)合各斷面處水質(zhì)管理目標(biāo)，確定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算公式如下：

W=Si×C。

(3)

式中：W為最大允許排放量，t/a；Si為污染物i的水質(zhì)目標(biāo)值，mg/L；C為設(shè)計(jì)流量，m3/s。

山東省流域水質(zhì)考核標(biāo)準(zhǔn)要求還鄉(xiāng)店、金家閘、石村、羊口斷面2018年應(yīng)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。選擇化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)作為污染物允許排放量核算與污染負(fù)荷分配的評(píng)價(jià)因子，根據(jù)《山東省生態(tài)環(huán)境委員會(huì)關(guān)于在小清河流域開展陸海協(xié)同共治試點(diǎn)工作的指導(dǎo)意見》，總氮濃度應(yīng)基本控制在7.0 mg/L以下。

2.5 污染物總量分配

USEPA在制定TMDL計(jì)劃過程中，認(rèn)為TMDL是點(diǎn)源允許負(fù)荷、非點(diǎn)源允許負(fù)荷及安全余量之和[26]，在實(shí)際研究中，可通過基本的估算或模型計(jì)算來確定安全余量。本研究中在計(jì)算污染物允許排放量過程中已考慮部分安全余量，因此先利用綜合分配法對(duì)流域允許排放總量進(jìn)行一級(jí)分配，得到各控制單元的污染物允許排放總量，再結(jié)合各單元點(diǎn)源、非點(diǎn)源排污占比進(jìn)一步分配得到二級(jí)分配結(jié)果。在進(jìn)行總量分配時(shí)，確定污染物允許排放量并將其在污染源和控制單元之間合理、科學(xué)地分配是最關(guān)鍵的一步。

2.5.1 一級(jí)分配 本研究收集了2018年山東省各市統(tǒng)計(jì)年鑒、2018年研究區(qū)域土地利用數(shù)據(jù)，整理出各控制單元的常住人口數(shù)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值和耕地面積，利用綜合分配法對(duì)總排污量進(jìn)行總量分配，分配公式如下：

各單元控制總量=(k1×常住人口占比+k2×經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值占比+k3×耕地占比+k4×排污量占比)×允許排放量。

(4)

式中：k為比例系數(shù)，∑k=1。

其中，常住人口占比為各單元內(nèi)常住人口數(shù)量占所選斷面控制范圍內(nèi)總?cè)丝诘谋壤?；?jīng)濟(jì)產(chǎn)值占比為各單元內(nèi)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值占所選斷面控制范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的比例；耕地占比為各單元內(nèi)耕地面積占所選斷面控制范圍內(nèi)耕地總面積的比例；排污量占比為各單元內(nèi)排污量占所選斷面控制范圍內(nèi)排污總量的比例。其中，排污量由污染物排放量核算階段確定。

2.5.2 二級(jí)分配 將環(huán)境允許最大排污量分配到各控制單元后，通過貢獻(xiàn)率分配法對(duì)各單元內(nèi)點(diǎn)源和非點(diǎn)源容量進(jìn)行二級(jí)分配，即：

點(diǎn)源污染控制總量=控制單元控制總量×點(diǎn)源污染排放量占比。

(5)

非點(diǎn)源污染控制總量=控制單元控制總量×非點(diǎn)源污染排放量占比。

(6)

式中：控制單元控制總量由上一級(jí)分配結(jié)果確定；點(diǎn)源污染排放量占比為各控制單元內(nèi)點(diǎn)源污染排放量與控制單元污染排放總量的比值；非點(diǎn)源污染排放占比為該控制單元非點(diǎn)源污染排放量與控制單元污染排放總量的比值。

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)情況分析

利用改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法分析小清河流域2006—2017年間水質(zhì)情況，結(jié)果表明，流域的水質(zhì)基本可以滿足水環(huán)境功能區(qū)要求，上游水質(zhì)能夠保持在Ⅱ類—Ⅲ類；下游水質(zhì)基本為Ⅳ類水。另外結(jié)合污染分擔(dān)率分析各污染因子對(duì)流域整體的污染貢獻(xiàn)情況，小清河上游、中游河段NH3-N對(duì)水質(zhì)污染貢獻(xiàn)最大，TP次之；下游河段NH3-N和COD對(duì)水質(zhì)污染的貢獻(xiàn)最大。

小清河流域2018年7個(gè)斷面的水質(zhì)數(shù)據(jù)顯示，主要超標(biāo)的物質(zhì)為NH3-N和TN；睦里莊斷面、羊口斷面、王道閘斷面TP未出現(xiàn)超標(biāo)，其余斷面超標(biāo)情況主要發(fā)生在冬季12—3月；COD僅有睦里莊斷面12月和范李斷面6月存在超標(biāo)情況。

3.2 污染物排放情況分析

以2018年山東省環(huán)統(tǒng)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行污染物排放量核算，主要統(tǒng)計(jì)工業(yè)企業(yè)源排污量、污水處理廠排污量、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖排污量、農(nóng)業(yè)面源排污量、農(nóng)村生活源排污量及城鎮(zhèn)生活源排污量。為直觀反映出研究區(qū)域內(nèi)污染負(fù)荷的空間分布情況，利用ARCGIS繪制出各控制單元四類污染物質(zhì)的排放總量分布圖(見圖3)。

(污染源原始數(shù)據(jù)來源于山東省2018年環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。The original data comes from the environmental statistics of Shandong Province in 2018.)

3.3 主要污染物允許排放量

根據(jù)控制單元?jiǎng)澐衷瓌t將研究區(qū)域劃為28個(gè)控制單元，其中還鄉(xiāng)店斷面、位橋斷面為地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，石村斷面及羊口斷面為地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。在計(jì)算過程中假設(shè)各控制單元的排污情況只對(duì)最近斷面產(chǎn)生影響。

3.4 污染物總量分配結(jié)果與削減

首先整理出各控制單元與水質(zhì)斷面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)控制單元總量一級(jí)分配公式對(duì)污染物進(jìn)行分配。在一級(jí)分配的基礎(chǔ)上，結(jié)合各控制單元內(nèi)點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染排放量核算結(jié)果對(duì)單元內(nèi)各類污染物的污染負(fù)荷進(jìn)行二級(jí)分配，分配結(jié)果如表3所示。

表3 二級(jí)分配結(jié)果Table 3 Secondary distribution results

續(xù)表3

污染物削減量可由允許排放量減去污染物現(xiàn)狀量得到。在達(dá)到流域水質(zhì)目標(biāo)要求和斷面最大允許排放量?jī)蓚€(gè)約束條件下，得到各控制單元的污染物削減量，計(jì)算公式如下：

控制單元污染物削減量=控制單元允許排放量-污染物入河量。

(7)

控制單元污染物削減量=

(8)

污染物質(zhì)進(jìn)入河流后在隨河水流至監(jiān)測(cè)斷面的過程中存在部分污染物降解作用，現(xiàn)假定降解部分污染物不會(huì)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面及流域水質(zhì)目標(biāo)考核造成影響，在計(jì)算污染物削減量時(shí)需考慮到已降解污染物的量。

若計(jì)算得到的污染物削減率為正值，表明該控制單元的允許排放量還有剩余；若污染物削減量為負(fù)值，表明該控制單元需要進(jìn)行相應(yīng)污染物削減。將削減率<30%的控制單元設(shè)置為次級(jí)優(yōu)先管控單元，削減率≥30%的控制單元設(shè)置為優(yōu)先管控單元通過對(duì)比污染物現(xiàn)狀排放量與負(fù)荷分配量，可以識(shí)別出研究區(qū)域內(nèi)各污染物優(yōu)先管控單元分布情況見圖4。

圖4 研究區(qū)域污染物優(yōu)先管控單元分布圖

根據(jù)污染物削減率結(jié)果，小清河流域包含28個(gè)控制單元中，需進(jìn)行NH3-N削減的控制單元有1個(gè)，需進(jìn)行TN削減的控制單元有12個(gè)。其中，各單元的TN削減率范圍在18.26%～50.48%，最高的為XQ-ZB-WG控制單元。

根據(jù)分配結(jié)果及污染物排放量核算情況進(jìn)行各類物質(zhì)的削減分析，得到的削減量情況見表4。

從表4可以看出，流域NH3-N削減量為11.63 t/a，TN削減量為2 606.14 t/a，需進(jìn)行削減的控制單元主要集中在淄博市，重點(diǎn)管控單元普遍存在污水管網(wǎng)覆蓋不夠的問題，導(dǎo)致生活污水收集處理不完全、雨季污水溢流；單元內(nèi)大型企業(yè)主要以原料加工和制造業(yè)為主，工業(yè)源污染情況突出；多數(shù)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沒有污水統(tǒng)一收集處理設(shè)施，養(yǎng)殖糞污在雨季時(shí)直接通過溝渠排入河道，影響河流水質(zhì)。濟(jì)南段作為河流上游，水質(zhì)情況相對(duì)較好，對(duì)污染負(fù)荷核定之后NH3-N、COD、TP仍有剩余容量，不需要進(jìn)行削減，部分控制單元TN需要承擔(dān)削減任務(wù)，但削減率均在30%以下；淄博市總氮排放量為3 561.66 t，其中點(diǎn)源排放總量達(dá)3 185.33 t，非點(diǎn)源排放總量為376.33 t，主要來源于工業(yè)源和城鎮(zhèn)生活源，其中，臨淄區(qū)和張店區(qū)工業(yè)企業(yè)較多，是導(dǎo)致總氮排污量大的主要原因之一，另外控制單元內(nèi)普遍存在污水管網(wǎng)覆蓋度不足，生活污水收集處理率低的問題，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)也應(yīng)完善污水收集和處理設(shè)施，避免雨季養(yǎng)殖廢棄物未經(jīng)處理隨雨水直接排入河流，影響河水水質(zhì)；濱州市共需削減NH3-N 11.63 t/a，TN 449.67 t/a，其中全市TN削減率為27.07%，污染主要來源于城鎮(zhèn)生活源和農(nóng)業(yè)面源污染，污水處理設(shè)施建設(shè)有待進(jìn)一步加強(qiáng)，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源環(huán)利用率低；農(nóng)業(yè)種植肥料施用量沒有得到良好控制，畜禽糞污可以進(jìn)行資源化利用。

表4 研究區(qū)域內(nèi)需管控的控制單元污染物削減量Table 4 Pollutant reduction of control units to be controlled in the study area

4 結(jié)論

(1)小清河流域整體水質(zhì)情況尚可，未達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)的斷面主要超標(biāo)污染物質(zhì)為TN和NH3-N，主要來源于工業(yè)企業(yè)源和城鎮(zhèn)生活源。

(2)小清河流域NH3-N、COD、TN和TP總?cè)牒恿糠謩e為1 983.32，33 222.49，11 922.17和386.55 t/a。其中XQ-ZB-WG、XQ-ZB-YC、XQ-ZB-LZ三個(gè)控制單元為重點(diǎn)管控單元。

(3)依據(jù)《山東省生態(tài)環(huán)境委員會(huì)辦公室關(guān)于在小清河流域開展陸海協(xié)同共治試點(diǎn)工作的指導(dǎo)意見》、《山東省地方標(biāo)準(zhǔn)流域水污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)第3部分：小清河流域》等文件，結(jié)合小清河流域排污情況與污染物允許排放量分析結(jié)果，從源頭削減與污染物質(zhì)管控的角度給出以下削減建議：

①完善各單元城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施，進(jìn)一步提高污水處理能力，加強(qiáng)污水處理設(shè)施運(yùn)營(yíng)監(jiān)管，對(duì)原有的設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)以保證污水處理廠出水能夠達(dá)標(biāo)排放。

②加快推進(jìn)控制單元的規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖污染防治，提高畜禽廢棄物資源化利用程度，實(shí)施規(guī)?；头稚⑹揭?guī)模化畜禽養(yǎng)殖資源化利用，鼓勵(lì)養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行污染物和廢棄物管理設(shè)施建設(shè)。

③加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染防控，減少農(nóng)藥化肥使用量，鼓勵(lì)施用有機(jī)肥、精準(zhǔn)化施肥，推廣生態(tài)農(nóng)耕模式,減少農(nóng)業(yè)面源污染。