水功能區納污能力和水資源保護研究

洪 嫻，董增川，談娟娟，許波劉(河海大學水文水資源學院，南京 210098)

水資源作為基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源，是生態與環境的控制要素[1]。合理開發、利用、保護水資源，關系到經濟的發展和社會的進步[2]。泗洪縣地處江蘇西部的宿遷市，淮河中游，東臨洪澤湖，西與安徽接壤，總面積為2 731.4 km2，轄23個鄉鎮。泗洪縣是淮北地區最下游的一個縣，承受上游豫、皖、蘇3省14.8 萬km2來水[3]，境內河流從南到北構成了行洪河道和排澇河道相間排列的格局。2014年末全縣總人口107.5 萬人，城鎮化率34.33%，總用水量49 600 萬m3，其中城鎮生活用水2 215 萬m3，農村生活用水2 495萬m3，農業灌溉31 920 萬m3，林牧漁業6 250 萬m3，工業4 060 萬m3，第三產業2 190 萬m3，生態用水470萬m3。近年來，隨著泗洪縣社會經濟快速發展及各方面用水需求的增加，城鄉工業廢水和生活污水排放量隨之上升，但污水收集管網覆蓋率不高，污水處理能力不足，部分污廢水直接排入河道，污染物排放入河量大大超過了水體的承載能力，河道淤積嚴重，導致河湖水質惡化，生物多樣性下降，水資源供需矛盾日益突出，加強水資源保護和管理顯得越發重要。

1 水環境狀況分析

1.1 水質狀況評價

以我國現行《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)[4]為評價依據，采用單因子評價法，選擇CODMn、BOD5、NH3-N、揮發酚等作為主要評價因子，采用2014年監測資料，對全縣范圍內重要河流湖泊的32個水質斷面進行評價。其中Ⅲ類水斷面19個，占57.37%；Ⅳ類水斷面7個，占21.87%；Ⅴ類水斷面3個，占9.38%；劣Ⅴ類水斷面3個，占9.38%；達到《地表水環境質量標準》的斷面21個，占總斷面數的65.62%。超標項目為氨氮、總磷和高錳酸鹽指數。

1.2 排污總量分析

根據泗洪水文局和環保監測站的污染源監測資料，2014年泗洪縣廢污水排放總量8 547.20 萬t，其中工業廢水排放量為2 932.80 萬t，占污廢水排放總量的34.31%；生活污水排放量為3 768.00 萬t，占污廢水排放總量的44.08%；第三產業廢水排放量1 846.40 萬t，占污廢水排放總量的21.60%。廢水中化學需氧量(COD)年排放總量為25 918.15 t，氨氮(NH3-N)年排放總量為3 169.45 t。據統計，泗洪縣共有29個直接排污口，廢污水入河量為1 023.57 萬t，占泗洪縣廢污水排放總量的12.0%。

1.3 飲用水源地現狀

(1)城市集中供水水源。泗洪縣集中引用水主要來自城區自來水廠和各鄉鎮自來水廠。城區自來水廠取水水源為徐洪河，總供水規模10 萬m3/d，目前管網已覆蓋青陽鎮、開發區、重崗鄉、大樓鄉、五里江農場、瑤溝、高莊等區域。集中式供水工程250處，聯村、鄉鎮及跨鄉鎮的有21處，其余229處為村級，全部采用了水源井-水塔(壓力罐或變頻加壓)-管網-供水到戶(集中供水點)的供水方式，供水規模為13.52萬m3/d，受益總人口67.95萬人，占農村總人口的80.5%。

(2)飲用水源地保護區。泗洪縣共劃分了徐洪河、懷洪新河、洪澤湖3處飲用水源地保護區，分別以泗洪集泰自來水廠、西南崗地表水廠和東南片地表水廠取水口為基點，城區地下水、魏營鎮紅旗小型水庫和孫園鎮張塘小型水庫為備用水源地。

2 水功能區劃

水功能區劃是水資源開發、利用、保護的依據[5]。泗洪縣水功能區劃涉及20條河流、1個湖泊。根據《江蘇省地表水(環境)功能區劃》，泗洪縣境內設置保護區2個，緩沖區5個，保留區2個以及2級功能區17個。水功能區劃情況及污染狀況分別見表1、表2。

表1 泗洪縣水功能區劃Tab.1 Water function zones of Sihong County

表2 水功能區主要河流水質現狀Tab.2 The main rivers water quality status of water function zones

3 水功能區納污能力及污染物入河量研究

計算水功能區納污能力及制定污染物控制量、削減量是水資源保護規劃的核心任務之一，關系到水資源的有效保護[6]。泗洪縣開發利用區、緩沖區、保留區內排污問題較為復雜，為了合理地進行排污量削減，本文對除徐洪河、洪澤湖以外的24個水功能區進行水域納污能力和污染物入河量計算，其中緩沖區5個，保留區2個，2級功能區中農業用水區13個，過渡區3個，排污控制區1個。

3.1 水功能區納污能力

3.1.1水質模型

泗洪縣地處蘇北平原，大多數河流坡降較小，加上水利工程眾多，流速較慢，流量小于150 m3/s，部分河段流速極小近似為零，同時洪澤湖不允許排污，不進行納污能力計算。根據《水域納污能力計算規程》(GB/T25173-2010)[7]，選取河流零維和一維水質模型。

(1)零維水質模型。對于極小或零流速的河段，采用槽蓄量進行流域納污能力計算：

M≈CskV

(1)

式中：M為水域納污能力，g/d；k為污染物綜合衰減系數，1/d；Cs為水功能區水質目標，mg/L；V為槽蓄量，m3。

槽蓄量V計算中所采用的河段長為水功能區管理上允許超標的河長(建議采用1～2 km)，該河長不大于水功能區河段長；計算槽蓄量宜采用90%保證率低水位所對應的過水斷面面積。

(2)一維水質模型。在流動的河道中，污染物濃度沿程是變化的，對式dC/dt=-kC引用dt=dx/u并求得其一維水質模型為：

(2)

式中：x為與起始斷面間的距離，km；u為設計條件下河段平均流速，m/s；C0為起始斷面水質濃度，mg/L；C為監測斷面污染物濃度，mg/L；k為污染物綜合衰減系數，1/d。

將排污口概化至計算河段中部、以出口斷面控制，對應功能區的納污能力計算公式為：

(3)

式中：M為功能區納污能力，t/a；Q為計算河段設計流量，m3/s；L為計算河段長度，m；其余符號意義同前。

3.1.2模型參數

水功能區納污能力計算包括的參數有：水功能區水質目標Cs、初始濃度值C0、污染物綜合衰減系數k、設計流量Q、設計流速u等。

(1)水功能區水質目標Cs。按照《淮河流域水資源保護規劃技術細則》及《江蘇省水環境保護規劃技術細則》的要求，確定納污能力計算控制指標為CODcr、氨氮。水功能區水質目標取值執行《地表水環境質量標準》中的COD、氨氮標準閾值。

(2)初始濃度值C0。以上一水功能區目標水質作為入流斷面水質濃度的初始值。

(3)污染物綜合衰減系數k。k是反映污染物沿程變化的綜合系數，常用自然條件下的實測資料率定，率定方法常用二斷面法和經驗公式法。根據《淮河流域納污能力及限制排污總量意見》，CODcr、NH3-N的k值公式分別為：

kCODcr=0.05+0.68u

(4)

kNH3-N=0.061+0.551u

(5)

(4)設計流量Q。按照《水域納污能力計算規程》，河流納污能力應采用90%保證率最枯月平均流量或近10 a最枯月平均流量作為設計流量。由于資料原因，本文納污能力設計流量計算分2部分。

①區域性河流。采用宿遷市泗洪站1956-2013年降水量資料，以年降水量進行頻率計算，取90%保證率年降水量作為典型年進行降雨徑流計算，按照泗洪地區枯水期降雨量占年降雨量40%的比例確定枯水期的月平均徑流深，然后根據河流的匯水面積求得枯水期的月平均流量，即為相應的設計流量。利用皮爾遜Ⅲ型曲線進行頻率分析得統計年平均降水量905.23 mm，變差系數0.28，偏態系數0.76，求得90%保證率年降水量為618.5 mm。采用降雨-徑流系數法，徑流深為55 mm，按照比例枯水期的月徑流深為2.75 mm。

②流域性河流。通過查找資料，選用90%保證率最枯月平均流量。

(5)設計流速u。區域性河流按u=Q/A式計算河段設計流速，流域性河流：借用附近區域的流量流速關系分析計算。

3.2 污染物入河量

污染物入河量分為點源污染物和面源污染物入河量。點源污染物入河量計算時，根據《泗洪縣城市總體規劃(2004-2020)》，2020年污水收集率為100%，確定工業廢水、城市生活、第三產業污水入河系數(見表3)。按照行政區劃，統計出2020年各鄉鎮點源污染物入河量。

表3 點源污染入河系數Tab.3 Coefficient of point source pollution into the river

泗洪面源污染分為城市和農業面源污染。城市面源污染主要來自降雨期間，隨地面徑流進入河流的地面污染物。農業面源污染主要來自化肥農藥施用、畜禽飼養和魚塘養殖。面源污染物入河量計算時，根據類似泗洪地區的入河系數(見表4)，按照泗洪地區枯水期徑流量占年徑流量的比例，確定枯水情況下各鄉鎮2020年面源污染物入河量。

表4 面源污染入河系數Tab.4 Coefficient of non-point source pollution into the river

綜合考慮整體點、面污染情況，點源污染物入河按照有污水處理廠的鄉鎮按尾水排入河流統計，無污水處理廠的按鄉鎮中心就近的河流統計，面源污染物入河按照河流匯水面積分配到各計算單元，統計出各水功能區2020年CODcr、氨氮排放情況。

3.3 結果分析

根據上文所述方法，得出相應的計算結果。2020年各水功能區污染物入河總量與納污能力對比結果見圖1。

由圖1可以看出，大部分水功能區的污染物入河總量嚴重超出納污能力。為保證功能區水體的功能，需對水功能區的污染物入河量進行控制。當污染物入河量小于等于納污能力時，入河控制量等于污染物入河量，入河削減量為零；當污染物入河量大于納污能力時，入河控制量等于納污能力，入河削減量等于污染物入河量與納污能力之差。2020年削減量見圖2。

4 水資源保護措施研究

水資源保護的本質要求是要尊重水資源自然循環再生規律，以資源承載力為基礎對水資源開發利用，以水資源可持續利用支撐經濟社會可持續發展[8]，根本目標是實現人水和諧[9]。水資源保護措施應堅持水量、水質和水生態統籌安排[10]。根據泗洪縣水資源保護目標，2020年水功能區水質達標率提高到85%以上，集中式飲用水源地水質全面達標，污水處理廠尾水回用率達到30%。

圖1 2020年各水功能區CODcr、氨氮量對比Fig.1 The amount of CODcr and Ammonia nitrogen contrast of each water function zone in 2020

圖2 2020年各水功能區污染物削減量Fig.2 Pollutant reductions of each water function zone in 2020

4.1 點源污染削減控制

(1)加強污水處理設施建設。根據2020年污染物排放情況和需進行污染物削減的功能區分布，遵循“覆蓋優先、處理有效、適度超前”的建設標準，在2020年前新增城西、四河、峰山、陳圩、曹廟等22座污水處理廠，覆蓋所有鄉鎮，并根據實際情況對已有污水處理廠進行擴建，所有污水處理廠的尾水排放標準執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中的一級A標準。同時針對污水處理廠分布和尾水入河情況，在污水處理廠周邊鋪設污水管網。

(2)推進中水回用工程建設。中水回用不僅可以大幅降低“上水”的消耗量，而且可以在一定程度上解決“下水”對水源的污染問題，起到保護水源、水量的作用[11]。泗洪縣中水回用于城市雜用和農業灌溉。按照回用目標和城市雜用、農業需水情況及河道納污能力合理制定各鄉鎮污水處理廠污水回用量、回用率，進行中水回用干管建設。園林綠化、城市道路廣場澆灑等工作均由灑水車完成，用于農業灌溉的中水通過中水干管運送到附近農田。

4.2 內源治理及面源控制

(1)內源治理。對河流實行清污工作，主要包括清除河道淤泥和打撈漂浮物。河道清淤主要是對城區底泥淤積嚴重的河道進行清理，10 a一次。同時做好河道的長效管理工作，每年組織專門隊伍，在汛期和落葉期對列入功能區的河流進行漂浮物打撈工作。沿河各鄉鎮需負責組織所管轄范圍內河道及河道橋涵的管護，做到河道及橋涵管理人員到位，措施到位；無侵占河道行洪斷面，無隨意向河道傾倒垃圾、糞便等現象發生，無擅自損壞河道工程設施現象發生。

(2)面源控制。泗洪縣面源控制以城市面源污染和包括農村生活污染、畜禽糞便污染、化肥農藥污染和魚塘污染在內的農業非點源污染為重點。

①城市面源污染控制。從增加透水面積方面著手，在泗洪地區城市發展規劃時盡量增加城市綠化面積，并多采用多孔瀝青和草皮磚。

②農村生活污染控制。加快生活污水處理站建設，并采用農灌的方式處置中水，使中水資源化。完善垃圾收運系統，按照“戶集-村收-鎮運-縣處理”[12]的方式，在全縣農村統一配置垃圾桶，購置清運三輪車，修筑農村垃圾房。

③畜禽糞便污染控制。遵循“資源化、無害化、減量化、生態化”的原則，積極發展生態型畜禽養殖業，大力推進規模化養殖，優化畜禽養殖布局，逐步完善養殖場畜禽糞便綜合治理設施，并加強糞尿還田利用。

④化肥農藥污染控制。科學施肥，改變施肥方法，選擇科學的耕作制度，調整作物的種類與布局，進行合理的間、套、輪作等措施，提高肥料的利用率；同時推廣抗病蟲品種，降低農藥施用量。

⑤魚塘污染控制。合理投放餌料，提高餌料利用率；減少化肥與魚藥的用量；定期及時換水和清淤，魚塘廢水可考慮引入農田灌溉，避免直接排入附近河流，污染水域。

4.3 確立水功能區限制納污紅線，嚴控污染物入河量

建立水功能區限制納污紅線是最嚴格水資源管理制度重要內容之一[13]，是保障水體功能達標的根本途徑[14]。按照水功能區劃，嚴格核定水域納污能力，嚴控入河排污總量，建立水功能區限制納污紅線考核指標和監測評估指標體系，加強水功能區限制納污紅線管理。為強化水功能區達標監督管理，按照2020年水功能區納污能力、污水處理工程情況及中水回用目標要求，將限制排污總量按鄉鎮進行劃分，為各鄉鎮水污染防治和污染減排工作提供重要依據。

4.4 加強入河排污口管理，完善排污許可制度建設

加強入河排污口數量的監測，嚴格入河排污口審批制度。新建或改建入河排污口，必須先經水功能區管理機關批準。加大環保部門對排污口監督管理力度，所有現有排污口須有排污許可證，做到持證排污，按證排污；沒有排污許可證的排污口需申報排污許可證或關閉。

4.5 調整產業結構，發展節水環保型產業

根據水資源條件和行業特點，通過區域用水總量控制、取水許可審批、用水節水計劃考核等措施，按照以水定產、以水定發展的原則，調整、優化產業結構。建設工業產業園區，促進企業集中發展、資源集中利用。推進清潔生產戰略，制定行業節水標準，加強用水制度建設，鼓勵發展低耗水、低污染、高用水效率的環保產業，建設節水示范工程，完善循環用水系統，推廣節水技術和節水工藝，逐步淘汰高耗水工藝和設備，積極發展節水型企業。同時加強水污染執法力度，嚴厲打擊違法偷排、多排、亂排污水行為，取締和關停不符合國家環保政策以及污染嚴重的企業，形成節水環保型工業經濟結構。

5 結 語

泗洪縣水體超標項目主要為氨氮、總磷和高錳酸鹽指數，水功能區排污量嚴重超出納污能力，部分水功能區排污量超標率達到90%，水環境形式不容樂觀。針對泗洪河流湖泊水質狀況，通過水資源保護措施，2020年水功能區水質達標率為87.5%，污水處理廠尾水回用率為35.26%，達到相關水資源保護目標，河流水質得到改善，飲用水安全得到有效保障，水資源可利用量有所增加，水生態環境實現良性循環，可為今后泗洪地區水資源保護規劃提供指導作用，也可為其他縣域水資源保護研究提供參考。

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