基于環(huán)境容量的河流污染區(qū)域和原因識別

■李曉連李艷李國玉陳志強

（1沈陽理工大學(xué) 遼寧沈陽110159；2遼寧省環(huán)境保護廳 遼寧沈陽110000；3鐵嶺市城市污水處理管理中心 遼寧鐵嶺112008）

基于環(huán)境容量的河流污染區(qū)域和原因識別

■李曉連1李艷1李國玉2陳志強3

（1沈陽理工大學(xué) 遼寧沈陽110159；2遼寧省環(huán)境保護廳 遼寧沈陽110000；3鐵嶺市城市污水處理管理中心 遼寧鐵嶺112008）

本文采用統(tǒng)計法和輸出系數(shù)法核定污染負(fù)荷，采用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型和線性規(guī)劃方法求出了各流域的環(huán)境容量，最后將環(huán)境容量分配到控制單元，診斷控制單元污染物排放超環(huán)境容量率，識別河流污染區(qū)域，最后分析產(chǎn)生污染的原因，為其污染物總量控制及產(chǎn)業(yè)布局提供科學(xué)依據(jù)。得出：該區(qū)域COD、NH3-N污染負(fù)荷分別為18346.6t/a、1880.58t/a，環(huán)境容量分別為13979.92t/a、776.95t/a。；容量超標(biāo)排放率分別為31.2%、142.0%。

水環(huán)境容量污染負(fù)荷污染識別

1　前言

水污染物總量控制目標(biāo)最早由美國環(huán)境保護局（US EPA）提出，1972年US EPA頒布實施了《清潔水法》并提出了基于水質(zhì)決策的污染物總量控制方法—最大日負(fù)荷限值，隨后各國相繼實行了水污染物總量控制管理辦法。20世紀(jì)70年代末，我國開始進行水污染物總量控制研究，并以制定松花江流域BOD總量控制標(biāo)準(zhǔn)為先導(dǎo)，進行了最早的實踐和探索。隨著眾多研究者的努力我國污染負(fù)荷總量控制逐步形成了以污染物目標(biāo)總量控制技術(shù)為主，容量總量控制和行業(yè)總量控制為輔的水質(zhì)管理技術(shù)體系，為我國水環(huán)境管理基本制度的建立奠定了基礎(chǔ)。本文從“流域-污染源-控制單元”層面上計算環(huán)境容量，結(jié)合污染負(fù)荷識別污染負(fù)荷超容量排放率，識別污染區(qū)域，為河流水環(huán)境污染物控制提供科學(xué)依據(jù)。

2　研究區(qū)域概況

該區(qū)域位于遼寧省，流域總面積11905 km2，包括7個縣市，流域內(nèi)共有8條主要支流。屬于溫帶大陸性氣候，四季分明，雨熱同期。冬季平均氣溫在10℃以下，最低氣溫-30℃左右，封凍期150天左右。其他季節(jié)溫度在10℃~30℃之間，全年日照為2700 h左右，作物生長期有效日照時數(shù)約1750 h。年平均降雨量約為700 mm，降水量年內(nèi)分布不均，集中在6~8月，約占全年降水量的60%。該區(qū)域共包括89個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總?cè)丝诩s46.7萬人，城鎮(zhèn)化率56%。生產(chǎn)總值為5651987萬元，其中第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值所占比例分別為20.48%、52.26%、27.26%。

3　河流污染區(qū)域識別

3.1環(huán)境容量

水環(huán)境容量是指水體在規(guī)定的環(huán)境目標(biāo)下所能容納的污染物最大負(fù)荷量，河流流域環(huán)境容量總量分配一般采用線性穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型計算污染源點對控制斷面的貢獻，進而將水環(huán)境容量的計算及點源間的總量分配歸結(jié)為規(guī)劃模型求解。本文根據(jù)一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型，以環(huán)境容量利用率最大為目標(biāo)，以控制斷面水質(zhì)達標(biāo)為約束條件建立線性規(guī)劃求解方程如下：

目標(biāo)函數(shù)：

約束方程：

式中：xj—第j污染源的排放量，g/s；

aij—第j污染源對第i控制點的響應(yīng)系數(shù)；

ci—水質(zhì)控制斷面i的水質(zhì)目標(biāo)與背景貢獻的差值，mg/L。

利用此模型計算河流水環(huán)境容量的步驟：（1）根據(jù)水質(zhì)目標(biāo)和控制單元邊界分布情況確定研究范圍內(nèi)河流的的水質(zhì)控制斷面，并確定水質(zhì)目標(biāo)；（2）根據(jù)河流和污染源分布情況采用重心概化法將多個排污口概化為一個排污口；（3）利用Google earth、Arcgis等軟件計算污染源到控制斷面間的距離；（4）設(shè)定一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型主要參數(shù)（流量、流速、衰減系數(shù)）；（5）利用Excel軟件計算污染負(fù)荷與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系和背景濃度，最后通過規(guī)劃求解工具求解得到河流最大允許納污量。

規(guī)劃求解得到的環(huán)境容量是環(huán)境容量利用率最大情況下的最優(yōu)解，但是很多河流周圍的產(chǎn)業(yè)布局已經(jīng)形成，所以可以根據(jù)污染負(fù)荷排放現(xiàn)狀進行調(diào)整最優(yōu)解下的環(huán)境容量，然后根據(jù)TMDL方法將環(huán)境容量分為點源、面源和安全余量，最后將點源環(huán)境容量分配到各個污染源，完成流域環(huán)境容量分配。應(yīng)環(huán)境管理要求，將計算得到的流域環(huán)境容量分配到控制單元內(nèi)。

3.2識別方法

定義（污染負(fù)荷-環(huán)境容量）與環(huán)境容量的比值表示污染物超環(huán)境容量排放率（簡稱“超排率”）。控制單元的污染物超標(biāo)排放率公式為3-3。按照污染物超環(huán)境容量率200%以上、100%-200%、50% -100%、0-50%、0以下將控制單元分為紅橙黃綠藍五個管理等級。

F—控制單元內(nèi)的污染負(fù)荷超環(huán)境容量排放率，%；

W—控制單元內(nèi)的污染負(fù)荷，t/a；

Q—環(huán)境容量，t/a。

3.3識別

3.3.1污染負(fù)荷核定

根據(jù)水系分布和污染物排放情況，確定流域污染負(fù)荷來源。一般點源污染負(fù)荷包括直排企業(yè)、污水處理廠和規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)，非點源污染負(fù)荷包括農(nóng)村人口、耕地、城鎮(zhèn)用地、其他用地、散養(yǎng)的畜禽、降水等產(chǎn)生的污染物。

點源污染負(fù)荷計算采用常規(guī)統(tǒng)計法進行核定，統(tǒng)計法是利用已有的環(huán)境統(tǒng)計、排污申報登記、污染源監(jiān)督性監(jiān)測等數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)，核定點源排放量，其中入河系數(shù)根據(jù)溫度、距離、渠道系數(shù)進行修正。非點源污染負(fù)荷采用輸出系數(shù)法進行核定，此方法輸出系數(shù)需要經(jīng)過試驗進行確定，統(tǒng)計每條河流流域面積內(nèi)的不同土地利用類型的面積。

3.3.2污染區(qū)域識別

負(fù)荷核定數(shù)據(jù)來源為省環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，研究區(qū)域內(nèi)COD、NH3-N污染負(fù)荷分別為18346.6t/a、1880.58t/a，該研究區(qū)域每個縣市的環(huán)境容量、污染源排放情況、超排率見表1。COD在A、D、F區(qū)、縣實行紅色管理，B區(qū)、縣實行綠色管理，其他縣實行藍色管理。NH3-N在A、D、F區(qū)、縣實行紅色管理，B區(qū)、縣實行橙色管理，C區(qū)、縣實行黃色管理，G區(qū)、縣實行綠色管理，E區(qū)、縣實行藍色管理。

4　污染原因識別

本文主要從污染負(fù)荷貢獻率，點源主要污染源，面源主要污染類型等方面識別污染原因。

（1）污染負(fù)荷貢獻率：分別統(tǒng)計控制單元內(nèi)點源、面源污染負(fù)荷，計算點源、面源的污染負(fù)荷排放比例，識別出控制單元的污染負(fù)荷貢獻率。該研究區(qū)域COD、NH-N點源入河量分別為2605.93t/a、337.22t/a，非點源輸出量分別為15740.7t/a、1543.36t/a，以面源貢獻率為主。

表1　控制單元超排率情況

（2）統(tǒng)計點源排污企業(yè)，篩選出污染物排放量80%的企業(yè)，識別出主要排污企業(yè)；統(tǒng)計研究區(qū)域內(nèi)計算控制單元內(nèi)農(nóng)村人口、耕地、城鎮(zhèn)用地、其他用地、散養(yǎng)的畜禽、降水等產(chǎn)生的污染負(fù)荷，并求出非點源污染負(fù)荷排放貢獻率，該研究區(qū)域以農(nóng)業(yè)用地和畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷貢獻為主。

5　結(jié)論與建議

（1）該研究區(qū)域COD、NH3-N環(huán)境容量分別為13979.92t/a、776.95t/a，污染負(fù)荷超環(huán)境容量排放率分別為31.2%、142.0%。識別出該研究區(qū)域COD污染物排放優(yōu)先控制單元為A、D、F區(qū)、縣；NH3-N污染物排放優(yōu)先控制單元為A、B、D、F區(qū)、縣。

（2）該研究區(qū)域以面源污染負(fù)荷貢獻為主。下一步可進行的工作：測土施肥，合理使用化肥，政府可鼓勵有機肥制造行業(yè)的發(fā)展；定期更換農(nóng)藥的品牌，減少限制農(nóng)藥的使用；可進行分區(qū)域（山地、平原）、分水期（豐水期、平水期、枯水期）的輸出系數(shù)計算，使非點源污染負(fù)荷核定更接近于實際，進行非點源容量的計算和分配。分河段分水期的測算主要污染物的降解系數(shù)，使水環(huán)境容量的計算結(jié)果更接近于實際水環(huán)境容量，從而使污染物排放得到很好地控制，也能充分利用水環(huán)境容量帶來更多的經(jīng)濟效益。

[1]夏青.流域水污染總量控制 [M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1996.

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X8[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-318-2

李曉連（1990～），女，沈陽理工大學(xué)碩士研究生，研究方向為環(huán)境規(guī)劃與評價。

遼河流域主要污染物排放控制與管理體系建設(shè)示范（2012ZX07505-002）