遼陽市主要河流納污能力與限排總量研究

宓永寧，陳靜超

(沈陽農業大學水利學院，沈陽 110161)

遼陽市位于遼寧省沈遼鞍經濟帶中部，區位優勢明顯、礦產資源豐富、大中型國企密布，是著名的老工業城市，也是新興的現代石化輕紡工業基地。但其經濟發展存在嚴重依賴工礦業、農林牧漁產業以傳統方式為主等問題，既有的經濟結構決定了遼陽市產業以高耗水、高污染類型為主。域內有渾河、太子河2大水系，葠窩、湯河2座省轄大型水庫，它們主要承擔域內及鄰近地區的工農業、飲用水供水等常規性任務，其中部分河流還承擔了首山、遼化等缺水型地下水源地、湯河等季節性缺水河流的水資源補給等任務，葠窩、湯河2水庫還承擔了聯合調度等任務。

鑒于近年來遼陽市面臨水污染加重及取水量增長較快的狀況，為實現城市可持續健康發展，建設特色產業化、特大型城市的目標[1]，本文主要分析遼陽市域內主要河流2010-2014年的水質變化趨勢、2014年的納污能力和限排總量，以供參考。

1 研究區域及主要污染物

遼陽市位于溫帶大陸性季風氣候區，四季分明、雨熱同步，渾河、太子河水系流量年內季節性變化明顯，太子河有一級支流蘭河、湯河、北沙河、柳壕河、南沙河、運糧河，見圖1。

依據遼陽市水系流域詳圖，遼陽市主要工礦企業及其排污口均位于主要河流附近，城市、村鎮居民點呈“沿河而居”的特點，主要灌區亦沿河兩岸分布。從污染物排放源頭來看，河流接納點源、面源、生活污染物量均遠超葠窩、湯河2大水庫，其中尤以太子河干流、湯河、柳壕河、北沙河、渾河河段接納污染物量較大；從污染物降解能力來看，葠窩、湯河2座大型水庫遠遠高于主要河流，由引蘭入湯工程分析知，蘭河流量與污染物降解能力較大。本文選取域內污染狀況相對嚴重的太子河干流、湯河、柳壕河、北沙河、渾河為研究區域，研究區域河流及水功能區對應狀況見表1。

圖1 遼陽市流域水系Fig.1 Liaoyang city watershed

表1 研究區域水功能區情況匯總Tab.1 Water function zones of research region

注：①水功能區[2,3]分為1級區、2級區2類。1級區協調地區間用水需求，2級區協調用水部門間需求。1級區包括保護區、保留區、開發利用區、緩沖區，2級區是在開發利用區基礎上，按需優先滿足的用水需求將其進一步劃分為飲用水源區、工業用水區、農業用水區、漁業用水區、景觀娛樂用水區、排污控制區、過渡區。②排污控制區是指排污口較集中的水功能區，不設水質目標。

統計分析2010-2014年研究區域各河流及對應水功能區全年水質實測濃度值及相應水質目標值，采用單因子法分析。本文選取超標情況相對較大的COD、NH3-N為主要污染物。

依據《全國水功能區劃技術大綱》、《遼寧省主要水系地表水環境功能區劃》等資料，研究區域涉及1級水功能區8個，其中2個保護區、6個開發利用區[4]，研究區域開發利用區共包含16個2級水功能區。從功能區來看，保護區河長占研究區域總河長的19.1%，開發利用區占80.9%；從河流來看，域內渾河河段僅包含七臺子農業用水區，其余水功能區位于研究區域其他河段。

2 水質趨勢

由于水功能區僅能代表河流局部水質狀況，無法反映河流整體上的水質濃度水平，且現實中相鄰河流水功能區監測斷面的水質濃度可能相差較大，更加大了評價河流整體上水質濃度水平的難度。為準確評價各河流水質濃度水平，本文采用加權平均法處理水質數據，以季節性Kendall檢驗法[5-7]分析各河流2010-2014年水質變化趨勢。

2.1 數據處理

統計分析研究區域各河流水功能區主要污染物2010-2014年逐月水質濃度值，加權平均。各河流水質濃度值取其囊括水功能區的加權平均值，權重取該水功能區河長占河流河長的比重。

2.2 水質變化趨勢分析

鑒于水質數據序列為2010-2014年、河流流量年內季節性變化明顯的特點，本文采用季節性Kendall檢驗法分析水質變化趨勢。季節性Kendall檢驗法是通過比較歷年同月份水質濃度值逐項的增長、降低次數及相應數學模型判斷水質變化趨勢的方法。通過SPSS軟件分析，各河流2010-2014年水質濃度變化趨勢見表2。

表2 研究區域水質變化趨勢Tab.2 Water quality trend of research region

注：“―”代表無明顯升降趨勢，“↑”代表顯著上升趨勢，“↑↑”代表高度顯著上升趨勢，“↓”代表顯著下降趨勢，“↓↓”代表高度顯著下降趨勢。

3 水域納污能力核算

水域納污能力[8-10]是指在設計水文條件下，滿足計算水域的水質目標要求時，該水域某一時段所能容納的某種污染物的最大數量。

依據遼寧省遼陽水文局提供的資料：研究區域水功能區較少囊括分流、交匯流節點，將囊括節點的水功能區視為銜接的單一河段在理論上是可行的；研究區域排污口基本位于所處水功能區起始斷面至控制斷面之間，可將排污口概化為位于水功能區上界面。

3.1 納污能力模型

假設水功能區為單一河段i，排污口概化為位于上界面，Li為河長，Csi、C0i、Cli分別為河段水質標準、入流水質、出流水質濃度，Qi、qi分別為河段設計流量、排污口平均流量，ui為河段設計流速，Ki為河段綜合降解系數，Wi為污染物排放量，見圖2。

圖2 河段納污能力示意圖Fig.2 River pollutant carrying capacity

設排污口對河段上界面濃度貢獻值為ΔCi1：

(1)

依據《水域納污能力計算規程》(GB25173-2010T)中河流一維模型，橫斷面上均勻混合的污染物流經x距離后濃度降解至Cx=C0e(-K x/u)，則排污口排污量對下界面濃度貢獻值ΔCi2滿足：

(2)

同理，河段入流水質C0對下界面濃度貢獻值ΔC0L滿足：

ΔC0L=C0e(-KiLi/ui)

(3)

當下游斷面水質濃度值等于水質目標時，河段i納污能力值Mi等于受納污染物總量Wi，即：

Cli=Csi

(4)

由式(1)、(2)、(3)、(4)及量綱守恒得：

3.2 模型參數

由3.1知，納污能力核算需知相應的水質標準、入流和出流水質濃度及流量、流速、排污流量等數據資料，部分水功能區模型參數見表3。

表3 模型參數Tab.3 Model index

(1)水質標準。取各河流水功能區對應的水質目標，其中排污控制區取其上游水功能區水質標準。

(2)入流、出流水質濃度。取各河流水功能區對應監測斷面的年均值。

(3)設計流量。鑒于既有流量資料為10年序列，本文取各河流水功能區2005-2014年最枯月平均流量作為設計流量。

(4)設計流速。取各河流水功能區設計流量對應的流速。統計各水功能區監測斷面流量及對應流速數據，調用matlab軟件中interp(Q，u)函數進行插值。

(5)廢污水排放流量。取各河流水功能區監測斷面全年流量平均值，2014年遼陽市部分排污口排污統計見表4。

表4 排污口排污統計Tab.4 Outfall emissions

3.3 納污能力及污染物消減量核算

根據所選納污能力模型、模型參數及研究區域各水功能區相關數據等資料，研究區域2014年各河流納污能力核算結果見表5。

限排總量[11]是指在確定的時間內，允許污染物進入水功能區的最大數量，其值恒小于等于相應納污能力，核算[10,12-13]滿足：①保護區嚴格限制排污，限排總量取污染物入河量；②飲用水源區限排總量取納污能力、污染物入河量中較小值；③其余水功能區限排總量取其納污能力值。各河流限排總量見表5。

表5 2014年各河流納污能力及限排總量 t/a

4 結 論

本文通過分析遼陽市主要水功能區及其水文、水質等資料，采用季節性Kendall檢驗法分析各河流2010-2014年COD、NH3-N濃度變化趨勢，采用一維水質模型核算各河流2014年COD、NH3-N納污能力，并依據相關原則核算其限排總量。

(1)水質變化趨勢。太子河干流、湯河COD、NH3-N濃度顯著上升，柳壕河、北沙河NH3-N濃度顯著上升，渾河NH3-N濃度顯著下降，其余無明顯變化趨勢。

(2)納污能力及限排總量。從水功能區上來看，開發利用區集中了最大的納污能力、限制排污總量；從河流來看，太子河干流、柳壕河、渾河納污能力與限排總量占研究區域的80%以上，其中太子河干流納污能力、限排總量最大，柳壕河、渾河2河占比相差不大，且納污能力值等于限排總量。

(3)鑒于遼陽市水污染以工業點源、農業面源及生活污水為主，應轉變生產、生活方式，從源頭上減少污染；建立有生態補償的“排放權”市場引導排污，依據相應水功能區限排總量調節、轉移污染物排放；依據水體降解能力的年內、年際變化及限排總量在不同時間尺度上的差異，從時間上調節污染物排放。

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