基于控制斷面法的水環境容量及污染綜合治理研究

張國慶

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

在水體功能不被破壞的前提下，水體所能容納污染物的最大量即為水環境的容量[1]。水系統具有一定自凈和稀釋功能，該功能是影響水環境容量的重要參數指標，是揭示污染物在水體環境中能夠得到擴散、轉移和消散的重要參數指標[2]。一般條件狀況下，當凈污比高于10～20倍之時，水環境容量可僅僅對稀釋作用進行計算研究，而不考慮水體的自凈功能。隨著城市需水量和環境污染問題的日趨嚴峻，對染排放量控制和水環境容納量的研究已成為國內外水環境領域的主要研究方向和重要內容[3]。在控制污染物總排放量的狀況下，開展水環境容量的研究對緩解水體環境污染和水資源緊缺等問題具有重要意義[4]。

眾多學者分別針對不同流域開展了水環境容量的計算方法研究，如韓龍喜[5- 10]等結合南通水文地理河網特征，構建了用于該地區的水質水量模型并進行模擬計算研究；孟偉[11]等通過分水環境質量標準和基準等概念，概述了制定上述標準的方法和過程，并探討了影響污染物總量控制的關鍵因素，同時對水質標準體系的保護功能、組成方面和制定方法等進行了分析，總結了水指標準在污染物控制方面的應用狀況；周剛[12]等以氨氮水質和化學需氧量為研究指標和參數，提出了RPSM非線性優化算法和WESC2D水質分析模型的河流污染物控制技術和方法。

當前，對水質環境的總目標研究是水環境容量關鍵性技術控制措施探討研究的主要內容，而實現從總目標的設定到流域單元的水質控制研究已成為未來相關控制計算研究發展的必然趨勢，且采用年際標準是進行水環境容量計算采用較多的方法。據此，本文結合大凌河水系的基本稅額問特征，采用控制斷面法對水環境按月份進行分配，以期為研究區域制定更加科學合理的水環境污染管理控制方案、水體污染治理措施提供參考依據和理論支持[13]。

1 水環境容量計算法

大凌河流域大部分區域屬于雨源型河流，局部地區匯水面積少且在枯水期河道徑流量小，通常情況下河流的補充水源不足，水環境的容納能力極其有限，而城市經濟發展和人們生產生活對水資源的需求導致對該流域的水資源開采強度較高，并給當前的水環境治污系統帶來較大的壓力。本研究以遼寧省大凌河水環境容量為研究對象，依據大凌河流域交接斷面水質目標為Ⅲ類水質標準，為了對研究流域水環境容量進行充分利用并達到水質目標，本研究采用控制斷面法進行大凌河流域水環境計算分析[14]。在滿足水質標準相關要求的條件下進行某控制斷面處的水環境容量的計算分析是保證入河污染量計算準確性和客觀性的基本前提?？刂茢嗝娴乃h境容量是基于該控制斷面向上游方向進行反推至某一斷面，將該區間內排污口所能承受的排污能力極限值進行統計并求和計算。自凈容量和稀釋容量是河流水環境容量的2個重要組成部分，其計算公式分別如下所示：

(1)

(2)

E=E1+E2

(3)

式中，E、E1、E2—分別為水環境容量，稀釋容量和自凈容量，g/s；c0、cs—分別為流域水體背景濃度和水質標準值，mg/L；Q—河流設計流量，m3/s；qi—河流污染物平均排放量，m3/s；k—河流污染物降解系數，d-1；ti—第i時段內的水流時間，d；u—河流水流速度，m/s。

2 相關參數的確定

2.1 設計水文條件

因大凌河流域實測水文資料相對缺乏，本研究對該該流域的計算分析采用遼寧省水文圖集徑流深等值線圖對不同保證率下大凌河交接斷面天然徑流量進行推算。通過借鑒相關資料和圖集數據可知，研究區域年徑流變差系數Cv取0.36，平均徑流深度為980m，偏態系數Cs為2Cv，對不同頻率控制斷面的大凌河主要干、支流的天然徑流進行推算，計算結果見表1。

表1 不同頻率下大凌河流域交接斷面處天然徑流量計算結果

大凌河流域大部分區域屬于雨源型河流，在降雨汛期河流洪水存在明顯的陡漲陡落特征，而在非汛期的水流量較少。結合相關流域經驗，河流設計流量通常采用90%的保證率進行水環境容量的計算，并利用典型年份的徑流量月分配狀況對水環境容量進行逐月分配，以期為其他類似流域制定有效、合理的水環境污染控制管理方案和治理措施提供決策依據和理論支持。同時，為了保持河流的流動性和自然性并維持河流一年四季的流水不斷，根據相關資料和研究成果，朝陽市對大凌河的再生補給年入水量月12870萬m3，該部分補給水資源量對大凌河的水環境在一定程度上產生影響?？紤]到調水水量來源較為穩定，且隨時間的變化量相對較小，據此可將該部分補給入水量在時間上假定為均勻分配。水環境容量水文條件為補給水量和保證率為90%的天然徑流量之和為24705萬m3，然后對其進行逐月分配，大凌河月徑流量分配結果見表2。

表2 大凌河水環境容量逐月水文條件計算結果

2.2 大凌河水質治理目標

水資源不同功能要求、自然條件和開發利用現狀是進行水功能區劃的主要依據，不同的水功能區劃具有各自的水質管理目標。結合遼寧省對跨界河流的水質管理要求和朝陽市地面水環境功能區劃內容，構建了大凌河流域交接斷面處的水環境治理目標為：除黑消臭，并達到地表水Ⅲ類水質標準，該水質標準的相關參數指標極限值表3。

表3 地表水Ⅲ類標準水體中各項目指標的質量濃度極限值 單位：mg/L

2.3 水質降解系數

水體環境中的污染物可通過物理、化學和生物降解作用進行轉移、消除和稀釋作用，而降解系數是反映污染物在水體中降解速率快慢的重要參數，是表征水環境中一系列復雜行為的綜合體現。采用經驗系數法、河道實地現場測量法、采用模型參數率定法和實驗室測定法是污染物降解系數測定的主要方。本研究中結合大凌河流域納污能力相關計算研究，采用經驗系數法進行降解系數K的計算，K為0.18d-1。

3 結果與分析

利用文中所得基本參數和方法，可獲得大凌河朝陽區段的水環境容量在90%保證率河流補水和天然流量情況下分配狀況，月分配狀況統計結果見表4。

表4 COD年大凌河朝陽段總水環境容量月分配情況與入河污染物量

以水體環境中COD參數指標為例，由表4計算結果可知，大凌河入河污染物總量和水環境容量分別為65640、6436t，年平均污染物量與水環境容量比值為10.2。水環境容量整體表現為豐水期較大、枯水期較小，其最大和最小值分別位于7月份和12月份。

通過對大凌河流域污染源和污水處理廠運行狀況進行調查和統計分析，得到研究區域COD年污染負荷量為122410t，且年污染物處理量約為567700t，污染物年入河總量為65640t，且在枯水期12月份的污染物量和水環境容量的最高比值可達57.0倍。由此可知，大凌河朝陽段河流污染物入河量相對于水環境容量非常大，污染負荷量明顯大于水環境的最大承載力，特別是在枯水期污染物量與水環境容量比值高達57.0倍；雖然在豐水期河流水環境容量較大，然而污染負荷量依舊超高水環境的最大承載力。

根據研究區域社會經濟發展基本特征和城鎮化發展基本狀況可知，經濟的發展、城鎮化建設、人口數量的增大是引起區域內水資源用量廢水排放量增加的主要因素，而水環境治理措施滯后和污水處理技術的落實等是引起水環境持續惡化的關鍵性因素。

4 流域水質改善措施

流域內水質環境改善的相關技術主要包括：外源阻斷和內源控制、生態修復、水質凈化、水動力改善等。對人類生活垃圾和污水等面源控制、城鎮納污管道管理等措施是外源阻斷技術的主要方法，納污管道截斷作用是利用市政原位處理或污水管排放措施直接阻斷污染的來源，降低外源向河流的輸入，而城鎮生活垃圾的隨意堆放是引起降雨徑流污水的主要原因，據此還應加強對水體周邊環境的面源污染清理和控制；抽水清淤和挖泥船直接清淤是內源控制技術兩種主要方法；氮磷污染濃度的偏高是引起水體黑臭等次生問題的內在因素，氮磷含量較高可引起水體生物死亡、水質惡化、水藻毒素驗證等問題。據此，加強河流氮磷有機污染物的入河控制是進行城市河道富養化治理的有效方法，當前污水處理廠的氮磷排放濃度指標值明顯低于地表水極限值，加強對氮磷總排放量的控制是改善水體環境的有效措施。而生物、物理和化學技術是控制藻類生產的主要方法，采用高強紫外線對藻類直接作用或人工集中打撈是進行水環境物理治理的主要方法，而采用投放有機、無機抑制劑是主要的化學技術控制法，采用食藻魚類和水體生物是水體環境凈化的主要生物控制法；實施人工濕地技術、對河流進行曝氣充氧、建造生態浮島和穩定塘等措施是進行水體環境凈化的技術措施；對于有條件的區域進行調水是水動力改善的主要措施，不僅有利于提高河道的納污水平，而且可加強并促進污染物在水體中的轉移、消散和凈化作用，同時有利于稀釋水體中發黑發臭污染物濃度，對于改善水體環境具有明顯的治理效果。

5 結論

本文選取COD作為水體環境污染物參數指標利用控制斷面法對大凌河水環境容量進行計算和分析，通過將外調水量與水環境容量進行疊加并按月進行水環境容量的分配，得到了大凌河朝陽區段的逐月水環境容量，并將計算結果研究區域入河污染總量進行比較。得出的主要結論如下：

(1)大凌河朝陽段河流污染物入河量相對于水環境容量非常大，污染負荷量明顯大于水環境的最大承載力，特別是在枯水期污染物量與水環境容量比值高達57.0倍；雖然在豐水期河流水環境容量較大，然而污染負荷量依舊超高水環境的最大承載力。

(2)經濟的發展、城鎮化建設、人口數量的增大是引起區域內水資源用量廢水排放量增加的主要因素，而水環境治理措施滯后和污水處理技術的落實等是引起水環境持續惡化的關鍵性因素。

(3)外源阻斷和內源控制、生態修復、水質凈化、水動力改善等措施是改善流域內水質環境改善有效措施。