遼河污染物允許排放量分配分析研究

王 永

（遼寧葠窩水力發電有限責任公司，遼寧 遼陽 111009）

2000年以來，遼寧省高度重視水污染治理工作，大力開展了遼河流域水污染治理及水環境保護工作，首次達到了“摘帽”預期目標。但近年來，隨著經濟社會的不斷發展，干支流水質均受到一定影響。遼河為沈陽市過境河流，干流由上游至下游設置3個控制斷面，分別為馬虎山、巨流河大橋、紅廟子斷面。馬虎山為參考入境斷面，紅廟子為沈陽市遼河干流出境斷面，通過對馬虎山、紅廟子斷面2011年～2015年逐月水質監測結果進行統計分析，馬虎山、紅廟子斷面化學需氧量、氨氮等指標均基本可達到Ⅳ類水體標準要求。但生化需氧量、總磷指標較難穩定達到Ⅳ類水體標準。按照國家的控制斷面水質達標目標要求，遼河干流馬虎山、巨流河大橋、紅廟子等三個國控斷面距離目標還有一定差距。本文以水質達標控制單元為基礎，計算遼河污染物負荷，分析污染成因及演變規律，以此計算各控制單元污染物允許排放量。為遼河水質達標提供方向與依據。

1 控制單元劃分

在充分考慮地形地貌、水文等自然特征，以及河流流經農村區域和城市區域的不同納污類型、行政區域管理可操作等因素基礎上，綜合控制斷面設置情況，將遼河劃分為3個控制單元，見表1。

表1 遼河水質達標控制單元劃分表

2 污染物負荷計算

遼河污染負荷以非點源為主，污染源主要有：農村生活污染、種植業污染、畜禽養殖污染；點源污染主要是沿河城鎮生活集中排放、中小企業污染排放和主要工業區污水處理廠污水排放。

2.1 生活污染負荷

生活污染負荷根據《第一次全國污染普查城鎮生活源產排污系數手冊》估算沈陽市境內遼河城鎮生活污染負荷；參考遼河源頭區域農業非點源污染負荷的經驗參數對遼河農村生活面源污染負荷進行估算，具體各污染物的排放值，見表2。

表2 生活污水及污染物排放量

2.2 畜禽養殖污染負荷

根據畜禽養殖業非點源污染形成過程，畜禽養殖產生的糞便以及糞便中污染物的含量乘以流失系數為流失到周圍環境中的污染物排放量，具體估算方法如下[1]：

式中：L畜禽養殖為污染物排放量，t；Q 為畜禽養殖數量；ρ糞便為畜禽糞便排泄系數，kg/(只·d)；γ 為糞便污染物含量，%；λ畜禽養殖為污染物流失系數。各參數的取值見表3。

表3 畜禽養殖污染物流失系數

2.3 種植業污染負荷

肥料流失有兩種方式，一是隨下滲的水分向土壤層遷移，即地下淋溶方式，二是當降水強度大于土壤入滲能力或田間排水時，產生地表徑流，土壤營養物質隨地表徑流發生遷移，即地表徑流方式。農業種植面源污染負荷的估算方法如下[2]：

式中：L種植業為污染物排放量，t；M為化肥施用量（折純量），t；ρ地表徑流為地表徑流肥料流失系數；ρ地下淋溶為地下淋溶肥料流失系數。

根據《第一次全國污染源普查：農業污染源肥料流失系數手冊》各參數取值見表4。

表4 農業污染肥料流失系數

2.4 控制單元污染物入河量估算

根據沈陽市統計年鑒數據，利用以上數據和經驗參數估算境內遼河的面源污染物的排放系數，再乘以各類污染源污染物的入河系數，即可估算控制單元各污染物的入河量。根據境內遼河的多年平均降雨徑流系數，農業種植的污染物入河系數為0.11；畜禽養殖業和農村生活污染物入河系數為0.2；城鎮生活污染物入河系數為0.4。污染物入河量見表5。

表5 遼河控制單元污染物入河量 單位：t/a

根據表5可知，遼河控制單元污染物入河量中，COD為12031.77t/a，BOD 為2138.07t/a，TN為 1989.11t/a，TP為117.30t/a，氨氮為355.69 t/a。

3 污染成因及演變規律分析

影響水體污染物濃度的三個主要因素：一是污染物入河量；二是河道納污水量；三是污染降解能力。

3.1 污染物入河量

遼河污染物入河估算量的主要影響因素是入河系數，不同污染源的入河系數差異較大。污染源主要包括農業種植面源排放、蓄禽養殖面源排放、農村生活面源排放、沿河城鎮生活集中排放和污水處理廠點源排放。

農業種植面源污染的入河量受產匯流過程影響顯著，污染物隨降雨或灌溉引起的產匯流過程而發生下滲和水平空間遷移最終進入河道水體，污染物入河系數可近似看作是降雨徑流系數，遼河多年平均降雨徑流系數約為0.11。由于規模化蓄禽養殖對動物糞便進行集中處理，其污染物排放入河量相對比較穩定，且入河系數較大；對于農村散戶養殖，污染物入河主要由雨水沖刷產生，受降水徑流關系影響，入河系數可近似看作是降雨徑流系數。農村生活污染主要包括生活垃圾和生活污水，在非沿河區域，生活污染物主要由雨水沖刷產生，其入河系數可近似看作是降雨徑流系數。沿河城鎮生活集中排放和污水處理廠點源排放，污染物直接排放進入水體，入河系數可取1，基本不受降雨徑流過程影響。

3.2 河道納污水量

遼河干流及支流河道沿河排水量相對較小，水量主要來自上游入境水量和境內產流量，主要受降雨徑流關系影響。

3.3 污染物降解能力

河道污染物降解能力受水溫、污染物濃度、流速、含沙量等因素的影響，在不同河道、不同水文條件下污染物的降解能力不同。一般情況下，水溫越高、污染物濃度越高、流域越小的情況下，污染物降解能力越強。

3.4 污染物演變規律

通過對遼河干流及支流的污染源解析分析可知，總磷污染主要是由農業種植和畜禽養殖引起的，總磷指標的入河量受降雨徑流過程影響顯著，同時河道納污水量也隨降雨徑流過程發生變化，但由于流速增加，污染物降解能力下降，河道內污染物量較徑流量更為敏感，污染物濃度與河道徑流成較好的正相關關系。河道水體總磷濃度及河道徑流的年際變化規律見圖1，由于馬虎山監測斷面污染物變化受上游其他地區產排污影響，這里僅分析紅廟子監測斷面的水質與水量之間的關系。生化需氧量主要是由畜禽養殖、污水處理廠和城鎮生活集中排放引起的，污染物入河量受降雨徑流過程影響較弱，入河量比較穩定，而河道納污水量則隨降雨徑流過程發生變化，因此在河道徑流較大的情況下，污染物濃度相對較低，污染物濃度與河道徑流成負相關關系。

圖1 遼河干流水質水量關系

4 水質達標計算

4.1 一維水質模型

式中：W為水環境容量，t/a；QP為點源設計水量，m3/s；QM面源水量，m3/s；Q0為設計流量，m3/s；q為單位長度沿程面源水量，m2/s；CS為水質標準，mg/L；CM為面源濃度，mg/L；A 斷面面積，m2；x計算（控制）單元長度或面源沿程距離，m；K為降解系數，1/d；α為不均勻系數；EL為中間變量。

4.2 污染物允許排放量分配

遼河干流有3個國控斷面，分別是馬虎山、巨流河大橋和紅廟子斷面。按照近年遼河干流水質分析結果，干流主要超標污染物為總磷和生化需氧量，污染物排放以非點源排放為主。在沈陽市遼河干流沿線水質達標控制斷面中，馬虎山為參考入境斷面，上游由鐵嶺入境，水質為Ⅴ類水，馬虎山控制單元主要污染源有長河和左小河支流匯入；巨流河大橋控制單元污染源主要有秀水河和養息牧河支流匯入，以及控制區面源污染排放；紅廟子控制單元主要污染源有吉康污水處理廠排水、沿河面源污染，以及柳河匯流，但柳河水質基本達到Ⅳ類水，對下游水體水質影響較小。受上游來水水質和支流河匯入水質影響，遼河干流各控制斷面尚無法達到地表水Ⅳ類水體標準要求。采用河流一維容量模型建立遼河污染物排放量與河流水質之間的數學關系，基于馬虎山、巨流河大橋和紅廟子3個國控斷面達到Ⅳ類水體標準，反推各控制單元的污染物許可排放量。

（1）馬虎山控制單元

根據2012年～2014年的水質和水量監測數據，計算各支流河的污染物匯入量；根據2014年的沈陽市統計年鑒數據以及《第一次全國污染源普查》中提供的東北地區的相關污染源排放系統對遼河干流的面源污染排放量進行統計，見表6。可以看出馬虎山控制斷面的污染物來源主要是上游入境污染物，沈陽市境內干流馬虎山控制單元和支流河長河、左小河控制單元的生化需氧量和總磷的排放入河量分別為824.12 t/a和40.97 t/a。在鐵嶺入境水質達到Ⅳ類水體標準的條件下，以馬虎山控制斷面水質達到Ⅳ類水為標準，計算河段的生化需氧量和總磷的環境容量分別為1065.78 t/a和25.12 t/a。對于生化需氧量指標而言，只要長河和左小河匯入水質達到Ⅳ類水體標準，則馬虎山斷面生化需氧量指標將達標；對于總磷而言，除了支流匯入水質需達到Ⅳ類水體標準之外，還需要通過合理施肥、新建污水處理站、增加污糞集中處理設施等對沿線村屯的面源污染進行控制，將城鎮生活、農業種植和畜禽養殖總磷排放量控制在現狀條件的70%以下。

表6 馬虎山控制單元污染控制方案

（2）巨流河大橋控制單元

計算巨流河大橋控制單元各支流河的污染物匯入量和干流的面源污染排放量見表7。可以看出巨流河大橋控制斷面的污染物來源主要是上游入境污染物，巨流河大橋控制單元和支流河秀水河、養息牧河控制單元的生化需氧量和總磷的排放入河量分別為2088.64 t/a和89.91 t/a。在上游斷面水質達到Ⅳ類水體標準的條件下，以巨流河大橋控制斷面水質達到Ⅳ類水為標準，計算河段生化需氧量和總磷的環境容量分別為1569.97 t/a和95.60 t/a。只要秀水河和養息牧河匯入水質達到Ⅳ類水體標準，則巨流河大橋控制斷面的生化需氧量和總磷指標將達到Ⅳ類水體標準。該斷面水體達標的主要控制方案是控制秀水河和養息牧河水體達標匯入遼河干流。

表7 巨流河大橋控制單元污染控制方案

（3）紅廟子控制單元

計算紅廟子控制單元各支流河的污染物匯入量和干流的面源污染排放量見表8。可以看出巨流河大橋控制斷面的污染物來源主要是上游斷面污染物，紅廟子控制單元和支流河柳河控制單元的生化需氧量和總磷的排放入河量分別為2189.46 t/a和144.93 t/a。在上游斷面水質達到Ⅳ類水體標準的條件下，以紅廟子控制斷面水質達到Ⅳ類水為標準，計算河段生化需氧量和總磷的環境容量分別為1459.06 t/a和194.36 t/a。保持柳河匯流水質不變，只要新民市吉康污水處理廠的排放表由二級標準提高到一級A標準，則紅廟子控制斷面的總磷指標將達到Ⅳ類水體標準；生化需氧量指標要達到Ⅳ類水體標準，還應該加強控制單元內的面源污染治理措施，通過排污管線擴建工程和污水處理站工程提高城鎮生活污水的收集處理率，使其提高到70%以上；此外，還應通過改變污糞處理方式、增加集中處理設施等措施，控制遼中區畜禽養殖污染排放量，將總磷排放量控制在現狀條件的70%以下。

表8 紅廟子控制單元污染控制方案

5 結論

本文采用一維水質模型，能夠較好地預測污染源BOD、TP的控制值，對遼河干流提出的污染物允許排放量控制分配能夠對后期水質達標目標要求提供有力的幫助與參考。同時，為了使水質達標更具有穩定性，建議后期可以在原來控制斷面的基礎上增設一部分監測斷面進行水質監測，使得預測污染源控制值更加準確。