長江經濟帶典型區域水質目標管理集成技術研究及應用

何 斐, 李維新*, 馬秋霞, 徐 斌, 晁建穎, 劉 莊, 莊 巍

1.生態環境部南京環境科學研究所, 江蘇 南京 210042

2.河海大學, 江蘇 南京 210098

2016年1月和2018年4月習近平總書記分別在重慶和武漢推進長江經濟帶座談會上發表重要講話，強調推動長江經濟帶發展，必須堅持生態優先、綠色發展，把生態環境保護擺上優先地位，共抓大保護，不搞大開發，正確把握生態環境保護和經濟發展的關系[1].

長江經濟帶覆蓋上海市、江蘇省、浙江省、安徽省、江西省、湖北省、湖南省、重慶市、四川省、貴州省、云南省共11省市，面積約205×104km2，人口和生產總值均超過全國的40%，是我國經濟重心所在、活力所在，也是中華民族永續發展的重要支撐[2-4]. 歷經多年開發建設，長江經濟帶傳統的經濟發展方式仍未根本轉變，生態環境狀況形勢嚴峻.

20世紀70年代以來，歐美等許多發達國家針對本國水污染狀況相繼開展了水質管理技術研究，如美國TMDL (Total Maximum Daily Loads，最大日負荷總量)計劃[5-9]，歐盟萊茵河總量控制管理[10-12]以及日本東京灣、伊勢灣及瀨戶內海等流域的總量控制計劃[13-16]等. “十一五”和“十二五”期間，國家水體污染控制與治理科技重大專項在流域水環境管理技術方面實現了共性關鍵技術的重點突破[17-18]，為流域水質目標管理提供了有力技術支撐，但相關課題多在單一流域開展[19-23]，從國家層面看，長三角、珠三角、京津冀以及長江經濟帶等大區域水環境水質目標管理技術體系尚未得到系統集成，流域管理模型及參數的規范化、本土化不夠，水質目標管理技術體系的規范化、標準化和精細化程度還有待提高.

該研究在水質目標管理技術相關研究的基礎上，集成長江經濟帶水質目標管理集成技術體系，結合長江經濟帶下游典型研究區域水文、水質同步監測，構建二維非穩態水環境數學模型，模擬長江經濟帶下游典型區域水環境，對研究區域長江干流90個三級功能分區進行容量總量計算，確定研究區域基于控制單元三級水生態功能分區水質目標的COD、氨氮、TP區域總量控制值，以期為沿江城市污染負荷削減、污染物入江量管控提供科學決策依據.

1 長江經濟帶水質目標管理集成技術內涵

1.1 長江經濟帶水質目標管理需求

長江流域經過近20年的污染治理，水環境質量顯著改善[24-25]，但生態系統保護修復形勢仍然嚴峻[26-28]. 長江經濟帶局部重點區域面臨著水資源量短缺、飲用水水源風險、湖泊富營養化等壓力，流域水環境問題制約流域社會經濟可持續發展，長江經濟帶現有水環境管理技術不能滿足面向水生態系統保護的水質目標管理技術的要求，水質目標管理是長江經濟帶水環境管理的重要環節，開展有效的水質目標管理迫在眉睫[29-30].

1.2 長江經濟帶典型區域水質目標管理集成技術內涵

長江經濟帶水質目標管理集成技術體系是在“十一五”“十二五”水質目標管理技術相關研究的基礎上，依據“分區、分類、分級、分期”的流域水環境管理思路，系統評估了長江經濟帶分區分類的生態環境問題，梳理并分析不同水質目標管理技術之間的結構協調性、系統銜接性和技術適用性. 針對長江上游生態脆弱區和長江中下游沿江區域重化工業密集的污染特點，緊密結合長江經濟帶水環境管理的現實需求，甄選適用于長江經濟帶水環境特征和差異化需求的水質目標管理技術，在“流域-區域-控制單元-污染源”水環境管理層次體系中，以流域總量控制為基礎，立足于控制單元，完成“流域水生態功能分區-水環境基準標準-容量總量(排污許可)管理-最佳可行技術-風險管理”的水質目標管理技術的甄選和集成，由目前單一水質目標管理技術研發、部分集成及局部應用為主，提升形成有機一體的長江經濟帶水質目標管理集成技術體系，長江經濟帶水質目標管理技術銜接關系見圖1.

圖1 長江經濟帶水質目標管理技術銜接關系

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究區概況

長江下游大通至長江入海口段，干流自西向東橫穿安徽省、江蘇省、上海市，全長約557 km，流經11個地級市及1個直轄市(銅陵市、蕪湖市、馬鞍山市、南京市、揚州市、鎮江市、泰州市、常州市、無錫市、南通市、蘇州市、上海市)，劃分為28個二級分區、154個三級功能分區(見圖2). 研究區域為江蘇省沿江8市(南京市、揚州市、鎮江市、泰州市、常州市、無錫市、蘇州市、南通市)，屬長三角地區，劃分為90個三級功能分區，是我國經濟發展最快的地區之一，但同時也面臨著嚴重的流域水環境問題，時刻考驗著飲用水水源和水生態的安全. 研究區域工業結構性污染突出，城鎮污水處理水平有待進一步提高，農業源污染影響嚴重，流動源污染對水環境形成較大壓力，湖泊生態安全水平下降，近岸海域污染嚴重，沿岸支流水質基本都在GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ～Ⅳ類. 以長江江蘇段為例，其沿江聚集了化工園區38個、涉重生產片區14個、涉危化工企業700多家，沿江8市的污水排放量約占江蘇省全省總量的80%，對長江干流水質安全造成嚴重影響.

圖2 長江經濟帶研究范圍

2.2 研究方法

2.2.1污染負荷計算方法

工業污染負荷計算公式：

G=(GP+θ1)×β1

(1)

式中：G為工業污染物入河量，t/a；GP為工業污染物排放量，t/a；β1為工業污染物入河系數，取值為0.8～1.0；θ1為污水處理廠排放的工業污染物的量，t/a.

農村生活污染負荷計算公式:

S1=S1P×β2

(2)

式中：S1為農村生活污染物入河量，t/a；S1P為農村生活污染物排放量，t/a；β2為農村生活污染物入河系數，取值為0.2～0.5.

S1P=R1×α1

(3)

式中：R1為農村人口數，人；α1為農村生活排污系數(見表1).

表1 生活污染源排污系數

城市生活污染負荷計算公式:

S2=(S2P+θ2)×β3

(4)

式中：S2為城市生活污染物入河量，t/a；S2P為城市生活污染物排入河道內量，t/a；β3為城市生活污染物入河系數，取值0.6～0.9；θ2為污水處理廠排放的城市生活污染物的量，t/a.

S2P=R2×α2

(5)

式中：R2為城市人口數(未接入城市污水管網的部分)，人；α2為城市生活排污系數，取自《第一次全國污染源普查產排污系數手冊》(見表1).

根據中國環境科學研究院提供的排污當量，進行區域內種植業污染物計算，計算公式：

N=NP×β4×γ1

(6)

式中：N為農田污染物入河量，t/a；NP為農田污染物排放量，t/a；β4為農田污染物入河系數，取值為0.1～0.3.γ1為修正系數，取自《第一次全國污染源普查產排污系數手冊》，農田化肥施用量在0.037 kg/m2以下，修正系數取0.8～1.0；農田化肥施用量為0.037～0.052 kg/m2，修正系數取1.0～1.2；農田化肥施用量在0.052 kg/m2以上，修正系數取1.2～1.5.

NP=M×α3

(7)

式中：M為耕地面積，m2；α3為農田排污系數，取自《第一次全國污染源普查產排污系數手冊》，其中，COD排污系數為 15 000 kg/(m2·a)，氨氮排污系數為 3 000 kg/(m2·a)，TP排污系數為300～450 kg/(m2·a)，TN排污系數為 3 000～6 000 kg/(m2·a).

依據《長江流域主要入江河流水環境綜合整治規劃編制技術規范》確定的畜禽養殖業污染物排放系數，參照長江流域相關規劃進行養殖業污染物排放量測算，畜禽養殖排污系數如表2所示，養殖業污染物入河系數取30%.

表2 養殖業污染源排污系數

2.2.2水環境容量計算與分配

以DHI的MIKE21模型為基礎，建立了長江水環境數學模型. 其中，笛卡爾坐標系下的二維水動力控制方程是不可壓流體三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深方向積分的連續方程和動量方程.

連續性方程：

(8)

動量方程：

(9)

(10)

橫向應力Tij包括黏滯阻力、紊流摩擦阻力和差動平流摩擦阻力，可用垂向流速平均的渦黏方程來計算：

污染物在二維非均勻流中的對流擴散基本方程可以表示為

(12)

3 結果與討論

3.1 研究區污染負荷測算結果

采用污染源調查計算法根據《江蘇省統計年鑒》(2018年)、《第一次全國污染源普查產排污系數手冊》，并結合研究區域特征，對江蘇省沿江8市污染源進行分類調查，按污染負荷計算方法研究區域各市不同污染源的污染負荷，結果如表3所示. 江蘇省沿江8市中，蘇州市污染負荷最大，其次為南通市，再次為南京市，鎮江市污染負荷最小.

表3 研究區域各市COD、氨氮、TP污染負荷統計

對研究區域8市所有污染負荷進行分析匯總，其中COD的總負荷為 1 088 732.3 t/a，氨氮的總負荷為 169 627.4 t/a，TP的總負荷為 25 614.1 t/a. 各種污染負荷占比如表4所示，其中，城鎮生活源對研究區域內COD、氨氮總負荷的貢獻最大，分別為68.3%、75.2%；工業企業源對研究區域內TP總負荷的貢獻最大，為43.8%，此外，城鎮生活源對TP總負荷的貢獻也較大，為37.3%.

3.2 模型率定結果

該研究建立了覆蓋研究區域的長江干流段(安徽馬鞍山—上海高橋)水環境模型(見圖3). 將馬鞍山—高橋段劃分網格，平均網格邊長約300 m，網格數 42 991 個，并對局部區域進行網格加密(見圖4)，根據《中華人民共和國水文年鑒》2015年10月15—22日南京站、鎮江(二)站、江陰站、營船港站和徐六涇(二)站感潮水位數據及實測COD、氨氮、TP的濃度，通過試錯法對模型參數進行率定，計算得研究區域主槽槽率高度的取值為0.01～0.02，COD、氨氮、TP降解系數分別為0.20、0.15、0.06 d-1.

圖3 研究區域(馬鞍山—高橋段)水環境數學模型計算范圍及水下地形

圖4 研究區域水環境數學模型網格劃分(以南京八卦洲段為例)

3.3 容量總量計算結果

3.3.1功能區劃

根據《江蘇省地表水(環境)功能區劃》《國務院關于全國重要江河湖泊水功能區劃(2011—2030年)》，綜合確定研究區域長江下游干流水環境容量的三級功能分區共90個，其中，Ⅱ類水質目標三級功能分區72個，Ⅲ類水質目標三級功能分區17個，維持現狀三級功能分區1個.

3.3.2設計水文條件

按照選取對水環境最不利的原則，在大通站90%水文保證率的基礎上，綜合考慮三峽大壩建設后，南水北調中線、南水北調東線以及引江濟淮工程對長江水量的影響，并將水文保證率和重大水利工程雙方因素組合后的水量作為計算方案的設計水文條件.

3.3.3容量總量計算結果

根據長江沿線的工業污染源分布情況、沿江污水處理廠分布情況、主要入江支流排污口分布情況進行入江排污口概化，在設計水文條件下，綜合考慮飲用水水源地、國控斷面、省控斷面水質達標，采用一、二維聯解的非穩態水量水質數學模型對概化排污口進行污染帶長度計算，求得不同污染帶長度時的各排污口允許排污量. 以長江岸線長度的10%作為最大排污混合帶，且在斷面水質達標的基礎上，根據概化排污口的允許排污量計算結果，對研究區域長江干流90個三級功能分區進行容量總量計算. 江蘇省沿江8市容量總量計算結果如表5所示，其中南京市COD、氨氮和TP的容量總量均最大，無錫市COD、氨氮和TP的容量總量均最小. 此次以南京段為例，在南京18個長江水功能區中，長江南京六合漁業、農業用水區(左岸)的容量總量位列第一，COD、氨氮和TP的容量總量分別為 11 160、1 541 和191 t/a，各三級功能分區基本信息及容量總量計算結果如表6所示.

表5 研究區域各地級市容量總量

表6 長江下游南京段干流各三級功能分區基本信息及容量總量

通過與《省水利廳、省發展和改革委關于水功能區納污能力和限制排污總量的意見》(蘇水資〔2019〕26號)中2020年限排總量數據對比分析可知，此次研究區域長江下游干流90個三級功能分區容量總量與《省水利廳、省發展和改革委關于水功能區納污能力和限制排污總量的意見》(蘇水資〔2019〕26號)中2020年限排總量一致，表明該研究容量總量計算合理.

綜合上述對模擬結果的分析，在滿足斷面水質目標要求，嚴格控制區域污染物排放情況下，計算得到COD、氨氮、TP的區域總量控制值分別為 25 076、24 719、3 247 t/a.

4 結論

a) 長江流域生態系統保護修復形勢嚴峻，現有水環境管理技術不能滿足面向水生態系統保護的水質目標管理技術的要求，開展有效的長江經濟帶水質目標管理技術研究與應用，是支撐長江經濟帶“共抓大保護，不搞大開發”的重要管理抓手.

b)依據“分區、分類、分級、分期”的流域水環境管理思路，針對長江上游生態脆弱區和長江中下游沿江區域重化工業密集的污染特點，完成了“流域水生態功能分區-水環境基準標準-容量總量(排污許可)管理-最佳可行技術-風險管理”的水質目標管理技術的甄選和集成，形成有機一體的長江經濟帶水質目標管理集成技術體系.

c) 對長江經濟帶下游典型區域構建一、二維聯解的非穩態水量水質數學模型，以長江岸線長度的10%作為最大排污混合帶，且在斷面水質達標的基礎上，根據概化排污口的允許排污量計算結果，對研究區域長江干流90個水環境功能區進行容量總量計算，沿江8市中南京市COD、氨氮、TP的區域總量控制值分別為 59 537、8 099、1 008 t/a，揚州市分別為 26 830、2 668、356 t/a，鎮江市分別為 44 683、3 344、480 t/a，泰州市分別為 36 919、2 598、383 t/a，常州市分別為 6 689、538、76 t/a，無錫市分別為831、121、15 t/a，蘇州市分別為 42 384、4 365、546 t/a，南通市分別為 32 893、2 986、382 t/a，其中南京市COD、氨氮和TP的容量總量最大，無錫市COD、氨氮和TP的容量總量最小.

d) 對研究區域長江下游干流90個三級功能分區的納污總量計算結果，可為沿江城市污染負荷削減、污染物入江量管控提供科學決策依據.