遼河盤錦段廢水污染物排放與水環境質量響應關系研究

史美玲 王留鎖

（遼寧省生態環境保護科技中心,遼寧沈陽 110161）

1 引言

遼河盤錦段地處遼河最下游，其水生態環境保護對渤海地區具有重要的生態安全戰略意義。近年來，盤錦市在經濟發展的同時其水污染問題也較多，首先，遼河盤錦段氮污染問題依然嚴峻，2016—2018年，遼河盤錦段干流3個國控斷面水質評價結果顯示，其總氮一直超標嚴重；重污染河流依然存在，遼河28條重污染河流中遼河盤錦段占4條。其次，工業廢水種類復雜、治理難度大；部分支流污染源復雜，如遼河盤錦段一級支流清水河，既是城市重污染河流，又是面源污染主導型河流。

本文旨在對遼河盤錦段控制單元進行細化、分析污染特征、探尋污染物的空間分布規律，同時利用MIKE11水質模型構建曙光大橋控制單元廢水污染物排放與水環境質量響應關系，為遼河盤錦段干流及其支流水質改善提供科技支撐。

2 研究內容與方法

2.1 研究區域概況

遼河盤錦段亦稱雙臺子河，包括一統河、小柳河、太平河、清水河（含趙圈河排干）、繞陽河、螃蟹溝等主要一級河流，地處121°25′～122°31′E，40°39′～41°27′N之間，境內長124.3 km，流域面積2 526 km2，占遼河流域總面積的1.1%，流域內屬暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候。

2.2 控制單元劃分

基于“水十條”，對照水功能區劃，結合流域水質考核監測斷面分布，綜合考慮行政區完整性、水功能區劃、清潔邊界、水體類型、水質類別等原則，將遼河盤錦段劃分為曙光大橋控制單元、趙圈河控制單元以及繞陽河盤錦段控制單元，見圖1。

圖1 遼河盤錦段控制單元劃分示意

2.3 研究方法

2.3.1 污染負荷核定

2.3.1.1 點源污染負荷核定

依據2018年工業污染源、污水處理廠環境統計數據，在數據核校基礎上，選取統計法核定點源污染負荷。統計法計算公式如下：

W＝Q×C×d

式中，W為點源污染負荷，t/a；Q為污水出口排放流量，m3/s；C為出口污水排放濃度，mg/L；d為入河系數。其中，入河距離≤1 km，d＝1；1 km＜入河距離≤10 km，d＝0.9；10 km＜入河距離≤20 km，d＝0.8；20 km＜入河距離≤30 km，d＝0.7；入河距離＞40 km，d＝0.6。

2.3.1.2 面源污染負荷核定

選取輸出系數法［1］核定面源污染負荷，利用遙感解譯出的土地利用類型，依據污染物的輸出系數，對不同土地利用類型污染負荷求和，估算遼河盤錦段各控制單元面源污染負荷的輸出量。輸出系數模型表達如下：

式中，i為流域中非點源污染物類型；j為流域中土地利用類型的種類（j＝1，2，3，…，n）；Lj為污染物j在流域內的總負荷量，t/a；Eij為污染物j在第i種污染源的輸出系數，t/（km2·a）［t/（萬人·a），t/（萬只·a）］，輸出系數取值見表1；Aj為第j種土地利用類型的面積，km2（萬人）；P為流域內平均降水量，mm；e為降雨輸出系數，t/（mm·a）。

表1 各土地利用類型輸出系數 t（/km·2a）

2.3.2 水質模型的構建與驗證

2.3.2.1 水質模型的構建

建立水動力模型是建立水質模型的基礎，水動力模型的建立主要包括研究區河網文件、干流及主要支流斷面文件、邊界文件、上下游水位和流量等時間序列文件、參數文件［3-5］。MIKE11 HD的建立結構如圖2所示。

圖2 MIKE11 HD模型結構

具體構建方式如下：

（1）河網文件構建。由于遼河盤錦段河網水系復雜，大小不一的河道眾多，而且遼河盤錦段一級支流除繞陽河及小柳河外，其余一級支流受水閘控制，除汛期外水閘關閉，其河水不與遼河水進行交換，因此將水閘控制的一級支流在模擬中設置為閉邊界，不參與水動力模擬計算。

（2）設置斷面文件。在河流源頭、控制斷面、支流入干處、水文站的位置輸入河底高程、河寬、河流與源頭的距離數據，設置完整的河流斷面信息。

（3）邊界文件構建。在河網中每條河源頭建立開放邊界，設置初始流量、水質，在曙光大橋斷面處設置水位、水質邊界，將點源按排入河流的里程位置建立在河網邊界上，并輸入點源的廢水排放流量與測定的污染物指標濃度數據。

（4）參數文件構建。設置河流初始流量、水位、河床糙率等，保證水動力模擬能夠穩定計算。

（5）建立時間序列文件。根據水文站、國控斷面監測的相關數據，按照時間順序建立流量、水位、COD、NH3－N、TN、TP等時間序列文件。

（6）建立水動力模擬文件。將河網文件、斷面文件、邊界文件、時間序列文件、參數文件5個文件導入水動力模型，建立水動力模擬文件。

（7）水質模型構建。建立COD，NH3－N，TN，TP分組文件。

2.3.2.2 水質模型的驗證

（1）水動力參數率定與驗證

根據2016年遼河盤錦段六間房（金三）、盤山（四）水文站水文數據，應用構建水動力模型率定流量、水位、糙率等參數，保障水動力模型穩定運行。經驗證模擬流量與實測流量誤差率在10%左右。計算時段內的實測流量與模擬流量并進行驗證，5，6月在最大和最小流量峰值變化時擬合度相對偏低，見表2。通過對比驗證，可以看出模擬時間內模擬值與實測值二者擬合較好，證明水動力模擬結果可以反映模擬河段的水動力狀態，能應用于下一步的水質分析計算。根據2017年水文數據，驗證率定的水動力參數。

表2 實測流量與模擬流量對比驗證

（2）水質模型參數率定與驗證

應用2016年水質數據，擬合水動力與水質模型，率定河流污染物衰減系數、擴散系數。根據2017年遼河盤錦段曙光大橋控制單元內干流水文、水質、污染源等數據，驗證水質參數。經驗證，各指標誤差均在10%以下，因此確定水質模擬結果可以反映實際的水質狀態，并可以將驗證后的模型參數及水文環境作為2018年污染物指標分析的基礎條件。實測指標濃度與模擬指標濃度對比驗證見表3。

表3 實測指標濃度與模擬指標濃度對比驗證

3 結果與分析

3.1 控制單元污染負荷解析

3.1.1 點源污染負荷解析

遼河盤錦段控制單元直排點源污染負荷見表4。

表4 遼河盤錦段控制單元直排點源污染負荷 t/a

由表4可知，曙光大橋控制單元在3個控制單元中污染物排放量居首，其中，COD，NH3－N分別占污染物總排放量的89.22%，79.16%。其原因可能是曙光大橋斷面受盤錦感潮河段“頂托”；同時該控制單元內分布著遼河盤錦段80%以上的企業及污水處理廠，其污染較重的支流太平河、螃蟹溝水質現狀為劣Ⅴ類，汛期發生內澇開閘，使支流河水與遼河水進行交換，對遼河干流水質有影響；上游沈陽來水超標有影響。

3.1.2 面源污染負荷解析

遼河盤錦段控制單元面源污染負荷見表5。

表5 遼河盤錦段控制單元面源污染負荷 t/a

由表5可知，繞陽河盤錦段控制單元面源污染負荷居首，其次為曙光大橋控制單元、趙圈河控制單元。其原因可能是繞陽河勝利塘斷面受上游錦州市龐家河、沙子河等污染支流河來水影響；盤錦境內沿岸農村地區存在部分生活污水直排。面源中各污染源對COD，NH3－N污染的貢獻率由大到小依次為農業用地污染、城鎮用地污染、自然地污染，繞陽河盤錦段控制單元內農業用地面積占比大。

3.2 控制單元污染物排放與水質響應關系分析

利用已經驗證的水質模型，根據盤錦段“水十條”水質目標（Ⅳ類），設定2017年平水期流量作為設計水文條件，模擬遼河盤錦段污染物排放與水質響應關系，計算曙光大橋控制單元水環境容量及點源污染物允許排放限值。基于2017年水動力和水質模型參數驗證結果，最終可確定水動力參數與對流擴散參數，見表6。本次模擬的區域地形較為平坦，比降為萬分之一，河床較規整，因此相關參數設置均取全域值［6-8］。

表6 驗證后的模型參數

如圖2所示，按照現有污染物排放特征與方式，經模擬可知曙光大橋斷面COD，NH3－N超過Ⅳ類水質標準，TP不超標。

圖2 曙光大橋斷面COD，NH3－N，TP模擬排放限值

曙光大橋斷面水環境容量見表7。

表7 曙光大橋斷面水環境容量 t/m

3.3 廢水污染物減排與水環境質量響應關系分析

3.3.1 方案一：企業污染物減排

2018年遼河盤錦段控制單元點源COD，NH3－N，TP減排模擬結果見圖3。

圖3 2018年遼河盤錦段控制單元點源COD，NH3－N，TP減排模擬結果

2018年遼河盤錦段控制單元點源污染物排放 現狀見表8。

表8 2018年遼河盤錦段控制單元點源污染物排放現狀

依據DB 21/1627—2008《遼寧省污水綜合排放標準》［9］，基于2017年水文環境，分析2018年工業企業現狀排放情況，由圖3、表8可知，點源QY5需進行減排。對曙光大橋斷面5，6月COD濃度進行削減，仍然超Ⅳ類水質標準。NH3－N，TP排放濃度符合DB 21/1627—2008，但是NH3－N已無法削減負荷，5月NH3－N仍然超GB 3838—2002Ⅳ類水質標準；6月TP仍然超Ⅳ類水質標準。根據DB 21/1627—2008無法使河流斷面達標，故需制定方案二，考慮污水處理廠污染物減排。

3.3.2 方案二：污水處理廠污染物減排

由圖3、表8可知，依據GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》，3家污水廠COD，NH3－N排放濃度低于一級A標準，無法削減負荷，雖然3家污水廠已經按一級A標準排放，但是曙光大橋斷面5，6月COD仍然超Ⅳ類水質標準。5月NH3－N仍然超Ⅳ類水質標準。點源WSC10 TP現狀排放濃度超過一級A標準，對WSC10 TP減排0.032 597 t/月，但是曙光大橋斷面6月TP仍然超Ⅳ類水質標準。根據GB 18918—2002無法使河流斷面達標，故需制定方案三，考慮點源污染負荷減排。

3.3.3 方案三：點源污染負荷減排

根據GB 3838—2002［4］，基于2017年水文環境，分析2018年點源現狀排放情況。由圖3、表8可知，按照GB 3838—2002，不同點源相應污染物仍然存在超標現象，經過減排削減后不同月份也存在超標現象。根據GB 3838—2002無法使河流斷面達標，故需制定方案四，考慮面源污染負荷減排。

3.3.4 方案四：面源污染負荷減排

2018年曙光大橋控制單元面源COD，NH3－N，TP減排模擬結果見圖4。

圖4 2018年曙光大橋控制單元面源COD，NH3－N，TP減排模擬結果

2018年曙光大橋控制單元面源污染物減排見 表9。

表9 2018年曙光大橋控制單元面源污染物減排

由于面源要從匯水區考慮，故模擬點源按污水綜合排放標準計算面源減排量，以曙光大橋控制單元內干流和一級支流小柳河為對象，分析減排潛力。由圖4、表9可知，干流5，6月COD分別減排166.63，51.60 t，5月NH3－N削減1.97 t，6月TP削減1.64 t；小柳河5，6月COD分別減排187.90，58.19 t，5月NH3－N削減2.23 t，6月TP削減1.85 t，曙光大橋斷面達到斷面水質目標。由此可知，曙光大橋控制單元河流斷面水質達標，點源污染物按DB 21/1627—2008排放，并且從面源上削減河流污染使水質達標。

4 結論

（1）遼河盤錦段3個控制單元中，點源主要集中于曙光大橋控制單元，面源主要集中于遼河盤錦段繞陽河控制單元。

（2）采用MIKE11水質模型重點模擬曙光大橋控制單元污染物排放與水質響應關系，模擬結果顯示，在現有經濟技術及污染物排放標準條件下，平水期曙光大橋斷面COD，NH3－N超標，點源污染物排放要符合DB 21/1627—2008，并且從面源上削減污染使河流水質達標。