基于控制單元的小清河流域污染物允許排放量計算與分配?

李歡桐, 李正炎??, 孫明東, 王 艷

(1.中國海洋大學環境科學與工程學院, 山東 青島 266100； 2.中國環境科學研究院水生態環境研究所, 北京 100000)

隨著人口總量的增長，工業化、城鎮化快速推進，村鎮環境污染加劇、生態功能日漸退化，各種環境問題逐漸突出。在推行污染物總量控制的大背景下，解析流域污染負荷、核算水環境容量、對污染物進行總量控制研究已經成為人們重點關注的環境問題[1-2]。小清河在山東省的供水、生態環境保護中起著重要作用，其每年向萊州灣輸入的營養鹽、無機氮等物質的量不容忽視。為解決小清河流域的水環境問題，明確水環境容量、進行污染負荷分配可為流域水環境規劃與管理提供基礎依據，對減輕海洋污染負擔起到重要作用。

中國于20世紀70年代后期引入了環境容量這一概念，目前國內外普遍認可的一種定義為：在規定的目標條件下水體環境能容納的污染物量即為水環境容量[3-5]。污染負荷分配以環境容量為基礎[6-7]，遵照一定的原則對污染物負荷進行分配。水污染負荷分配需要根據水質保護目標或污染物減排目標要求向各基礎單元或污染源合理分配[8]，主要方法包括：線性規劃法[9]、基尼系數法[10-12]、等比例分配法[13]、貢獻率分配法[14]、層次分析法[15]等。貢獻率分配法是較為基礎的方法，趙杰杰等[14]通過該方法對永定河河北段的水環境容量進行分配，并給出相應的負荷削減分析。等比例分配法是TMDL中應用較多的一種分配方法，是以污染物排放單元的排污現狀為分配基礎，分配的排污量是按等量的削減比例，該方法還衍生出貢獻率分配法和加權分配法。林高松等[16]首先以公平性為首要原則提出等比例分配法，莫蕾等[17]將該方法應用于鄱陽湖流域的總量控制規劃，但該方法對于流域實際可削減量的考慮不足。在實際分配工作中，還需要同時考慮技術和方案的可行性[18-19]，多種分配方法聯合使用可在一定程度上減小單一方法局限性造成的影響。王笑楠等[20]借助基尼系數法對永定河張家口段的污染物允許排放量進行優化分配，肖偉華等[21]將層次分析法和基尼系數法結合起來對湯遜湖流域污染排放量進行總量分配。

本研究基于2018年山東省環統數據及各市統計年鑒對小清河流域排污情況進行核算，綜合考慮各控制單元的人口、經濟、耕地面積和排污情況，采用等比例分配法對污染物允許排放量做出分配，并根據水環境現狀與分配結果提出合理的減排意見，以期為改善小清河河水水質、促進流域可持續發展提供理論依據。

1 研究區概況

小清河是山東省重要河道之一，東側緊鄰萊州灣，發源于濟南西郊睦里莊，流經濟南、淄博、濱州、東營和濰坊等5市18縣，最終于濰坊壽光羊角溝匯入渤海。全長約233 km，流域面積10 336 km2，主要支流有巨野河、繡江河、孝婦河、淄河等。小清河流域屬于暖溫帶季風氣候，夏季盛行偏南風，炎熱多雨，冬季多偏北風，寒冷干燥，年均氣溫13 ℃。河流徑流量受降水情況的影響，多年平均降水量為600.3 mm，季節性變化明顯。

圖1 研究區域地理位置圖

2 研究方法與原理

2.1 控制單元的劃分

為便于水環境管理與污染防控，可以根據流域特點和研究區域行政區劃情況將流域劃成多個控制單元，便于進行水污染管控，有利于各基礎單元的水質目標實現情況的考察、合理分配污染負荷。

劃分控制單元主要是采用定量自動和人工輔助相結合的方式進行[22-23]，需遵循匯水區隔離原則、行政管理隔離原則、水體調整隔離原則、優先保護水體功能、便于管理和實施等原則。在充分考慮國家重點流域“十四五”規劃國控斷面匯水范圍的基礎上，結合行政區區劃、土地利用類型、地形地貌、海拔高度(數字高程)、水系和集污區分布等，按與街鎮面積匹配度≥95%且不跨行政區的要求，利用ARCGIS軟件將研究區域劃分為28個控制單元，其中10個位于濟南市、1個位于東營市、3個位于濱州市、2個位于濰坊市、12個位于淄博市，各單元基本信息見表1。

表1 小清河流域控制單元基本信息Table 1 Basic information of Xiaoqing River basin control unit

圖2 研究區域控制單元的劃分

2.2 水環境問題診斷

文章對研究區域內10個監測斷面的水質數據進行分析，采用污染指數法和改進的內梅羅綜合污染指數法進行評價。污染指數包括單因子指數、平均污染指數、綜合污染指數等。單因子指數(Pi)表示某監測斷面的某污染物實測濃度與其評價標準的比值，計算公式為：

Pi=Ci/Si。

(1)

式中：Pi為污染物i的單因子指數；Ci為污染物i在某監測斷面的實測濃度；Si為該斷面污染物i的評價標準。Pi≤1即為符合標準。

改進后的內梅羅指數法的基本計算公式如下:

(2)

式中：Pip為某監測點位水環境綜合污染指數；Cipmax為某監測點的最大單項污染指數；Cipave為某監測點位各單項污染指數的平均值。

2.3 流域污染物排放量核算

研究采用數據調查法，以控制單元為基礎核算單元，整理了山東省2018年環統數據，核算點源和非點源污染排放量。點源污染主要包括工業源、污水處理廠排放量；非點源污染主要包括農業源、分散式規模化畜禽養殖、城鎮生活源、農村生活源污染排放量。

2.4 污染物允許排放量計算

允許排放量的計算方法眾多[24-25]，研究收集了2018年山東省水文數據，統計分析了黃臺橋、岔河、石村水文站逐日平均流量數據。根據研究區域內水質監測斷面的分布情況，在空間分布以就近水文站流量作為對應控制斷面流量，結合第一章中水環境質量的分析結果，充分考慮掌握的數據完整和連續情況以及后續總量分配的可行性、合理性，本次研究選取了還鄉店斷面、位橋斷面、石村斷面、羊口斷面作為研究斷面。結合各斷面處水質管理目標，確定水質標準值，計算公式如下：

W=Si×C。

(3)

式中：W為最大允許排放量，t/a；Si為污染物i的水質目標值，mg/L；C為設計流量，m3/s。

山東省流域水質考核標準要求還鄉店、金家閘、石村、羊口斷面2018年應達到《地表水環境質量標準》中V類水質標準。選擇化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)作為污染物允許排放量核算與污染負荷分配的評價因子，根據《山東省生態環境委員會關于在小清河流域開展陸海協同共治試點工作的指導意見》，總氮濃度應基本控制在7.0 mg/L以下。

2.5 污染物總量分配

USEPA在制定TMDL計劃過程中，認為TMDL是點源允許負荷、非點源允許負荷及安全余量之和[26]，在實際研究中，可通過基本的估算或模型計算來確定安全余量。本研究中在計算污染物允許排放量過程中已考慮部分安全余量，因此先利用綜合分配法對流域允許排放總量進行一級分配，得到各控制單元的污染物允許排放總量，再結合各單元點源、非點源排污占比進一步分配得到二級分配結果。在進行總量分配時，確定污染物允許排放量并將其在污染源和控制單元之間合理、科學地分配是最關鍵的一步。

2.5.1 一級分配 本研究收集了2018年山東省各市統計年鑒、2018年研究區域土地利用數據，整理出各控制單元的常住人口數、經濟產值和耕地面積，利用綜合分配法對總排污量進行總量分配，分配公式如下：

各單元控制總量=(k1×常住人口占比+k2×經濟產值占比+k3×耕地占比+k4×排污量占比)×允許排放量。

(4)

式中：k為比例系數，∑k=1。

其中，常住人口占比為各單元內常住人口數量占所選斷面控制范圍內總人口的比例；經濟產值占比為各單元內經濟產值占所選斷面控制范圍內經濟總產值的比例；耕地占比為各單元內耕地面積占所選斷面控制范圍內耕地總面積的比例；排污量占比為各單元內排污量占所選斷面控制范圍內排污總量的比例。其中，排污量由污染物排放量核算階段確定。

2.5.2 二級分配 將環境允許最大排污量分配到各控制單元后，通過貢獻率分配法對各單元內點源和非點源容量進行二級分配，即：

點源污染控制總量=控制單元控制總量×點源污染排放量占比。

(5)

非點源污染控制總量=控制單元控制總量×非點源污染排放量占比。

(6)

式中：控制單元控制總量由上一級分配結果確定；點源污染排放量占比為各控制單元內點源污染排放量與控制單元污染排放總量的比值；非點源污染排放占比為該控制單元非點源污染排放量與控制單元污染排放總量的比值。

3 結果與討論

3.1 水質情況分析

利用改進的內梅羅綜合污染指數法分析小清河流域2006—2017年間水質情況，結果表明，流域的水質基本可以滿足水環境功能區要求，上游水質能夠保持在Ⅱ類—Ⅲ類；下游水質基本為Ⅳ類水。另外結合污染分擔率分析各污染因子對流域整體的污染貢獻情況，小清河上游、中游河段NH3-N對水質污染貢獻最大，TP次之；下游河段NH3-N和COD對水質污染的貢獻最大。

小清河流域2018年7個斷面的水質數據顯示，主要超標的物質為NH3-N和TN；睦里莊斷面、羊口斷面、王道閘斷面TP未出現超標，其余斷面超標情況主要發生在冬季12—3月；COD僅有睦里莊斷面12月和范李斷面6月存在超標情況。

3.2 污染物排放情況分析

以2018年山東省環統數據為依據進行污染物排放量核算，主要統計工業企業源排污量、污水處理廠排污量、規模化畜禽養殖排污量、農業面源排污量、農村生活源排污量及城鎮生活源排污量。為直觀反映出研究區域內污染負荷的空間分布情況，利用ARCGIS繪制出各控制單元四類污染物質的排放總量分布圖(見圖3)。

(污染源原始數據來源于山東省2018年環境統計數據。The original data comes from the environmental statistics of Shandong Province in 2018.)

3.3 主要污染物允許排放量

根據控制單元劃分原則將研究區域劃為28個控制單元，其中還鄉店斷面、位橋斷面為地表水Ⅴ類標準，石村斷面及羊口斷面為地表水Ⅳ類標準。在計算過程中假設各控制單元的排污情況只對最近斷面產生影響。

3.4 污染物總量分配結果與削減

首先整理出各控制單元與水質斷面的對應關系，根據控制單元總量一級分配公式對污染物進行分配。在一級分配的基礎上，結合各控制單元內點源污染和非點源污染排放量核算結果對單元內各類污染物的污染負荷進行二級分配，分配結果如表3所示。

表3 二級分配結果Table 3 Secondary distribution results

續表3

污染物削減量可由允許排放量減去污染物現狀量得到。在達到流域水質目標要求和斷面最大允許排放量兩個約束條件下，得到各控制單元的污染物削減量，計算公式如下：

控制單元污染物削減量=控制單元允許排放量-污染物入河量。

(7)

控制單元污染物削減量=

(8)

污染物質進入河流后在隨河水流至監測斷面的過程中存在部分污染物降解作用，現假定降解部分污染物不會對水質監測斷面及流域水質目標考核造成影響，在計算污染物削減量時需考慮到已降解污染物的量。

若計算得到的污染物削減率為正值，表明該控制單元的允許排放量還有剩余；若污染物削減量為負值，表明該控制單元需要進行相應污染物削減。將削減率<30%的控制單元設置為次級優先管控單元，削減率≥30%的控制單元設置為優先管控單元通過對比污染物現狀排放量與負荷分配量，可以識別出研究區域內各污染物優先管控單元分布情況見圖4。

圖4 研究區域污染物優先管控單元分布圖

根據污染物削減率結果，小清河流域包含28個控制單元中，需進行NH3-N削減的控制單元有1個，需進行TN削減的控制單元有12個。其中，各單元的TN削減率范圍在18.26%～50.48%，最高的為XQ-ZB-WG控制單元。

根據分配結果及污染物排放量核算情況進行各類物質的削減分析，得到的削減量情況見表4。

從表4可以看出，流域NH3-N削減量為11.63 t/a，TN削減量為2 606.14 t/a，需進行削減的控制單元主要集中在淄博市，重點管控單元普遍存在污水管網覆蓋不夠的問題，導致生活污水收集處理不完全、雨季污水溢流；單元內大型企業主要以原料加工和制造業為主，工業源污染情況突出；多數畜禽養殖場沒有污水統一收集處理設施，養殖糞污在雨季時直接通過溝渠排入河道，影響河流水質。濟南段作為河流上游，水質情況相對較好，對污染負荷核定之后NH3-N、COD、TP仍有剩余容量，不需要進行削減，部分控制單元TN需要承擔削減任務，但削減率均在30%以下；淄博市總氮排放量為3 561.66 t，其中點源排放總量達3 185.33 t，非點源排放總量為376.33 t，主要來源于工業源和城鎮生活源，其中，臨淄區和張店區工業企業較多，是導致總氮排污量大的主要原因之一，另外控制單元內普遍存在污水管網覆蓋度不足，生活污水收集處理率低的問題，規模化畜禽養殖場也應完善污水收集和處理設施，避免雨季養殖廢棄物未經處理隨雨水直接排入河流，影響河水水質；濱州市共需削減NH3-N 11.63 t/a，TN 449.67 t/a，其中全市TN削減率為27.07%，污染主要來源于城鎮生活源和農業面源污染，污水處理設施建設有待進一步加強，部分鄉鎮的水資源環利用率低；農業種植肥料施用量沒有得到良好控制，畜禽糞污可以進行資源化利用。

表4 研究區域內需管控的控制單元污染物削減量Table 4 Pollutant reduction of control units to be controlled in the study area

4 結論

(1)小清河流域整體水質情況尚可，未達到水質目標的斷面主要超標污染物質為TN和NH3-N，主要來源于工業企業源和城鎮生活源。

(2)小清河流域NH3-N、COD、TN和TP總入河量分別為1 983.32，33 222.49，11 922.17和386.55 t/a。其中XQ-ZB-WG、XQ-ZB-YC、XQ-ZB-LZ三個控制單元為重點管控單元。

(3)依據《山東省生態環境委員會辦公室關于在小清河流域開展陸海協同共治試點工作的指導意見》、《山東省地方標準流域水污染綜合排放標準第3部分：小清河流域》等文件，結合小清河流域排污情況與污染物允許排放量分析結果，從源頭削減與污染物質管控的角度給出以下削減建議：

①完善各單元城鎮污水處理設施，進一步提高污水處理能力，加強污水處理設施運營監管，對原有的設施進行改進以保證污水處理廠出水能夠達標排放。

②加快推進控制單元的規模化畜禽養殖污染防治，提高畜禽廢棄物資源化利用程度，實施規模化和分散式規模化畜禽養殖資源化利用，鼓勵養殖場進行污染物和廢棄物管理設施建設。

③加強農業面源污染防控，減少農藥化肥使用量，鼓勵施用有機肥、精準化施肥，推廣生態農耕模式,減少農業面源污染。