陸海統(tǒng)籌的南流江流域污染物總量分配研究

王 黎 胡守明 孟慶佳 鄧義祥#

(1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院,上海 200233;2.上海水環(huán)境模擬與水生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心,上海 200233;3.上海環(huán)境保護(hù)有限公司,上海 200233;4.臨沂市生態(tài)環(huán)境局蒙陰縣分局,山東 臨沂 276200;5.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012)

總量分配計(jì)算是實(shí)施污染物總量控制的核心步驟[1]。在確定的水文設(shè)計(jì)條件和分配原則下,總量分配可歸結(jié)為在水質(zhì)目標(biāo)或污染物削減目標(biāo)的約束下,使污染物總量或污水處理費(fèi)用等目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)的問題[2]。總量控制建立起了污染物排放量和水體水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了水污染控制管理目標(biāo)與水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)的緊密結(jié)合。

南流江位于廣西南部,匯入廉州灣。隨著沿海地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展,大量污染物通過南流江進(jìn)入廉州灣,導(dǎo)致廉州灣海水水質(zhì)異常頻率增加。“源頭在陸域,影響在海域”是廉州灣環(huán)境問題的主要特點(diǎn),因此廉州灣環(huán)境容量是南流江流域污染物總量控制的重要約束條件[3]。統(tǒng)籌分析廉州灣管理需求與南流江流域污染物產(chǎn)生的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)情況,是制定該區(qū)域環(huán)境保護(hù)措施的關(guān)鍵。根據(jù)南流江流域內(nèi)的相關(guān)地市的環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單計(jì)算發(fā)現(xiàn),南流江流域1年的化學(xué)需氧量(COD)、氨氮、總氮(TN)和總磷(TP)產(chǎn)生量分別為199 169、9 725、22 837、3 960 t。

本研究以廉州灣和南流江控制斷面水質(zhì)改善為目標(biāo),統(tǒng)籌考慮南流江流域、南流江河口、廉州灣近岸海域,建立廉州灣主要入海排污口與入海河流的污染負(fù)荷與廉州灣近岸海域水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系場(chǎng),確定廉州灣近岸海域環(huán)境容量,具體以廉州灣近岸海域環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)為約束條件,利用線性規(guī)劃的方法計(jì)算入海主要污染物的最大允許排放量,進(jìn)而以南流江河口最大允許排放量和南流江流域水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)為約束條件,應(yīng)用連續(xù)箱式(CSTR)模型計(jì)算南流江流域各控制單元的污染物排放總量,通過陸海統(tǒng)籌將污染物總量分配到南流江流域內(nèi)玉林、欽州和北海3地市。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

根據(jù)南流江流域的河流分布、匯水關(guān)系和行政邊界,將南流江流域劃分為18個(gè)控制單元(見圖1),分別為車陂江單元、清灣江單元、塘洋河單元、麗江單元、綠珠江單元、水鳴河單元、張黃江單元、馬江單元、武利江單元、洪潮江單元、東平河單元、干流福綿陸川段單元、干流博白北段單元、干流博白南段單元、干流浦北段單元、干流合浦段單元、合浦廉州灣區(qū)單元、海城廉州灣區(qū)單元。其中合浦廉州灣區(qū)單元、海城廉州灣區(qū)單元屬于南流江河口單元。

圖1 南流江流域的控制單元Fig.1 Control units of Nanliu River Basin

1.2 入海污染物總量分配

首先,利用區(qū)域海洋模擬系統(tǒng)(ROMS)模型建立廉州灣海域水動(dòng)力模型和4種主要污染物的水質(zhì)響應(yīng)場(chǎng),通過線性規(guī)劃的方法[4]計(jì)算廉州灣海域的主要污染物環(huán)境容量。然后,根據(jù)《廣西壯族自治區(qū)近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃調(diào)整方案》(桂政辦發(fā)〔2011〕74號(hào))確定廉州灣近岸海域環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)(見圖2),構(gòu)建各個(gè)排口和廉州灣近岸海域環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)響應(yīng)關(guān)系計(jì)算南流江河口主要污染物的最大允許排放量[5-8]。

圖2 廉州灣近岸海域環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)Fig.2 Water quality targets of coastal marine environment functional areas in Lianzhou Bay

1.3 陸域污染物總量分配

以南流江河口最大允許排放量為約束,同時(shí)根據(jù)《重點(diǎn)流域水污染防治規(guī)劃(2016—2020年)》確定南流江流域水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo),利用CSTR模型[9-10]計(jì)算南流江流域各控制單元的污染物排放總量。南流江納入計(jì)算的河段共計(jì)84段,1 065 km。

根據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》(HJ 2.3—2018)關(guān)于邊界條件的規(guī)定并結(jié)合南流江流域水質(zhì)目標(biāo)的差異,對(duì)常規(guī)污染物(COD和氨氮)和富營(yíng)養(yǎng)化污染物(TN和TP)分別設(shè)定水文條件。為保證在不利水量條件下水質(zhì)達(dá)標(biāo),COD和氨氮總量計(jì)算時(shí)水文條件采用90%保證率的月均入海徑流量;TN和TP由于主要是長(zhǎng)期累積效應(yīng),因此其水文條件采用多年平均入海徑流量。

南流江流域90%保證率的月均入海徑流量為45.68 m3/s,多年平均入海徑流量為229.41 m3/s。

河口單元的水質(zhì)目標(biāo)須以海域目標(biāo)為關(guān)鍵約束,因?yàn)閮H靠河口單元流域水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)達(dá)標(biāo)不能滿足廉州灣水質(zhì)目標(biāo)達(dá)標(biāo)的要求,必須同時(shí)考慮廉州灣的近岸海域環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行總量控制,因此河口單元的水質(zhì)目標(biāo)按表1進(jìn)行設(shè)置。

表1 南流江流域河口單元水質(zhì)目標(biāo)Table 1 Water quality targets of Nanliu River Basin estuary units mg/L

2 研究結(jié)果

2.1 入海污染物總量分配結(jié)果

廉州灣入海污排口和入海河流的主要污染物最大允許排放量、削減量和削減比例分配結(jié)果見表2。廉州灣入海COD最大允許排放量為24 493 t/a,其中南流江的占比最大,達(dá)到了75%;入海氨氮最大允許排放量為3 425 t/a,其中南流江的占比為61%;入海TN最大允許排放量為10 052 t/a,其中南流江的占比為89%;入海TP最大允許排放量為776 t/a,其中南流江的占比為79%。TN和TP所需的削減比例分別為49%、54%。COD和氨氮無需削減。

表2 入海主要污染物總量分配結(jié)果Table 2 Allocation results of total pollutants running into the sea

2.2 陸域污染物總量分配結(jié)果

遵照“地方各級(jí)人民政府對(duì)本行政區(qū)環(huán)境質(zhì)量負(fù)責(zé)”的原則,以縣(市、區(qū))為單位統(tǒng)計(jì)的陸域污染物總量分配結(jié)果見表3。結(jié)果顯示,南流江流域陸域的COD、氨氮、TN和TP的最大允許排放量分別為126 365、5 403、8 939、1 127 t/a,分配到玉林的總量最多,分配到北海的總量最少。污染物總量削減比例計(jì)算結(jié)果見表4,COD、氨氮、TN和TP削減比例分別為37%、44%、61%、72%。

表3 南流江流域陸域污染物總量分配結(jié)果Table 3 Allocation results of terrestrial total pollutants in Nanliu River Basin t/a

2.3 分階段削減目標(biāo)的確定

根據(jù)南流江流域陸域污染物總量分配結(jié)果,由于污染物削減比例較大,難以在短期內(nèi)完成,因此考慮采用分階段削減的方法。2020年,要求南流江和廉州灣控制斷面污染物年平均濃度達(dá)到相應(yīng)功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)。以鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道為單位,對(duì)于城鎮(zhèn)生活源和工業(yè)源,按控制目標(biāo)確定削減比例,最高削減比例設(shè)定為50%;對(duì)于農(nóng)業(yè)源,同樣按控制目標(biāo)確定削減比例,但最高削減比例設(shè)定為30%。按地市匯總得到的2020年南流江流域污染物總量控制削減量如表5所示。2030年,要求南流江和廉州灣控制斷面全面穩(wěn)定達(dá)到相應(yīng)功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)。以鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道為單位,城鎮(zhèn)生活源、工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源的污染物排放量全面達(dá)到基于相應(yīng)功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)計(jì)算得到的總量控制要求。

表4 南流江流域陸域污染物總量削減比例Table 4 Percentage of terrestrial total pollutant reduction in Nanliu River Basin %

根據(jù)當(dāng)?shù)厮廴痉乐蔚膶?shí)際情況,南流江流域的污染物控制工程項(xiàng)目集中在南流江流域污染源治理、流域生態(tài)修復(fù)與保護(hù)兩方面,項(xiàng)目個(gè)數(shù)分別約占項(xiàng)目總數(shù)的70%、19%,項(xiàng)目投資比例分別占84.45%、14.50%。到2020年,南流江流域各地市已經(jīng)達(dá)到的污染物削減能力見表6。對(duì)比2020年南流江流域污染物總量控制削減量和主要污染物控制工程項(xiàng)目的削減能力,2030年實(shí)現(xiàn)南流江和廉州灣控制斷面全面穩(wěn)定達(dá)到相應(yīng)功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)壓力不大。

表5 2020年南流江流域污染物總量控制削減量Table 5 Reduction amount based on total pollutants control for 2020 in Nanliu River Basin t/a

表6 2020年南流江流域主要工程項(xiàng)目污染物總量控制削減能力Table 6 Reduction capacity based on total pollutants control for 2020 in Nanliu River Basin by main engineering projects t/a

3 結(jié) 論

廉州灣入海COD、氨氮、TN和TP的最大允許排放量分別為24 494、3 425、10 052、776 t/a。南流江流域COD、氨氮、TN和TP的最大允許排放量分別為126 365、5 403、8 939、1 127 t/a。為實(shí)現(xiàn)入海總量的控制目標(biāo)要求,重點(diǎn)應(yīng)在南流江流域削減污染物排放量,COD、氨氮、TN和TP削減比例應(yīng)分別達(dá)到37%、44%、61%、72%;同時(shí)廉州灣入海TN和TP也需分別削減49%、54%。

到2020年,南流江流域主要污染控制工程項(xiàng)目的削減能力已超過2020年污染物總量控制削減量,因此2030年實(shí)現(xiàn)南流江和廉州灣控制斷面全面穩(wěn)定達(dá)到相應(yīng)功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)壓力不大。