曹娥江流域水環境容量與污染負荷分配研究*

張志敏 翁巧然 程全國 王 艷 孫明東 雷 坤#

(1.中國環境科學研究院,北京 100012;2.沈陽大學環境學院,遼寧 沈陽 110044)

隨著全球沿海城市經濟和工業的快速發展,近岸海域生態環境引起了人們的重視[1]。研究顯示,海洋污染物總量的85%以上來自于陸源污染物,其中由入海河流排入的超過80%[2]。杭州灣—浙江近海是我國近海生態環境問題最突出的海域,其入海河流主要有錢塘江和曹娥江,曹娥江受城市規模和社會發展影響,流域水環境污染問題依然不容樂觀,控制和減少流域污染負荷是流域水質的關鍵問題。水環境容量的估算及其在各污染源或區域之間的分配是水污染總量控制的基礎和核心[3-4]。根據已有研究發現,水環境容量計算方法主要分為模型試錯法、公式法和線性規劃法等確定性數學方法,概率稀釋模型法、隨機規劃法和未確知數學法等不確定性數學方法[5]。污染負荷分配是指根據環境容量或目標總量控制,通過一定的分配原則和方法,將污染物總量分配到區域或污染源。國外關于污染負荷分配的研究更趨向于考慮研究主體污染需求的不確定性或污染排放的不平等性,綜合利用各種水質、規劃模型、改進優化算法求解污染分配優化方案[6]。國內學者則普遍提出基于公平、效率、可行性原則的多種污染負荷分配方法,主要包括優化分配法、等比例分配法、層次分析法、貢獻率分配法、基尼系數法和綜合分配法等[7]。

近幾年未有學者對曹娥江進行水環境容量和污染負荷分配的研究,本研究從流域的角度出發,基于滿足流域水體監測斷面水質達標和入海斷面水質達標的約束條件下,進行水環境容量計算。采用優化分配法、綜合分配法和貢獻率分配法將水環境容量分配至各控制單元并細化到污染源類型,對比分析各控制單元的水環境容量和污染物入河量,提出各控制單元污染物的削減量,以期提升曹娥江水環境質量,對于水環境污染控制有重要意義。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

曹娥江處于紹興市的東部,干流長197 km,平均比降0.3%,流域面積為6 080 km2,占紹興市總面積的61.8%,最后經曹娥江大閘注入錢塘江河口。曹娥江流域屬亞熱帶季風氣候區,冬夏季風交替顯著,年溫適中,四季分明,雨量豐沛,日照充足。流域內河道密布,湖庫大部分位于流域上游,根據多年的水文資料可知,流域內的年平均降水量為1 463.2 mm,年內雨量分配不均,差異明顯。

1.2 數據來源及處理

數據主要包括2016—2021年的曹娥江流域內3個國控監測斷面的逐月水質數據,2017年第二次全國污染源普查數據,2021年紹興統計年鑒、不同土地利用類型及面積、畜禽養殖數量、農村人口數量、流域數字高程模型(DEM)數據及水文數據等,具體見表1。運用ArcGIS 10.7、Origin 2020軟件實現數據處理、分析和繪圖。

表1 數據來源

1.3 研究方法

1.3.1 控制單元劃分

控制單元是水污染控制和管理的基本單元,通過控制單元劃分,將污染物入河量與相應的控制單元環境容量結合,進行容量總量控制。采用ArcGIS水文分析法,基于曹娥江流域DEM數據劃定流域邊界,結合流域水系分布特征和鄉鎮級行政區劃,考慮研究區自身的水體污染特征和流域水質目標管理實施,最終將流域劃分成24個控制單元,各控制單元分布情況如圖1所示。

圖1 曹娥江流域控制單元的劃分

1.3.2 水質評價方法

單因子評價法[8]能清晰反映斷面水體污染物是否超標,目前使用較多且計算簡單易操作。根據《浙江省地表水環境功能區劃》要求,本研究調查的監測斷面為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類水質,分析曹娥江流域內的3個監測斷面水質情況,采用單因子評價法根據Ⅲ類水質要求進行評價。單因子評價法的具體計算方法見式(1),如Pi≤1,則達標。

Pi=Ci/Si

(1)

式中:Pi為國控監測斷面污染物i的單因子指數;Ci、Si分別為國控監測斷面污染物i實測值、評價標準值,mg/L。

1.3.3 污染負荷估算方法

流域水體污染源一般包括點源和非點源污染,兩者對水體污染貢獻存在一定的差異[9]。點源污染包括工業企業、集中式污水處理和規?；笄蒺B殖污染源,非點源污染包括農村生活、不同土地利用類型和分散式畜禽養殖污染源。點源污染負荷采用統計法進行估算,根據獲得點源的污染物排放口到入河排放口經緯度坐標估算污染物的入河距離,進而確定入河系數,并計算各種污染源的排放量和入河量。當入河距離分別為≤1、>1～10、>10～20、>20～40、>40 km時,對應的入河系數參考值分別為1.0、0.9、0.8、0.7、0.6。

非點源污染負荷采用輸出系數模型(見式(2))計算,該模型由于所需參數較少,操作簡便,能進行大尺度非點源污染負荷估算,被廣泛應用于非點源污染負荷估算[10-13]。

(2)

式中:Li為污染物i的污染負荷總量,t/a;Eij為第j種土地利用類型(或人口或畜禽)污染物i的輸出系數,t/(km2·a)(或t/(人·a)或t/(頭·a)、t/(羽·a)、t/(只·a));Aj為第j種土地利用類型面積(或人口數量或畜禽數量),km2(或人或頭、羽、只);p為來自降雨的污染量,相對于非點源污染可忽略不計,本研究暫不考慮此項影響。

1.3.4 水環境容量計算方法

本研究根據曹娥江設計水文條件下的設計流量計算結果,結合研究區各監測斷面的流速情況,以各控制單元排放強度污染負荷至監測斷面的流達率作為各控制單元與監測斷面間的響應關系,從而建立響應系數矩陣。基于全流域水質監測斷面滿足“十四五”水質目標的前提條件下,建立線性規劃模型,估算曹娥江流域各控制單元水環境容量,計算公式如下:

(3)

(4)

式中:Xs為控制單元s的最大允許排放量,t/a;ast為控制單元s對監測斷面t的響應系數;Ct為監測斷面t的水質控制值(除去背景值),mg/L。

1.3.5 污染負荷分配方法

綜合考慮科學性、公平性和可行性指標之間的平衡,本研究一級分配采用基于合理性指數的目標總量分配模型進行控制單元允許排放量的優化分配,計算公式如下:

(5)

式中:TCRI為總量分配合理性指數;df為分項指標f的權重系數,可采用一般的統計方法(如專家打分法、熵值法、層次分析法等)確定;If為分項指標f的合理性指數,一般為0～1,值越大越合理。

本研究綜合考慮了各控制單元的6個分項指標(容量利用率、徑流量、人口、耕地、國內生產總值(GDP)和現狀污染物入河量),具體見表2。

表2 總量分配合理性的各分項指標

為進一步細化分配到基于控制單元的環境容量,本研究采用綜合分配法進行二級分配,計算公式如下:

Ms=D×95%×(ks1+ks2+ks3+ks4)/4

(6)

式中:Ms為控制單元s的水環境容量,t/a;D為監測斷面的最大允許排放量,t/a;ks1為控制單元s的常住人口占所屬監測斷面內總常住人口的比例;ks2為控制單元s的GDP占所屬監測斷面內GDP的比例;ks3為控制單元s的污染物入河量占所屬監測斷面內污染物入河總量的比例;ks4為控制單元s的耕地面積占所屬監測斷面內總耕地面積的比例。

采用貢獻率分配法進行三級分配,細化得到各控制單元的污染源類型,計算公式如下:

Ws=Ms×b/(b+c)

(7)

Ys=Ms×c/(b+c)

(8)

式中:Ws、Ys分別為控制單元s內點源、非點源污染物水環境容量,t/a;b、c分別為點源、非點源入河量,t/a。

2 結果與分析

2.1 水質評價結果

本研究對2016—2021年監測數據進行年均水質評價分析,由于GB 3838—2002中沒有流域水體TN限值,故不對TN進行水質評價,COD、氨氮、TP的單因子評價結果見表3。2016—2021年,曹娥江流域內的屠家埠、湯曹匯合口和曹娥江大閘閘前3個監測斷面的COD、氨氮、TP均達標。

表3 曹娥江流域水質單因子評價結果

2.2 污染負荷估算

根據統計法和輸出系數模型計算可知,曹娥江流域內COD、氨氮、TN、TP入河量分別為16 013.20、959.10、3 658.53、416.05 t/a。點源和非點源污染物入河量對比發現,在非點源污染物中,COD、氨氮、TN、TP入河量分別占總入河量的86.89%、85.29%、87.92%、93.63%,說明曹娥江流域內污染物入河量主要以非點源為主。

采用ArcGIS對流域內各控制單元的COD、氨氮、TN、TP污染負荷進行空間分析,在自然間斷法分級的基礎上重新劃分,得到流域內各控制單元的污染物入河量空間分布(見圖2)。整體來看,流域內4種污染物入河量有相似的空間分布特征,都表現出中上游的嵊州市和中下游的越城區和上虞區的污染物入河量較大的污染特征。控制單元8、9和11位于中游的嵊州市,該區域內耕地、林地面積較大,畜牧業發展迅速,是人口集聚的地區;控制單元4、21內以耕地和城鎮用地為主,相應產生的COD、氨氮、TN、TP入河量都很大。污染物入河量較多的控制單元有4、8、9、11和21,這5個控制單元的COD、氨氮、TN、TP入河量對曹娥江的貢獻率分別為45.12%、41.53%、38.83%、35.18%,因此應將這5個控制單元作為重點單元進行管控。

圖2 曹娥江流域污染物入河量空間分布

2.3 水環境容量計算結果

水環境容量是指在給定水域范圍和水文條件、規定排污方式和水質目標的前提下,單位時間內該水域污染物的最大允許納污量[14-15]。水環境容量會隨著水資源情況的不斷變化和人們對環境需求的不斷提高而發生變化,在實際過程中,水環境容量和水域特性、水質目標、污染物特性、污染物排放、水文條件等有關[16]。水環境容量與納污水體水文特征有密切關系,其中設計水文條件包括設計流量、設計流速、污染物綜合降解系數等。

根據《水域納污能力計算規程》(SL 348—2006),本研究以控制斷面2010—2019年月均流量為基礎,通過選取90%保證率下的月均流量作為設計流量進行水環境容量計算。根據《國家“十五”水環境容量模擬技術規范研究報告》,對流速—流量、河寬—流量、平均水深—流量滿足的關系[17-18]進行擬合,在經驗公式計算中,代入水文站的設計流量,可求出對應的設計流速,曹娥江流域設計流量和流速見表4。參考國內相似流域背景下的研究成果,結合流域的具體情況,類比確定各污染物的綜合降解系數[19-20]。流域水體內COD、氨氮、TN、TP的綜合降解系數分別為0.11、0.13、0.07、0.10 d-1。

表4 曹娥江流域設計流量和流速

基于滿足曹娥江流域水體監測斷面和入海斷面水質達標的約束條件下,將設計水文條件及模型參數輸入水環境容量計算模型中,流域水環境容量計算結果如表5所示。曹娥江流域COD、氨氮、TN、TP水環境容量分別為47 945.18、2 435.81、6 863.19、474.98 t/a。

表5 曹娥江流域水環境容量計算結果

2.4 污染負荷分配與削減

為保證水體滿足水質目標,降低容量模擬中的不確定風險,污染負荷總量分配方案中,一般需要考慮安全余量(MOS)[21]。MOS是分析污染負荷與受納水體水質間的不確定關系,確定不同計算條件下的MOS,從而降低水體中水質不達標的風險,一般以水環境容量或污染負荷量的5%～10%作為MOS[22]。為確保曹娥江流域內水環境質量持續達標,本研究以水環境容量的5%作為MOS。根據計算,曹娥江流域內各控制單元的COD、氨氮、TN、TP水環境容量分配結果如表6所示。其中,控制單元11的COD、TN水環境容量和控制單元4、5的氨氮水環境容量分配以點源形式為主,其余都以非點源為主。

表6 各控制單元水環境容量分配結果

污染物削減量為水環境容量與入河量差值,正值時說明不需要進行削減;負值時則需要進行削減。根據計算,流域內COD還有剩余水環境容量,不需削減,只需對氨氮、TN和TP進行削減。流域內各控制單元3種污染物削減計算結果如表7所示。氨氮需削減6.91 t/a,各控制單元需削減0.45～3.56 t/a;TN需削減501.52 t/a,各控制單元需削減9.52～160.23 t/a;TP需削減128.34 t/a,各控制單元需削減0.81～22.73 t/a。TN點源削減量主要來自城鎮污水處理廠,因為污水排放量較大且污水處理未能達到滿負荷運行。TN、TP非點源削減量較大,是由于控制單元內種植業面積較大,且化肥和農藥的施用強度較高,氮磷隨地表降水進入水體;部分村莊污水管線尚未建成,污水收集率較低,污水零直排區沒有全覆蓋,部分農戶污水沿河直排,造成水體污染。

表7 各控制單元3種污染物的削減計算結果

3 結論與建議

1) 2016—2021年,曹娥江流域內的屠家埠、湯曹匯合口和曹娥江大閘閘前3個監測斷面的COD、氨氮、TP均達標。

2) 曹娥江流域內COD、氨氮、TN、TP入河量分別為16 013.20、959.10、3 658.53、416.05 t/a,且主要以非點源為主。污染物入河量較多的控制單元有4、8、9、11和21,這5個控制單元的COD、氨氮、TN、TP入河量對曹娥江的貢獻率分別為45.12%、41.53%、38.83%、35.18%,應將這5個控制單元作為重點單元進行管控。

3) 基于滿足曹娥江流域水體監測斷面和入海斷面水質達標的約束條件下,COD、氨氮、TN、TP水環境容量分別為47 945.18、2 435.81、6 863.19、474.98 t/a。流域內COD還有剩余水環境容量,不需削減,氨氮、TN、TP分別需削減6.91、501.52、128.34 t/a。

4) 根據曹娥江流域污染物入河量和水環境容量的分析結果,需從源頭削減污染物排放量從而改善流域水質現狀,建議強化城鎮污水處理廠污水處理效能,有效提高污水處理廠出水達標率;加強種植業污染管控,科學施用農藥化肥,提高農藥化肥利用率并減低其使用量;提高農村生活污染治理水平,全面推進污水零直排建設,加快村鎮生活配套管網建設與改造。