甘肃渭河流域水环境承载能力及污染控制分析

2012-04-19朱金花

地下水 2012年3期

朱金花

(甘肃省水环境监测中心，甘肃兰州 730000)

渭河流域位于甘肃中东部，省内流域总面积2.56万km2，占全省总面积的5.6%。流域内主要包括定西、天水、平凉3市的13个县区，2008年总人口579万人，占全省总人口的22%，人口密度207人/km2，是全省人口密度57人/km2的3.6倍。流域内农业自然条件较差，灌溉面积151.2万亩，仅占耕地面积的8.5%，大部分地区是典型的旱作农业区，区内经济发展不平衡，其中干流区有陇西、武山、甘谷、天水等重要城镇，经济相对发达，同时流域内又有11个国家重点扶持的贫困县。2008年流域国内生产总值308.8亿元，占全省国内生产总值的9.7%，人均国内总产值仅为全省的44.1%，社会生产力总体水平较低。流域气候以干流为界，南北两岸存在明显的差异，南岸及中下游气候属温带半湿润区，降水较多，植被相对较好，是渭河的主要水源涵养区。北岸及上游区属温带干旱区，气候干旱，降雨量较少，土地裸露，水土流失严重。近年来，由于流域内水平梯田化和雨水集流水窖等水土保持措施不断强化和引蓄水工程的影响，河川径流量明显减少;另一方面，随着城镇化率的提高和工业生产的扩大，废污水排放量不断增加，总排放量达到5 558.6万t，双重作用致使流域流域水环境质量不断恶化，水资源供需矛盾加剧，水环境问题越来越突出，在这种情况下，水环境承载能力不仅是社会经济持续发展的制约因素，而且是今后社会经济发展规划的约束指标，分析研究水环境承载能力，为产业结构的调整和经济发展战略布局提供决策依据，显得非常重要。

1 水环境承载能力分析计算

1.1 水环境承载能力基本内涵

广义上的水环境承载能力是指在一定的社会、经济、技术条件下，一定的水域的水体能够被继续利用并仍保持良好的生态系统时所能支撑经济发展和人民生活需求的的能力，是一个动态参数，受自然环境、社会环境、经济环境和科技发展等因素的影响;狭义上的水环境承载能力是指在一定的水域，其水体能够被继续利用并仍保持良好的生态系统时所能容纳污水及污染物的最大能力［1］，通常以纳污能力或水环境容量来量化计算。本文从狭义角度出发，基于《甘肃省水功能区划》所确定的渭河流域各条河流的水质保护目标对渭河流域纳污能力进行分析研究。

1.2 计算模型

纳污能力通常采用数学模型进行计算，根据渭河流域的水文特性，采用一维和二维模型进行计算。

一维模型主要适用于宽深比较小、污染物在较短的河段内基本上能混和均匀，且污染物浓度在断面横向方向变化不大，或者是计算河段较长，横向和垂向的污染物浓度剃度可以忽略的河段。渭河流域水功能区段均在10 km之上，河宽及河深远远小于河长，污染物在横向和垂向较易混合均匀，而沿程变化较大，污染物主要靠纵向迁移向下游输送，符合一维稳态模型模拟条件，故全部采用一维模型进行模拟计算。

式中，C为污染物的浓度，是时间t和空间位置x的函数;Dx为纵向弥散系数;ux为断面平均流速;K为污染物的衰减速度常数。

在稳态条件下，给定初始条件(x=0时，C=C0)，忽略弥散作用后，上式的解析解为:

式中:W为计算单元的纳污能力，g/s;Q为河段上断面设计流量，m3/s;Cs为计算单元水质目标值，mg/L;C0为计算单元上断面污染物浓度，mg/L;qi为旁侧入流量，m3/s;K为污染物综合降解系数，1/d;x1为旁侧入流概化口至下游控制断面的距离，km;x2为旁侧入流概化口至上游对照断面的距离，km;u为平均流速，m/s。

1.3 计算指标

在水功能区划与水质保护目标确定的基础上，根据甘肃省入河排污口调查情况、甘肃省河流水质现状评价结果，化学需氧量和氨氮是污染最普遍、最严重的两个因子，因此，确定化学需氧量和氨氮为纳污能力分析计算的指标。

1.4 模型参数

设计.流量:一般水功能区采用75%保证率最枯月平均流量，具有饮用水功能的计算单元，为了保证饮用水安全，其设计流量采用90%保证率最枯月平均流量。

设计流速:根据设计流量，由所建立的水位～流速关系曲线确定。

初始断面背景浓度C0:根据实测资料分析，渭河流域化学需氧量初始浓度采用5mg/L;氨氮初始浓度采用0.15 mg/L。

水质控制目标浓度Cs:根据水功能区的水质目标确定，对于水质目标为Ⅱ类的水功能区，一般化学需氧量为15 mg/L，氨氮为0.50 mg/L;对于水质目标为Ⅲ类的水功能区，一般化学需氧量为20 mg/L，氨氮为1.00 mg/L;对于水质目标为Ⅳ类的水功能区，一般化学需氧量为30 mg/L，氨氮为1.50 mg/L;对于水质目标为Ⅴ类的水功能区，一般化学需氧量为40 mg/L，氨氮为 2.00 mg/L。

污染物综合降解系数K:根据实测资料分析，并结合国内外一些研究成果，通过综合分析比较确定渭河流域化学需氧量的降解系数为 0.40d－1，氨氮的降解系数为 0.25d－1。

1.5 计算结果

采用(2)式对流域各水功能区进行纳污能力计算，在实际计算时，考虑到排污口之间的距离远远小于计算河段长度，因此对排污口、支流口位置采用权重概化法，即把分散的排污口概化成一个集中排污口，以便于计算。通过纳污能力模型模拟计算:渭河流域干支流总长度1 466.7 km，CODcr、氨氮的总纳污能力分别为:15 240.5 t/a，523.7 t/a，流域人均纳污能力为:COD cr2.6 kg/a;氨氮 0.09 kg/a，分别是全省的15.4%和12.2%，就水环境容量资源而言，该流域人口和资源之间的矛盾较为突出。另外，纳污能力空间分布也不够均匀，其中，干流CODcr及氨氮的纳污能力分别为11 305 t/a和350 t/a，分别占全流域的74.2%和66.8%，可以看出流域纳污能力主要在干流。各河流的纳污能力见表1。

2 流域污染物排放及水环境质量状况

根据调查流域共有入河排污口91个，干流46个，年排污总量5 559万 t，其中主要污染物COD cr的入河量为27 097 t/a，氨氮为 4 643 t/a。

流域共有水功能区40个，河流总长度1 727.1km，其中按目标水质进行评价，达标9个，达标率22.5%，按河长评价，达标374.1km，达标率21.7%。两种评价结果相近，达标率均较低。

表1 渭河干、支流纳污能力计算成果表

按照《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)进行评价:达到和优于Ⅲ类水质标准的水功能区和河长占总数的比例分别为30%和28%，Ⅳ类水质的水功能区数和河长占总数的比例分别为20%和19.4，Ⅴ为12.5%和12.9%，劣Ⅴ为37.5%和39.7%，详见表2。可以看出目前渭河流域水环境质量较差。

表2 渭河流域水环境质量评价表

3 排污控制量及削减量

以水功能区的纳污能力为入河控制量，计算出现状排污条件下的入河污染物削减量和削减率(表3)，可以看出目前污染较重，水质较差的渭河干流，漳河、散度河、葫芦和、耤河等河流削减量很大，其削减率均在50%以上，其中耤河COD-cr削减率最高，达到97.9%，排污量已经远远大于承载能力，水污染治理任务相当艰巨。而牛头河、汤峪河、后川河、永川河目前排污量在纳污能力之内，尚有一定的发展空间。

表3 渭河流域污染物排放量及削减量表

4 结语

分析结果表明:渭河流域目前的排放量已经整体上超过承载能力，水环境质量趋于恶化，因此必须进行生产方式和产业结构的调整，节能减排，加大水环境治理力度，走集约化发展道路，促使社会经济可持续发展。

4.1 加大污水净化处理能力

从分析结果来看，渭河干流由于水量较大，所以，74.2%和66.8%的COD cr及氨氮纳污能力集中在干流，同时由于天水、甘谷、武山、陇西等流域人口、工业比重较大的城镇也集中在干流，由于这些城镇的COD cr及氨氮排放量分别占全流域的44.7%和86.5%，因而是污染治理的重点，为了满足干流水功能区的纳污能力，达到排污控制目标，就目前而言，必须加大这些城镇的污水净化处理能力，严格执行达标排放，这是最直接、最有效的措施。

4.2 进行产业结构调整，淘汰低产出，高排放的企业

从长远来看，仅仅通过提高污水的处理能力来控制污染是远远不够的，因为这一方面会增加污水处理的压力和投资，另一方面当污水增加到一定程度时，即便是全部经过污水处理厂处理后达标排放，河流水功能区的水质不一定达标，因为污水处理厂达标排放的标准要低于水功能区要求的水质标准，当污径比达到一定限度时，将必然超过其承载能力。因此，必须通过调整产业结构，淘汰低产出、高排放的企业，大力培育和发展节能环保型的产业，建立资源节约、型环境友好型社会，走绿色发展、和谐发展之路，使污染从源头上得到治理，达到治本之目的。

4.3 进行水环境容量资源的优化配置，建立有偿使用和市场交易制度

水环境容量是一种功能性资源，从流域目前情况来看，应该说这种资源处于一种无序和无偿利用的状态，一些高耗能、高排放的企业占有了较大的资源，限制了低排放的高新产业的发展空间，阻遏流域经济发展。因此为了使水环境容量资源得到优化配置，一方面要通过政策导向，进行产业结构调整，同时还要运用市场经济手段，通过建立有偿使用和排污权市场交易制度，把水环境容量资源配置给节能环保型产业和企业，淘汰落后产业和企业，优胜劣汰，促使经济发展和环境保护达到协调和统一。

4.4 以水环境容量为约束条件，调整产业和城镇发展的空间布局

分析结果表明，流域内各支流和干流区域目前的水环境状况不同，其中干流以及漳河、散度河、葫芦和、耤河等支流排污量很大，已经处于超载状态，这些地区的发展只能通过产业的升级换代，培植节能环保产业，限制高污染、低产出的产业，提高水环境容量资源的利用效率来谋求更大的发展，同时要以水环境容量为约束条件，对城镇的规模、人口数量做出长远而科学的规划，防止竭泽而渔。而处于流域东部牛头河支流域，水环境承载能力尚有余量，从全流域角度分析，可以考虑适度转移部分产业，一方面减轻干流城镇的压力，另一方面带动本支流域的经济发展，促进整个流域社会经济均衡发展、全面发展、和谐发展和可持续发展。