清河流域水质目标管理技术应用示范

李 艳，胡 成，李法云，黄永刚

(1.沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159;2.辽宁省环境科学研究院，辽宁 沈阳110031;3.辽宁石油化工大学生态环境研究院，辽宁 抚顺 113001;4.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819)

0 前言

流域水质目标管理技术体系涵盖流域水环境功能区划分、水质保护目标制定、污染负荷核定、水环境容量计算与分配、污染负荷分配与削减、污染物总量控制等关键技术［1］，涉及污染物排放限值，环境标准、基准与环境监管［2～4］，行政管理的政策、法规、措施等内涵［5］。笔者以辽河上游一级支流清河流域为示范区域，重点开展基于清河流域水生态功能三级分区的控制单元水质目标管理技术示范研究，开展集污染负荷核定、水环境容量计算与分配、污染负荷分配与削减、污染物总量控制等关键技术为一体的集成技术示范研究，为辽河流域及全国流域推广实施流域水质目标管理技术提供基础。

1 材料与方法

1.1 清河流域概况

清河流域位于东经 123.80°～ 124.80°、北纬42.30°～42.70°，是辽河主要一级支流。清河流域面积为4 785 km2，河流长度217 km，河堤长度43 km，有寇河、马仲河等8条二级支流(图1)。清河流域主要包括开原市、清河区、西丰县3个行政区域，总人口100多万，GDP 200多亿元。清河区工业以冶金、酿造、食品加工等为主，农业以农牧业为主［6］。

图1 清河流域行政区及水生态功能三级分区

1.2 研究方法

1.2.1 水生态功能三级分区方法

辽河流域主要采用自上而下的演泽法划分水生态功能一级分区，采用演绎法和归纳法相结合的方法划分水生态功能二级分区。在一、二级分区基础上，采用自下而上归纳法划分水生态功能三级分区。归纳法是在考虑大的生态地理分异规律的基础上，分析中低级地域单元如何逐级合并为高级地域单元的规律性。

采用归纳法进行流域中低级别水生态功能分区时，应是在对流域中每一个子流域单元内景观(土地)类型结构的质、量、时间和空间等多维性分析的基础上，较全面地揭示景观(土地)类型组合的规律性及其所反映的区域特征。辽河流域水生态功能分区三级及以下低级区划单元划分时，主要采用在水生态功能一、二级区划单元下，自下而上逐级合并出三级及以下较低级别的水生态功能区划单元。

1.2.2 污染负荷核定方法

点源污染负荷主要包括城镇生活、污水处理厂、规模化畜禽养殖等产生的污染物。面源污染负荷主要包括农村人口、耕地、散养的畜禽等产生的污染物，由于清河流域规模化畜禽养殖污染物基本以散排方式进入水体，故把其划入面源污染范畴。文章点源污染负荷采用统计方法核定，面源污染负荷采用水文分割与输出系数法核定。

(1)点源污染负荷核定方法。工业污染源污染负荷核定方法，主要依据2010年污染源普查数据，分为企业排污数据的校核与污染负荷核定。

城镇生活源污染负荷核定方法，根据经验值，一般城市生活污染源的化学需氧量(COD)人均产污系数为60 g/(人·d)，氨氮人均产污系数为4～8 g/(人·d)(表1)［7］。如果人均产污系数计算值偏离上述经验值范围20%，需对人均用水量、排水系数或污染物平均浓度等特征值进行修正，再核定各类城市生活污染源的排污总量。

表1 不同行政级别市县的平均产污系数

市政污水处理厂污染负荷核定方法，主要统计污水处理厂年均处理水量、进厂水质、排放去向等基本信息，以及污水处理厂的出水水质、水量等排污信息。根据市政污水处理厂的年处理水量和进出水质，计算其污染物的排放量。

(2)面源污染负荷核定方法。应用基于1∶5万地形图构建的数字高程图(DEM)和土地覆盖/土地利用类型遥感数据，借助ArcGIS地理信息技术和遥感技术(RS)获得流域的地形、土地利用、河网等信息，应用输出系数模型，估算示范区控制单元面源污染负荷的输出量。

输出系数模型。对于某一固定的计算区域，(流域)模型的一般表达式为：

式中：i——污染物类型;j——流域中污染源种类，共n种;Li——污染物i在流域的总负荷量，kg;Eij——污染物i在第j种污染源的输出系数，kg/(km·a);Aj——第 j种污染源的数量;p——流域内平均降水深度，m;A——计算流域的面积，km2;ei——降雨输入系数，kg/(km·a)。

输出系数确定方法。根据水文水质监测断面划分控制区域。一般情况下，选择有连续监测历史数据的水文和水质断面，划定监测断面控制的计算区域，将计算区域进一步划分为若干个小流域。应用水文分割法对水文和水质监测资料进行处理，求解线性方程组计算输出系数。

清河流域河川径流存在明显的丰、平、枯水期，面源污染主要发生在丰水期。应用水文分割法将水体的面源污染负荷分离出来。丰、平水期水体污染负荷由点源和面源构成，枯水期只有点源污染负荷。如果小流域断面的径流和水质资料已知，就可以根据式(2)计算非点源污染负荷：

式中：Lns——流域的年度非点源负荷，kg;Qi——第 i月的平均径流量;Ci——第 i月的污染物浓度。

对于某一种污染源计算模型，需要确定的参数的个数是(m×n+1)个，如果对于某一种污染物，需要确定的参数个数是(m+1)，如果有足够多的断面监测资料，那么就从计算区域内划分出(m+1)个小流域，组成线性方程组：

式中：L——小流域中某种污染物的面源污染负荷;A——流域或小流域的面积;p——降水量(已知)。式(3)共有 (m+1)个未知数，即 E1，E2…En，e，共(m+1)个线性方程组，解此线性方程组可求得该种污染物的输出系数。

一部分已知断面数据用于计算输出系数初值，再应用其他已知断面的资料进行校验，以超静定线性方程组残差最小的原则，率定面源输出系数(表2)。

表2 清河流域不同类型面源输出系数

1.2.3 水环境容量计算与分配方法

采用一维稳态水质模型模拟污染负荷与水质的动态响应关系，结合线性规划模型，依据现有经济技术条件，分近、中、远期计算与分配清河区控制单元水环境容量。

(1)一维稳态水质模型。

式中：C'——支流或排污口等边界汇入后稀释浓度，mg/L;C0——上游来水浓度，mg/L;Q0——上游来水流量，m3/s;W——支流或排污口等边界的污染物排放量，kg/d;Cq——支流或排污口等边界汇入浓度，mg/L;q——支流或排污口等边界汇入流量，m3/s;C——距离边界下游x米处控制断面的浓度，mg/L;K——降解系数，1/d;x——控制断面距离支流或排污口等边界的距离，m;u——河段的流速，m/s。

(2)水环境容量计算模型。在水质模拟基础上，采用线性规划模型计算河流水环境容量［8］。

式中：决策变量 Xj——第 j个污染源的排放量，t/a;aij——第 j种源对第 i个控制点的响应系数;Ci——控制断面(点)i的水质控制浓度，mg/L。

(3)水环境容量分配模型。在河流水环境容量计算基础上，对(6)至(7)的线性规划问题提出了一种降维的反向处理，可在分配比例(容量利用率、人口、现状负荷等)确定的情况下，找到该原则下的最优解，使总量分配的线性规划问题变为不等式比较求最大(最小)值问题，如果对分配结果不满意，调整分配比例(10)，直到分配结果满意为止，实现总量最优化分配［8］。

对方程(6)至(7)进行变换，定比例的简化处理表达。目标函数转变为等式约束

决策变量转变为各源的排放量比例约束方程转变为

式中：M——水环境容量，t/a。

总量分配合理性指数TCRI为

式中：ai——权重系数，∑ai=1;ci——单项指标值，是0～1之间的无量纲值，数值越大越合理。表3为清河流域分项指标及权重系数列表。

___________________________________表3 清河流域分项指标及权重系数列表

1.2.4 污染负荷总量分配与削减技术

(1)污染负荷总量分配技术。在控制单元水环境容量计算与分配基础上，根据点源、面源污染负荷贡献率及水质安全性，结合河流污染特征，预留出安全余量，其余水环境容量在控制单元点源、面源之间分配。在此基础上，结合点源污水处理技术及污水综合排放标准，对控制单元点源环境容量再分配，进而分配到工业企业。

(2)污染负荷削减技术。根据点源、面源污染负荷现状，结合点源、面源污染负荷总量分配结果，制定控制单元点源与面源污染负荷削减及重点企业削减方案。

2 结果与讨论

2.1 水环境问题诊断与水质保护目标制定

2010年4月，铁岭市环境监测站对清河流域前马河、寇河、马仲河、小清河4条二级支流跨界断面进行监测，结果显示除小清河水质为Ⅳ类，其余均为劣Ⅴ类。在清河流域共划分7个三级水生态功能分区，在此基础上，根据水环境管理需求，划分西丰县、开原、清河区3个主要行政管理控制单元。依据清河流域水质状况，结合“十二五”清河流域污染物总量控制规划，选取COD、氨氮作为水体污染控制指标(表4)。

清河下游水生态功能区(清河区控制单元) 提供产品与农业发展 COD≤40 mg/L COD≤30 mg/L COD≤30 mg/L氨氮≤2 mg/L 氨氮≤1.5 mg/L 氨氮≤1.5 mg/L

2.2 控制单元污染负荷核定

丰水期清河区控制单元点源与面源排放量相差不大，平、枯水期以点源污染为主。由于面源污染负荷与降雨量、地貌、土壤类型、植被类型等密切相关，结合降雨时段及其他时段河流水质状况，核定面源污染负荷(见表5和表6)。

表5 清河区控制单元点源污染负荷

表6 清河区控制单元面源污染负荷

2.3 控制单元水环境容量计算与分配

水环境容量计算时重点考虑以下因素：水文条件设定，由于清河区控制单元位于清河水库下游，考虑水量调度问题，采用最小生态流量(多年平均流量的10%)设计水文条件;首断面达标，由于现行水环境管理以出境断面作为水质考核断面，容易造成全河段污染现象，首断面达标可以避免上述现象发生;河流污染物衰减系数，可以采用水质模型模拟、经验公式、经验参数等。笔者结合国家“十五”科技攻关项目部分成果，确立清河区河流COD衰减系数为 0.1，氨氮为 0.05［7］。按照等比例分配、负荷分配比例大于现状负荷10%、容量利用率大于80%、考虑排污口位置与污染负荷现状等多种分配方案，采用水环境容量计算与分配模型模拟多种方案的污染负荷总量分配，结果显示，考虑排污口位置、污染负荷现状与污水处理能力综合方案，分配结果与实际结合较好，可以推荐使用(表7)。

表7 清河区控制单元水环境容量 t/a

2.4 控制单元污染负荷总量分配

基于水环境容量计算结果，分析控制单元水环境污染风险源特征，采用经验值或模型预测预留一定的安全余量;根据控制单元点源、面源污染负荷贡献率，实现水环境容量在点源、面源间的分配。

清河区工业以冶金、酿造、建材、食品加工等为主，没有大的水环境污染风险源，预留5%水环境容量作为安全余量，其余容量在点源、面源间分配(表8)。

表8 清河区控制单元污染负荷分配 t/a

2.5 控制单元污染负荷削减

2.5.1 污染负荷削减量计算

根据点源、面源允许入河量，结合污染负荷排放现状，计算控制单元污染负荷削减量(表9和表10)。

表9 清河区控制单元面源污染负荷削减量t/a

表10 清河区控制单元点源污染负荷削减量 t/a

由表9和表10看出，控制单元近期污染负荷削减率为60%左右，中(远)期削减率为70%左右。

2.5.2 污染负荷削减方案制定

工业企业污染负荷削减时，重点考虑污染物排污去向(进入污水厂、工业园或直排)，排污口距离受纳水体距离(污染物衰减系数)，污水排放量，排污方式，污染物排放限值及污水处理技术等方面。清河区重点控制7家排污较严重的企业，削减COD 87.49 t/a、氨氮 4.82 t/a。

清河区控制单元可控的面源污染以畜禽养殖、乡镇生活污染为主，建设乡污水处理设施及畜禽养殖小区污染防治工程控制面源污染。

3 结语

(1)流域水质目标管理技术在清河流域应用示范中显示：实施基于容量的流域污染物总量控制技术优于区域目标总量控制技术，目标总量控制主要根据陆源污染物排放限值及排放现状控制污染物排放总量，容易造成或加重河流污染;容量总量控制以河流水环境容量为约束条件，控制陆源污染物的排放，可以预防和减轻河流污染。

(2)合理分析面源产生时期与规范面源污染负荷核定技术，是科学、合理核定面源污染负荷的关键。清河流域降雨主要集中于7月和8月，由于控制单元位于清河水库下游，5月水库承担灌溉任务，4月冰雪融化，清河区控制单元面源实际发生于4月、5月、7月和8月。由于影响面源污染因子较多，使面源污染具有不确定性，从而衍生出多种面源污染负荷核定技术。笔者采用输出系数与水文分割法核定清河区控制单元面源污染负荷，面源COD和氨氮总负荷分别为922.08 t/a和54.54 t/a。

(3)设计合理的水文条件是实现水质目标管理技术的基础。清河流域河流季节变化明显，水量变化大，根据清河区控制单元水文特点，采用最小生态流量作为水文设计条件模拟计算水环境容量。实践证明，在现有经济技术条件下，水量可调节河段，采用最小生态流量作为水文设计条件较适合，可以满足清河区控制单元水环境管理需求，另外，设计流域水文条件时，要充分考虑冬季部分河段出现连底冻现象。

(4)简单易行的水环境容量计算方法与总量分配原则是实现水质目标管理技术的关键。采用一维稳态水质模型与线性规划模型，综合考虑水资源、人口、GDP、耕地等多项因子，计算清河区控制单元水环境容量，近期COD和氨氮水环境容量分别为706.55 t/a和40.86 t/a。根据污染负荷贡献率总量分配原则，实现控制单元点源、面源污染负荷总量分配，近期清河区控制单元面源COD、氨氮允许入河量分别为314.86 t/a和13.59 t/a;点源COD和氨氮允许入河量分别为356.36 t/a和25.22 t/a，削减率在60%和70%。实践表明，在实际管理工作中，模型简单、可靠、实用，分配原则越简单，越具有可操作性，便于实现流域水质目标管理技术。

(5)流域水质目标管理技术实施运用对流域水质改善，完善流域水质目标管理技术体系，提高流域水环境管理水平起到非常重要的作用，同时为“十二五”示范流域排污许可证的发放奠定基础。

［1］孟伟，张楠，张远，等.流域水质目标管理技术研究(Ⅰ)-控制单元的总量控制技术［J］.环境科学研究，2007，20(4)：1-8.

［2］孟伟，王海燕，王业耀.流域水质目标管理技术研究(Ⅳ)-控制单元的水污染物排放限值与削减技术评估［J］.环境科学研究，2008，21(2)：1-9.

［3］孟伟，刘征涛，张楠，等.流域水质目标管理技术研究(Ⅱ)-水环境基准、标准与总量控制［J］.环境科学研究，2008，21(1)：1-8.

［4］孟伟，秦延文，征兵会，等.流域水质目标管理技术研究(Ⅳ)-水环境流域监控技术研究［J］.环境科学研究，2008，21(1)：9-16.

［5］孟伟，张远，王西琴，等.流域水质目标管理技术研究：(Ⅴ)水污染防治的环境经济政策［J］.环境科学研究，2008，21(4)：1-9.

［6］铁岭市统计局.铁岭2011统计手册［M］.北京：中国统计出版社，2011.

［7］文毅，李宇斌，胡成.水污染物总量控制管理技术研究［M］.北京：中国环境科学出版社，2009.

［8］辽宁省环境保护局.辽宁省辽河流域水污染物总量控制管理技术研究［M］.北京：中国环境科学出版社，2006.