水功能区纳污能力和水资源保护研究

洪 娴，董增川，谈娟娟，许波刘(河海大学水文水资源学院，南京 210098)

水资源作为基础性的自然资源和战略性的经济资源，是生态与环境的控制要素[1]。合理开发、利用、保护水资源，关系到经济的发展和社会的进步[2]。泗洪县地处江苏西部的宿迁市，淮河中游，东临洪泽湖，西与安徽接壤，总面积为2 731.4 km2，辖23个乡镇。泗洪县是淮北地区最下游的一个县，承受上游豫、皖、苏3省14.8 万km2来水[3]，境内河流从南到北构成了行洪河道和排涝河道相间排列的格局。2014年末全县总人口107.5 万人，城镇化率34.33%，总用水量49 600 万m3，其中城镇生活用水2 215 万m3，农村生活用水2 495万m3，农业灌溉31 920 万m3，林牧渔业6 250 万m3，工业4 060 万m3，第三产业2 190 万m3，生态用水470万m3。近年来，随着泗洪县社会经济快速发展及各方面用水需求的增加，城乡工业废水和生活污水排放量随之上升，但污水收集管网覆盖率不高，污水处理能力不足，部分污废水直接排入河道，污染物排放入河量大大超过了水体的承载能力，河道淤积严重，导致河湖水质恶化，生物多样性下降，水资源供需矛盾日益突出，加强水资源保护和管理显得越发重要。

1 水环境状况分析

1.1 水质状况评价

以我国现行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[4]为评价依据，采用单因子评价法，选择CODMn、BOD5、NH3-N、挥发酚等作为主要评价因子，采用2014年监测资料，对全县范围内重要河流湖泊的32个水质断面进行评价。其中Ⅲ类水断面19个，占57.37%；Ⅳ类水断面7个，占21.87%；Ⅴ类水断面3个，占9.38%；劣Ⅴ类水断面3个，占9.38%；达到《地表水环境质量标准》的断面21个，占总断面数的65.62%。超标项目为氨氮、总磷和高锰酸盐指数。

1.2 排污总量分析

根据泗洪水文局和环保监测站的污染源监测资料，2014年泗洪县废污水排放总量8 547.20 万t，其中工业废水排放量为2 932.80 万t，占污废水排放总量的34.31%；生活污水排放量为3 768.00 万t，占污废水排放总量的44.08%；第三产业废水排放量1 846.40 万t，占污废水排放总量的21.60%。废水中化学需氧量(COD)年排放总量为25 918.15 t，氨氮(NH3-N)年排放总量为3 169.45 t。据统计，泗洪县共有29个直接排污口，废污水入河量为1 023.57 万t，占泗洪县废污水排放总量的12.0%。

1.3 饮用水源地现状

(1)城市集中供水水源。泗洪县集中引用水主要来自城区自来水厂和各乡镇自来水厂。城区自来水厂取水水源为徐洪河，总供水规模10 万m3/d，目前管网已覆盖青阳镇、开发区、重岗乡、大楼乡、五里江农场、瑶沟、高庄等区域。集中式供水工程250处，联村、乡镇及跨乡镇的有21处，其余229处为村级，全部采用了水源井-水塔(压力罐或变频加压)-管网-供水到户(集中供水点)的供水方式，供水规模为13.52万m3/d，受益总人口67.95万人，占农村总人口的80.5%。

(2)饮用水源地保护区。泗洪县共划分了徐洪河、怀洪新河、洪泽湖3处饮用水源地保护区，分别以泗洪集泰自来水厂、西南岗地表水厂和东南片地表水厂取水口为基点，城区地下水、魏营镇红旗小型水库和孙园镇张塘小型水库为备用水源地。

2 水功能区划

水功能区划是水资源开发、利用、保护的依据[5]。泗洪县水功能区划涉及20条河流、1个湖泊。根据《江苏省地表水(环境)功能区划》，泗洪县境内设置保护区2个，缓冲区5个，保留区2个以及2级功能区17个。水功能区划情况及污染状况分别见表1、表2。

表1 泗洪县水功能区划Tab.1 Water function zones of Sihong County

表2 水功能区主要河流水质现状Tab.2 The main rivers water quality status of water function zones

3 水功能区纳污能力及污染物入河量研究

计算水功能区纳污能力及制定污染物控制量、削减量是水资源保护规划的核心任务之一，关系到水资源的有效保护[6]。泗洪县开发利用区、缓冲区、保留区内排污问题较为复杂，为了合理地进行排污量削减，本文对除徐洪河、洪泽湖以外的24个水功能区进行水域纳污能力和污染物入河量计算，其中缓冲区5个，保留区2个，2级功能区中农业用水区13个，过渡区3个，排污控制区1个。

3.1 水功能区纳污能力

3.1.1水质模型

泗洪县地处苏北平原，大多数河流坡降较小，加上水利工程众多，流速较慢，流量小于150 m3/s，部分河段流速极小近似为零，同时洪泽湖不允许排污，不进行纳污能力计算。根据《水域纳污能力计算规程》(GB/T25173-2010)[7]，选取河流零维和一维水质模型。

(1)零维水质模型。对于极小或零流速的河段，采用槽蓄量进行流域纳污能力计算：

M≈CskV

(1)

式中：M为水域纳污能力，g/d；k为污染物综合衰减系数，1/d；Cs为水功能区水质目标，mg/L；V为槽蓄量，m3。

槽蓄量V计算中所采用的河段长为水功能区管理上允许超标的河长(建议采用1～2 km)，该河长不大于水功能区河段长；计算槽蓄量宜采用90%保证率低水位所对应的过水断面面积。

(2)一维水质模型。在流动的河道中，污染物浓度沿程是变化的，对式dC/dt=-kC引用dt=dx/u并求得其一维水质模型为：

(2)

式中：x为与起始断面间的距离，km；u为设计条件下河段平均流速，m/s；C0为起始断面水质浓度，mg/L；C为监测断面污染物浓度，mg/L；k为污染物综合衰减系数，1/d。

将排污口概化至计算河段中部、以出口断面控制，对应功能区的纳污能力计算公式为：

(3)

式中：M为功能区纳污能力，t/a；Q为计算河段设计流量，m3/s；L为计算河段长度，m；其余符号意义同前。

3.1.2模型参数

水功能区纳污能力计算包括的参数有：水功能区水质目标Cs、初始浓度值C0、污染物综合衰减系数k、设计流量Q、设计流速u等。

(1)水功能区水质目标Cs。按照《淮河流域水资源保护规划技术细则》及《江苏省水环境保护规划技术细则》的要求，确定纳污能力计算控制指标为CODcr、氨氮。水功能区水质目标取值执行《地表水环境质量标准》中的COD、氨氮标准阈值。

(2)初始浓度值C0。以上一水功能区目标水质作为入流断面水质浓度的初始值。

(3)污染物综合衰减系数k。k是反映污染物沿程变化的综合系数，常用自然条件下的实测资料率定，率定方法常用二断面法和经验公式法。根据《淮河流域纳污能力及限制排污总量意见》，CODcr、NH3-N的k值公式分别为：

kCODcr=0.05+0.68u

(4)

kNH3-N=0.061+0.551u

(5)

(4)设计流量Q。按照《水域纳污能力计算规程》，河流纳污能力应采用90%保证率最枯月平均流量或近10 a最枯月平均流量作为设计流量。由于资料原因，本文纳污能力设计流量计算分2部分。

①区域性河流。采用宿迁市泗洪站1956-2013年降水量资料，以年降水量进行频率计算，取90%保证率年降水量作为典型年进行降雨径流计算，按照泗洪地区枯水期降雨量占年降雨量40%的比例确定枯水期的月平均径流深，然后根据河流的汇水面积求得枯水期的月平均流量，即为相应的设计流量。利用皮尔逊Ⅲ型曲线进行频率分析得统计年平均降水量905.23 mm，变差系数0.28，偏态系数0.76，求得90%保证率年降水量为618.5 mm。采用降雨-径流系数法，径流深为55 mm，按照比例枯水期的月径流深为2.75 mm。

②流域性河流。通过查找资料，选用90%保证率最枯月平均流量。

(5)设计流速u。区域性河流按u=Q/A式计算河段设计流速，流域性河流：借用附近区域的流量流速关系分析计算。

3.2 污染物入河量

污染物入河量分为点源污染物和面源污染物入河量。点源污染物入河量计算时，根据《泗洪县城市总体规划(2004-2020)》，2020年污水收集率为100%，确定工业废水、城市生活、第三产业污水入河系数(见表3)。按照行政区划，统计出2020年各乡镇点源污染物入河量。

表3 点源污染入河系数Tab.3 Coefficient of point source pollution into the river

泗洪面源污染分为城市和农业面源污染。城市面源污染主要来自降雨期间，随地面径流进入河流的地面污染物。农业面源污染主要来自化肥农药施用、畜禽饲养和鱼塘养殖。面源污染物入河量计算时，根据类似泗洪地区的入河系数(见表4)，按照泗洪地区枯水期径流量占年径流量的比例，确定枯水情况下各乡镇2020年面源污染物入河量。

表4 面源污染入河系数Tab.4 Coefficient of non-point source pollution into the river

综合考虑整体点、面污染情况，点源污染物入河按照有污水处理厂的乡镇按尾水排入河流统计，无污水处理厂的按乡镇中心就近的河流统计，面源污染物入河按照河流汇水面积分配到各计算单元，统计出各水功能区2020年CODcr、氨氮排放情况。

3.3 结果分析

根据上文所述方法，得出相应的计算结果。2020年各水功能区污染物入河总量与纳污能力对比结果见图1。

由图1可以看出，大部分水功能区的污染物入河总量严重超出纳污能力。为保证功能区水体的功能，需对水功能区的污染物入河量进行控制。当污染物入河量小于等于纳污能力时，入河控制量等于污染物入河量，入河削减量为零；当污染物入河量大于纳污能力时，入河控制量等于纳污能力，入河削减量等于污染物入河量与纳污能力之差。2020年削减量见图2。

4 水资源保护措施研究

水资源保护的本质要求是要尊重水资源自然循环再生规律，以资源承载力为基础对水资源开发利用，以水资源可持续利用支撑经济社会可持续发展[8]，根本目标是实现人水和谐[9]。水资源保护措施应坚持水量、水质和水生态统筹安排[10]。根据泗洪县水资源保护目标，2020年水功能区水质达标率提高到85%以上，集中式饮用水源地水质全面达标，污水处理厂尾水回用率达到30%。

图1 2020年各水功能区CODcr、氨氮量对比Fig.1 The amount of CODcr and Ammonia nitrogen contrast of each water function zone in 2020

图2 2020年各水功能区污染物削减量Fig.2 Pollutant reductions of each water function zone in 2020

4.1 点源污染削减控制

(1)加强污水处理设施建设。根据2020年污染物排放情况和需进行污染物削减的功能区分布，遵循“覆盖优先、处理有效、适度超前”的建设标准，在2020年前新增城西、四河、峰山、陈圩、曹庙等22座污水处理厂，覆盖所有乡镇，并根据实际情况对已有污水处理厂进行扩建，所有污水处理厂的尾水排放标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级A标准。同时针对污水处理厂分布和尾水入河情况，在污水处理厂周边铺设污水管网。

(2)推进中水回用工程建设。中水回用不仅可以大幅降低“上水”的消耗量，而且可以在一定程度上解决“下水”对水源的污染问题，起到保护水源、水量的作用[11]。泗洪县中水回用于城市杂用和农业灌溉。按照回用目标和城市杂用、农业需水情况及河道纳污能力合理制定各乡镇污水处理厂污水回用量、回用率，进行中水回用干管建设。园林绿化、城市道路广场浇洒等工作均由洒水车完成，用于农业灌溉的中水通过中水干管运送到附近农田。

4.2 内源治理及面源控制

(1)内源治理。对河流实行清污工作，主要包括清除河道淤泥和打捞漂浮物。河道清淤主要是对城区底泥淤积严重的河道进行清理，10 a一次。同时做好河道的长效管理工作，每年组织专门队伍，在汛期和落叶期对列入功能区的河流进行漂浮物打捞工作。沿河各乡镇需负责组织所管辖范围内河道及河道桥涵的管护，做到河道及桥涵管理人员到位，措施到位；无侵占河道行洪断面，无随意向河道倾倒垃圾、粪便等现象发生，无擅自损坏河道工程设施现象发生。

(2)面源控制。泗洪县面源控制以城市面源污染和包括农村生活污染、畜禽粪便污染、化肥农药污染和鱼塘污染在内的农业非点源污染为重点。

①城市面源污染控制。从增加透水面积方面着手，在泗洪地区城市发展规划时尽量增加城市绿化面积，并多采用多孔沥青和草皮砖。

②农村生活污染控制。加快生活污水处理站建设，并采用农灌的方式处置中水，使中水资源化。完善垃圾收运系统，按照“户集-村收-镇运-县处理”[12]的方式，在全县农村统一配置垃圾桶，购置清运三轮车，修筑农村垃圾房。

③畜禽粪便污染控制。遵循“资源化、无害化、减量化、生态化”的原则，积极发展生态型畜禽养殖业，大力推进规模化养殖，优化畜禽养殖布局，逐步完善养殖场畜禽粪便综合治理设施，并加强粪尿还田利用。

④化肥农药污染控制。科学施肥，改变施肥方法，选择科学的耕作制度，调整作物的种类与布局，进行合理的间、套、轮作等措施，提高肥料的利用率；同时推广抗病虫品种，降低农药施用量。

⑤鱼塘污染控制。合理投放饵料，提高饵料利用率；减少化肥与鱼药的用量；定期及时换水和清淤，鱼塘废水可考虑引入农田灌溉，避免直接排入附近河流，污染水域。

4.3 确立水功能区限制纳污红线，严控污染物入河量

建立水功能区限制纳污红线是最严格水资源管理制度重要内容之一[13]，是保障水体功能达标的根本途径[14]。按照水功能区划，严格核定水域纳污能力，严控入河排污总量，建立水功能区限制纳污红线考核指标和监测评估指标体系，加强水功能区限制纳污红线管理。为强化水功能区达标监督管理，按照2020年水功能区纳污能力、污水处理工程情况及中水回用目标要求，将限制排污总量按乡镇进行划分，为各乡镇水污染防治和污染减排工作提供重要依据。

4.4 加强入河排污口管理，完善排污许可制度建设

加强入河排污口数量的监测，严格入河排污口审批制度。新建或改建入河排污口，必须先经水功能区管理机关批准。加大环保部门对排污口监督管理力度，所有现有排污口须有排污许可证，做到持证排污，按证排污；没有排污许可证的排污口需申报排污许可证或关闭。

4.5 调整产业结构，发展节水环保型产业

根据水资源条件和行业特点，通过区域用水总量控制、取水许可审批、用水节水计划考核等措施，按照以水定产、以水定发展的原则，调整、优化产业结构。建设工业产业园区，促进企业集中发展、资源集中利用。推进清洁生产战略，制定行业节水标准，加强用水制度建设，鼓励发展低耗水、低污染、高用水效率的环保产业，建设节水示范工程，完善循环用水系统，推广节水技术和节水工艺，逐步淘汰高耗水工艺和设备，积极发展节水型企业。同时加强水污染执法力度，严厉打击违法偷排、多排、乱排污水行为，取缔和关停不符合国家环保政策以及污染严重的企业，形成节水环保型工业经济结构。

5 结 语

泗洪县水体超标项目主要为氨氮、总磷和高锰酸盐指数，水功能区排污量严重超出纳污能力，部分水功能区排污量超标率达到90%，水环境形式不容乐观。针对泗洪河流湖泊水质状况，通过水资源保护措施，2020年水功能区水质达标率为87.5%，污水处理厂尾水回用率为35.26%，达到相关水资源保护目标，河流水质得到改善，饮用水安全得到有效保障，水资源可利用量有所增加，水生态环境实现良性循环，可为今后泗洪地区水资源保护规划提供指导作用，也可为其他县域水资源保护研究提供参考。

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[1] 陈 博. 渭河干流陕西段水资源保护理论及对策研究[D]. 西安：长安大学, 2013.

[2] 朱 武, 俞 婷. 云南省水资源保护存在的问题及对策[J]. 水利发展研究, 2014,(3):57-59.

[3] 刘 昊,王 露. 泗洪饮用水资源分析与安全保障研究[J]. 治淮, 2013,(3):14-15.

[4] GB3838-2002, 地表水环境质量标准[S].

[5] 刘克岩, 王秀兰, 米玉华，等. 水功能区水资源可利用量量质结合评价方法及其应用[J]. 南水北调与水利科技, 2007,5(1):67-69,102.

[6] 孔繁力, 赵 哲. 水功能区污染物控制量计算方法探讨[J]. 水文, 2008,28(1):67-69.

[7] GB/T25173-2010, 水域纳污能力计算规程[S].

[8] 刘颖秋. 用灰色关联度法评价区域水资源保护状况[J]. 中国水利, 2013,(23):43-45.

[9] 张 亚, 林 超. 浅谈水资源保护监督管理[J]. 水资源保护, 2011,27(5):110-113.

[10] 陈凤玉,李 蓓,周宏伟. 太湖流域水资源保护工程措施研究[C]∥ 科技创新与水利改革：中国水利学会2014学术年会论文集(上册). 北京：中国水利学会, 2014:305-308.

[11] 王少东, 房建华. 中水在城市水资源可持续利用中的应用探讨[C]∥ 山东省科学技术协会.济南市水资源优化配置战略研究. 济南：山东省科学技术协会, 2004:157-159,166.

[12] 付永胜. 四川省农村生活污染防治规划研究[D]. 成都：西南交通大学, 2009.

[13] 王方清, 吴国平, 刘江壁. 建立长江流域水功能区纳污红线的几点思考[J]. 人民长江, 2010,41(15):19-22.

[14] 彭文启. 水功能区限制纳污红线指标体系[J]. 中国水利, 2012,(7):19-22.