基于控制断面法的水环境容量及污染综合治理研究
2017-11-28,,,,
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(1.长江科学院 河流研究所，武汉 430010；2. 河海大学 环境学院，南京 210098)
基于控制断面法的水环境容量及污染综合治理研究
张琳1,2,周建银1,王家生1,黎礼刚1,杨启红1
(1.长江科学院 河流研究所，武汉 430010；2. 河海大学 环境学院，南京 210098)
为了制定出更精细、更严格的污染控制方案， 以深圳市观澜河为研究对象，根据设计水文条件及水质目标，以COD为污染指标，基于控制断面法，将水环境容量进行按月分配。通过污染源调查，并根据现状污水处理能力，得到观澜河流域入河污染物总量。结果表明：观澜河水环境容量相对于污染入河量来说非常小，污染负荷量远远超过了河流水环境的最大承载能力，尤其在枯水期12月份，入河污染物总量达到水环境容量的62.2倍。在此研究基础上遵循“外源减排、内源清淤、水质净化、清水补给、生态恢复”的技术路线，提出观澜河流域污染综合治理措施，为该地区的水污染治理提供科学依据。
观澜河；水环境容量；控制断面法；水污染；综合治理
1 研究背景
水环境容量是指在水体使用功能不受破坏的条件下，水体受纳污染物的最大数量。通常在水资源开发利用区域内，按给定的水质目标和设计水量、水质条件，水域能容纳污染物的最大量称为水环境容量[1-3]。水环境容量由稀释容量与自净容量2部分组成，分别反映污染物在水体中迁移转化的物理稀释与自然净化的作用。通常稀释容量大于自净容量，在净污比gt;10～20倍的水体，可仅计算稀释容量[4-5]。
随着环境污染的日趋严重和城市需水量的逐年增加，由水资源不足和水源水质污染导致的城市供水短缺问题已成为制约城市发展的重要因素，对水环境容量和污染物排放总量控制的研究已成为水环境保护领域科研的热点问题[6-7]。在推行污染物总量控制的大背景下，对水环境容量的研究已成为人们关注的焦点和热点问题[8-9]。
针对不同的河流，有很多学者进行了环境容量计算方法研究。韩龙喜等[10]基于南通河网水文地理特性,建立了感潮地区河网水量水质模型,对南通河网进行水量水质模拟及水环境容量计算；孟伟等[11]辨析了水环境质量基准与标准的概念差异,指出了它们对水污染物总量控制的作用，全面总结了美国水环境质量基准与标准的制定过程与方法,并对比分析了国内外水质标准体系在组成、保护功能、制定方法上的不同,以及水质标准在水污染物总量控制的应用情况。周刚等[2]为了给河流污染物容量总量控制提供技术支持，以赣江下游化学需氧量和氨氮水质因子为例，提出了动态水文条件下基于WESC2D(Two-dimensional Water Environment Simulation Code)模型水质模拟和粒子群算法中RPSM(Repulsive Particle Swarm Method)非线性优化的河流水环境容量计算方法。
前人的研究中，环境容量的计算着重于目标总量控制技术，实现从目标总量控制技术向基于流域控制单元水质目标的容量总量控制技术的转变是必然的研究趋势。通常水环境容量是按年进行计算，本文中根据研究区域水系的水文特征，基于控制断面法，尝试将水环境容量按月分配，为制定更精细、更严格的污染控制方案和管理措施提供依据。
2 水环境容量计算方法
深圳市观澜河流域大部分河道属雨源型河流，汇水面积较小，枯水期流量小，基本没有补充水源，水环境容量十分有限，而流域内城市的高强度开发，对现有治污系统带来较大压力[12-13]。本文以深圳市观澜河为研究对象，考虑到观澜河流域水质目标为交接断面达到III类水，为了充分利用观澜河流域水环境容量同时又使其达到水质标准，因此本次采用控制断面法计算观澜河水环境容量。
控制断面法指的是先满足某一控制断面水质要求，进而计算控制断面间环境容量的计算方法。从该控制断面向上游反推直至上一断面，两断面之间所有排污口的允许排污量之和称为该控制断面的水环境容量。
河流水环境容量分为2个部分，分别是稀释容量和自净容量，计算公式为：
；
(1)
(2)
E=E1+E2。
(3)
式中：E为环境容量(g/s)；E1为稀释容量(g/s)；E2为自净容量(g/s)；Q为河流设计流量(m3/s)；cs为该水体的水质标准值(mg/L)；c0为河流背景浓度(mg/L)；qi为污染物平均排放量(m3/s)；k为污染物降解系数(d-1)；u为水流速度(m/s);ti为第i段内的水流时间(d)。
3 水环境容量计算参数确定
3.1 设计水文条件
由于观澜河流域没有实测水文资料，本流域径流的分析计算采用《广东省水文图集》(1991年)径流深等值线图成果，进而推算出观澜河交接断面在不同保证率下的天然径流量。
经查算，该流域多年平均径流深为950 mm，年径流变差系数Cv为0.38，偏态系数Cs取2Cv，推算出观澜河干、支流各断面不同频率天然年径流，成果见表1。
表1 观澜河交接断面天然径流量计算成果
观澜河属雨源型河流，汛期洪水陡涨陡落，非汛期水量极少。对于南方河流，往往采用90%的保证率的设计流量来计算水环境容量[14]，并根据各典型年径流量月分配的情况，对水环境容量进行逐月分配，为制定更严格的污染控制方案和管理措施提供依据。
另外，为保证流域河道一年四季流水不断，维持河流的自然性和流动性，根据相关资料统计，深圳市每年大约有10 895万m3再生水进入观澜河进行补给，这部分水资源的补给也对观澜河的水环境容量有一定的影响。由于调水的水量来源较稳定，调水量随时间的变化较小，因此可认为该部分容量的时间分配基本均匀。
本次将补水量10 895万m3/a与天然径流量9 981 万m3/a之和20 876万m3/a作为容量计算的水文条件，并对水环境容量进行逐月分配，得到观澜河月径流量见表2。
表2 观澜河水环境容量计算逐月水文条件
3.2 观澜河水质治理目标
水功能区划是根据水资源不同的自然条件、功能要求和开发利用现状划分的，不同的功能区具有不同的水质管理目标。根据《深圳市地面水环境功能区划》，以及广东省政府对跨界河流水质管理的要求，确定观澜河流域水环境治理目标为：建成区消除黑臭，观澜河交接断面水质达地表水Ⅲ类标准。地表水Ⅲ类水部分基本项目标准限值见表3。
表3 地表水Ⅲ类水部分基本项目质量浓度标准限值
3.3 水质降解系数
污染物降解系数是反映污染物在水体物理降解、化学降解和生物降解作用下浓度下降速率快慢程度的参数，是污染物质在水体中发生一系列降解作用综合概化后的表征。污染物降解系数的测定方法主要有现场实测法、试验室测定法、经验系数法及模型率定法等。本次采用经验系数法，根据韩龙等[1]在针对观澜河深圳段纳污能力的研究，计算采用的污染物降解系数K为0.16 d-1。
4 水环境容量计算结果及分析
根据以上计算得出，观澜河深圳段90%保证率条件下天然流量与补水的水环境容量月分配情况，具体见表4。以COD为指标，由表4可以看出：观澜河年水环境容量5 913 t，年内分配不均，总体上表现为丰水期水环境容量大，枯水期时较小，7月份水环境容量最大，12月份水环境容量最小。
表4 COD年总水环境容量月分配与现状月入河污染量
注：入河污染量合计为61 980 t,水环境容量合计为5 913 t,全年污染量与容量比值为10.5
在收集观澜河流域污水处理厂运行数据以及污染源调查的基础上，进行分析计算，得出观澜河流域年COD污染负荷量约为121 680 t，目前已处理年污染物总量约为59 700 t，年入河量为61 980 t，年入河量为年总体容量的10.5倍，枯水期12月份入河污染物总量高达水环境容量的62.2倍。
可见，观澜河水环境容量相对于污染入河量来说非常小，污染负荷量远远超过了河流水环境的最大承载能力，尤其在枯水期12月份，入河污染物总量达到水环境容量的62.2倍，即使按汛期水环境容量最大月计算，污染负荷量也远远超过了河流水环境的最大承载能力。
图1给出了1996—2008年间典型年观澜河流域土地利用空间分布的变化情况。由图1可见，在此期间，大片农业、林业用地变成了城市用地。随着城市的扩大、经济的发展、人口的增多，流域内用水量和废污水量也相应增加，而水环境治理措施的滞后，使得水质在此过程中持续恶化。这也正是观澜河水体污染严重、水质恶化、水环境功能受损、水质长期超过地表水Ⅴ类水标准的原因所在。
5 流域水质改善措施
城市河道的水质治理遵循“外源减排、内源清淤、水质净化、清水补给、生态恢复”的技术路线。其中外源减排和内源清淤是基础与前提，水质净化是阶段性手段，水动力改善技术和生态恢复是长效保障措施。有关技术详述如下。
图1观澜河流域典型年土地利用空间分布示意图
Fig.1SpatialdistributionoflanduseintheGuanlanRiverbasinintypicalyears
(1)外源阻断技术。外源阻断包括城市截污纳管和面源控制2种情况。截污纳管的作用，是通过阻断直接排放，接入市政污水管或原位处理，从而削减外源入河量。城市面源主要来源于雨水径流中含有的污染物。周边的垃圾等也是面源污染物的重要来源，因此水体周边垃圾的清理是面源污染控制的重要措施。
(2)内源控制技术。清淤疏浚技术通常有2种：一种是抽干湖/河水后清淤;另一种是用挖泥船直接从水中清除淤泥。
(3)水质净化技术。城市黑臭水体的水质净化技术主要包括人工曝气充氧(通入空气、纯氧或臭氧等)、絮凝沉淀技术、人工湿地技术、生态浮岛、稳定塘等。
(4)水动力改善技术。调水不仅可借助大量清洁水源稀释黑臭水体中污染物的浓度，而且可加强污染物的扩散、净化和输出，对于纳污负荷高、水动力不足、环境容量低的城市黑臭水体治理效果明显。
(5)生态恢复技术。水体黑臭现象往往是由于水中氮、磷浓度较高引起藻类暴发等次生问题，造成水质恶化、藻毒素问题和其他水生生物的大量死亡，继而导致黑臭复发。所以，黑臭问题本质上也是生态失衡问题。城市河道富营养化控制的关键是磷的控制，目前污水处理厂出水标准中磷的指标限值远高于地表水标准限值。因此，在有条件的地方实行区域限磷或提高污水总磷排放标准是十分有效的措施。藻类生长人工控制技术包括各种物理、化学和生物技术。物理控制技术包括藻类直接收集和紫外线杀藻等，化学控制技术包括投加无机或有机抑(杀)藻剂，生物控制技术包括种植抑藻水生植物或投放食藻鱼类等，这些措施一般在应急时采用。水生态修复包括水生植物和水生动物(如鱼类、底栖动物等)食物链的修复与水文生态系统构建。利用生态学原理构建的食物链，可以持续去除城市水体中污染物和营养物，改善水体生境。
本次城市河流水体治理时间紧、任务重，因此，亟需多管齐下，以期及时见效。
6 结 论
本文选定COD为计算参数，采用控制断面法对观澜河的水环境容量进行计算，将河流的天然流量产生的水环境容量与流域外调水增加的水环境容量相叠加，并将水环境容量进行按月分配，得到观澜河的逐月水环境容量，并在此基础上与观澜河流域内的入河污染总量进行对比分析。结果表明：
(1)观澜河水环境容量相对于污染入河量来说非常小，污染负荷量远远超过了河流水环境的最大承载能力。
(2)流域内用水量和废污水量增加，水环境治理措施的滞后，使得水质在此过程中持续恶化，这也正是观澜河水体污染严重、水质恶化、水环境功能受损、水质长期均超过地表水Ⅴ类水标准的原因所在。
(3) 建议相关部门遵循“外源减排、内源清淤、水质净化、清水补给、生态恢复”的技术路线多管齐下对观澜河水质进行治理，以期及时见效。
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(编辑：占学军)
Environment Capacity Calculation Based on Control Section Method and Comprehensive Planning of Water Pollution Control
ZHANG Lin1,2, ZHOU Jian-yin1, WANG Jia-sheng1, LI Li-gang1, YANG Qi-hong1
(1.River Department, Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2. College of Environment，Hohai University，Nanjing 210098，China)
According to design hydrological conditions and water quality targets, the water environment capacity of control sections of Guanlan River in Shenzhen was calculated with COD as the calculation index, and the monthly environment capacity was allocated. Furthermore, based on pollution source investigation and the handling ability of
sewage treatment plants, the total amount of pollutants discharged into the river was obtained and was compared with the environment capacity. Results show that the environmental capacity is very small compared with the amount of pollution into the river, which far exceeded the maximum carrying capacity of river. Especially in dry season in December, the total amount of pollutants into the river is 62.2 times the water environmental capacity. On this basis, a comprehensive plan of water pollution control is put forward: pollution discharge reduction, pollution dredging, clean water recharge, and ecological restoration.
Guanlan River; environment capacity; control section method; water pollution; comprehensive control
10.11988/ckyyb.20160822 2017,34(11):23-26,32
2016-08-12;
2016-10-11
国家自然科学基金青年基金项目(51679009)
X524
A
1001-5485(2017)11-0023-04
