长沟河河流允许排放量分配核算分析

王 野

长沟河位于调兵山市东南部，河流全长28 km，流域面积155 km2，发源于沈阳市法库县三道岭，于铁岭县蔡牛乡冯家窝铺南约200 m处入辽河干流。全流域均在调兵山市行政区域内，涉及晓明和晓楠镇，占调兵山市行政区域面积的58%，区域内人口约7.2万人，占调兵山市总人口的28.8%。长沟河由于区间接纳调兵山市区、小青矿、大隆矿、大兴矿、晓南矿等住宅的城市污水和矿井排水，因而一般年景细水长流，多年平均径流量2748 m3，枯水期长沟河辽河屯断面流量0.13 m3/s，宋荒地断面流量0.64 m3/s，是调兵山市中、南部地区发展地表水灌溉的主要水源。目前，长沟河冯家窝铺监测断面属劣Ⅴ类水质。为了改善长沟河水质，本文采用一维稳态水质模型，计算研究长沟河环境容量及控制单元入河污染源许可排放量，为顺利实现2020年长沟河水质Ⅴ类考核目标提供技术支撑。

1 污染物排放状况

冯家窝铺断面水质控制目标为Ⅴ类，2014年水质监测结果为劣V类。进入调兵山后，由于城镇生活污染、工业污染、畜禽养殖业污染，致使河流水质变差，2014和2015两年连续为劣Ⅴ类水质。

污染源主要有畜禽养殖、工业点源和生活污水，畜禽养殖主要是规模化养殖，处置方式以无序排放为主，排放方式近似于面源。选取氨氮和总磷为水质指标。根据2015年数据统计，汇水范围内的畜禽养殖氨氮年排放量77.625 t，总磷排放量54.661 t，其中皮埃西种猪扩繁场总磷排量为15.96 t，刘振新肉牛场总磷排放20.07 t。工业源排放氨氮年排放量2.5437 t。生活污水污染排放分别为调兵山城南污水处理厂氨氮年排放量2.96 t，总磷0.58 t；调兵山市污水处理厂氨氮年排放量49.41 t，总磷6.16 t。

2 污染排放与水质的响应关系

2.1 水质模型

目标河流属于辽河一级支流，划分后的各个河段长度较短，本方案选取河流一维稳态水质模型模拟河流水质变化，污染物在河流横向方向上混合均匀。

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

2.2 降解系数

水质模型中的参数选定是预测成功的关键，对于河流降解系数已有研究成果及文献资料表明：

（1）总磷降解系数的取值小于氨氮降解系数；

（2）总磷降解系数的取值下限一般不大于0.02，保守情况下取值0.013，平原地区河流取值0.015；

（3）氨氮降解系数的取值下限一般不大于0.15，保守情况下取值0.05，平原地区河流取值0.025。

根据《全国地表水环境容量核定》、已有研究成果、水文年鉴等确定了目标区域总磷和氨氮的综合降解系数取值范围，并通过模型的调试验证确定了总磷和氨氮的综合降解系数分别取 0.015 d-1和 0.05 d-1。

3 水环境现状模拟结果

长沟河冯家窝铺断面2015年氨氮超标月份为5、6月，总磷超标月份为4、5、7、9、11、12月。由于断面流量数据仅有 4月到12月，因此模拟了2015年4月到12月的氨氮和总磷水质情况。

冯家窝铺断面氨氮模拟值与监测值的变化趋势基本一致，总体上来说模拟值大于监测值，但在出现峰值的5月，则是监测值高于模拟值。分析其主要原因是在模拟过程中，计入的入河污染物是按照全年月平均计算，不能反映各月不同，除去5月的其他月份，计入量高于实际入河量；而5月则刚好相反，是实际入河量高于计入量。

图1 氨氮模拟结果

冯家窝铺断面总磷模拟值与监测值的变化趋势基本一致，总体上来说模拟值高于监测值，但是超标严重的1月和2月，则是监测值高于模拟值。分析原因是流入污染源为年度月平均值，与实际的入河污染物情况有一定差距。

图2 总磷模拟结果

4 许可排放量的分配

4.1 环境容量

环境容量是在人类生存和自然生态系统不致受害的前提下，某一环境所能容纳的污染物的最大负荷量。或一个生态系统在维持生命机体的再生能力、适应能力和更新能力的前提下，承受有机体数量的最大限度。狭义的水环境容量是指在保持水功能用途的前提下，在一定的水质目标下，水体对于排放其中的污染物所具有的容纳能力，是满足水质标准的最大允许污染负荷量。水环境容量反应了水体自身维持、调节水环境功能的能力，即水体的最大纳污量。

长沟河水文条件有限，考核断面（冯家窝铺）有2015年的流量数据，但缺少1～3月的监测数据。本方案在现有数据的基础上，采用最枯流量，并通过流量查出相应流速，见表1。

长沟河考核断面水质目标为Ⅴ类水体，总磷目标值0.4 mg/L，氨氮目标值2 mg/L。环境容量见表2。

表2 长沟河环境容量

4.2 排放量削减

排放量的分配主要取决于环境容量和控制范围内污染源的分布状况。根据长沟河各类型污染源分布，氨氮和总磷农村污染源排放量所占比例较大，工业污水大部分直接排入环境，畜禽养殖属于无处理排放，其中皮埃西种猪扩繁场和刘振新肉牛场排放的氨氮和总磷严重超标，畜禽粪便污染为主要污染源。因此，在分配过程中，应根据不同类型污染源进行合理分配。对于工业污水，排污企业的污水应全部进行处理。实施重点监测，对企业依法安装在线监测设备，尽快完成污水处理设施验收，并启动运行。根据处理情况适度分配环境容量。方案从经济效益、环境效益和社会效益等多方面综合考虑。具体情况见表3。

表3 许可排放量分配表 单位：t/a

为保证冯家窝铺断面在上游水质较差时水质仍符合Ⅴ类水标准，所分配的排放量合计都不大于环境容量。

4.3 减排前后水质模拟

完成减排任务后的排放数据代入长沟河水质模型中，推算相对应的冯家窝铺断面的水质数据。结果见图1、图2。

图1 氨氮削减效果

图2 总磷削减效果

根据模拟结果，长沟河冯家窝铺断面除5月份存在超标风险外，其他时间水质均符合Ⅴ类水质标准。5月份水质较差的原因主要是建立模型所用数据中长沟河冯家窝铺断面5月份水质均超标。

5 结论

通过本方案的实施，长沟河流域内的水污染问题将得到有效控制，水生态环境得到明显改善，优化区域内居民居住环境和生态状况，提高饮用水安全保障水平，生态功能逐步恢复和强化，生物多样性得到有效保护，对改善生态环境使其满足功能区划的要求起到十分显著的作用。将与环境优美城乡发展、生态文明城乡建设互动共进，对构建和谐社会有着重要意义。通过治理，长沟河流域经济、生态效益显著提高，社会效益也必将成效显著。