双桥河流域水环境容量及污染负荷分配研究

花 莉, 曹立帆, 张 浏, 党海迪

(1.陕西科技大学 环境科学与工程学院， 陕西 西安 710021； 2.安徽省环境科学研究院， 安徽 合肥 230071)

0 引言

随着环境状况恶化、生态加剧退化的环境形势，在推行污染物总量控制的背景下对水环境容量和污染物排放总量控制的研究已成为人们关注的焦点问题[1-3].

环境容量又称为水体纳污能力，是指在给定水域范围和水文条件下规定排污方式和水质目标单位时间内该水域最大允许纳污量[4].水环境容量是规划环评中研究水环境承载力的关键和基础，是水环境污染控制和治理的重要依据[5].很多学者利用水质模型在河流纳污能力计算方面进行了研究工作.吴师[6]利用一维水质模型估算动态纳污能力，预测不同污水排放量对指定河段水质的不同影响；刘晓东等[7]基于一维水质模型的原理，提出了多参数识别的反演优化算法.Wang等[8-11]运用一维稳态河流水质模型对国内众多河流的环境容量进行核算.

同时，在对水环境容量进行控制的基础上，对于水体中污染物总量进行控制也十分必要，水污染负荷分配是其中的核心问题[12].Kerachian等[13]在对河流水库系统的水质管理过程中将水质模型与遗传算法相结合，进一步对污染负荷提出合理的分配方案.

因双桥河流域面积小，水质基础数据匮乏、水域管理体系不完善，故不能借鉴大流域水环境容量的研究方法.而小流域作为流域体系的低级组成单位，因其自然跨度小，作为研究区域更有利于发挥流域内自然、经济、社会的连贯性和整体性.本研究以双桥河流域为研究对象，通过一维水质模型，计算其水环境容量，在此基础上利用TMDL分配模式对流域进行污染负荷总量分配.研究结果可以为基础资料匮乏相近的流域水质模拟提供借鉴，对今后的小流域水环境综合治理规划与控制提供科学依据.

1 区域概况

1.1 自然地理概况

双桥河位于巢湖北岸东侧，巢湖城区西北郊，地理坐标北纬31°16′～31°，东经117°25′～117°58′，东南与巢湖闸相距约2km，南直通巢湖，北至淮南铁道复线涵洞，属巢湖市居巢区管辖.双桥河全长9km，河床底宽约70m.流域面积27km2.其主要流域水系位置如图1所示.

图1 双桥河流域水系图

1.2 水体功能区划分

根据《合肥市水功能区划》(2013年8月14日合肥市人民政府批准实施)，双桥河一级功能区为双桥河巢湖开发利用区，二级功能区为双桥河工业用水过渡区，划为调水水源保护区，2020年和2030年水质保护目标均为地表水Ⅲ类.

1.3 水环境状况调查与分析

在枯水季节，区域内企事业单位的生产和生活废水全部进入双桥河，包括化工、机械和建材等行业的受污染雨水、厂区冲洗废水等；雨水季节，除上述污水水源外，流域内的地表径流经过城市雨水管网全部汇入双桥河，因此双桥河实质上是一条集防洪、排涝为一体的重要水系.

为了解双桥河水质现状，本着“于对照、控制、削减三类断面设置断面”的原则，本研究分别于皖维集团、7410厂、北外环路、长江西路桥、湖光路桥、观光大道、双桥河大桥位置布设断面，并对COD、NH3-N、TP等指标进行现场采样分析，水质分析方法采用国标法.各断面位置如图2所示.

图2 双桥河各断面位置

各断面的水质分析结果如表1所示.NH3-N、TP两项指标在上游皖维集团和7410厂均能满足III类水要求，随后河道沿程水质开始超标，到湖光路桥出现峰值，NH3-N指标在双桥河入湖口位置又出现上升状况，分析是该位置蔡岗泵站污水汇入该处所导致.基准年2016年双桥河国控双桥河入湖口断面COD、NH3-N、TP的标准指数分别为0.807、2.93、1.1，由此可知，双桥河流域首要污染物为NH3-N，TP和COD次之.

表1 双桥河各监测断面水质分析数据

2 双桥河流域水环境容量计算

2.1 水环境容量模型的选择

双桥河属小型河流，在较短的时间内基本能混合均匀，污染物浓度在断面横向方向变化不大，横向和垂向的污染物浓度梯度可以忽略.根据《水域纳污能力计算规程》(SL348-2010)，应选择一维水质模型进行计算.在忽略离散作用时，描述河流污染物一维稳态衰减规律的微分方程为：

(1)

式(1)中：x为沿河段的纵向距离(km)；u为设计流量下河道断面的平均流度(m/s)；k为污染物综合衰减系数(1/s)；C0为初始断面的污染物浓度(mg/L)，Cx为流经x距离后的污染物浓度(mg/L).则相应的一维模型水环境容量的计算公式为：

W=(CS-Cx)·(Q+QP)

(2)

式(2)中：W为水域纳污能力(g/s)；CS为河段的水质标准(mg/L)；Cx为河段某污染物背景浓度监测值或来水浓度值(mg/L)；Q为初始断面的入流流量(m3/s)；QP为该河段废污水入河量(m3/s).

2.2 污染物综合衰减系数

污染物综合降解系数是计算水体纳污能力的一项重要参数.不同的污染物、不同的水体、不同的环境条件，其综合降解系数是不同的.主要通过水团追踪实验、实测资料反推、类比法和分析借用等方法确定[14].本文利用常规监测资料的段末断面浓度值和流程平均流速，采用实测资料反推法计算污染物降解系数k值，计算公式如下：

k=86.4(LnC1-LnC2)u/L

(3)

式(3)中：k为污染物综合降解系数(1/d) ，C1、C2分别为河段上、下断面污染物浓度(mg/L) ，L为上下断面距离(km) ，u为河段平均流速(m/s).

2.3 水环境容量的计算

2.3.1 断面划分

根据双桥河流域情况及监测断面分布，将双桥河划分为6个水环境容量计算单元，详细划分情况及基础数据如表2所示.

表2 双桥河流域单元划分及基础数据

2.3.2 污染物在综合衰减系数

为排除入河污染物量及水量随机波动对水质监测结果的干扰，本研究结合疏浚对双桥河的影响文献[15]，因入湖口-观光大道和北外环路-皖维集团两个河段没有排污口，故本文选择这两个河段作为污染物综合衰减系数,如表3所示.

表3 双桥河污染物综合降解系数

2.4 双桥河流域水环境容量计算结果及分析

由于双桥河河段的径流量变化较大，一般表现为丰水期的径流量 > 平水期的径流量 > 枯水期的径流量.一般情况下，流量越大，水环境容量越大.针对缺乏全年监测数据的小流域，在排污量相同的情况下，平水期计算的水环境容量比另外两个时期的更具有可靠性和合理性.

根据一维模型水质模型，双桥河流域水环境容量核算结果如表4所示.根据流域内水环境容量计算结果可知：

(1)流域内COD、NH3-N及TP的环境容量分别为-755.7 t/a、38.42 t/a、-3.438 t/a.基于流域内III类水质目标，除NH3-N以外，COD、TP均有负容量出现，且大部分河段的COD现状均为负环境容量.

(2)沿河尚有诸多排污点，受巢湖湖水倒灌和入湖口处渔船的影响，入湖口处水质水量波动较大，导致环境容量负荷较大，但双桥河具备一定的稀释、自净功能，流经观光大道后流域内COD已达标，满足地表水III类水质标准.

表4 双桥河河段水环境容量

3 污染负荷总量分配

3.1 分配方案的选择

水污染总量控制和分配是影响双桥河流域经济发展命脉的关键因素.根据前文计算出的双桥河流域水环境容量，通过污染物负荷的点源、面源以及安全余量为研究变量建立模型，本研究采用TMDL来完成污染负荷总量的分配，以此为基础数据，制定合理的污染物削减方案，同时针对农村、企业和个体住户提出合理高效的应对策略，最终实现双桥河流域污染物控制的目的，保证双桥河水质达标.

TMDL分配模式是将各污染源的排放总量进行具体分配，详细的分解到点源及非点源污染中，也叫污染物最大负荷通量分配，其分配公式为[16]：

TMDL=∑WLAs+∑LAs+MOS

(4)

式(4)中：WLAs(Waste Load Allocations)为现有及未来允许排放的点源污染负荷；LAs(Load Allocations)为现有及未来允许排放的面源污染负荷及本底负荷值；MOS(Margin of Safety)则代表安全临界值[17].其中MOS主要是从科学角度出发综合考虑污染水体特征，消除过程中的不确定性，并预留一定的缓冲符合为前提，然后将排放总量合理地分配到各污染源，实现水质的有效管控.

3.2 污染负荷分配方案

3.2.1初次分配

双桥河流域内主要为零星的城镇污水排口，工业企业排口在2018年前将彻底截污，污水进入污水处理厂，而双桥河流域未接纳任何污水处理厂尾水，因此无其他责任主体明确的排放口，主要是城镇生活污水和农村生活污水排放.且经与相关单位沟通，在2018年底前，流域内无增设其他排污口计划.

基于污染负荷分配遵循从点源到非点源的原则，根据各个污染源负荷比例及水质安全性，对点源、面源进行等比例分配，结合双桥河流域平水期水环境容量计算结果，对各污染物污染负荷TMDL总量初次分配，MOS为TMDL的5%，2017年双桥河流域NH3-N还有一定的剩余容量(38.42 t/a)，COD、TP(-755.7 t/a、-3.438 t/a)已经没有剩余环境容量.本文主要针对NH3-N排放总量的初次分配(污染源·污染源负荷比)结果如表5所示.

表5 污染物点源、面源负荷比

根据计算，在5%的安全余量下，NH3-N的初次分配的点源、面源分别是18.44 t/a和17.76 t/a，且还有1.92 t/a的安全余量.由于COD、TP是负值，因此不参与初次分配.

3.2.2 二次分配

初次分配是简单的遵循从点源和非点源这两大类贡献率上分配的路线，简单介绍了流域内NH3-N的点源、面源的分配.

由于双桥河小流域点源污染主要是城镇生活污水，而面源污染牵涉面广，污染比较严重又难集中处理.为了更好地控制双桥河水质达到地表水III类，保证流域水污染物总量削减可操作及效率性，在此基础上，进一步详细分配到各个污染源上，便于以后污染防治工作更加简单.二次分配结果如表6所示.

根据分配结果可知，点源的城镇生活和面源的农村生活分配比例较大，主要是沿河村民在没有经过任何处理的情况下就地将生活废水倾倒入河中.

3.3 双桥河流域污染负荷削减量及结果分析

通过对双桥河流域的TMDL初次和二次分配分析可知，流域大部分水域COD和TP均超标.针对双桥河点源和非点源的污染负荷现状，双桥河的污染削减措施以COD和TP为对象，但基于III类水质目标的要求下，COD和TP均无剩余，可以通过制定不同的污染控制措施，从而更有效的提高双桥河流域的水质要求.

表6 点源、面源的二次分配

污染负荷削减需要考察因素较多，根据上文所得污染负荷总量分配结果，点源、面源污染负荷贡献率，结合控制单元现状污染负荷、经济与环保规划、污染源与水体纳污关系等，计算NH3-N污染负荷削减量(削减量=污染负荷-分配结果)，制定控制单元NH3-N污染负荷削减方案如表7所示.

表7 NH3-N污染物削减量

根据表7，从削减的程度上看，负荷削减措施应主要以点源的城镇生活和面源的农村生活方面为对象制定污染负荷削减方案.

3.3.1 点源

目前流域建成区污水管网尚未实现全覆盖，已建成的管网错接、漏接、混接及零散点源无序排放是流域污染物主来源之一.对双桥河沿岸一期未截污的141个排污口进行源头雨污分流，对不具备雨污分流条件的可直接对沿河排口进行截污，并在无污水管网区域新建污水管网.同时建设提升污水处理泵站，减少城镇生活污水排放的污染.

3.3.2 面源

双桥河流域农业区域占比大，基于污染现状应该采用切实可行、因地制宜的低成本污水处理技术.从成本角度考虑，可采用生物处理.

4 结论

(1)双桥河流域部分河段水质状况依然超标严重，流域内整体上未达到目标水质的要求.

(2)根据流域内基本情况，基于流域内的地表水III类水质控制目标，本研究结合一维水质模型核算出流域内的COD、NH3-N及TP的现状环境容量分别为-755.7 t/a、38.42 t/a和-3.438 t/a.

(3)根据双桥河流域各污染源污染负荷排放状况，流域内NH3-N的点源、面源负荷比分别为50.53%、48.66%.其中，点源的城镇生活削减为17.59 t/a，面源的农村生活、分散式畜禽养殖、集中式畜禽养殖、农业面源、城市地表径流、垃圾渗滤液、水产养殖削减量分别为16.6 t/a、0.45 t/a、0.47 t/a、1.63 t/a、0.04 t/a、0.13 t/a、0.41 t/a.

(4)小流域不能完全借鉴大流域水环境容量的研究方法，但小流域作为流域体系的低级组成单位，其自然跨度小，以它们作为研究区域更有利于发挥流域自然、经济、社会的连贯性和整体性，可操作性强.