基于TMDL计划的榆溪河流域水污染治理方案研究

彭欣雨，唐 彦，唐德善，杨庆庆

(1.河海大学水利水电学院，南京 210098；2.河海大学计算机与信息学院，南京 210098； 3.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225000)

榆林市工业的发展、河川径流量逐步减少、废污水堵截、储蓄利用量不断增加从而导致流域河道内污染物质不断积累。流域内超标超量排放污水污染物的情况时有发生，主要污染物为化学需氧量、氨氮等。为改善榆溪河流域水质污染严重的现状，急需科学的水质管理方法来指导水污染防治规划研究。

近些年来，许多专家学者从不同的角度、运用不同的方法对水污染防治进行了研究。夏菁[1]等，采用TMDL计划，针对长湖进行了水污染总量控制；牛丽东[2]等采用WARMF水环境管理模型，制定了污染物削减方法和分配量；陶亚、夏建新[3,4]等采用TMDL计划，计算分析了深圳湾点源与非点源污染负荷、各子流域污染贡献率及BOD5最大日污染负荷；王生愿[5]采用负荷历时曲线法(LDC)，研究梁子湖流域水体纳污能力，确定最大日负荷总量。以榆溪河流域为研究对象，采用数学模型模拟的方法，计算水环境容量值(TMDL)，分析研究各个水源地对榆溪河流域的污染入河量、现状点源和非点源污染负荷量，从而对污染负荷进行分配并提出相关的污染削减措施。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况及污染源调查

榆溪河是黄河一级支流无定河中游的主要支流，发源于榆阳区小壕兔乡，在榆阳区鱼河镇汇入无定河，河长97.8km。榆溪河流域西北接内蒙古自治区，西南与横山县相连，东北为秃尾河流域，东南为佳芦河流域，流域总面积4 938 km2，其中榆阳区境内汇流面积3 796 km2，内蒙古境内汇流面积1 142 km2。

将榆溪河流域分为小壕兔、头道河则、金鸡滩、色草湾、赵家湾、芹河、马合、沙河、水掌湾及牛家梁-红石峡10个水源地，进行榆溪河流域污染源研究。10个水源地合计面积3 637.2 km2，占榆溪河流域(榆林市境内)面积3 796 km2的95.8%，见图1。

图1 榆溪河流域划分Fig.1 Division map of Yuxi River Basin

1.2 TMDL计划

流域 TMDL 计划的关键技术主要包括流域地表水水质受损水体和潜在污染源识别，选择与构建污染负荷和水质关联技术模型，计算最大容许污染负荷总量，确定点源污染负荷和非点源污染负荷分配方案，构建公平、合理、可行的点源污染负荷削减分配模型，优化非点源污染控制措施[6]。明确了制定流域TMDL计划的步骤[7]: ①分析流域特征；②计算污染负荷容量；③确定污染负荷分配；④提交TMDL报告。

TMDL计划的主要目标就是将污染负荷在各个污染源之间合理分配，包括点源和非点源。进行污染负荷分配依据的方法为[8]：

TMDL=∑WLA+∑LA+MOS

(1)

式中：TMDL为流域内某特定水质指标的最大日污染负荷；WLA为允许的现存和未来点源的污染负荷；LA为允许的现存和未来非点源的污染负荷；MOS为预留安全值。

2 流域TMDL计划模型构建

2.1 选择水质指标

水质评价是将水质指标的监测结果与水质标准进行比较，判定水质状况，水质评价是工程设计水资源评价中非常重要的内容[9]。利用不同水环境评价模型进行污染程度评价，如单因子评价法、污染指数法、模糊指数法等[10,11]。其中单因子评价法具有能直接反映出水质状况与评价标准之间关系的优点，能快速的反映出各河道污染指数的变化。

单因子评价指标法。单项水质参数(污染物指标)i在e点的评价指数Sie的计算公式为：

Sie=Cie/Ci

(2)

式中：Cie为污染物指标i在监测点e的数值，mg/L；Ci为污染物指标i的环境标准值，mg/L。

研究表明，有机物污染指标COD、氨氮的评价指标最大，是造成榆溪河水污染的主要元素，所以本次TMDL的计算选取的指标为污染物指标COD、氨氮。

2.2 TMDL值计算

水环境容量由稀释容量和自净容量构成，其中自净容量一般较小，故忽略其影响并以最大稀释容量代替水环境容量[12]。水环境容量计算公式为：

Mi=Q(Ci/C0i)/100

(3)

式中：i为污染物指标(本文为COD、氨氮)；Mi为污染物指标i的环境容量，万t/a；Q为多年平均地表水资源量，亿m3/a；Ci为污染物指标i的环境标准值，mg/L，采用《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅱ类水标准值；C0i为污染物指标i的环境背景值，mg/L，这里忽略本底值的影响，设C0i=0。

水资源量采用榆林市韩家峁水文站和高家堡水文站为参证站，榆林水文站地处韩家峁、高家堡2站之间，采用30 aP=90%保证率推求榆林水文站多年平均径流量，相应得到榆溪河流域COD、氨氮的水环境容量。

表1 榆溪河COD、氨氮的水环境容量 万t/a

2.3 安全临界值确定

目前国内大多数依据经验定性确定安全临界值的范围，一般取水体最大纳污量的5%～10%，取7%。

2.4 污染负荷分配

计算污染负荷分配权重时，采用客观赋权法中的离差和均方差法求得点源和非点源污染的权重进行负荷分配，见表2。该方法的计算步骤如下。

(1)求随机变量的均值：

(2)求第j种污染源的均方差：

(3)求第j种污染源的权重：

(4)进行多指标决策与排序：

表2 榆溪河流域允许负荷分配 t/a

2.5 现状污染负荷估算

污染物入河量计算：

Rijk=Pijkβj

(4)

式中：i为污染物指标(i=1,2,…,n)；j为流域中污染源的种类(j=1,2,…,m)；k为流域切分的水源地(k=1,2,…,h)；Rijk为第k个水源地第j种污染源的第i种污染物的入河量，t/a；Pijk为第k个水源地内第j种污染源的第i种污染物的总量，t/a；βj为第j种污染源的入河系数，农村生活污染物入河系数取值0.3，农田污染物的入河系数取值0.2，工业污染物入河系数取值0.8，畜禽养殖入河系数取值0.2，水产养殖入河系数取值0.3。

计算污染物入河量后，相应计算污染物削减量和污染物削减率。

2.6 结果与讨论

(1)现状点源负荷估算。根据《榆林市统计年鉴》及2014年榆溪河流域的污染物浓度调查统计分析，点状污染源主要包括生活污染源、工业污染源、规模化养殖场，见表3。榆溪河流域主要的生活污染源为榆林市污水处理厂和榆林市高新区闫庄则污水处理厂。工业污染源分为工业园区和经济开发区，国控、省控工业污染源以及各水源地煤矿矿井水排放产生的污染源。根据现场调查及资料统计，规划范围内有规模化养殖场30个。

(2)现状非点源负荷估算。根据榆溪河流域的污染源调查，非点源负荷包括农业非点状污染源、分散畜禽养殖、农村居民生活污染、渔业非点状污染源，见表3。榆溪河流域耕地以种植玉米、高粱、大豆等为主。农村以分散家庭养殖为主，家庭养殖业的条件较差，地面无防渗排水设施，动物的粪便不经任何处理随意堆放。农村居民生活污染包括垃圾、污水及粪便等。渔业以养殖草鱼为主。

表3 榆溪河流域污染源负荷估计统计汇总 t/a

(3)水源地污染物削减量估算。水源地污染物削减量按照等比例分配法进行总量分配，即按照各个水源地的入河量在总入河量中所占的比例为权重进行，按照小壕兔、头道河则、金鸡滩、色草湾、赵家湾、芹河、马合、沙河、水掌湾及牛家梁-红石峡10个水源地进行分配，结果见表4、表5。

(4)制定污染削减措施。榆溪河流域想要实现“水清、河畅、岸绿、景美”的目标，首先，加快对污水处理设施的提标改造，完善榆溪河沿河乡镇的污水处理厂建设，开展污水处理系统建设，污水处理后回用。其次，加强生活垃圾收集处理，在流域内建立起完善的“户分类、村收集、镇中转、区处理”的城乡垃圾一体化处理模式。针对流域内易截污位置采用人工方式进行生活垃圾、建筑垃圾、漂浮物全面打捞。最后，对散养的畜禽养殖转变为规模化养殖，对养殖场实施污染治理保证治理达标。

3 结 论

榆溪河流域氨氮的污染较COD更为严重。污染物COD和氨氮，削减量要求最大为非点源污染的分散畜禽养殖，其次点源污染中的工业污染源榆溪河流域COD和氨氮污染物均来自非点源污染，其中分散畜禽养殖占比重大；点源污染负荷中，工业污染源入河量占比重大。

表4 榆溪河水源地COD污染物削减量汇总 t/a

表5 榆溪河水源地氨氮污染物削减量汇总 t/a

榆溪河流域10个水源地中，COD入河量的高低次序为马合水源地>小壕兔水源地>金鸡滩水源地，COD的削减量高低次序为马合水源地>小壕兔水源地>水掌沟水源地。氨氮入河量的高低次序为马合水源地>小壕兔水源地>金鸡滩水源地，氨氮削减总量的高低次序为水掌沟水源地>马合水源地>小壕兔水源地。

通过对榆溪河流域构建TMDL模型，对该流域的点源、非点源污染负荷及10个水源地的污染负荷进行了分配且明确了各指标削减量，根据负荷分配采取污染控制措施,制定水污染治理方案。引入TMDL模型，结合客观赋权法进行权重分配，更加客观地反映污染物的削减量及负荷指标。其次，该模型还存在不确定的因素，该方法不能完全真实且公平地分配污染负荷，故该模型还有改进的空间。针对榆溪河流域水污染治理方案进行分析，明晰现状的不足，并提出相应的整改对策，这对榆溪河流域改善水污染现状具有重要意义。

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