昌图县水功能区污染物控制量与削减量研究

王树生

(昌图县毛家店镇水利工作站，辽宁 铁岭 112507)

随着昌图县地区经济的快速发展，区域水环境污染情况也持续加重，对经济与民生可持续发展造成了严重的影响。确定水域纳污能力以及污染物排放与消减量是缓解水环境压力，促进水资源合理利用的关键问题。目前常用水质数学模型来计算水域的纳污能力。通过界定研究区的水文设计条件和计算公式，来模拟河流现状及规划时段的纳污能力[1]。本文根据水质数学模型，计算了水功能区的纳污能力和污染物排放的控制与削减。并对地区水环境治理提供宝贵的意见。

1 研究区现状

昌图县位于辽宁省北部边缘，如图1所示。昌图县内分布在东北处的丘陵山地以及平原是境内主要的地形地貌特征。地势总体呈东北高西南低的趋势[2]。昌图县各水文站实测河流年均径流量为33.73万m3。当设计保证率为75%时，河流径流量为25298万m3[3]。受降水及流域下垫面影响，河流径流量时空分布与降水基本一致。年内分布不均：全县河流主要靠降水补给，年径流分布直接受降水影响。汛期径流波动大，旱季径流小而稳定。河流易受污染：由于工业污水和生活污水都排入河流，地表水极易受到污染，特别是四平镇和昌图镇工业废水污染的马中河和跳子河，水环境极差。

图1 昌图县位置

2 数据来源及研究方法

2.1 水功能区划定及水质目标

水功能区是指为满足地区水资源保护规划和可持续发展战略要求，通过综合考虑水资源利用现状和生态条件，依据水功能区划中规定的主要功能，制定水域最低保证水质标准，以满足水资源开发和水环境治理的需要。

按照标准，水功能区划采用一、二两级区划制，根据辽宁省水功能区划结果，将招苏台河水功能区划分为招苏台河吉林辽宁缓冲区和招苏台河昌图开发利用区2个一级水功能区[4]。将招苏台河昌图开发利用区划分为2个二级功能区(招苏台河黑港农业用水区和黄酒馆农业、过渡区)，见表1。

表1 昌图县水功能区划

2.2 水质现状评价

水功能区现状水质评价可以划分污染物等级，对污染程度进行量化评价。从量化的数据中得知水质的现阶段污染情况，对水环境未来的发展和方向提供详细的依据。本文采用污染超倍数法对昌图县现状水质进行评价。根据污染物浓度的超标倍数来判断水体污染的总体程度[5]，其评价公式为：

(1)

式中，Pi—评价指标i的超标倍数；Ci—评价指标i的实测浓度值，mg/L；Cs—评价指标i的最高允许值，mg/L。

与表2值对比得出水质现状评价表(见表3)。招苏台水功能区现状水质评价中，仅招苏台河黑岗农业用水区现状水质与目标水质相同，其余水功能区均不达标。

表2 地表水环境质量标准相关项目标准限值 单位：mg/L

2.3 设计水文条件

2.3.1设计流量

在不同水平年和保证设计流量的条件下，河流相应的污染物承载能力是不同的。设计保证率的高低直接影响到水资源量、污染物总量控制和污染物削减，以及水资源保护投资和环境效应。为充分反映水功能区现状，选取昌图县流域90%设计保证率流量进行容量计算。根据不同流量和断面的特性，确定了相应的流量。

2.3.2设计流速

通过收集研究区各水文站的实测水文数据，对昌图县实测系列水文资料按公式计算设计流速[6]。

U=Q设/F

(2)

式中，U—设计流速，m/s；Q设—设计流量，m3/s；F—过水断面面积。

2.3.3综合衰减系数

污染源进入水域后，受到河流自净功能的影响，污染物浓度会沿程发生变化，引入污染物沿程变化的衰减度作为衰减系数来判断水域的自净能力。对于不同的水域条件和入水污染物类型，综合衰减系数(K)值是不同的。目前，最常用的测量综合衰减系数(K)的方法是两段法。选择稳定并且会发生均匀混合的河道作为测定区域，划定一个无支流及排污口的上下断面，测量污染物通过两个断面时的浓度，再使用公式计算：

(3)

式中，c1—河段上断面污染物浓度，mg/L；c2—河段下断面污染物浓度，mg/L；x—河段长度，km；u—平均流速，km/d。

2.3.4控制因子

昌图县的废水排放包括农业面源污染物和生活、工业点源污染物，根据《辽宁省水资源评价》确定研究区内主要的污染物质为COD、NH3-N。本文选取COD与NH3-N为主要控制因子。

表3 昌图县水质现状评价

表4 纳污能力计算 单位：t/a

2.3.5背景浓度

背景浓度是指上游断面来水的污染物浓度，取上游河段的水质目标值，本文用水功能区近几年实测资料分析确定。

2.4 计算模型

本文采用解析公式法建立了污染物承载力模型。分析公式法采用静态水质数学模型，计算设计条件下满足规定水质标准的河流的平均纳污能力，即稳态纳污能力。由于昌图县河流排污口的分布具有一定的复杂性，可以将多个排污概化为一个集中点源排放排污口，位于河道中部[7]。稳态容量的计算方法直观、简单、实用，对水文因素和水力条件变化不大的单向河流非常有效。公式如下：

(4)

式中，W—水功能区年纳污能力，t/a；Q—控制断面设计流量，m3/s；Cs、C0—功能区水质目标值和初始目标值，mg/L；K—综合衰减系数，1/s；X—水功能区河段水流流程，m；u—计算控制断面水流速度，m/s。

该模型是一种理想化的一维模型，不考虑混合过程，并且认为纳污能力在计算河段内均匀分布，利用该模型计算出的纳污能力反映的是河段的一种自然属性[8]，如图2所示。

图2 一维水质模型概化

3 纳污能力计算结果

通过计算可知，招苏台河吉林辽宁缓冲区由于受到水质目标的调控，在2020年，纳污能力降低为负值。2级水功能区中，黑岗农业用水区的纳污能力出现少量增长，是招苏台河水功能区中纳污能力最大的区域。而招苏台河黄酒馆农业过渡区的纳污能力出现了负增长。这是由于受到水质目标的调控，现状水质评价为V级，而水质目标为Ⅲ级。见表4。

4 污染物消减量计算

为了保证功能区水体的功能，水质应达到功能区的水质目标[9]。在一定规划设计水量下，功能区水体具有一定的纳污能力，必须控制进入功能区水体的污染物总量。如果水功能区入河污染物总量超过入河污染物总量，则入河污染物总量与入河污染物总量之差即为水功能区入河污染物减少。入河污染物削减控制量可按下式计算[10]：

Wpx=Whx/r

(5)

式中，Wpx—污染物排放削减量，t/a；Whx—污染物入河削减量，t/a；r—入河系数。

Wpk=Whk/r

(6)

式中，Wpk—污染物排放控制量，t/a；Whk—污染物入河控制量，t/a；其他变量含义同前。

对纳污能力小于入河污染物量，即污染物超过环境目标，水质受到明显污染的水功能区，入河污染物控制量应小于纳污能力。

根据规划水平年的目标水质核定水功能区的排放控制量以及排放削减量。计算结果见表5。招苏台河黑岗农业2级水功能区从2015—2020年未出现增长，其余水功能区的排放控制量和削减量均出现了增加，如图3—5所示。昌图县招苏台水功能区主要的污染源是点源污染，针对这一点，其排放污染防治措施主要应加强污水处理厂及其污水收集系统建设。招苏台昌图开发利用区主要的污染源来自农业生产的面源污染，应加强农业结构调整和耕作管理。加强农村生活垃圾处理，减少生活垃圾的入河量。建立河流和土地综合处理系统，降低污染物的入河系数。控制畜禽养殖带来的排泄物污染。

表5 昌图县污染物入河削减量计算 单位：t/a

图3 招苏台河吉林辽宁缓冲区削减与排放量变化(单位：t/a)

图4 招苏台河黑岗农业用水区削减与排放量变化(单位：t/a)

图5 招苏台河黄酒馆农业、过渡区削减与排放量变化(单位：t/a)

5 结论

(1)昌图县水功能区仅招苏台河黑岗农业用水区现状水质与目标水质相同，其余均不达标。

(2)在现状年条件下，昌图县水功能区纳污能力计算结果表明，水平年2015和2020年招苏台河黄酒馆农业、过渡区的纳污能力为负值，负担较重。招苏台河吉辽缓冲区受到水质目标的调控，纳污能力由2015年的正值将为负值。招苏台河黑岗农业用水区纳污能力最大，且规划年出现升高。此外，排放控制量与消减量在各水功能区均出现了增加。

(3)本文仅对昌图县水功能区段进行了探讨，结论可以指导昌图县水工区的水环境治理决策。但未对整个流域进行计算。按照可持续发展的原则，昌图县要继续加强各个水功能区污染物排放控制。