辽河污染物允许排放量分配分析研究

王 永

（辽宁葠窝水力发电有限责任公司，辽宁 辽阳 111009）

2000年以来，辽宁省高度重视水污染治理工作，大力开展了辽河流域水污染治理及水环境保护工作，首次达到了“摘帽”预期目标。但近年来，随着经济社会的不断发展，干支流水质均受到一定影响。辽河为沈阳市过境河流，干流由上游至下游设置3个控制断面，分别为马虎山、巨流河大桥、红庙子断面。马虎山为参考入境断面，红庙子为沈阳市辽河干流出境断面，通过对马虎山、红庙子断面2011年～2015年逐月水质监测结果进行统计分析，马虎山、红庙子断面化学需氧量、氨氮等指标均基本可达到Ⅳ类水体标准要求。但生化需氧量、总磷指标较难稳定达到Ⅳ类水体标准。按照国家的控制断面水质达标目标要求，辽河干流马虎山、巨流河大桥、红庙子等三个国控断面距离目标还有一定差距。本文以水质达标控制单元为基础，计算辽河污染物负荷，分析污染成因及演变规律，以此计算各控制单元污染物允许排放量。为辽河水质达标提供方向与依据。

1 控制单元划分

在充分考虑地形地貌、水文等自然特征，以及河流流经农村区域和城市区域的不同纳污类型、行政区域管理可操作等因素基础上，综合控制断面设置情况，将辽河划分为3个控制单元，见表1。

表1 辽河水质达标控制单元划分表

2 污染物负荷计算

辽河污染负荷以非点源为主，污染源主要有：农村生活污染、种植业污染、畜禽养殖污染；点源污染主要是沿河城镇生活集中排放、中小企业污染排放和主要工业区污水处理厂污水排放。

2.1 生活污染负荷

生活污染负荷根据《第一次全国污染普查城镇生活源产排污系数手册》估算沈阳市境内辽河城镇生活污染负荷；参考辽河源头区域农业非点源污染负荷的经验参数对辽河农村生活面源污染负荷进行估算，具体各污染物的排放值，见表2。

表2 生活污水及污染物排放量

2.2 畜禽养殖污染负荷

根据畜禽养殖业非点源污染形成过程，畜禽养殖产生的粪便以及粪便中污染物的含量乘以流失系数为流失到周围环境中的污染物排放量，具体估算方法如下[1]：

式中：L畜禽养殖为污染物排放量，t；Q 为畜禽养殖数量；ρ粪便为畜禽粪便排泄系数，kg/(只·d)；γ 为粪便污染物含量，%；λ畜禽养殖为污染物流失系数。各参数的取值见表3。

表3 畜禽养殖污染物流失系数

2.3 种植业污染负荷

肥料流失有两种方式，一是随下渗的水分向土壤层迁移，即地下淋溶方式，二是当降水强度大于土壤入渗能力或田间排水时，产生地表径流，土壤营养物质随地表径流发生迁移，即地表径流方式。农业种植面源污染负荷的估算方法如下[2]：

式中：L种植业为污染物排放量，t；M为化肥施用量（折纯量），t；ρ地表径流为地表径流肥料流失系数；ρ地下淋溶为地下淋溶肥料流失系数。

根据《第一次全国污染源普查：农业污染源肥料流失系数手册》各参数取值见表4。

表4 农业污染肥料流失系数

2.4 控制单元污染物入河量估算

根据沈阳市统计年鉴数据，利用以上数据和经验参数估算境内辽河的面源污染物的排放系数，再乘以各类污染源污染物的入河系数，即可估算控制单元各污染物的入河量。根据境内辽河的多年平均降雨径流系数，农业种植的污染物入河系数为0.11；畜禽养殖业和农村生活污染物入河系数为0.2；城镇生活污染物入河系数为0.4。污染物入河量见表5。

表5 辽河控制单元污染物入河量 单位：t/a

根据表5可知，辽河控制单元污染物入河量中，COD为12031.77t/a，BOD 为2138.07t/a，TN为 1989.11t/a，TP为117.30t/a，氨氮为355.69 t/a。

3 污染成因及演变规律分析

影响水体污染物浓度的三个主要因素：一是污染物入河量；二是河道纳污水量；三是污染降解能力。

3.1 污染物入河量

辽河污染物入河估算量的主要影响因素是入河系数，不同污染源的入河系数差异较大。污染源主要包括农业种植面源排放、蓄禽养殖面源排放、农村生活面源排放、沿河城镇生活集中排放和污水处理厂点源排放。

农业种植面源污染的入河量受产汇流过程影响显著，污染物随降雨或灌溉引起的产汇流过程而发生下渗和水平空间迁移最终进入河道水体，污染物入河系数可近似看作是降雨径流系数，辽河多年平均降雨径流系数约为0.11。由于规模化蓄禽养殖对动物粪便进行集中处理，其污染物排放入河量相对比较稳定，且入河系数较大；对于农村散户养殖，污染物入河主要由雨水冲刷产生，受降水径流关系影响，入河系数可近似看作是降雨径流系数。农村生活污染主要包括生活垃圾和生活污水，在非沿河区域，生活污染物主要由雨水冲刷产生，其入河系数可近似看作是降雨径流系数。沿河城镇生活集中排放和污水处理厂点源排放，污染物直接排放进入水体，入河系数可取1，基本不受降雨径流过程影响。

3.2 河道纳污水量

辽河干流及支流河道沿河排水量相对较小，水量主要来自上游入境水量和境内产流量，主要受降雨径流关系影响。

3.3 污染物降解能力

河道污染物降解能力受水温、污染物浓度、流速、含沙量等因素的影响，在不同河道、不同水文条件下污染物的降解能力不同。一般情况下，水温越高、污染物浓度越高、流域越小的情况下，污染物降解能力越强。

3.4 污染物演变规律

通过对辽河干流及支流的污染源解析分析可知，总磷污染主要是由农业种植和畜禽养殖引起的，总磷指标的入河量受降雨径流过程影响显著，同时河道纳污水量也随降雨径流过程发生变化，但由于流速增加，污染物降解能力下降，河道内污染物量较径流量更为敏感，污染物浓度与河道径流成较好的正相关关系。河道水体总磷浓度及河道径流的年际变化规律见图1，由于马虎山监测断面污染物变化受上游其他地区产排污影响，这里仅分析红庙子监测断面的水质与水量之间的关系。生化需氧量主要是由畜禽养殖、污水处理厂和城镇生活集中排放引起的，污染物入河量受降雨径流过程影响较弱，入河量比较稳定，而河道纳污水量则随降雨径流过程发生变化，因此在河道径流较大的情况下，污染物浓度相对较低，污染物浓度与河道径流成负相关关系。

图1 辽河干流水质水量关系

4 水质达标计算

4.1 一维水质模型

式中：W为水环境容量，t/a；QP为点源设计水量，m3/s；QM面源水量，m3/s；Q0为设计流量，m3/s；q为单位长度沿程面源水量，m2/s；CS为水质标准，mg/L；CM为面源浓度，mg/L；A 断面面积，m2；x计算（控制）单元长度或面源沿程距离，m；K为降解系数，1/d；α为不均匀系数；EL为中间变量。

4.2 污染物允许排放量分配

辽河干流有3个国控断面，分别是马虎山、巨流河大桥和红庙子断面。按照近年辽河干流水质分析结果，干流主要超标污染物为总磷和生化需氧量，污染物排放以非点源排放为主。在沈阳市辽河干流沿线水质达标控制断面中，马虎山为参考入境断面，上游由铁岭入境，水质为Ⅴ类水，马虎山控制单元主要污染源有长河和左小河支流汇入；巨流河大桥控制单元污染源主要有秀水河和养息牧河支流汇入，以及控制区面源污染排放；红庙子控制单元主要污染源有吉康污水处理厂排水、沿河面源污染，以及柳河汇流，但柳河水质基本达到Ⅳ类水，对下游水体水质影响较小。受上游来水水质和支流河汇入水质影响，辽河干流各控制断面尚无法达到地表水Ⅳ类水体标准要求。采用河流一维容量模型建立辽河污染物排放量与河流水质之间的数学关系，基于马虎山、巨流河大桥和红庙子3个国控断面达到Ⅳ类水体标准，反推各控制单元的污染物许可排放量。

（1）马虎山控制单元

根据2012年～2014年的水质和水量监测数据，计算各支流河的污染物汇入量；根据2014年的沈阳市统计年鉴数据以及《第一次全国污染源普查》中提供的东北地区的相关污染源排放系统对辽河干流的面源污染排放量进行统计，见表6。可以看出马虎山控制断面的污染物来源主要是上游入境污染物，沈阳市境内干流马虎山控制单元和支流河长河、左小河控制单元的生化需氧量和总磷的排放入河量分别为824.12 t/a和40.97 t/a。在铁岭入境水质达到Ⅳ类水体标准的条件下，以马虎山控制断面水质达到Ⅳ类水为标准，计算河段的生化需氧量和总磷的环境容量分别为1065.78 t/a和25.12 t/a。对于生化需氧量指标而言，只要长河和左小河汇入水质达到Ⅳ类水体标准，则马虎山断面生化需氧量指标将达标；对于总磷而言，除了支流汇入水质需达到Ⅳ类水体标准之外，还需要通过合理施肥、新建污水处理站、增加污粪集中处理设施等对沿线村屯的面源污染进行控制，将城镇生活、农业种植和畜禽养殖总磷排放量控制在现状条件的70%以下。

表6 马虎山控制单元污染控制方案

（2）巨流河大桥控制单元

计算巨流河大桥控制单元各支流河的污染物汇入量和干流的面源污染排放量见表7。可以看出巨流河大桥控制断面的污染物来源主要是上游入境污染物，巨流河大桥控制单元和支流河秀水河、养息牧河控制单元的生化需氧量和总磷的排放入河量分别为2088.64 t/a和89.91 t/a。在上游断面水质达到Ⅳ类水体标准的条件下，以巨流河大桥控制断面水质达到Ⅳ类水为标准，计算河段生化需氧量和总磷的环境容量分别为1569.97 t/a和95.60 t/a。只要秀水河和养息牧河汇入水质达到Ⅳ类水体标准，则巨流河大桥控制断面的生化需氧量和总磷指标将达到Ⅳ类水体标准。该断面水体达标的主要控制方案是控制秀水河和养息牧河水体达标汇入辽河干流。

表7 巨流河大桥控制单元污染控制方案

（3）红庙子控制单元

计算红庙子控制单元各支流河的污染物汇入量和干流的面源污染排放量见表8。可以看出巨流河大桥控制断面的污染物来源主要是上游断面污染物，红庙子控制单元和支流河柳河控制单元的生化需氧量和总磷的排放入河量分别为2189.46 t/a和144.93 t/a。在上游断面水质达到Ⅳ类水体标准的条件下，以红庙子控制断面水质达到Ⅳ类水为标准，计算河段生化需氧量和总磷的环境容量分别为1459.06 t/a和194.36 t/a。保持柳河汇流水质不变，只要新民市吉康污水处理厂的排放表由二级标准提高到一级A标准，则红庙子控制断面的总磷指标将达到Ⅳ类水体标准；生化需氧量指标要达到Ⅳ类水体标准，还应该加强控制单元内的面源污染治理措施，通过排污管线扩建工程和污水处理站工程提高城镇生活污水的收集处理率，使其提高到70%以上；此外，还应通过改变污粪处理方式、增加集中处理设施等措施，控制辽中区畜禽养殖污染排放量，将总磷排放量控制在现状条件的70%以下。

表8 红庙子控制单元污染控制方案

5 结论

本文采用一维水质模型，能够较好地预测污染源BOD、TP的控制值，对辽河干流提出的污染物允许排放量控制分配能够对后期水质达标目标要求提供有力的帮助与参考。同时，为了使水质达标更具有稳定性，建议后期可以在原来控制断面的基础上增设一部分监测断面进行水质监测，使得预测污染源控制值更加准确。