长江经济带典型区域水质目标管理集成技术研究及应用

何 斐, 李维新*, 马秋霞, 徐 斌, 晁建颖, 刘 庄, 庄 巍

1.生态环境部南京环境科学研究所, 江苏 南京 210042

2.河海大学, 江苏 南京 210098

2016年1月和2018年4月习近平总书记分别在重庆和武汉推进长江经济带座谈会上发表重要讲话，强调推动长江经济带发展，必须坚持生态优先、绿色发展，把生态环境保护摆上优先地位，共抓大保护，不搞大开发，正确把握生态环境保护和经济发展的关系[1].

长江经济带覆盖上海市、江苏省、浙江省、安徽省、江西省、湖北省、湖南省、重庆市、四川省、贵州省、云南省共11省市，面积约205×104km2，人口和生产总值均超过全国的40%，是我国经济重心所在、活力所在，也是中华民族永续发展的重要支撑[2-4]. 历经多年开发建设，长江经济带传统的经济发展方式仍未根本转变，生态环境状况形势严峻.

20世纪70年代以来，欧美等许多发达国家针对本国水污染状况相继开展了水质管理技术研究，如美国TMDL (Total Maximum Daily Loads，最大日负荷总量)计划[5-9]，欧盟莱茵河总量控制管理[10-12]以及日本东京湾、伊势湾及濑户内海等流域的总量控制计划[13-16]等. “十一五”和“十二五”期间，国家水体污染控制与治理科技重大专项在流域水环境管理技术方面实现了共性关键技术的重点突破[17-18]，为流域水质目标管理提供了有力技术支撑，但相关课题多在单一流域开展[19-23]，从国家层面看，长三角、珠三角、京津冀以及长江经济带等大区域水环境水质目标管理技术体系尚未得到系统集成，流域管理模型及参数的规范化、本土化不够，水质目标管理技术体系的规范化、标准化和精细化程度还有待提高.

该研究在水质目标管理技术相关研究的基础上，集成长江经济带水质目标管理集成技术体系，结合长江经济带下游典型研究区域水文、水质同步监测，构建二维非稳态水环境数学模型，模拟长江经济带下游典型区域水环境，对研究区域长江干流90个三级功能分区进行容量总量计算，确定研究区域基于控制单元三级水生态功能分区水质目标的COD、氨氮、TP区域总量控制值，以期为沿江城市污染负荷削减、污染物入江量管控提供科学决策依据.

1 长江经济带水质目标管理集成技术内涵

1.1 长江经济带水质目标管理需求

长江流域经过近20年的污染治理，水环境质量显著改善[24-25]，但生态系统保护修复形势仍然严峻[26-28]. 长江经济带局部重点区域面临着水资源量短缺、饮用水水源风险、湖泊富营养化等压力，流域水环境问题制约流域社会经济可持续发展，长江经济带现有水环境管理技术不能满足面向水生态系统保护的水质目标管理技术的要求，水质目标管理是长江经济带水环境管理的重要环节，开展有效的水质目标管理迫在眉睫[29-30].

1.2 长江经济带典型区域水质目标管理集成技术内涵

长江经济带水质目标管理集成技术体系是在“十一五”“十二五”水质目标管理技术相关研究的基础上，依据“分区、分类、分级、分期”的流域水环境管理思路，系统评估了长江经济带分区分类的生态环境问题，梳理并分析不同水质目标管理技术之间的结构协调性、系统衔接性和技术适用性. 针对长江上游生态脆弱区和长江中下游沿江区域重化工业密集的污染特点，紧密结合长江经济带水环境管理的现实需求，甄选适用于长江经济带水环境特征和差异化需求的水质目标管理技术，在“流域-区域-控制单元-污染源”水环境管理层次体系中，以流域总量控制为基础，立足于控制单元，完成“流域水生态功能分区-水环境基准标准-容量总量(排污许可)管理-最佳可行技术-风险管理”的水质目标管理技术的甄选和集成，由目前单一水质目标管理技术研发、部分集成及局部应用为主，提升形成有机一体的长江经济带水质目标管理集成技术体系，长江经济带水质目标管理技术衔接关系见图1.

图1 长江经济带水质目标管理技术衔接关系

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

长江下游大通至长江入海口段，干流自西向东横穿安徽省、江苏省、上海市，全长约557 km，流经11个地级市及1个直辖市(铜陵市、芜湖市、马鞍山市、南京市、扬州市、镇江市、泰州市、常州市、无锡市、南通市、苏州市、上海市)，划分为28个二级分区、154个三级功能分区(见图2). 研究区域为江苏省沿江8市(南京市、扬州市、镇江市、泰州市、常州市、无锡市、苏州市、南通市)，属长三角地区，划分为90个三级功能分区，是我国经济发展最快的地区之一，但同时也面临着严重的流域水环境问题，时刻考验着饮用水水源和水生态的安全. 研究区域工业结构性污染突出，城镇污水处理水平有待进一步提高，农业源污染影响严重，流动源污染对水环境形成较大压力，湖泊生态安全水平下降，近岸海域污染严重，沿岸支流水质基本都在GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ～Ⅳ类. 以长江江苏段为例，其沿江聚集了化工园区38个、涉重生产片区14个、涉危化工企业700多家，沿江8市的污水排放量约占江苏省全省总量的80%，对长江干流水质安全造成严重影响.

图2 长江经济带研究范围

2.2 研究方法

2.2.1污染负荷计算方法

工业污染负荷计算公式：

G=(GP+θ1)×β1

(1)

式中：G为工业污染物入河量，t/a；GP为工业污染物排放量，t/a；β1为工业污染物入河系数，取值为0.8～1.0；θ1为污水处理厂排放的工业污染物的量，t/a.

农村生活污染负荷计算公式:

S1=S1P×β2

(2)

式中：S1为农村生活污染物入河量，t/a；S1P为农村生活污染物排放量，t/a；β2为农村生活污染物入河系数，取值为0.2～0.5.

S1P=R1×α1

(3)

式中：R1为农村人口数，人；α1为农村生活排污系数(见表1).

表1 生活污染源排污系数

城市生活污染负荷计算公式:

S2=(S2P+θ2)×β3

(4)

式中：S2为城市生活污染物入河量，t/a；S2P为城市生活污染物排入河道内量，t/a；β3为城市生活污染物入河系数，取值0.6～0.9；θ2为污水处理厂排放的城市生活污染物的量，t/a.

S2P=R2×α2

(5)

式中：R2为城市人口数(未接入城市污水管网的部分)，人；α2为城市生活排污系数，取自《第一次全国污染源普查产排污系数手册》(见表1).

根据中国环境科学研究院提供的排污当量，进行区域内种植业污染物计算，计算公式：

N=NP×β4×γ1

(6)

式中：N为农田污染物入河量，t/a；NP为农田污染物排放量，t/a；β4为农田污染物入河系数，取值为0.1～0.3.γ1为修正系数，取自《第一次全国污染源普查产排污系数手册》，农田化肥施用量在0.037 kg/m2以下，修正系数取0.8～1.0；农田化肥施用量为0.037～0.052 kg/m2，修正系数取1.0～1.2；农田化肥施用量在0.052 kg/m2以上，修正系数取1.2～1.5.

NP=M×α3

(7)

式中：M为耕地面积，m2；α3为农田排污系数，取自《第一次全国污染源普查产排污系数手册》，其中，COD排污系数为 15 000 kg/(m2·a)，氨氮排污系数为 3 000 kg/(m2·a)，TP排污系数为300～450 kg/(m2·a)，TN排污系数为 3 000～6 000 kg/(m2·a).

依据《长江流域主要入江河流水环境综合整治规划编制技术规范》确定的畜禽养殖业污染物排放系数，参照长江流域相关规划进行养殖业污染物排放量测算，畜禽养殖排污系数如表2所示，养殖业污染物入河系数取30%.

表2 养殖业污染源排污系数

2.2.2水环境容量计算与分配

以DHI的MIKE21模型为基础，建立了长江水环境数学模型. 其中，笛卡尔坐标系下的二维水动力控制方程是不可压流体三维雷诺Navier-Stokes平均方程沿水深方向积分的连续方程和动量方程.

连续性方程：

(8)

动量方程：

(9)

(10)

横向应力Tij包括黏滞阻力、紊流摩擦阻力和差动平流摩擦阻力，可用垂向流速平均的涡黏方程来计算：

污染物在二维非均匀流中的对流扩散基本方程可以表示为

(12)

3 结果与讨论

3.1 研究区污染负荷测算结果

采用污染源调查计算法根据《江苏省统计年鉴》(2018年)、《第一次全国污染源普查产排污系数手册》，并结合研究区域特征，对江苏省沿江8市污染源进行分类调查，按污染负荷计算方法研究区域各市不同污染源的污染负荷，结果如表3所示. 江苏省沿江8市中，苏州市污染负荷最大，其次为南通市，再次为南京市，镇江市污染负荷最小.

表3 研究区域各市COD、氨氮、TP污染负荷统计

对研究区域8市所有污染负荷进行分析汇总，其中COD的总负荷为 1 088 732.3 t/a，氨氮的总负荷为 169 627.4 t/a，TP的总负荷为 25 614.1 t/a. 各种污染负荷占比如表4所示，其中，城镇生活源对研究区域内COD、氨氮总负荷的贡献最大，分别为68.3%、75.2%；工业企业源对研究区域内TP总负荷的贡献最大，为43.8%，此外，城镇生活源对TP总负荷的贡献也较大，为37.3%.

3.2 模型率定结果

该研究建立了覆盖研究区域的长江干流段(安徽马鞍山—上海高桥)水环境模型(见图3). 将马鞍山—高桥段划分网格，平均网格边长约300 m，网格数 42 991 个，并对局部区域进行网格加密(见图4)，根据《中华人民共和国水文年鉴》2015年10月15—22日南京站、镇江(二)站、江阴站、营船港站和徐六泾(二)站感潮水位数据及实测COD、氨氮、TP的浓度，通过试错法对模型参数进行率定，计算得研究区域主槽槽率高度的取值为0.01～0.02，COD、氨氮、TP降解系数分别为0.20、0.15、0.06 d-1.

图3 研究区域(马鞍山—高桥段)水环境数学模型计算范围及水下地形

图4 研究区域水环境数学模型网格划分(以南京八卦洲段为例)

3.3 容量总量计算结果

3.3.1功能区划

根据《江苏省地表水(环境)功能区划》《国务院关于全国重要江河湖泊水功能区划(2011—2030年)》，综合确定研究区域长江下游干流水环境容量的三级功能分区共90个，其中，Ⅱ类水质目标三级功能分区72个，Ⅲ类水质目标三级功能分区17个，维持现状三级功能分区1个.

3.3.2设计水文条件

按照选取对水环境最不利的原则，在大通站90%水文保证率的基础上，综合考虑三峡大坝建设后，南水北调中线、南水北调东线以及引江济淮工程对长江水量的影响，并将水文保证率和重大水利工程双方因素组合后的水量作为计算方案的设计水文条件.

3.3.3容量总量计算结果

根据长江沿线的工业污染源分布情况、沿江污水处理厂分布情况、主要入江支流排污口分布情况进行入江排污口概化，在设计水文条件下，综合考虑饮用水水源地、国控断面、省控断面水质达标，采用一、二维联解的非稳态水量水质数学模型对概化排污口进行污染带长度计算，求得不同污染带长度时的各排污口允许排污量. 以长江岸线长度的10%作为最大排污混合带，且在断面水质达标的基础上，根据概化排污口的允许排污量计算结果，对研究区域长江干流90个三级功能分区进行容量总量计算. 江苏省沿江8市容量总量计算结果如表5所示，其中南京市COD、氨氮和TP的容量总量均最大，无锡市COD、氨氮和TP的容量总量均最小. 此次以南京段为例，在南京18个长江水功能区中，长江南京六合渔业、农业用水区(左岸)的容量总量位列第一，COD、氨氮和TP的容量总量分别为 11 160、1 541 和191 t/a，各三级功能分区基本信息及容量总量计算结果如表6所示.

表5 研究区域各地级市容量总量

表6 长江下游南京段干流各三级功能分区基本信息及容量总量

通过与《省水利厅、省发展和改革委关于水功能区纳污能力和限制排污总量的意见》(苏水资〔2019〕26号)中2020年限排总量数据对比分析可知，此次研究区域长江下游干流90个三级功能分区容量总量与《省水利厅、省发展和改革委关于水功能区纳污能力和限制排污总量的意见》(苏水资〔2019〕26号)中2020年限排总量一致，表明该研究容量总量计算合理.

综合上述对模拟结果的分析，在满足断面水质目标要求，严格控制区域污染物排放情况下，计算得到COD、氨氮、TP的区域总量控制值分别为 25 076、24 719、3 247 t/a.

4 结论

a) 长江流域生态系统保护修复形势严峻，现有水环境管理技术不能满足面向水生态系统保护的水质目标管理技术的要求，开展有效的长江经济带水质目标管理技术研究与应用，是支撑长江经济带“共抓大保护，不搞大开发”的重要管理抓手.

b)依据“分区、分类、分级、分期”的流域水环境管理思路，针对长江上游生态脆弱区和长江中下游沿江区域重化工业密集的污染特点，完成了“流域水生态功能分区-水环境基准标准-容量总量(排污许可)管理-最佳可行技术-风险管理”的水质目标管理技术的甄选和集成，形成有机一体的长江经济带水质目标管理集成技术体系.

c) 对长江经济带下游典型区域构建一、二维联解的非稳态水量水质数学模型，以长江岸线长度的10%作为最大排污混合带，且在断面水质达标的基础上，根据概化排污口的允许排污量计算结果，对研究区域长江干流90个水环境功能区进行容量总量计算，沿江8市中南京市COD、氨氮、TP的区域总量控制值分别为 59 537、8 099、1 008 t/a，扬州市分别为 26 830、2 668、356 t/a，镇江市分别为 44 683、3 344、480 t/a，泰州市分别为 36 919、2 598、383 t/a，常州市分别为 6 689、538、76 t/a，无锡市分别为831、121、15 t/a，苏州市分别为 42 384、4 365、546 t/a，南通市分别为 32 893、2 986、382 t/a，其中南京市COD、氨氮和TP的容量总量最大，无锡市COD、氨氮和TP的容量总量最小.

d) 对研究区域长江下游干流90个三级功能分区的纳污总量计算结果，可为沿江城市污染负荷削减、污染物入江量管控提供科学决策依据.