基于水环境容量的区域污染物削减研究——以东辛农场为例

熊 勇

（上海勘测设计研究院有限公司，上海，200434）

随着社会经济的快速发展，生活、工业、农业等各方面的污染对河道造成的污染愈发严重，水体的功能逐渐衰退，大大破坏了水体环境的生态平衡[1]。由于污染源较多、河道自净能力减弱等多方面的原因，导致区域水环境的环境状况变得越来越差。因此，恢复水体本身的自净能力，逐渐改善水质环境，对于保护生态环境具有重要意义。对区域水环境容量进行分析，计算流域水环境容量和允许排放量[2]是制定污染物排放总量控制方案的前提。针对某个区域的水体，依据其水质功能目标，进行整个系统的全面综合分析，从而计算出该区域污染物的允许最大排放量，可以为水体污染物总量控制提供依据，也可以为保护和合理利用水资源提供依据[3]。

1 研究区域概况

东辛农场位于江苏省连云港市，是华东地区最大的国有农场，农场东西最长处21.5km，南北最宽处19km，总面积200km2（约30万亩）。东辛农场总人口约4万，其中约3万人居住在场部所在的城镇范围，其他约1万人分散于各分场居民组。东辛农场属于烧香河水系，区域现状南引北排，即南引善后河水，北排烧香河的格局，如图1所示。南边善后河为饮用水源区，水质目标要求为Ⅲ类水，北边烧香河为工业用水区，水质目标为Ⅳ类。

图1 东辛农场与周边水系区位关系

区域内部形成了“四纵两横”的河网水系，“四纵”即四条南北向骨干排涝河道，分别为西干河、新沟河～小盐河、中干河、东干河，“两横”即两条东西向调节河道，分别为小海河、扁担河。农场内部河道现状水质基本在Ⅳ类到劣V类之间，部分黑臭河道对其周边水系存在较大的污染风险。

2 区域污染源分析

2.1 城镇生活污染

区域内的生活污水按分布可以分为两类：第一类是集中居民区产生的生活污水，第二类是分散居民区产生的生活污水。生活污染源以生活污水直排及管网漏损、合流制区域溢流污染为主。根据各片区居民户数人口数采用排污系数法估算。区块污染物年均产生量可由下式计算：

式中：MP为污染物年均产生量，t/a；f为污染物产生负荷，kg/（人·a）；N为区块内人口数。

可进一步得到区块污染物入河量（t/a）：

式中：MR为污染物年均入河（湖）量，t/a；φ为污染物入河（湖）系数，受排水体制影响，取值分旱季和雨季。

生活污水排放去向分为进入城镇污水处理厂和直接排入环境两部分，现状城镇生活污水处理率按照实际调研的污水管网覆盖情况和城镇污水处理厂进水浓度综合取值。通过污水处理厂处理后排放的生活污水入河系数取1.0，城镇直排生活污水根据城镇与河流临近程度及排口设置情况等按70%～90%进入河流考虑。根据《第二次全国污染源普查-生活污染源产排污系数手册》，东辛农场区域对应四区，结合现场调研了解的情况，确定东辛农场镇区人均日生活用水量取118升/（人·天），化学需氧量浓度为360mg/L，总磷浓度为4.46mg/L。

2.2 工业点源污染

工业点源污染量主要以统计为主。通过现场调查，结合东辛农村第二次污染源排查资料以及相关材料，对区域主要工业点源排放处理情况进行统计分析。区域共有11家规模以上企业，分属畜禽养殖、种子生产、食品加工、纸制品加工、饲料加工、纺织等行业，依据各自污水产量、处理情况、排放去向等条件，统计计算工业点源的入河污染量。

2.3 城镇面源污染

城镇面源污染主要是由降雨径流的淋浴和冲刷作用产生，可根据不同下垫面的降雨径流产生量及次降雨径流平均浓度（EMC）估算城镇面源污染产生量：

式中：W为城镇面源污染产生量，t/a；Ci为地类的次降雨径流平均浓度，mg/L；Ai为地类面积，m2；P为降雨量，mm；φi为地类的径流系数。

城镇面源污染主要来源于交通运输用地、城镇村及工矿用地。经分析，区域硬质化面积约5.5km2。城镇面源污染计算的降雨量数据采用1982年板浦站降雨资料。根据《室外排水设计规范》（GB 50014-2006）（2016版），城镇建筑密集区综合径流系数取值0.6。城镇面源入河系数取0.2。参考相关文献研究[4]，确定次降雨径流平均浓度（EMC）取值如下：CODCr100mg/L，TP 1.5mg/L。

2.4 农田面源污染

由于小麦、水稻的肥料施用，化肥不能被农作物完全吸收，农田面源污染主要是由农田中剩余的化肥和农药经径流进入水体，使水环境中氮、磷等营养盐负荷增加，从而导致水体遭受污染[5]。农田中的污染物流失不仅受到降雨量、降雨强度、降雨历时、地形坡度、土壤类型和植被等各种自然地理因素的影响，同时还取决于地表污染物数量和人类不规则活动的影响，如不合理的化肥使用和不科学的耕作方式等。

农田面源污染物入河量采用产排污系数法计算。根据《全国地表水环境容量核定技术报告》，结合对平原河网地区大量面源污染研究文献的分析和调查数据[6]，并在标准农田源强系数的基础上根据区域土壤类型、降雨量、化肥施用量、化肥施用结构进行修正，得到修正后源强系数分别为CODCr23.5kg/（亩·年），TP 2.2kg/（亩·年）。参考已有文献对农田化肥流失情况的统计资料，氮、磷约有3%～10%进入地表水体，本次农田肥料污染物入河系数取值为0.05。

2.5 养殖污染

区域内养殖污染分畜禽养殖和水产养殖两类。根据国家环保总局制定的《畜禽养殖业污染物排放标准（GB18596-2001）》以及《第一次全国污染源普查-水产养殖业污染源产排污系数手册》，确定畜禽养殖CODCr和TP的排放量为67.87克/（头·天）和1.02克/（头·天），并考虑现状粪污水处理措施，入河系数取0.35，结合现场勘查及相关污染普查数据进行污染分析。

2.6 内源污染

农场内部河道长期受农药化肥和水产养殖排放影响，底泥不断淤积。大部分河道长期未进行底泥疏浚，在一定的物理化学环境条件下，污染物从底泥中释放重新进入水中，从而形成河道内源污染。通过对河道底泥取样，进行静态释放实验获得农场河道底泥中污染物的释放速率，CODCr和TP的内源释放负荷分别为65 mg/（m2·d）和1 mg/（m2·d）。

2.7 现状污染物入河总量及特征

根据各类污染源入河量的计算结果，分析各类污染源对CODCr与TP两个指标的污染贡献情况，如表1和图2所示。

图2 各类污染源入河负荷贡献率

表1 现状污染物入河量计算结果

3 水环境容量核算

3.1 计算单元划分

水环境容量计算单元的划分，本文采用节点划分法，即从保证重要水域水体功能角度出发，以重要工业区、工业企业生活等重要和敏感的区域或断面作为划分节点，把河道划分为若干较小的计算单元进行水环境容量计算。

考虑到水（环境）功能区划河段往往不是太长，在区划过程中往往都考虑到了各种取水、用水点，可以覆盖各种节点或控制点。结合东辛农场片流域排水特征及污染源分布情况，概化主要河道，将整个农场片划分为7个水环境容量计算分区，如图3所示。

图3 水环境容量计算分区示意

3.2 设计水文条件

对于河流，设计水文条件指河段内的水位、流速和流量等条件。根据《水域纳污能力计算规程GB/T 25173-2010》，一般采用最近10年最枯月平均流量（水量）或90%保证率最枯月平均流量（水量）作为设计流量（水量）。由于设计流量（水量）受江河水文情势和水资源配置的影响，对水量条件变化的水功能区，设计流量（水量）应根据水资源配置推荐方案的成果确定。

3.2.1 降雨径流计算

东辛农场区域附近的降水量测站主要有板浦站、善后新闸站、龙苴站、朱贵庄站，考虑资料系列长度，本次选取板浦站的降水量观测值作为降水量分析资料。利用P-Ⅲ曲线对板浦站1960～2017年降雨资料进行排频，并采用目估适线法进行调整，得到不同保证率下善后河流域年降水量。考虑年内降雨最不利分析，选取90%保证率下年降雨量最为接近的1966年进行产汇流计算。

由于径流大小与地表下垫面条件密切相关，按照《江苏省水资源综合规划技术细则》，分别对水面、城镇建设用地、水田、旱地四种不同下垫面条件进行产流分析。

表2 板浦站多年面雨量频率计算成果表

表3 东辛农场不同排水片枯水年（90%）径流量 m2/s

3.2.2 设计流量的计算

有长系列水文资料时，现状设计流量应选用设计保证率的最枯月平均流量，采用频率计算法计算。无长系列水文资料时，可采用近10年系列资料中的最枯月平均流量作为设计流量。无水文资料时，可采用内插法、水量平衡法、类比法等方法推求设计流量。

3.3 控制因子及水质目标

根据确定原则及东辛农场区域水系水环境质量的现状情况，统一采用化学需氧量（CODCr）和总磷（TP）作为污染物控制因子。由于区域北排受纳水体（烧香河）功能区的水质目标为Ⅳ类，根据水（环境）功能区的水质目标要求，故水质目标定为Ⅳ类。

3.4 计算方法

3.4.1 一维水质模型

根据《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173-2010），江河湖库纳污能力计算模型主要包括：河流零维模型、河流一维模型、河流二维模型、河口一维模型，湖库均匀混合模型、湖库非均匀混合模型、湖库富营养化模型和湖库分层模型等几种类型。

根据区域河道现状，本研究采用河流一维模型，按下式计算：

式中：Cx为流经x距离后的污染物浓度，mg/L；C0为起始段的污染物浓度，mg/L；x为沿河段的纵向距离，m；u为设计流量下河道断面的平均流速，m/s；K为污染物综合衰减系数，1/s。

相应的水域纳污能力按下式计算：

式中：Q为设计流量，m3/s；Qp排污口的流量，m3/s；其他符号意义同前。

3.4.2 排污口概化

河流的纳污能力与污染物的排放位置和排放方式有关，限定的排放方式是确定河流纳污能力的一个重要确定因素[7]。目前排污口概化一般有3种方法：中点概化、均匀概化及排污口重心概化。

本次研究选取排污口中点概化法，即x=L/2，将计算河段内的多个排污口概化成一个集中排污口，该点源的实际自净长度为河段长度的一半，其概化示意见图4。

图4 排污口中点概化示意

当x=L/2时，即入河排污口位于计算河段的中部时，水功能区下断面的污染物浓度按下式计算：

式中：m为污染物入河速率，g/s；L为计算河段长，m；Cx=L为水功能区下断面污染物浓度，mg/L；

相应的水域纳污能力按下式计算。

东辛农场内部河道水动力除引水外，主要靠降雨形成的产汇流，按照水文计算章节中枯水年（90%）的径流量计算各河道初始断面入流流量，进而推算出不同月份不同河道的断面平均流速u。参考江苏苏北地区相关河道的水质降解系数，并基于2020年9月和2020年12月分别3次的同步野外监测资料，根据一维水量模型计算率定水质降解系数K，率定得到CODCr的降解系数为0.08/d～0.12/d，TP的降解系数为0.045/d～0.068/d。

3.5 核算结果

根据东辛农场片的排水规律及污染物排放时空分布特征，将7个片区按照逐月变化，按片计算区域水体的水环境容量。当农场片来水充沛，河道水量充足时，片区总的水环境容量较大。研究区域内全年CODCr和TP总的水环境容量分别为：907.09t/a和12.53t/a。具体情况见表4。

表4 东辛农场各片区水环境容量核算 t/a

4 污染负荷削减分析

综合考虑东辛农场内部排水格局和农田面源排放特征，将排入内部水体的污染源的污染排放量按照逐月统计计算，结合河道水环境容量进行污染物限排总量方案制定[8]。通过分析逐月的水环境容量与入河污染负荷对比，分别进行污染物总量控制，确定每个控制片区每个月的污染物削减量。现阶段河道水环境容量无法稳定维持CODCr和总磷的浓度保持在Ⅳ类水水质以下，且汛期产生的面源污染更为严重，污染物汛期削减量普遍大于非汛期，各片区污染负荷削减如表5所示。

表5 东辛农场各片区污染物削减分析 t/a

5 结论

基于区域河道水质目标要求下的水环境容量核算，通过对东辛农场的污染源进行系统分析，根据不同污染源类型分别计算污染贡献值，分析区域控制片内污染物的削减量[9]，为后续提出水环境改善措施提供依据。本研究可得到以下结论：

（1）区域污染CODCr入河量主要来源于生活污水，贡献率为30%，其次为农田面源，贡献率为18%；TP入河量主要来源于农田面源污染，贡献率为46%，其次为生活污染，贡献率为20%。

（2）CODCr和总磷均需要削减，整体上CODCr削减比例小于总磷，因此区域对总磷的污染控制尤为重要。河道水环境容量总磷无法稳定优于Ⅳ类水水质，且汛期产生的面源污染更为严重，污染物汛期削减量普遍大于非汛期。

（3）东辛农场区域河道CODCr和TP的平均削减率分别为28%和40%。中干河南片和东干河中片为东辛农场生活生产集中区域，为COD削减的主要控制片，削减率分别为20.3%和44.7%；各片区总磷削减率均大于30%。