辽河盘锦段废水污染物排放与水环境质量响应关系研究

史美玲 王留锁

（辽宁省生态环境保护科技中心,辽宁沈阳 110161）

1 引言

辽河盘锦段地处辽河最下游，其水生态环境保护对渤海地区具有重要的生态安全战略意义。近年来，盘锦市在经济发展的同时其水污染问题也较多，首先，辽河盘锦段氮污染问题依然严峻，2016—2018年，辽河盘锦段干流3个国控断面水质评价结果显示，其总氮一直超标严重；重污染河流依然存在，辽河28条重污染河流中辽河盘锦段占4条。其次，工业废水种类复杂、治理难度大；部分支流污染源复杂，如辽河盘锦段一级支流清水河，既是城市重污染河流，又是面源污染主导型河流。

本文旨在对辽河盘锦段控制单元进行细化、分析污染特征、探寻污染物的空间分布规律，同时利用MIKE11水质模型构建曙光大桥控制单元废水污染物排放与水环境质量响应关系，为辽河盘锦段干流及其支流水质改善提供科技支撑。

2 研究内容与方法

2.1 研究区域概况

辽河盘锦段亦称双台子河，包括一统河、小柳河、太平河、清水河（含赵圈河排干）、绕阳河、螃蟹沟等主要一级河流，地处121°25′～122°31′E，40°39′～41°27′N之间，境内长124.3 km，流域面积2 526 km2，占辽河流域总面积的1.1%，流域内属暖温带大陆性半湿润季风气候。

2.2 控制单元划分

基于“水十条”，对照水功能区划，结合流域水质考核监测断面分布，综合考虑行政区完整性、水功能区划、清洁边界、水体类型、水质类别等原则，将辽河盘锦段划分为曙光大桥控制单元、赵圈河控制单元以及绕阳河盘锦段控制单元，见图1。

图1 辽河盘锦段控制单元划分示意

2.3 研究方法

2.3.1 污染负荷核定

2.3.1.1 点源污染负荷核定

依据2018年工业污染源、污水处理厂环境统计数据，在数据核校基础上，选取统计法核定点源污染负荷。统计法计算公式如下：

W＝Q×C×d

式中，W为点源污染负荷，t/a；Q为污水出口排放流量，m3/s；C为出口污水排放浓度，mg/L；d为入河系数。其中，入河距离≤1 km，d＝1；1 km＜入河距离≤10 km，d＝0.9；10 km＜入河距离≤20 km，d＝0.8；20 km＜入河距离≤30 km，d＝0.7；入河距离＞40 km，d＝0.6。

2.3.1.2 面源污染负荷核定

选取输出系数法［1］核定面源污染负荷，利用遥感解译出的土地利用类型，依据污染物的输出系数，对不同土地利用类型污染负荷求和，估算辽河盘锦段各控制单元面源污染负荷的输出量。输出系数模型表达如下：

式中，i为流域中非点源污染物类型；j为流域中土地利用类型的种类（j＝1，2，3，…，n）；Lj为污染物j在流域内的总负荷量，t/a；Eij为污染物j在第i种污染源的输出系数，t/（km2·a）［t/（万人·a），t/（万只·a）］，输出系数取值见表1；Aj为第j种土地利用类型的面积，km2（万人）；P为流域内平均降水量，mm；e为降雨输出系数，t/（mm·a）。

表1 各土地利用类型输出系数 t（/km·2a）

2.3.2 水质模型的构建与验证

2.3.2.1 水质模型的构建

建立水动力模型是建立水质模型的基础，水动力模型的建立主要包括研究区河网文件、干流及主要支流断面文件、边界文件、上下游水位和流量等时间序列文件、参数文件［3-5］。MIKE11 HD的建立结构如图2所示。

图2 MIKE11 HD模型结构

具体构建方式如下：

（1）河网文件构建。由于辽河盘锦段河网水系复杂，大小不一的河道众多，而且辽河盘锦段一级支流除绕阳河及小柳河外，其余一级支流受水闸控制，除汛期外水闸关闭，其河水不与辽河水进行交换，因此将水闸控制的一级支流在模拟中设置为闭边界，不参与水动力模拟计算。

（2）设置断面文件。在河流源头、控制断面、支流入干处、水文站的位置输入河底高程、河宽、河流与源头的距离数据，设置完整的河流断面信息。

（3）边界文件构建。在河网中每条河源头建立开放边界，设置初始流量、水质，在曙光大桥断面处设置水位、水质边界，将点源按排入河流的里程位置建立在河网边界上，并输入点源的废水排放流量与测定的污染物指标浓度数据。

（4）参数文件构建。设置河流初始流量、水位、河床糙率等，保证水动力模拟能够稳定计算。

（5）建立时间序列文件。根据水文站、国控断面监测的相关数据，按照时间顺序建立流量、水位、COD、NH3－N、TN、TP等时间序列文件。

（6）建立水动力模拟文件。将河网文件、断面文件、边界文件、时间序列文件、参数文件5个文件导入水动力模型，建立水动力模拟文件。

（7）水质模型构建。建立COD，NH3－N，TN，TP分组文件。

2.3.2.2 水质模型的验证

（1）水动力参数率定与验证

根据2016年辽河盘锦段六间房（金三）、盘山（四）水文站水文数据，应用构建水动力模型率定流量、水位、糙率等参数，保障水动力模型稳定运行。经验证模拟流量与实测流量误差率在10%左右。计算时段内的实测流量与模拟流量并进行验证，5，6月在最大和最小流量峰值变化时拟合度相对偏低，见表2。通过对比验证，可以看出模拟时间内模拟值与实测值二者拟合较好，证明水动力模拟结果可以反映模拟河段的水动力状态，能应用于下一步的水质分析计算。根据2017年水文数据，验证率定的水动力参数。

表2 实测流量与模拟流量对比验证

（2）水质模型参数率定与验证

应用2016年水质数据，拟合水动力与水质模型，率定河流污染物衰减系数、扩散系数。根据2017年辽河盘锦段曙光大桥控制单元内干流水文、水质、污染源等数据，验证水质参数。经验证，各指标误差均在10%以下，因此确定水质模拟结果可以反映实际的水质状态，并可以将验证后的模型参数及水文环境作为2018年污染物指标分析的基础条件。实测指标浓度与模拟指标浓度对比验证见表3。

表3 实测指标浓度与模拟指标浓度对比验证

3 结果与分析

3.1 控制单元污染负荷解析

3.1.1 点源污染负荷解析

辽河盘锦段控制单元直排点源污染负荷见表4。

表4 辽河盘锦段控制单元直排点源污染负荷 t/a

由表4可知，曙光大桥控制单元在3个控制单元中污染物排放量居首，其中，COD，NH3－N分别占污染物总排放量的89.22%，79.16%。其原因可能是曙光大桥断面受盘锦感潮河段“顶托”；同时该控制单元内分布着辽河盘锦段80%以上的企业及污水处理厂，其污染较重的支流太平河、螃蟹沟水质现状为劣Ⅴ类，汛期发生内涝开闸，使支流河水与辽河水进行交换，对辽河干流水质有影响；上游沈阳来水超标有影响。

3.1.2 面源污染负荷解析

辽河盘锦段控制单元面源污染负荷见表5。

表5 辽河盘锦段控制单元面源污染负荷 t/a

由表5可知，绕阳河盘锦段控制单元面源污染负荷居首，其次为曙光大桥控制单元、赵圈河控制单元。其原因可能是绕阳河胜利塘断面受上游锦州市庞家河、沙子河等污染支流河来水影响；盘锦境内沿岸农村地区存在部分生活污水直排。面源中各污染源对COD，NH3－N污染的贡献率由大到小依次为农业用地污染、城镇用地污染、自然地污染，绕阳河盘锦段控制单元内农业用地面积占比大。

3.2 控制单元污染物排放与水质响应关系分析

利用已经验证的水质模型，根据盘锦段“水十条”水质目标（Ⅳ类），设定2017年平水期流量作为设计水文条件，模拟辽河盘锦段污染物排放与水质响应关系，计算曙光大桥控制单元水环境容量及点源污染物允许排放限值。基于2017年水动力和水质模型参数验证结果，最终可确定水动力参数与对流扩散参数，见表6。本次模拟的区域地形较为平坦，比降为万分之一，河床较规整，因此相关参数设置均取全域值［6-8］。

表6 验证后的模型参数

如图2所示，按照现有污染物排放特征与方式，经模拟可知曙光大桥断面COD，NH3－N超过Ⅳ类水质标准，TP不超标。

图2 曙光大桥断面COD，NH3－N，TP模拟排放限值

曙光大桥断面水环境容量见表7。

表7 曙光大桥断面水环境容量 t/m

3.3 废水污染物减排与水环境质量响应关系分析

3.3.1 方案一：企业污染物减排

2018年辽河盘锦段控制单元点源COD，NH3－N，TP减排模拟结果见图3。

图3 2018年辽河盘锦段控制单元点源COD，NH3－N，TP减排模拟结果

2018年辽河盘锦段控制单元点源污染物排放 现状见表8。

表8 2018年辽河盘锦段控制单元点源污染物排放现状

依据DB 21/1627—2008《辽宁省污水综合排放标准》［9］，基于2017年水文环境，分析2018年工业企业现状排放情况，由图3、表8可知，点源QY5需进行减排。对曙光大桥断面5，6月COD浓度进行削减，仍然超Ⅳ类水质标准。NH3－N，TP排放浓度符合DB 21/1627—2008，但是NH3－N已无法削减负荷，5月NH3－N仍然超GB 3838—2002Ⅳ类水质标准；6月TP仍然超Ⅳ类水质标准。根据DB 21/1627—2008无法使河流断面达标，故需制定方案二，考虑污水处理厂污染物减排。

3.3.2 方案二：污水处理厂污染物减排

由图3、表8可知，依据GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》，3家污水厂COD，NH3－N排放浓度低于一级A标准，无法削减负荷，虽然3家污水厂已经按一级A标准排放，但是曙光大桥断面5，6月COD仍然超Ⅳ类水质标准。5月NH3－N仍然超Ⅳ类水质标准。点源WSC10 TP现状排放浓度超过一级A标准，对WSC10 TP减排0.032 597 t/月，但是曙光大桥断面6月TP仍然超Ⅳ类水质标准。根据GB 18918—2002无法使河流断面达标，故需制定方案三，考虑点源污染负荷减排。

3.3.3 方案三：点源污染负荷减排

根据GB 3838—2002［4］，基于2017年水文环境，分析2018年点源现状排放情况。由图3、表8可知，按照GB 3838—2002，不同点源相应污染物仍然存在超标现象，经过减排削减后不同月份也存在超标现象。根据GB 3838—2002无法使河流断面达标，故需制定方案四，考虑面源污染负荷减排。

3.3.4 方案四：面源污染负荷减排

2018年曙光大桥控制单元面源COD，NH3－N，TP减排模拟结果见图4。

图4 2018年曙光大桥控制单元面源COD，NH3－N，TP减排模拟结果

2018年曙光大桥控制单元面源污染物减排见 表9。

表9 2018年曙光大桥控制单元面源污染物减排

由于面源要从汇水区考虑，故模拟点源按污水综合排放标准计算面源减排量，以曙光大桥控制单元内干流和一级支流小柳河为对象，分析减排潜力。由图4、表9可知，干流5，6月COD分别减排166.63，51.60 t，5月NH3－N削减1.97 t，6月TP削减1.64 t；小柳河5，6月COD分别减排187.90，58.19 t，5月NH3－N削减2.23 t，6月TP削减1.85 t，曙光大桥断面达到断面水质目标。由此可知，曙光大桥控制单元河流断面水质达标，点源污染物按DB 21/1627—2008排放，并且从面源上削减河流污染使水质达标。

4 结论

（1）辽河盘锦段3个控制单元中，点源主要集中于曙光大桥控制单元，面源主要集中于辽河盘锦段绕阳河控制单元。

（2）采用MIKE11水质模型重点模拟曙光大桥控制单元污染物排放与水质响应关系，模拟结果显示，在现有经济技术及污染物排放标准条件下，平水期曙光大桥断面COD，NH3－N超标，点源污染物排放要符合DB 21/1627—2008，并且从面源上削减污染使河流水质达标。