基于控制单元划分技术的百渎港断面水质达标分析

鲍 琨,逄 勇,2,孙 瀚,莫旭东,王 民

(1.河海大学环境学院,江苏南京 210098;2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,江苏南京 210098;3.连云港市环境监测中心站,江苏连云港 222000)

太湖流域是国家确定的“三河三湖”水污染防治的重点流域之一,随着太湖流域经济快速发展和人口增长,污染湖泊的因素不断增多,太湖现状水质总体劣于Ⅴ类[1].“十五”以来,虽然采取了产业结构调整、污染源治理、达标排放及加强环境监督管理等多方面的措施,但是水质改善的总体效果不甚明显[2].控制单元是具有经济管辖权和较为完整的社会、人口、环境和资源等相关资料的客观实体,是进行水污染控制和管理的基本单元.通过控制单元的划分,可以有针对性地实现污染物排放的控制[3].

美国的TMDL计划探讨了控制单元的划分原则和划分尺度问题,并着重分析了大小尺度控制单元的各自优缺点[4-5].国内目前控制单元的划分大都以自然形成的流域对应的汇水区为基础,存在“一刀切”控制污染物指标和排污数量的问题[6-7],而实现从污染物排放目标总量控制技术向基于流域控制单元水质目标总量控制技术的转变是必然的趋势[8-9].太湖流域平原河网地区水流受潮汐的影响,河道中的水流方向不固定,该地区的河道多为往复流河道[10-12],这种水流特点决定了污染物对控制断面水质的影响复杂多样,划分控制单元存在一定的难度.

百渎港位于宜兴市东北部与常州交界处,为漕桥河与太氵鬲运河交汇后入太湖断面.漕桥河与太氵鬲运河是连接太湖与氵鬲湖的主要水力通道,也是太湖主要入湖河流.本文划分了影响百渎港断面水质的污染控制单元,并通过权重分析法进行了合理性分析.根据区域内各类污染源排放情况以及水环境现状,研究污染物的输移全过程,构建河网污染源-水质响应关系模型,制定百渎港入湖断面水质达标控制方案,为全流域开展污染源控制与污染物减排提供技术支撑.

1 控制单元划分方法

1.1 划分原则

控制单元是保证控制断面水质达标的主要污染物控制区域.控制单元划分技术指的是根据研究区域内污染源分布情况和河流水文特征,确定影响控制断面水质的主要污染源的分布区域的技术方法.主要思路是,首先建立研究区域水质数学模型,然后根据区域内污染源分布特征及拟定边界的水质状况,结合模型计算出影响控制断面水质的主要污染源所在区域.控制单元划分原则主要有以下两点:

a.水文情况.研究区域处于太湖流域平原河网地区,河流湖浜众多,河流多为自西向东、自北向南的流向.由于受潮汐影响,大部分河流为双向流,这使得上游污染源对断面水质的影响较为复杂多变,因此进行控制单元划分时要考虑到流域的完整性.

b.区域内污染源分布情况.划分控制单元时,应考虑使控制断面水质主要取决于控制单元内污染负荷的分布情况,即通过对控制单元内部污染源的控制能基本使控制断面的水质达标.

1.2 水质数学模型建立及参数选取

控制断面水质数学模型计算公式[13-14]为

式中:ρ——计算断面水体污染物质量浓度,mg/L;k——水质降解系数,d-1;u——流速,m/s;x——污染源与计算断面纵向距离,m;W——概化排污口排污量,t;ρ0——边界水体污染物质量浓度,mg/L;Q0——河流流量,m3/s,Q0=Bhu,B为河宽,h为河道平均深度.

计算选取的水质降解系数k参考太湖流域大网模型的水质降解系数的率定结果,综合考虑附近区域水质降解系数的规律,COD在0.08～0.12d-1之间选取,氨氮(NH3-N)在0.07～0.1d-1之间选取,总磷(TP)在0.07～0.1d-1之间选取.

1.3 控制断面上游河流排污口的概化

概化排污口的入河污染源包括工业点源、生活点源和农业面源,其中工业点源按双80%(即占各单元污染物总量的80%与占各镇污染物总量的80%相结合)的原则进行了筛选.原则上,有大型污水处理厂处、工业企业密集区及城市人口密集区附近的河流需要概化排污口.排污口若距离较近,可把多个排污口简化成集中的排污口.距离较远并且排污量均比较小的分散排污口,可概化为非点源入河.

通过排污口的概化,结合区域水质数学模型,可建立控制断面水质与上游概化排污口的响应关系.响应关系形如 ρ控制断面=f(ρ边界断面,ρ支流,W1,W2,…).先建立支流排污口与水质响应关系,再确定干流排污口与控制断面水质响应关系.支流汇入时要求功能区水质达标,边界水质取实测值.

1.4 划分合理性分析技术

在控制断面水质数学模型的基础上,可采用水质超标率权重控制法对控制单元划分合理性加以分析,其中控制单元外部污染源对控制断面水质的影响以边界水质的影响代替.设边界来水水质对控制断面水质超标的影响率与控制单元内污染源的排放对控制断面水质超标的影响率比值为α,计算公式为

式中:ρ1——边界取枯水期最不利情况实测水质时,不考虑内部污染源排放情况下按模型计算得出的控制断面的水体污染物质量浓度,mg/L;ρ2——边界取功能区水质目标时,考虑内部污染源排放情况下按模型计算得出的控制断面水体污染物质量浓度,mg/L;ρs0——控制断面水质目标,取江苏省地表水(环境)功能区划中要求的水体污染物质量浓度,mg/L.α越小,则控制单元内污染源的排放对控制断面水质影响越大,控制单元边界来水水质对控制断面水质影响越小,α＜1时,控制断面水质主要受控制单元内污染源的排放影响;α＞1时,控制断面水质主要受控制单元边界来水水质的影响;若边界水质实测值优于其水质目标,即α≤0时,控制断面水质情况完全由控制单元内污染源的排放决定.根据 α可计算出控制单元内外污染源对控制断面水质超标影响的权重.一般当单元内污染源对控制断面水质超标的影响超过50%时,可认为控制单元划分合理.

2 百渎港控制单元的划分

2.1 拟定控制单元的划分

结合百渎港断面上游河流水文特征及污染源分布情况,拟定大小尺度不同的3个控制单元Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ.拟定控制单元Ⅰ主要包括了太氵鬲运河与漕桥河流域;拟定控制单元Ⅱ主要包括了氵鬲湖以东太湖以西,江南运河以南殷村港以北的流域;拟定控制单元Ⅲ主要包括了长江以南整个常州、宜兴地区的流域范围.具体如图1所示.

根据图1所示的污染源分布与河流水文特征,拟定控制单元Ⅰ尺度较小,未必能完全揭示流域的污染过程,若仅仅对控制单元内污染负荷进行削减,不足以使控制断面水质达标;拟定控制单元Ⅲ尺度较大,可能出现对离控制断面较远处上游的污染源削减后,控制断面水质将不会出现明显好转的现象.因此初步确定拟定控制单元Ⅱ为百渎港控制单元.

2.2 研究区域水质数学模型合理性分析

将百渎港断面上游污染源概化为8个排污口,具体如图2所示.

图1 拟定控制单元范围示意图Fig.1 Sketch of control unit's scope

图2 拟定控制单元概化排污口示意图Fig.2 Sketch of control unit's generalized drain outlet

百渎港断面与上游排污口及河流边界水质响应关系公式如下:

将该模型计算值与2007年百渎港断面水质实测值进行比较,COD,NH3-N和TP计算值与实测值的误差分别为2.13%,6.31%和10.72%,误差均小于20%,说明该排污口概化及响应关系计算模型基本合理.

2.3 控制单元划分结果

在研究区域水质数学模型基础上,根据水质超标率权重法计算出拟定各控制单元内、外污染源影响权重,具体如表1所示.

从表1可知,拟定控制单元Ⅰ的内外影响权重相当,拟定控制单元外污染物对控制断面水质影响依然很大,而拟定控制单元Ⅲ虽然比拟定控制单元Ⅱ面积大很多,但两个控制单元内外污染源影响权重变化不大,可见,拟定控制单元Ⅱ为影响百渎港断面水质的主要控制区域范围.结合行政区划,最终确定影响百渎港控制断面水质的污染控制单元如图3所示.

表1 拟定控制单元内、外污染源影响权重Table 1 Influence weights of control units for internal and external pollution sources

3 百渎港断面水质达标削减方案

根据《江苏省地表水(环境)功能区划》的要求,百渎港断面近期应达到Ⅳ类水标准,远期应达到Ⅲ类水标准.根据2007年污染源普查资料及湖西重污染区各主要河流水质断面实测资料,分别从污染物分镇总量达标控制方案(A方案)和控制断面水质达标方案(B方案)入手研究控制单元内污染源的削减措施.

图3 百渎港控制单元范围示意图Fig.3 Sketch of control unit's scope of Baidu Port

A方案通过污染源和水质资料计算出控制单元内各镇污染物的环境容量和入河量,利用入河量减去环境容量再除以入河量,得出各镇污染物的削减率.根据各镇污染物削减率,通过排污口概化和模型计算得出百渎港断面削减后的COD质量浓度为29.8 mg/L,NH3-N质量浓度为2.65mg/L,TP质量浓度为0.31mg/L.COD经削减后基本满足功能区Ⅳ类水要求,NH3-N和TP仍不能满足功能区水质要求.

在A方案基础上,以控制断面水质达标为前提,根据上游河流来水水质不同和各污染源污染物排放量的变化,得到控制断面水质达标方案(B方案).控制单元内污染负荷分配,主要是将控制单元内允许排放总量分配到各概化排污口.各概化排污口按对控制断面水体污染物质量浓度贡献率方法削减.各概化排污口排污量Wi(i=1,2,…,n)对控制断面水体污染物质量浓度的贡献率计算公式为

式中:βi——概化排污口i对水质影响权重;ρi——概化排污口i与入河断面完全混合后的水体污染物质量浓度,mg/L.

按照各概化排污口对控制断面水体污染物质量浓度贡献比例进行分配,将超出允许排放量的部分进行削减.经计算,在边界水质达标情况下,各概化排污口COD需削减22%～66%,NH3-N需削减66%～80%,TP需削减55%～76%,见表2.

4 结 语

表2 B方案下各概化排污口水体污染物的削减率Table 2 Cut rates of pollutants at generalized drain outlets in case B %

为确保百渎港入湖断面水质达标,控制单元内的点源污染需通过调整产业结构和工业布局、抓紧工业点源的提标改造、提高污水处理厂接管率等措施进行削减;控制单元内的面源污染可通过建设农村分散式小型生活污水处理设施、种植田地结构调整、养殖业粪便资源化利用等措施进行削减.

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