基于河道水污染治理和水环境总量计算研究——以辽阳市境内浑河段为例

王 畅

(灯塔市水利工作服务中心，辽宁 辽阳 111300)

0 引 言

在不破坏水体使用功能的情况下，水环境容量即为水体所能容纳的最大污染物量。若给定设计水量、水质目标和水质条件，水环境容量是指水资源开发利用区域内能容纳的最大污染物量。河流水体中污染物迁移转化的自然净化与物理稀释功能，通过自净容量和稀释容量来反映。一般条件下，自净容量小于稀释容量，水体净污比超过10-20倍时，仅考虑稀释容量[1]。

随着城市需水量的逐年增加和环境污染的日趋严重，由于水源水质污染和水资源供给不足引起的用水持续紧张问题成为城市发展的瓶颈之一，水环境保护领域的研究热点逐渐转向为污染物排放总量控制和水环境容量的计算。在控制总污染物的情况下，对水环境容量的研究为当前研究的热点和重要课题。

关于环境容量的计算方法，诸多学者在不同河流中开展了一系列的研究，并取得了较好的成效。如韩龙喜等对南通河网的水环境容量和水量水质，运用考虑了水文地理特性的水量水质模型进行计算模拟；周刚等基于粒子群算法中的非线性优化法和水质模拟模型，在动态水文条件下提出了考虑氨氮、化学需氧量水质因子的水环境容量计算方法，为赣江下游的污染物总量控制提供一定的决策依据；孟伟等通过分析水环境质量标准与基准的内涵，系统概括了两者对污染物控制的作用及其制定过程，从制定方法、保护功能、体系组成等方面对比了国内外水质标准体系的差异，研究了在污染物控制时水质标准的应用状况[2-4]。

综上分析，现有研究主要集中在目标总量的控制技术分析，实现流域单元的容量总量水质目标控制与目标总量控制的转变为未来发展的必然趋势。鉴于此，文章依据控制断面法和区域水系的水文特征，尝试按月分配河流水环境容量，为优化设计更加严格、更加精细的流域污染控制方案提供一定的依据[5-7]。

1 水环境容量计算方法

枯水期流量少、汇水面积小、水环境容量有限以及水源补给条件差等为辽阳市浑河流域的典型特征，因此该河段属于雨源型河流。近年来，随着城镇化建设和经济社会的快速发展，各行业用水量的急剧增大使得流域内水资源开发强度较高，并对河流水污染治理造成较大压力。文章以辽阳市浑河流域为例，为了能够满足监测断面Ⅲ类水质的目标要求并最大限度的利用浑河流域水环境容量，对浑河水环境容量利用控制断面法确定。

在达到某一控制断面水质要求的条件下确定控制断面之间的环境容量，然后向上游反推至上一断面，则该控制断面的水环境容量为两断面之间所有排污口的允许排污量之和。河流水环境容量包括自净容量和稀释容量2个部分，其计算方法如下：

(1)

(2)

E=E1+E2

(3)

式中：E1、E2、E为河流稀释容量、自净容量和水环境容量，g/s；Q、qi为河流合计流量和平均污染物排放量，m3/s；cs、c0为水质标准值和河流标准浓度，mg/L；u、k为河流水流速度和污染物降解系数，m/s、d-1；ti为时段i内的水流时间，d。

2 水环境容量计算参数

2.1 设计水文条件

考虑到浑河流域实测水文资料不完整的实际情况，选用辽宁省水文图集相关成果计算分析流域的径流深，由此推算出不同保证率下浑河交接断面的天然径流量。查算结果为，浑河流域的偏态系数Cs和年径流变差系数Cv值分别为0.76、0.38，详见表1。

表1 浑河流域天然径流量计算值

浑河流域具有非汛期水量极少、汛期洪水陡涨陡落等特征，属于典型的雨源型河流。对于北方地区河流，水环境容量的计算通常为90%保证率的设计流量，且环境容量的逐月分配还要考虑典型年径流量月分配状况，从而制定更加科学的污染治理措施和控制方案。

另外，为维持河流的流动性、自然性和确保河流常年流水不断，结合相关统计资料，每年补给辽阳市浑河流域的再生水约8285万m3，河流水环境容量在一定程度上受补给的水资源的影响。随时间的变化调水量的变化较小且调水的水量来源稳定，所以可认为在实践上均匀分配这部分容量[11-12]。

本次水环境容量计算的水文条件为天然径流量与补给水量之和，然后逐月分配水环境容量，从而获取浑河流域辽阳段月径流量，见表2所示。

表2 浑河流域辽阳段逐月水文条件

2.2 水环境治理目标

根据水资源开发利用现状、功能要求和自然条件等划分的水功能区划，不同功能区的水质管理目标存在差异。结合辽宁省河流水质管理要求和辽阳市地面水环境功能区划，确定浑河流域水环境治理目标为监测断面水质达到Ⅲ类水质要求，其基本项目的质量浓度标准限值如表3。

表3 Ⅲ类水质关键指标浓度标准限值

2.3 水质降解系数

在生物、化学、物理等综合降解作用下水体中污染物浓度下降快慢的程度可通过污染物降解系数来反映，它是表征一系列降解作用后污染物质概化的重要参数。当前，模型率定法、经验系数法、试验室测定法和现场实测法等为污染物降解系数测定的主要方法。文章依据韩龙等关于纳污能力相关研究，采用经验系数法确定浑河流域辽阳段的污染物降级系数K为0.15d-1。

3 水环境容量计算结果

3.1 结果分析

按照以上计算方法，90%保证率条件下浑河流域辽阳段天然补水与流量的水环境容量月分配情况如表4。以COD污染物为例，进一步分析入河污染量月分配状况。

表4 现状月入河COD水环境容量

根据表4可知，浑河流域辽阳段年水环境容量为5160t，在年内分配上整体呈现出枯水期水环境容量小，而丰水期大的变化特征，其中水环境容量最小、最大的月份为12月和7月。

通过分析浑河流域污染源调查资料和污水处理厂运行数据，确定该河段的COD年负荷量为110751t，其中年入河量为40750t，年处理量56200t，入河污染物总量在枯水期12月份达到水环境容量的61.8倍。由此表明，相对于污染入河量而言浑河的水环境容量非常的小，河流水环境承载能力显著低于污染负荷量，特别是在枯水期12月份，入河污染物总量约为水环境容量的61.8倍，即使将河流系统最大承载能力按水环境容量最大月计算，也远远低于污染负荷量。

根据浑河流域2005-2017年土地利用类型空间变化特征，期间大片的林业、农业用地被建设用地取代。随着人口的增多、经济的发展以及城市的不断扩张，流域内污废水量和水资源用量急剧增多，而滞后的水污染治理措施使得水环境进一步恶化，这也是浑河流域长期超过Ⅴ类水质、水环境功能受损、水质恶化和水体严重污染的主要原因。

3.2 水质改善措施

根据生态恢复、水质净化、内源清淤、清水补给、外源减排的技术路线开展城市河道的水质综合治理，其中内源清淤和外源减排为水质治理的基本前提，污染治理的阶段性手段以水质净化为主，而保证河流水环境的有效措施为生态恢复和水动力改善技术，具体如下：

1)外源阻断。面源控制和截污纳管为外源阻断的两种重要方法，其中城市面源以周边的垃圾和雨水径流中污染物为主，面源污染控制的有效措施为清理水体周边的垃圾；截污纳管主要是通过原位处理或接入市政污水管，阻断直接排放消减外源入河量。

2)内源控制。城市河流水质在很大程度上受外源入河沉淀的影响，即底泥对水体环境可产生二次污染，氮磷、重金属等在外源污染有效控制的条件下也会在特定的条件下进入水体，并在河道底部逐渐积累，对河流上部分水体产生影响。对此，可采取机械清淤和生物酶底泥修复相结合的内源污染控制的有效措施，具有可持续性好、去除污染率高及减少快等优点。

3)水质净化。稳定塘、人工湿地技术、絮凝沉淀技术、生态辅导、人工曝气充氧等为净化城市黑臭水体水质的主要技术，人工曝气充氧有包括臭氧、纯氧或空气等。

4)水动力技术。河道水环境系统在外界污染物迅速进入河道时产生失衡或不稳定，因此要采用应急措施确保河流水系统的完整性，河道抵抗外界干扰的能力可通过人工净化干预体系提升。在促进污染物输出、净化、扩散以及稀释黑臭水体污染物浓度等方面，调水措施具有明显的效益，一般适用于环境容量低、水动力不足、纳污负荷高的城市水环境治理工程。

5)生态修复措施。水体中氮、磷浓度较高不仅可造成其他水生生物大量死亡、藻毒素和水质恶化等问题，而且可使得水体发黑发臭，所以这也属于生态失衡问题。磷的控制为城市河流富营养化治理的核心，当前污水厂对磷指标的排放限值远远低于地表水标准。因此，在条件允许的情况下提高总磷排放标准或实行限磷排放措施具有显著的成效。紫外线杀藻和直接收集藻类为常用的物理控制技术，而化学控制以投放有机或无机抑藻剂为主，投放食藻鱼类或种植抑藻水生植物为生物控制的主要方法，在紧急情况下这些措施的成效非常明显。水生态修复有构建水位生态系统、恢复水生动物和水生植物食物链等，充分发挥完整的食物链功能持续去除城市水体的营养物与污染物，进一步改善水体质量和河流生境。

4 结 论

对浑河流域辽阳段水环境容量依据控制断面法和COD指标进行计算分析，通过叠加计算流域外调水增加和天然流量产生的水环境容量，按月分配得到浑河流域逐月水环境容量，结合计算结果对比分析了流域入河污染总量，主要结论为：

1)相对于污染入河量而言浑河的水环境容量非常的小，河流水环境承载能力显著低于污染负荷量。随着人口的增多、经济的发展以及城市的不断扩张，流域内污废水量和水资源用量急剧增多，而滞后的水污染治理措施使得水环境进一步恶化，这也是浑河流域长期超过Ⅴ类水质、水环境功能受损、水质恶化和水体严重污染的关键因素。

2)为改善河流水环境质量，充分发挥治污措施的功能作用，相关部门治污方案的设计应尽可能的遵循生态修复、水质净化、内源清淤、清水补给和外源减排等技术路线。