江苏省水环境容量计算及总量控制目标可达性研究

胡开明 娄明月 冯彬 逄勇

摘要：改革開放三十多年来，江苏省在经济高速发展的同时，环境污染和生态破坏问题较为突出，江河湖海水环境污染尚未得到有效遏制。污染物总量控制可以弥补由排放浓度控制所带来的缺陷，在水环境治理过程中具有举足轻重的地位，水环境容量的计算为总量控制目标的确定提供了理论基础。本研究通过对江苏省全省生活污染源、工业污染源和农业面源污染源排污的分布情况进行调查，并计算现状污染物入河量，利用构建的江苏区域水量水质数学模型，依据水环境功能区的水质目标与水域面积，估算了各地区水环境容量，量化出各地区污染物入河总量，对各地区水质目标可达性进行分析。计算结果表明，全省水环境容量COD为90.79万吨，氨氮为11.76万吨，2015年各地市污染物入河量均超过了水环境容量，水体功能严重受损。在采取一系列环境保护政策和水污染控制工程后，到2020年全省COD入河量下降到77.31万吨，氨氮入河量下降到10.42万吨，均达到规划总量控制要求，但南京市、无锡市、扬州市、镇江市和泰州市仍未达标，这些地区需进一步采取措施削减污染负荷。

关键词：水环境容量;总量控制;水量水质模型;目标可达性

中图分类号：X11    文献标识码：A    文章编号：2095-672X（2021）01-0103-09

DOI.10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2021.01.017

Calculation of water environmental capacity and accessibility of total amount control target in Jiangsu Province

Hu Kaiming1，2，Lou Mingyue1，2，3，Feng Bin1，2，Pang Yong3

（1. Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science， Nanjing 210036，P.R.China;

2. Jiangsu Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering， Nanjing 210036， P.R.China;

3. College of Environment， Hohai University， Nanjing 210098， P.R.China）

Abstract：Over the past 30 years of reform and opening up， Jiangsu Province has witnessed rapid economic development， while environmental pollution and ecological damage have become more prominent. The total amount control of pollutants can make up for the defects caused by the emission concentration control， and plays an important role in the process of water environment treatment. The calculation of water environment capacity provides a theoretical basis for the determination of total amount control objectives. In this study， the distribution of domestic pollution sources， industrial pollution sources and agricultural non-point sources pollution sources in Jiangsu Province was investigated， and the current amount of pollutants into the river was calculated. Based on the water quality objectives and water area of the water environment functional areas， the water environment capacity of each region was estimated and the total amount of pollutants into the river was quantified The accessibility of water quality objectives in each region was analyzed. The calculation results show that the water environmental capacity of the whole province is 90.79 ten thousand tons of COD and 11.76 ten thousand tons of ammonia nitrogen. In 2015， the amount of pollutants into the river exceeded the water environmental capacity， and the water function was seriously damaged. After adopting a series of environmental protection policies and water pollution control projects， by 2020， the amount of COD entering the river will be reduced to 77.31 ten thousand tons， and the amount of ammonia nitrogen will be reduced to 10.42 ten thousand tons， all of which can meet the requirements of total planning control. However， Nanjing， Wuxi， Yangzhou， Zhenjiang and Taizhou are still not up to the standard. Further measures should be taken to reduce the pollution load in these areas.

Key words：Water environmental capacity;Total control;Water quantity and quality model;Target accessibility

随着社会经济的快速发展和城市化进程的不断推进，江苏省生态环境急剧恶化，尤其是水域污染和富营养化日趋严重，总氮、总磷、生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）等多项污染物指标超标，水质的急剧恶化逐渐成为经济发展的制约因素[1-2]。为此各地政府开展了大量的河流污染治理工作，虽然局部水域污染状况得到一定程度的改善，但是水环境恶化的趋势并未得到有效遏制[3]。控制河湖污染物总量的关键在于制定科学合理的河湖污染防治措施，而水环境容量是制定科学合理的流域污染防治措施的主要依据，水环境容量分析与流域污染物排放预测已逐渐成为水环境管理的一种重要手段。

本研究通过综合调查和总结以往研究成果，对江苏省各地市水污染现状及其污染源进行了分析和测算，并通过建立区域河网、湖泊及长江江苏段水量水质数学模型[4-5]，根据水功能区的水质目标测算各控制单元水环境容量，并基于各控制单元水环境容量，对各地市水环境容量进行汇总，确定各地市污染物总量控制目标。最终，结合各地市污染物入河量预测，进行目标可达性分析，为江苏省各地市后续的科学治理河湖污染提供基础支撑。

1    研究区域概况

江苏省按流域可划分为淮河、长江（含太湖）两大流域。长江流域共分4个水生态控制区，分别为沿江风险防范区、跨界水生态保护控制区、太湖上游控制区、太湖湖体富营养化控制区，划分为53个国家级控制单元。淮河流域水系共分4个水生态控制区，分别为京杭运河江苏段控制区、淮河江苏控制区、江苏排海区和通榆河控制区，划分为48个国家级控制单元[6]。

2    计算方法

2.1    水环境数学模型构建

以流域降雨径流模型和分布式污染负荷模型[7]的计算结果（废水量和污染物量）提供的设计水文条件和边界条件为基础，根据江苏省河网、湖泊及长江江苏段分布特征，将天然河流和湖泊进行合并、概化，建立考虑点源及面源共同影响的江苏省河网模型，再与湖泊水动力和水质模型相互耦合，构建覆盖研究区域的河网-湖泊污染负荷总量计算模型[8]，模拟河网以及湖体的水动力特征及污染物迁移转化的变化过程，为江苏省各地市水环境容量及总量控制计算提供条件。

2.2    水环境容量计算方法

2.2.1    河网区水环境容量计算方法

根据确定的边界水文条件，利用研究区域河网水环境数学模型，根据功能区水质目标计算出研究区域最小空间单元和最小时间单元的水环境容量值;再根据公式汇总出各控制单元的水环境容量值[9-10]。河网区水环境容量具体计算公式如式（1）和式（2）。

式中：Csij为不同功能区相应水质标准下的浓度;K为水质降解系数;Vij为不同功能区的水体体积;Q0ij、C0ij分别为不同功能区进口断面的入流流量和水质浓度。Wij为控制单元的水环境容量值。计算中最小空间计算单元为河段（河段为两节点之间的河道，取值范围为200～1000m），最小时间计算单元为天。

W=aij×[j=1ni=1mW]ij                 （2）

式中：αij为不均匀系数[11];αij∈（0，1]，河道越宽、水面越大，则αij越小。本次水环境容量计算中的αij取值范围为0.6～1.0。

对于往复流地区，采用双向流[12]计算公式，具体如下：

式中：A为正向流计算时间段天数;B为反向流計算时间段天数;W正为正向河流的水环境容量值;W反为反向河流的水环境容量值。

2.2.2    长江水体水环境容量计算方法

长江江苏段水环境容量由两部分组成：一为向长江排污形成污染带长度的水环境容量;二为引长江水到内河地区增加的稀释容量。向长江排污产生的水环境容量由污染带长度控制法进行计算;引长江水增加的稀释容量按照完全混合公式进行计算。

首先根据长江沿线的工业污染源分布情况、主要入江支流排污口分布情况、沿江污水处理厂分布情况进行入江排污口概化。根据水文设计条件以及率定得到的水量水质模型参数，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值。以各排污口允许排污量值为基础进行向长江排污产生的水环境容量量计算，具体为：

①计算出概化排污口在不同污染带长度下的允许排污量值。

②调查得到江苏省沿江8个地级市的岸线长度，取岸线长度的10%作为排污混合带区域。

③以8个地级市为单元，对所属概化排污口的允许排污量值进行计算及累积。

在长江岸线长度的10%用作排污混合带基础上，根据概化排污口允许排污量计算结果，进行8个地级市允许排污量累计及向长江排污产生的水环境容量值计算。

2.2.3    大型湖泊水环境容量计算方法

采用二维非稳态水量水质数学模型（模型应用守恒的二维非恒定流浅水方程），根据概化河道设计水量及相应功能区水质目标值计算得到不同风向下污染带，形成污染带的允许排污量即为湖泊的水环境容量[13]，计算公式见式（4）。

（4）

式中：Wij为单个排污口在某一风向风速下的水环境容量，并以污染带面积控制;αij为各个风向风速频率;n为排污口个数;b为不同风向风速频率个数;ΔW为水环境容量订正值，用以补充未概化到的河道的水环境容量值。

2.3    污染物入河量计算方法

根据江苏省各地市統计年鉴中2015年人口、耕地面积、畜牧业生产情况等相关资料，环保部门提供的2014-2015年污染源普查资料和动态更新数据及水利普查资料进行污染源入河量计算，具体计算方法如下：

W[入河量=W1]×[β1]+[W2]×[β2][+W3]×[β3]       （5）

式中：W1为工业源污染物排放量;β1为工业源污染物入河系数（取值范围为0.8～1）;W2为生活污染源排放量;β2为生活源污染物入河系数（取值范围为0.6～1）;W3为农业源污染物排放量;β3为农业源污染物入河系数（取值范围为0.15～0.3）。

2.4    计算条件及参数确定

2.4.1    功能区划

根据《江苏省地表水（环境）功能区划》（苏政复〔2003〕29号）及相关调整[14]，结合《国务院关于全国重要江河湖泊水功能区划（2011-2030年）》（国函〔2011〕167号）的批复要求[15]，综合确定本次计算的水功能区单元为1338个。对于1338个水功能区单元中的水质目标值，首先以《国务院关于全国重要江河湖泊水功能区划（2011-2030年）》（国函〔2011〕167号）的批复确定功能区水质目标为准，对于国家没有划分的水功能区单元的水质目标值，取《江苏省地表水（环境）功能区划》（苏政复〔2003〕29号）规定的2020年水质目标值。

2.4.2    设计水文条件

按照《水域纳污能力计算规程》（GB25173-2010）[16]的规定，利用江苏省主要水文测站长序列降雨、水文资料计算得到90%保证率下的典型年水位及流量值，以进行90%保证率下的水环境容量值的计算。

2.4.3    水质降解系数

在以往工作的基础上，取本次计算环境容量的降解系数值的范围为：苏南水体CODMn的水质综合降解系数在0.08～0.13（1/d）之间，苏北水体CODMn的水质综合降解系数在0.07～0.19（1/d）之间;苏南水体氨氮的水质综合降解系数在 0.07～0.18（1/d）之间，苏北水体氨氮的水质综合降解系数在0.07～0.19（1/d）之间。

2.4.4    不均匀系数

水体环境容量的理论值，为水体污染物均匀混合后的数值，但是污染物排入水体后在上下游、左右岸、上下层很难达到均匀混合。为保证环境容量计算结果与实际不均匀现象相一致，在河网（河道）区和湖泊（水库）区环境容量计算过程中采用了不均匀系数进行订正，将水体不均匀混合的环境容量乘以不均匀系数，得出水体满足一定控制条件下的水体环境容量值，不均匀系数取值界于0和1之间。

2.4.4.1    河网（河道）区不均匀系数

河道越宽，污染物排入水体后达到均匀混合越难，不均匀系数就越小，分析得出河网（河道）区不均匀系数如表1所示。

2.4.4.2    湖泊（水库）区不均匀系数

湖泊越大，污染物排入水体后达到均匀混合越难，不均匀系数就越小，分析得出湖库不均匀系数如表2所示。

3    结果与讨论

3.1    水环境容量及减排量计算

根据江苏省各控制单元水环境容量及现状入河量计算结果，得出江苏省13个地市污染物入河量、水环境容量以及需减排量，各地市水环境容量和2020年总量控制目标如表3所示。2015年江苏省各地市污染入河量均超过了水环境容量，必须通过削减才能保障水体功能。本研究后续进一步分析江苏省2015年后实施一系列环境保护政策和水污染控制工程后，到2020年各地市生活源、工业源和农业源污染物入河量预测值，并对总量控制目标进行可达性分析。

3.2    污染物入河量预测

3.2.1    生活污染源入河量预测

根据2020年江苏省国民经济社会发展趋势，2020年江苏城镇人口增长率为2.21%。按照《江苏省水污染防治工作方案》（省“水十条”）城市、县城污水处理率取平均值90%，对2020年城镇生活源进行预测。预测中新、扩、改建城镇污水处理设施中出水应符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准[17]。预测生活源入河量计算结果如图2所示。南京市、徐州市和盐城市生活源COD入河量较高，生活源COD入河量分别为5.48、6.16和6.46万吨/年。南京市、徐州市、苏州市和盐城市生活源氨氮入河量较高，生活源氨氮入河量分别为1.10、0.79、0.86和0.87万吨/年。

根据对全省各行业2020年工业产值预测，对全省工业源COD和氨氮排放量进行预测。按照行业单位工业产值水污染物排放系数进行预测，暂不考虑技术进步对工业源减排的贡献。预测工业源入河量计算结果如图3所示。南京市、盐城市和扬州市工业源COD入河量较高，工业源COD入河量分别为2.29、2.77和3.23万吨/年。南京市、扬州市和泰州市工业源氨氮入河量较高，工业源氨氮入河量分别为0.19、0.33和0.34万吨/年。

3.2.3    农业污染源入河量预测

结合省“水十条”、《江苏省太湖流域十三五总氮总磷污染控制方案》以及根据中央“一号文件”精神制定的《到2020年江苏省农药、化肥使用量零增长行动方案》等对区域面源污染控制的要求，2020年全省农业源污染排放总量削减1%～10%，之后维持农药化肥“零增长”的同时，提高利用率。预测农业污染源入河量结果如图4所示。徐州市、南通市、连云港市和盐城市农业源COD入河量较高，农业源COD入河量分别为1.26、1.28、1.22和1.49万吨/年。南通市、盐城市和泰州市农业源氨氮入河量较高，农业源氨氮入河量分别为0.17、0.19和0.11万吨/年。

3.3    各地市总量控制目标可达性分析

将2020年江苏省各地市生活源、工业源和农业源入河量预测值进行相加，得到2020年各地市污染物入河量，将前文计算得到的水环境容量与污染物入河量进行对比分析，进而判定到2020年各地市污染物总量控制是否达标。计算结果显示，通过实施一系列环境保护政策和水污染控制工程后，江苏省全省2020年COD入河量为77.31万吨，氨氮入河量为10.42万吨，均能达到规划总量控制要求。但是到2020年13个地市未完全达标，COD总量未达标的地区有南京市、无锡市、扬州市和镇江市，氨氮总量未达标的地区有南京市、无锡市、扬州市和泰州市，这些地区需进一步采取措施削减污染负荷。

4    结论与建议

4.1    结论

（1）2015年江苏省各地市COD和氨氮污染入河量均超过了水环境容量，水体功能严重受损，必须实施一系列环境保护政策和水污染控制工程，确保总量控制达标，保障水体功能。通过对2020年污染物入河量预测，结果显示南京市、徐州市和盐城市污染物入河总量较高。就生活源来说，COD入河量盐城最高，氨氮则是南京为主;就工业源来说，COD入河量扬州居多，氨氮则是泰州第一;就农业源来说，COD和氨氮入河量均是盐城最高。

（2）总量控制目标可达性分析表明，到2020年全省COD和氨氮入河量均能达到规划总量控制要求，但南京市、无锡市、扬州市和镇江市COD超过环境容量;南京市、无锡市、扬州市和泰州市氨氮超过环境容量，当前水环境形势依然十分严峻，污染物总量控制压力仍然较大。

4.2    建议

4.2.1    深入推进太湖治理

在太湖流域严控工业废水排放，大幅削减太湖上游地区工业污染负荷，大力调整宜兴、武进产业结构，建立严于全省的氮磷控制制度，实施太湖流域总磷、总氮总量控制方案，加强15条主要入湖河流综合治理;大幅削减农业面源污染负荷，实施化肥农药减量工程，加快畜禽和水产养殖污染治理与管控，推行水产生态养殖，推进标准化鱼池建设，规范池塘循环水养殖，加强水产养殖废水集中排放控制;加快污水管网建设管理。

4.2.2    加强长江沿线综合整治

集中整治入江河流，加强入江排污口的治理和监管;建设长江生态安全带，加强岸线保护，实施长江干线及洲岛岸线开发总量控制;加强沿江经济开发区（工业园区）综合整治，减少污水排放量。

4.2.3    提高淮河流域防治水平

加强生活污水及生活垃圾收集处理等城乡环境基础设施建设;大力推进海绵城市建设，尽可能减少污水处理厂尾水长距离导流;限制徐州、宿迁等缺水地区发展耗水型产业，调整产业结构，严格控制高耗水、高耗能和重污染的建设项目;推进规模化畜禽粪便资源化利用，控制种植业污染。

4.2.4    深化污染防治工作

对于南京市、无锡市、扬州市、镇江市和泰州市这5个总量不达标的城市，要深化工业污染防治，严格环境准入，加大落后化工产能淘汰力度，加快产业结构升级和布局调整;同时进一步提升生活污水处理水平，提高污水集中处理设施运行效率;推进农业农村污染整治，调整渔业产业结构，并且深入开展区内水环境综合整治，调活水体流动性，进行内河疏浚、河湖水生态修复。通过建立流域—控制单元—控制断面的治理体系，以控制单元治理保障断面水质达标，以断面水质达标确保流域控制目标完成，系统推进流域水污染防治。

参考文献

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[17]GB18918-2002， 城镇污水处理厂污染物排放标准[S].

收稿日期：2020-12-09

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项项目（2018ZX07208-004）、江苏省自然科学基金——青年基金项目（BK20191083）与江苏省环保科研课题（2018004、2018005）联合资助。

作者简介：胡开明（1985-），男，安徽铜陵人，博士，高级工程师，主要从事水环境数值模拟与水污染控制方向研究。