基于水环境约束的染整产业发展规模的优化研究——以A工业园区为例

蔡 圃，邵 兵，李明亮

(广西博环环境咨询服务有限公司，广西 南宁 530000)

纺织工业是我国发展最早且最具有国际竞争力的行业[1]，因该行业高耗水、高排放的特征[2]，已成为环境管理重点监控的行业。根据《第二次全国污染源普查公报》显示，纺织工业水污染物的排放量已位居工业行业第3位。其中，化学需氧量（COD）、氨氮和总磷分别占工业行业排放总量的12.07%、7.64%和11.81%。其中，染整是纺织产业链的核心环节，也是排污量最大的环节[3]，对水环境的影响也最为严重。

目前，我国正处于纺织工业梯度转移和重新布局的重塑期[4-5]，对于承接产业转移的后发地区而言，科学确定产业发展规模十分重要。目前，在园区规划工作中，土地、物流、能源、劳动力等要素对于产业的支撑作用报道较多[6]，但水环境的要素对于产业规模的约束作用报道较少。以A工业园区为例，根据园区规划内容和区域环境等条件，提出了依据水环境的承载力和减排潜力来确定染整产业规模的方法和路径。

1 概况

1.1 A园区规划概况

A园区规划建设用地面积为1 013公顷，其中，工业用地为443.25公顷，规划布局为纺织染整、服装加工、林产业加工、机械制造等产 业。其中，染整是园区规划的主导产业，控制用地面积达2 250亩；规划配套的给水和排水规模均为30万t/d。但受当地水资源的分布约束，只能在流经园区南侧的N河取水和排污，其取水口拟设置在排污口上游750 m处。规划排污口COD执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级A标准（COD≤50 mg/L），氨氮和总磷执行《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中Ⅳ类标准（氨氮≤1.5 mg/L、总磷≤0.3 mg/L）。

1.2 N河环境概况

N河是当地流量最大的河流，从北向南独流入海，干流全长287 km，河道平均坡降0.4‰，流域面积为9 704 km2，多年平均径流量为69 m3/s，年径流量为27.80亿m3。在A园区断面，控制流域面积为3 829 km2，典型的水文特征是：枯水期，90%保证率最枯月平均流量为9.17 m3/s，河宽107 m，平均水深0.57 m，平均流速0.15 m/s；丰水期，平均流量为139.42 m3/s，河宽140 m，平均水深1.53 m，平均流速0.6 5 m/s。

由于当地人口分布多，生猪养殖盛行，养殖污水和生活污水是N河面临的主要环境问题，其主要污染因子是氨氮和总磷。根据水功能区划，A园区规划排污口到S电站（径流式）25.4 km的河段为Ⅳ类水功能区，其后为Ⅲ类水功能区；规划排污口下游42.8 km处为环境质量自动监测国控断面。近年来，随着流域环境治理的实施，流域水质逐渐好转，在2020年国控断面各项指标均满足Ⅲ类水考核要求。但在局部河段，仍然存在总磷年均值不达标，氨氮年均值达标但个别月均值不达标的情况。因此，为确保国控断面的稳定达标，新增排污量对应的超标因子应采取减量削减措施。

1.3 流域排污需求概况

在A园区上游27.8 km处分布有B园区，该园区正处于规划阶段，按照当地政府部门的要求，需预留的排污量为1万m3/d，排污口执行一级A标准。在A园区上游54 km处分布有C园区，该园区正处于开发中期阶段，现状排污量为10万m3/d，环评已批复、在建的污水处理设施的排污量为10万m3/d，排污口执行标准与A园区相同。上述三个园区的位置关系及排污需求如图1所示。

图1 流域内园区位置关系及排污需求示意图

1.4 区域减排潜力

区域内现有的工矿企业分布较散、排水较少，不具备削减潜力。因此，只能从造成流域水质问题的养殖污染源和生活污染源出发，从而采取减排措施，形成一定减排量。经当地政府部门多次研讨，决定通过完善污水收集管网来提高现有污水处理设施的运行负荷，并根据相关需求增加社区和农村生活污水处理设施的建设，再通过清拆采用传统水冲粪工艺的猪舍等途径，实现了减排氨氮36.37 t/a、总磷6.19 t/a。具体减排情况详见表1。

表1 区域减排措施和减排量统计表

2 水环境承载力以及改善质量状况的评价方法

2.1 总体思路

按照《环境影响评价技术导则 地表水环境》（HJ 2.3-2018）推荐的方法，对于现状达标因子（COD），计算剩余的环境承载力。计算方法是，将规划排污口下游2 km处定为核算断面，预留环境质量标准的8%作为安全余量，使该断面的污染物最大浓度不超过Ⅳ类水质要求；而对于现状超标因子（氨氮、总磷），根据区域减排潜力，采取减量削减措施，从而使区域环境质量整体得到一定改善，以达到改善水环境质量的目标。同时，在满足上述要求的基础上，还要确保下游国控断面继续满足Ⅲ类水质的考核要求。

2.2 水环境承载力的评价方法

通常，排污口下游污染物的扩散河段称为混合过程段，可采用二维连续稳定排放模型；而在混合过程段之后污染物完全混合均匀，称为完全混合过程段，可采用一维连续稳定排放模型。

混合过程段计算公式见式（1）。

式中：Lm—混合段长度，单位：m；B—水面宽度，单位：m；a—排放口到岸边的距离，单位：m；u—断面流速，单位：m/s；Ey—污染物横向扩散系数，单位：m2/s，按照《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173-2010）推荐的方法计算。

二维连续稳定排放模型见式（2）。

式中：C—纵向距离x、横向距离y点的污染物浓度，单位：mg/L；Ch—上游污染物背景浓度，单位：mg/L；m—污染物排放速率，单位：g/s；h—平均水深，单位：m；u—平均流速，单位：m/s；k—污染物综合衰减系数，单位：/s，COD、氨氮、总磷分别取值0.2/d、0.1/d、0.05/d；n—河道糙率，无量纲，取值0.0004。

一维连续稳定排放模型见式（3）。

式中：C—预测点x处污染物的浓度，单位：mg/L；C0—完全混合断面处的浓度，单位：mg/L；x—预测点离排放点的距离，单位：m。

2.3 水环境质量改善状况的评价方法

通过对比规划排污量和区域削减量对水环境质量的贡献，采用平均质量浓度变化率评价流域环境质量改善状况，计算公式见式（4）。将覆盖规划排污口和区域削减源的河段，每隔500 m划分为一个计算断面，分别计算规划排污口新增污染物和区域削减措施减排污染物对各计算断面的贡献，然后求出各计算断面贡献值的算术平均值，得到规划排污口和区域削减措施对流域的平均贡献值。

3 计算结果分析与讨论

3.1 水环境承载力的计算

3.1.1 背景浓度修正

在同一流域内，往往包含了不同的行政单元，为了避免各部分出现极不平衡的发展状况，所以在水环境规划和管控时要兼顾各单元的发展需求[7]。在计算COD的环境承载力之前，要根据区域排污需求对背景浓度进行修正。可采用一维水质模型，叠加B园区和C园区排污量在背景断面的贡献值，对背景浓度进行修正，使A园区允许排污量的计算结果更加合理。修正计算详见表2。

表2 COD背景浓度修正计算表

3.1.2 水环境承载力计算

以修正背景浓度为基础，把Ⅳ类水质标准限值的92%作为核算断面的控制目标，将河道天然流量扣除6万m3/d的园区的取水量作为计算的水文条件，采用二维连续稳定排放模型，计算得到COD的环境承载力详见表3。按照一级A标准的排放限值（COD 50 mg/L）进行折算，得到允许排放量为丰水期44.10万m3/d、枯水期5.61万m3/d。为了确保各期水质均达标，要将丰、枯水期计算结果取严值，然后得到允许排放量为5.61万m3/d。同时，还要结合当地政府的管理要求，分配5万m3/d用于染整产业的发展，剩余部分用于其他产业的发展。

表3 COD水环境承载力和允许排放量计算结果表

3.2 区域削减与环境质量改善状况计算

（1）将5万m3/d的排水规模和Ⅳ类水质标准限值相乘，得到园区允许排污量。再利用区域削减减排量除以园区允许排污量，得到削减倍数为氨氮1.47、总磷1.25，达到了减量削减的目的。具体情况详见表4。

表4 氨氮和总磷削减倍数计算表

（2）利用水质预测模型和平均质量浓度变化率公式，计算得到氨氮和总磷的平均质量浓度变化率，具体情况详见表5。氨氮和总磷的计算结果均为负值，表明采取区域削减措施后，流域环境质量整体得到一定程度的改善。

表5 氨氮和总磷平均质量浓度变化率计算结果表

3.3 对下游国控断面影响的计算

按照规划排污口5万m3/d的排水规模，考虑区域削减的贡献，计算得到下游国控断面丰、枯水期的质量浓度预测值，具体情况详见表6。计算表明，三种主要污染物仍能满足地表水Ⅲ类水质要求，说明规划5万m3/d的排水规模是可行的。

表6 规划排污口对下游国控断面的影响计算结果表

3.4 水环境承载力与产业规模的讨论

园区染整产业主要以缸染、水洗、浆纱为主，因此，染整结构影响了产业的发展规模。根据类似园区的开发经验，缸染、水洗和浆纱的亩均用水量分别为80 m3/d·亩、200 m3/d·亩、50 m3/d·亩。若规划染整结构按5:3:2进行控制，通过加权计算得到亩均用水量为110 m3/d·亩。考虑中水回用率为30%，则允许的工业给水量为7.1万m3/d，计算得到可开发面积为645亩。

为评判中水回用和染整结构对产业规模的影响，表7中给出了允许排污量保持在5万m3/d不变时，5种不同情景下染整产业的可开发面积。在染整结构不变时，随着中水回用率的提高，工业给水量增加，可开发面积增加；当中水回用率达到50%时，缸染、水洗和浆纱按5:3:2控制，计算得到可开发面积为907亩；在中水回用率不变时，随着染整结构的调整，亩均用水量和可开发面积会发生一定变化。例如，当中水回用率保持30%不变时，随着高耗水洗业务的下降，可开发面积会逐渐增加。

表7 不同情景下A园区染整产业的可开发面积计算表

根据上述计算，在现状水环境约束和减排措施下，A园区的允许排污量应限定在5万m3/ d以内。而在水环境承载力稀缺的情况下，应采取中水回用措施和调整染整结构，以进一步提高水资源的使用效率，且减小单位开发面积的排污量，在这种情况下推荐可开发面积控制在900亩以内，较规划面积2 250亩减少60%。

4 结论

（1）染整产业具有高排放的特征，水环境承载力是影响产业规模的核心因素。在开展规划工作时，要综合考虑水环境质量现状、区域排污需求和减排潜力，合理计算允许排污量，科学确定产业发展规模。

（2）对达标因子，建立了“环境质量现状—水质目标要求—水环境承载力—允许排放量”的管控体系；对超标因子，建立了“区域污染源—减排潜力—减量削减—环境质量改善”的管控体系。

（3）在水环境承载力稀缺的地区，要加强中水回用和调整产业结构，以实现源头节水和末端减排，从而促进染整产业的可持续发展。