某城市界河环境容量分配与污染负荷管控探讨

王天姿，胡素端，陈德业，汪子雄，柳丽芬，汪天祥

(1.大连理工大学 海洋科学与技术学院， 辽宁 盘锦 116024；2.中水珠江规划勘测设计有限公司， 广东 广州 510610；3.广州珠江水资源保护科技发展有限公司， 广东 广州 510610)

我国水资源短缺，时空分布不均匀，保护水环境，避免水质型缺水，提升可用水资源量，显得尤为重要。十九大以来“流域高质量发展”、“绿水青山就是金山银山”等生态理念深入人心。2021年国务院提出“关于深入打好污染防治攻坚战的意见”。我国水环境保护工作已经成为新时期高质量发展的重要内容之一。水体环境容量和污染负荷是维持水体环境质量的两大要素。环境容量是指在控制水文、水质条件下允许的污染负荷排放量。小型河道由于其河道狭长，通常采用一维模型重点评估其河道纵向上的污染过程来确定环境容量[1-2]。大型河道具有较大的宽深比，通常采用二维模型来计算环境容量[3-4]。湖库根据计算精度的要求，通常选用零维或三维模型进行计算[5-6]。排污口位置、降解系数、扩散系数等要素是影响环境容量计算的关键，需要进行现场调查和模拟实验确定。污染负荷来源和主体非常复杂，导致实际污染治理过程中出现“九龙治水”的困局。根据不同作用过程可以分为点源、非点源、内源，根据不同来源又可划分为生活、工业、养殖、农业等不同类型，根据行政特点可分为城镇、农村[7-8]等。特别是对于城市界河，涉及到两个以上的行政主体和城镇、乡村等不同污染特征单元，污染来源和责任主体更加复杂，成为水污染治理的难点。本文从环境容量入手，综合考虑自然水循环过程、人类用排水过程、社会经济发展等多个因素，探索界河环境容量分配方案；进而细分各行政区污染来源，确定污染管控对策，为界河的高效治理提供参考。

1 方法介绍

1.1 水环境容量计算方法

本文依据《全国水环境容量核定技术指南》[9]、《水域水环境容量计算规程》[10](GBT 25173—2010)等相关规范和标准，采用一维模型计算河道水环境容量[11-12](见式(1))。本文对排污口位置采用权重概化法，将多个排污口简化成一个集中的排污口；入境断面流量考虑90%保证率下的流量和50%保证率下的流量作为对比；入境断面污染物浓度考虑实际监测值和水质目标控制值两种工况进行对比。

(1)

式中：W为计算单元的水环境容量，kg/d；Q为河道入境断面设计流量，m3/s；Cs为计算单元水质目标值，mg/L；C0为计算入境断面污染物浓度，mg/L；qi为旁侧入流量，m3/s；K为污染物综合降解系数，1/d；x为距排污口的距离，m；u为平均流速，m/s。

1.2 城市界河水环境容量分配方法

依照“谁污染谁治理”的基本原则，从水循环过程、用排水过程、社会经济情况三个方面分析某城市界河环境容量分配方法。

(1) 考虑水循环过程，水环境容量的根本载体是水，对于具体的河道，其降解系数基本确定，水环境容量的大小与水量呈正相关关系，同一流域内，水量越大环境容量越高(无污水直排情况)。界河水量包括上游输入、区间径流、补水流量三部分组成。其中区间流量是流域产汇流形成，代表了自然禀赋城市界河流域边界与行政边界不完全一致，各市相应的环境容量可按照河道流域所属行政单元面积分配。

(2) 考虑用排水过程，城市存在从河道内(外)取水，经生产、生活使用后集中处理再次排放至河道的情况，成为河道的补水流量，代表了人类活动影响，其环境容量分配可以参考补水量确定。为简便计算，城市区域可以简单以人口或建成区为基准核算排水量，对于有存在工业、农业等特色或占据主导用水单元也可作为考虑要素。

(3) 考虑到社会经济情况，经济发达的城市通常用水量较高，污染治理能力也相对较大，环境容量可参考GDP情况分配。

(4) 综合考虑上述三个方面影响，利用层次分析法，根据九重标度法原则，构建判断矩阵，用加权环境容量作为界河各市的环境容量。

1.3 城市污染负荷计算方法

城市人口集中，污染来源复杂。本文以污染过程为基础，综合考虑排放与治理特征，将城市污染源分为点源、非点源和内源三大类。点源包括城镇、农村的生活污染和工业污染；非点源包括农业用地、城镇用地、其他用地和畜禽水产养殖等；内源污染为水体底部沉积物释放所产生的污染。各污染负荷计算方法如表1所示。

表1 污染负荷计算方法

2 结果与分析

2.1 某界河水环境容量计算

本文以北方某界河为例进行研究，该界河水质目标为Ⅳ类水质，涉及A、B两市。水文条件选用90%保证率下的流量(枯水期，D1)和50%保证率下的流量(平水期，D2)作为计算依据；界河水量包括上游输入、区间径流、补水流量三部分。其中补水流量为流域外输入城镇的生活、生产排水，利用2020年A、B两市人口以及GDP确定。解析可得界河水量包括上游输入3.79 m3/s，区间径流0.41 m3/s，补水流量1.32 m3/s(枯水期)；上游输入22.22 m3/s，区间径流2.01 m3/s，补水流量1.32 m3/s(平水期)。根据《地表水环境质量标准》[28](GB 3838—2002)以及该流域水质考核情况，本文以污染突出的氨氮作为控制指标；多年监测结果显示输入断面氨氮为0.679 mg/L(WQ1)，根据水质控制目标，入境断面仅需达到IV类水质标准(WQ2)即可达到要求，本文将对入境断面的监测水质(WQ1)与控制水质标准(WQ2)进行分析，讨论上游污染治理对下游污染防治的影响。根据不同保证率流量和入境水质的不同组合，计算了(D1,WQ1)、(D1,WQ2)、(D2,WQ1)、(D2,WQ2)四种工况，四种工况分别表示不同入境断面水质、流量组合。污染物衰减系数结合相关资料氨氮的衰减系数取值为0.07/d[29-33]。

图1 某城市界河特征示意图

利用公式(1)计算出4种工况下的环境容量如表2所示。为有效保障水质达标，本文将总环境容量的5%作为安全环境容量，预留给未预见污染物，95%作为可用环境容量，作为环境容量分配的基准[34]。计算出四种工况下界河氨氮可用环境容量分别为783.35 t/a，208.09 t/a，179.46 t/a，91.94 t/a。四种工况下的水环境容量结果差异显著，D1为90%保证率下的界河流量(枯水期)，D2为50%保证率下流量(平水期)，WQ1为入境断面水质采用现状监测结果，WQ2为入境断面水质采用IV类水质标准。(D1,WQ1)工况是当前主流水环境容量计算结果，由于入境断面水质优于控制水质目标，环境容量由上游转移环境容量、区间环境容量、自净环境容量构成；(D1,WQ2)工况由于入境断面水质等于控制目标水质，不存在上游转移带来的环境容量，上游输入仅有少部分降解作用产生的环境容量，且若入境断面水质超过控制目标水质，在实际治理过程中通常是要求上游单位进行治理，水质不得差于控制目标水质，该工况是理论上的最严格水环境容量计算结果；(D2,WQ1)工况由于河道流量通常存在显著的时序变化，汛期的流量较高，提升了河道的平均流量，因此，多年平均流量代表了界河多数情况下达标控制目标水质的环境容量；(D2,WQ2)工况代表了界河区间汇入、排水补给和降解作用产生的环境容量。

表2 4种工况下的氨氮环境容量 单位：t/a

可以看出最严格工况下(D1,WQ2)环境容量仅有91.94 t/a。因此，流域治理是个系统工程，在进行流域治理时需要统筹上下游进行治理。主流工况(D1,WQ1)的环境容量是179.46 t/a，多数情况下将以此为依据作为污染负荷分配的依据。随着城镇化的发展，人口密度越来越高，用排水量增加，部分城市河道存在生活污水按照一级A标准处理达标排放就已经超过环境容量的情况[35]。作为对比，本文对四种工况下的环境容量均进行分配，在此基础上分析城市污染负荷管控方案。

2.2 某城市界河水环境容量分配

根据水循环过程、用排水过程、社会经济情况，将界河水环境容量分配至A、B两市。水循环过程中的区间径流部分与流域面积有关；用排水过程与人口、建成区面积、用水量相关。社会经济情况可以用GDP表征。本文系统分析以上影响因素，计算单因素的A、B市环境容量分配方案，并参考文献[36-39]构建判断矩阵，利用层次分析法确定权重，获得的A、B市加权水环境容量分配方案。结果如表3和表4所示。

表3 判断矩阵和权重

从表4可知，根据不同要素得到的环境容量分配方案不一致，这也是实际城市界河工作中的难点。以(D1,WQ1)工况为例，A市按照建成区面积分配的环境容量最小为28.35 t/a，按照GDP分配的环境容量最大为48.10 t/a，加权平均得到的环境容量为31.91 t/a；B市按照人口分配的环境容量最多为147.88 t/a，按照GDP分配的环境容量最小为131.36 t/a，加权平均得到的环境容量为138.68 t/a。容易看出A市的经济较B市更为集中和发达，用较小的建成区获得了较高的GDP，仅考虑单要素进行环境容量分配有所不足。环境容量的分配与后续水污染治理密切相关，某种程度上来说是一种发展权，即要考虑环境容量的构成，也需要考虑用排水、社会经济特征，促进界河流域涉及城市的协调发展。加权平均方法综合考虑了水循环过程、用排水过程、社会经济情况，相对单要素较为合理。

表4 界河环境容量A、B市分配方案 单位：t/a

2.3 城市污染负荷管控

本项目根据统计年鉴查的A、B两市的城镇、农村、工业污染排放量，并根据定额法复核理论允许的排放量，即生活污染采用人均用水定额、人口、排水系数确定；工业污染采用万元GDP用水定额、GDP、排水系数确定；利用输出系数法计算农业、城镇、其他用地、畜禽养殖的非点源污染排放量[17-25]；参考文献[40-42]的实验结果确定内源污染释放量。本文在明确界河各市的环境容量和污染负荷后，基于“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的总体思想，将环境容量分配至各污染源，作为城市污染源管控依据。从治理的难易程度和近远期规划方面考虑，优先将环境容量分配至生活、生产这类污水量大、易于集中处理与管控的点源污染。再考虑将环境容量分配至非点源、内源污染。A、B市各污染源负荷与环境容量分配方案如表5、表6所示。

表5 A市排污量、环境容量分配

表6 B市排污量、环境容量分配

在A，B市环境容量分配的基础上，进一步分析各市污染排放情况，提出污染削减方案。由表5和表6所示，A市现状排污量为105.40(78.58) t/a，B市的现状排污量为445.71(330.27) t/a，均仅有(D2,WQ1)工况下的环境容量能够满足，这与该界河出现超标的情况是一致的。

接下来对各污染源进行分析。在点源污染方面，根据统计年鉴显示A市城镇、农村、工业污染分别为21.3 t/a、11.8 t/a、29.1 t/a，但通过定额法复核仅分别允许10.5(3.15) t/a、6.2(1.86) t/a、18.9(5.67) t/a的污染排放；B市城镇、农村、工业污染分别为84.5 t/a、45.9 t/a、87.9 t/a，定额法复核仅分别允许36.3(10.89) t/a、36(10.8) t/a、65.5(19.65) t/a的污染排放。分析认为统计年鉴出现排污量高于定额法计算结果可能是:(1) 用水量高于定额，例如高耗能企业、节水器具应用较少等；(2) 管网建设不完善，导致大量山水、河水进入管网，造成统计数值偏高。对于第一种情况就需要加强监督和管理，推广节水器具，严控高能耗企业，强化清洁生产，增加中水回用等对策降低用排水量。第二种情况是当前城市水污染治理中的难点问题，随着城市的发展，新老城区管网系统存在不匹配情况，老城区多数存在合流制，新城区多采用分流制，实际使用过程中，还会出现大量雨污水错混接情况，为外水进入管网提供了条件。对此，需要通过工程改造分清雨、污水两套管网系统，确保清水入河、污水进网，实现污水管网全覆盖、污水全收集、全处理。通过上述工作促进点源污染减排。因此，点源污染控制有必要结合节水管理与管网完善工程，减少生产、生活污水排放，达到排水定额。进一步分析发现，将点源污染减排至定额法计算结果时，A市除最严格的(D1,WQ1)和(D1,WQ2)工况外，生活污染和工业污染均小于环境容量；B市点源污染也小于(D1,WQ2)和(D1,WQ1)工况的环境容量。出现这种情况，表明B市的人口、经济荷载较高，需要继续减少用水量或者提升污水处理标准，南方深圳、东莞、广州等高密度人口城市，将污水处理厂出水标准提升至准IV类(氨氮、总磷采用IV水质标准，其他指标为一级A)，实现增水不增污。若A、B两市也将污水提升至准IV类，点源污染排放将削减至10.68 t/a和41.34 t/a小于四种工况下的环境容量。

通过管理与工程措施控制住点源污染后，进一步分析非点源与内源污染削减方案。A市、B市非点源污染分别为52.88 t/a和273.94 t/a；内源污染均为15 t/a。除工况1外，扣除点源污染(括号内为准IV类排放标准)两市剩余的环境容量均小于污染排放量，即使加上安全环境容量，(D2,WQ2)、(D1,WQ1)、(D1,WQ2)三种工况也小于污染负荷，需进行污染削减，各工况削减方案如下:

(1)(D2,WQ2)工况A市以一级A标准为出水目标需削减58.61 t/a，以准IV类为目标需削减33.69 t/a；B市以一级A标准为出水目标需削减265.94 t/a，以准IV类为目标需削减169.48 t/a。

(2)(D1,WQ1)工况A市以一级A标准为出水目标需削减71.57 t/a，以准IV类为目标需削减46.65 t/a；B市以一级A标准为出水目标需削减288.06 t/a，以准IV类为目标需削减191.6 t/a。

(3)(D1,WQ2)工况A市以一级A标准为出水目标需削减83.65 t/a，以准IV类为目标需削减58.73 t/a；B市以一级A标准为出水目标需削减355.69 t/a，以准IV类为目标需削减259.23 t/a。

在具体措施方面，通常对于农业用地可采用测土施肥、截水灌溉减少源头污水排放，采取设置调蓄池、增设含氧林、防护林进行过程拦截，设计人工湿地、调蓄池进行末端处理等方式削减非点源污染负荷。对于城镇用地可采用低影响开发、海绵城市等措施减少人类影响，提升蓄滞能力，削减非点源输入。畜禽养殖可进行污水集中处理。内源污染可采用清淤、原位覆盖、生态修复等方式进行处理。具体的整治方案需以环境容量为刚性约束，系统分析城市界河污染现状、工程基础，提出近远期相结合的方案。

3 结 论

(1) 城市界河涉及多个责任主体，其中环境容量分配是争执焦点。根据“谁污染谁治理”的基本原则，探索了综合考虑水循环过程、用排水过程、社会经济情况要素，利用层次分析法核算加权环境容量分配方法。计算出A市的加权环境容量为31.91 t/a，B市加权环境容量为138.68 t/a。

(2) 从点源、非点源、内源三个方面，探讨了4种工况下A、B两市污染负荷削减方案。建议采用节水与管网完善措施优先控制点源污染，再结合测土施肥、原位修复等方案削减非点源、内源污染。以IV类水质为目标A市(D2,WQ2)工况需削减33.69 t/a；(D1,WQ1)工况需削减46.65 t/a；(D1,WQ2)工况需削减58.73 t/a。B市(D2,WQ2)工况需削减169.48 t/a；(D1,WQ1)工况需削减191.6 t/a；(D1,WQ2)工况需削减259.23 t/a。