曹娥江流域水环境容量与污染负荷分配研究*

张志敏 翁巧然 程全国 王 艳 孙明东 雷 坤#

(1.中国环境科学研究院,北京 100012;2.沈阳大学环境学院,辽宁 沈阳 110044)

随着全球沿海城市经济和工业的快速发展,近岸海域生态环境引起了人们的重视[1]。研究显示,海洋污染物总量的85%以上来自于陆源污染物,其中由入海河流排入的超过80%[2]。杭州湾—浙江近海是我国近海生态环境问题最突出的海域,其入海河流主要有钱塘江和曹娥江,曹娥江受城市规模和社会发展影响,流域水环境污染问题依然不容乐观,控制和减少流域污染负荷是流域水质的关键问题。水环境容量的估算及其在各污染源或区域之间的分配是水污染总量控制的基础和核心[3-4]。根据已有研究发现,水环境容量计算方法主要分为模型试错法、公式法和线性规划法等确定性数学方法,概率稀释模型法、随机规划法和未确知数学法等不确定性数学方法[5]。污染负荷分配是指根据环境容量或目标总量控制,通过一定的分配原则和方法,将污染物总量分配到区域或污染源。国外关于污染负荷分配的研究更趋向于考虑研究主体污染需求的不确定性或污染排放的不平等性,综合利用各种水质、规划模型、改进优化算法求解污染分配优化方案[6]。国内学者则普遍提出基于公平、效率、可行性原则的多种污染负荷分配方法,主要包括优化分配法、等比例分配法、层次分析法、贡献率分配法、基尼系数法和综合分配法等[7]。

近几年未有学者对曹娥江进行水环境容量和污染负荷分配的研究,本研究从流域的角度出发,基于满足流域水体监测断面水质达标和入海断面水质达标的约束条件下,进行水环境容量计算。采用优化分配法、综合分配法和贡献率分配法将水环境容量分配至各控制单元并细化到污染源类型,对比分析各控制单元的水环境容量和污染物入河量,提出各控制单元污染物的削减量,以期提升曹娥江水环境质量,对于水环境污染控制有重要意义。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

曹娥江处于绍兴市的东部,干流长197 km,平均比降0.3%,流域面积为6 080 km2,占绍兴市总面积的61.8%,最后经曹娥江大闸注入钱塘江河口。曹娥江流域属亚热带季风气候区,冬夏季风交替显著,年温适中,四季分明,雨量丰沛,日照充足。流域内河道密布,湖库大部分位于流域上游,根据多年的水文资料可知,流域内的年平均降水量为1 463.2 mm,年内雨量分配不均,差异明显。

1.2 数据来源及处理

数据主要包括2016—2021年的曹娥江流域内3个国控监测断面的逐月水质数据,2017年第二次全国污染源普查数据,2021年绍兴统计年鉴、不同土地利用类型及面积、畜禽养殖数量、农村人口数量、流域数字高程模型(DEM)数据及水文数据等,具体见表1。运用ArcGIS 10.7、Origin 2020软件实现数据处理、分析和绘图。

表1 数据来源

1.3 研究方法

1.3.1 控制单元划分

控制单元是水污染控制和管理的基本单元,通过控制单元划分,将污染物入河量与相应的控制单元环境容量结合,进行容量总量控制。采用ArcGIS水文分析法,基于曹娥江流域DEM数据划定流域边界,结合流域水系分布特征和乡镇级行政区划,考虑研究区自身的水体污染特征和流域水质目标管理实施,最终将流域划分成24个控制单元,各控制单元分布情况如图1所示。

图1 曹娥江流域控制单元的划分

1.3.2 水质评价方法

单因子评价法[8]能清晰反映断面水体污染物是否超标,目前使用较多且计算简单易操作。根据《浙江省地表水环境功能区划》要求,本研究调查的监测断面为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水质,分析曹娥江流域内的3个监测断面水质情况,采用单因子评价法根据Ⅲ类水质要求进行评价。单因子评价法的具体计算方法见式(1),如Pi≤1,则达标。

Pi=Ci/Si

(1)

式中:Pi为国控监测断面污染物i的单因子指数;Ci、Si分别为国控监测断面污染物i实测值、评价标准值,mg/L。

1.3.3 污染负荷估算方法

流域水体污染源一般包括点源和非点源污染,两者对水体污染贡献存在一定的差异[9]。点源污染包括工业企业、集中式污水处理和规模化畜禽养殖污染源,非点源污染包括农村生活、不同土地利用类型和分散式畜禽养殖污染源。点源污染负荷采用统计法进行估算,根据获得点源的污染物排放口到入河排放口经纬度坐标估算污染物的入河距离,进而确定入河系数,并计算各种污染源的排放量和入河量。当入河距离分别为≤1、>1～10、>10～20、>20～40、>40 km时,对应的入河系数参考值分别为1.0、0.9、0.8、0.7、0.6。

非点源污染负荷采用输出系数模型(见式(2))计算,该模型由于所需参数较少,操作简便,能进行大尺度非点源污染负荷估算,被广泛应用于非点源污染负荷估算[10-13]。

(2)

式中:Li为污染物i的污染负荷总量,t/a;Eij为第j种土地利用类型(或人口或畜禽)污染物i的输出系数,t/(km2·a)(或t/(人·a)或t/(头·a)、t/(羽·a)、t/(只·a));Aj为第j种土地利用类型面积(或人口数量或畜禽数量),km2(或人或头、羽、只);p为来自降雨的污染量,相对于非点源污染可忽略不计,本研究暂不考虑此项影响。

1.3.4 水环境容量计算方法

本研究根据曹娥江设计水文条件下的设计流量计算结果,结合研究区各监测断面的流速情况,以各控制单元排放强度污染负荷至监测断面的流达率作为各控制单元与监测断面间的响应关系,从而建立响应系数矩阵。基于全流域水质监测断面满足“十四五”水质目标的前提条件下,建立线性规划模型,估算曹娥江流域各控制单元水环境容量,计算公式如下:

(3)

(4)

式中:Xs为控制单元s的最大允许排放量,t/a;ast为控制单元s对监测断面t的响应系数;Ct为监测断面t的水质控制值(除去背景值),mg/L。

1.3.5 污染负荷分配方法

综合考虑科学性、公平性和可行性指标之间的平衡,本研究一级分配采用基于合理性指数的目标总量分配模型进行控制单元允许排放量的优化分配,计算公式如下:

(5)

式中:TCRI为总量分配合理性指数;df为分项指标f的权重系数,可采用一般的统计方法(如专家打分法、熵值法、层次分析法等)确定;If为分项指标f的合理性指数,一般为0～1,值越大越合理。

本研究综合考虑了各控制单元的6个分项指标(容量利用率、径流量、人口、耕地、国内生产总值(GDP)和现状污染物入河量),具体见表2。

表2 总量分配合理性的各分项指标

为进一步细化分配到基于控制单元的环境容量,本研究采用综合分配法进行二级分配,计算公式如下:

Ms=D×95%×(ks1+ks2+ks3+ks4)/4

(6)

式中:Ms为控制单元s的水环境容量,t/a;D为监测断面的最大允许排放量,t/a;ks1为控制单元s的常住人口占所属监测断面内总常住人口的比例;ks2为控制单元s的GDP占所属监测断面内GDP的比例;ks3为控制单元s的污染物入河量占所属监测断面内污染物入河总量的比例;ks4为控制单元s的耕地面积占所属监测断面内总耕地面积的比例。

采用贡献率分配法进行三级分配,细化得到各控制单元的污染源类型,计算公式如下:

Ws=Ms×b/(b+c)

(7)

Ys=Ms×c/(b+c)

(8)

式中:Ws、Ys分别为控制单元s内点源、非点源污染物水环境容量,t/a;b、c分别为点源、非点源入河量,t/a。

2 结果与分析

2.1 水质评价结果

本研究对2016—2021年监测数据进行年均水质评价分析,由于GB 3838—2002中没有流域水体TN限值,故不对TN进行水质评价,COD、氨氮、TP的单因子评价结果见表3。2016—2021年,曹娥江流域内的屠家埠、汤曹汇合口和曹娥江大闸闸前3个监测断面的COD、氨氮、TP均达标。

表3 曹娥江流域水质单因子评价结果

2.2 污染负荷估算

根据统计法和输出系数模型计算可知,曹娥江流域内COD、氨氮、TN、TP入河量分别为16 013.20、959.10、3 658.53、416.05 t/a。点源和非点源污染物入河量对比发现,在非点源污染物中,COD、氨氮、TN、TP入河量分别占总入河量的86.89%、85.29%、87.92%、93.63%,说明曹娥江流域内污染物入河量主要以非点源为主。

采用ArcGIS对流域内各控制单元的COD、氨氮、TN、TP污染负荷进行空间分析,在自然间断法分级的基础上重新划分,得到流域内各控制单元的污染物入河量空间分布(见图2)。整体来看,流域内4种污染物入河量有相似的空间分布特征,都表现出中上游的嵊州市和中下游的越城区和上虞区的污染物入河量较大的污染特征。控制单元8、9和11位于中游的嵊州市,该区域内耕地、林地面积较大,畜牧业发展迅速,是人口集聚的地区;控制单元4、21内以耕地和城镇用地为主,相应产生的COD、氨氮、TN、TP入河量都很大。污染物入河量较多的控制单元有4、8、9、11和21,这5个控制单元的COD、氨氮、TN、TP入河量对曹娥江的贡献率分别为45.12%、41.53%、38.83%、35.18%,因此应将这5个控制单元作为重点单元进行管控。

图2 曹娥江流域污染物入河量空间分布

2.3 水环境容量计算结果

水环境容量是指在给定水域范围和水文条件、规定排污方式和水质目标的前提下,单位时间内该水域污染物的最大允许纳污量[14-15]。水环境容量会随着水资源情况的不断变化和人们对环境需求的不断提高而发生变化,在实际过程中,水环境容量和水域特性、水质目标、污染物特性、污染物排放、水文条件等有关[16]。水环境容量与纳污水体水文特征有密切关系,其中设计水文条件包括设计流量、设计流速、污染物综合降解系数等。

根据《水域纳污能力计算规程》(SL 348—2006),本研究以控制断面2010—2019年月均流量为基础,通过选取90%保证率下的月均流量作为设计流量进行水环境容量计算。根据《国家“十五”水环境容量模拟技术规范研究报告》,对流速—流量、河宽—流量、平均水深—流量满足的关系[17-18]进行拟合,在经验公式计算中,代入水文站的设计流量,可求出对应的设计流速,曹娥江流域设计流量和流速见表4。参考国内相似流域背景下的研究成果,结合流域的具体情况,类比确定各污染物的综合降解系数[19-20]。流域水体内COD、氨氮、TN、TP的综合降解系数分别为0.11、0.13、0.07、0.10 d-1。

表4 曹娥江流域设计流量和流速

基于满足曹娥江流域水体监测断面和入海断面水质达标的约束条件下,将设计水文条件及模型参数输入水环境容量计算模型中,流域水环境容量计算结果如表5所示。曹娥江流域COD、氨氮、TN、TP水环境容量分别为47 945.18、2 435.81、6 863.19、474.98 t/a。

表5 曹娥江流域水环境容量计算结果

2.4 污染负荷分配与削减

为保证水体满足水质目标,降低容量模拟中的不确定风险,污染负荷总量分配方案中,一般需要考虑安全余量(MOS)[21]。MOS是分析污染负荷与受纳水体水质间的不确定关系,确定不同计算条件下的MOS,从而降低水体中水质不达标的风险,一般以水环境容量或污染负荷量的5%～10%作为MOS[22]。为确保曹娥江流域内水环境质量持续达标,本研究以水环境容量的5%作为MOS。根据计算,曹娥江流域内各控制单元的COD、氨氮、TN、TP水环境容量分配结果如表6所示。其中,控制单元11的COD、TN水环境容量和控制单元4、5的氨氮水环境容量分配以点源形式为主,其余都以非点源为主。

表6 各控制单元水环境容量分配结果

污染物削减量为水环境容量与入河量差值,正值时说明不需要进行削减;负值时则需要进行削减。根据计算,流域内COD还有剩余水环境容量,不需削减,只需对氨氮、TN和TP进行削减。流域内各控制单元3种污染物削减计算结果如表7所示。氨氮需削减6.91 t/a,各控制单元需削减0.45～3.56 t/a;TN需削减501.52 t/a,各控制单元需削减9.52～160.23 t/a;TP需削减128.34 t/a,各控制单元需削减0.81～22.73 t/a。TN点源削减量主要来自城镇污水处理厂,因为污水排放量较大且污水处理未能达到满负荷运行。TN、TP非点源削减量较大,是由于控制单元内种植业面积较大,且化肥和农药的施用强度较高,氮磷随地表降水进入水体;部分村庄污水管线尚未建成,污水收集率较低,污水零直排区没有全覆盖,部分农户污水沿河直排,造成水体污染。

表7 各控制单元3种污染物的削减计算结果

3 结论与建议

1) 2016—2021年,曹娥江流域内的屠家埠、汤曹汇合口和曹娥江大闸闸前3个监测断面的COD、氨氮、TP均达标。

2) 曹娥江流域内COD、氨氮、TN、TP入河量分别为16 013.20、959.10、3 658.53、416.05 t/a,且主要以非点源为主。污染物入河量较多的控制单元有4、8、9、11和21,这5个控制单元的COD、氨氮、TN、TP入河量对曹娥江的贡献率分别为45.12%、41.53%、38.83%、35.18%,应将这5个控制单元作为重点单元进行管控。

3) 基于满足曹娥江流域水体监测断面和入海断面水质达标的约束条件下,COD、氨氮、TN、TP水环境容量分别为47 945.18、2 435.81、6 863.19、474.98 t/a。流域内COD还有剩余水环境容量,不需削减,氨氮、TN、TP分别需削减6.91、501.52、128.34 t/a。

4) 根据曹娥江流域污染物入河量和水环境容量的分析结果,需从源头削减污染物排放量从而改善流域水质现状,建议强化城镇污水处理厂污水处理效能,有效提高污水处理厂出水达标率;加强种植业污染管控,科学施用农药化肥,提高农药化肥利用率并减低其使用量;提高农村生活污染治理水平,全面推进污水零直排建设,加快村镇生活配套管网建设与改造。