李 艷，胡 成，李法云，黃永剛

(1.沈陽理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159;2.遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院，遼寧 沈陽110031;3.遼寧石油化工大學(xué)生態(tài)環(huán)境研究院，遼寧 撫順 113001;4.東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

0 前言

流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)體系涵蓋流域水環(huán)境功能區(qū)劃分、水質(zhì)保護目標(biāo)制定、污染負(fù)荷核定、水環(huán)境容量計算與分配、污染負(fù)荷分配與削減、污染物總量控制等關(guān)鍵技術(shù)［1］，涉及污染物排放限值，環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、基準(zhǔn)與環(huán)境監(jiān)管［2～4］，行政管理的政策、法規(guī)、措施等內(nèi)涵［5］。筆者以遼河上游一級支流清河流域為示范區(qū)域，重點開展基于清河流域水生態(tài)功能三級分區(qū)的控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)示范研究，開展集污染負(fù)荷核定、水環(huán)境容量計算與分配、污染負(fù)荷分配與削減、污染物總量控制等關(guān)鍵技術(shù)為一體的集成技術(shù)示范研究，為遼河流域及全國流域推廣實施流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 清河流域概況

清河流域位于東經(jīng) 123.80°～ 124.80°、北緯42.30°～42.70°，是遼河主要一級支流。清河流域面積為4 785 km2，河流長度217 km，河堤長度43 km，有寇河、馬仲河等8條二級支流(圖1)。清河流域主要包括開原市、清河區(qū)、西豐縣3個行政區(qū)域，總?cè)丝?00多萬，GDP 200多億元。清河區(qū)工業(yè)以冶金、釀造、食品加工等為主，農(nóng)業(yè)以農(nóng)牧業(yè)為主［6］。

圖1 清河流域行政區(qū)及水生態(tài)功能三級分區(qū)

1.2 研究方法

1.2.1 水生態(tài)功能三級分區(qū)方法

遼河流域主要采用自上而下的演澤法劃分水生態(tài)功能一級分區(qū)，采用演繹法和歸納法相結(jié)合的方法劃分水生態(tài)功能二級分區(qū)。在一、二級分區(qū)基礎(chǔ)上，采用自下而上歸納法劃分水生態(tài)功能三級分區(qū)。歸納法是在考慮大的生態(tài)地理分異規(guī)律的基礎(chǔ)上，分析中低級地域單元如何逐級合并為高級地域單元的規(guī)律性。

采用歸納法進(jìn)行流域中低級別水生態(tài)功能分區(qū)時，應(yīng)是在對流域中每一個子流域單元內(nèi)景觀(土地)類型結(jié)構(gòu)的質(zhì)、量、時間和空間等多維性分析的基礎(chǔ)上，較全面地揭示景觀(土地)類型組合的規(guī)律性及其所反映的區(qū)域特征。遼河流域水生態(tài)功能分區(qū)三級及以下低級區(qū)劃單元劃分時，主要采用在水生態(tài)功能一、二級區(qū)劃單元下，自下而上逐級合并出三級及以下較低級別的水生態(tài)功能區(qū)劃單元。

1.2.2 污染負(fù)荷核定方法

點源污染負(fù)荷主要包括城鎮(zhèn)生活、污水處理廠、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖等產(chǎn)生的污染物。面源污染負(fù)荷主要包括農(nóng)村人口、耕地、散養(yǎng)的畜禽等產(chǎn)生的污染物，由于清河流域規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染物基本以散排方式進(jìn)入水體，故把其劃入面源污染范疇。文章點源污染負(fù)荷采用統(tǒng)計方法核定，面源污染負(fù)荷采用水文分割與輸出系數(shù)法核定。

(1)點源污染負(fù)荷核定方法。工業(yè)污染源污染負(fù)荷核定方法，主要依據(jù)2010年污染源普查數(shù)據(jù)，分為企業(yè)排污數(shù)據(jù)的校核與污染負(fù)荷核定。

城鎮(zhèn)生活源污染負(fù)荷核定方法，根據(jù)經(jīng)驗值，一般城市生活污染源的化學(xué)需氧量(COD)人均產(chǎn)污系數(shù)為60 g/(人·d)，氨氮人均產(chǎn)污系數(shù)為4～8 g/(人·d)(表1)［7］。如果人均產(chǎn)污系數(shù)計算值偏離上述經(jīng)驗值范圍20%，需對人均用水量、排水系數(shù)或污染物平均濃度等特征值進(jìn)行修正，再核定各類城市生活污染源的排污總量。

表1 不同行政級別市縣的平均產(chǎn)污系數(shù)

市政污水處理廠污染負(fù)荷核定方法，主要統(tǒng)計污水處理廠年均處理水量、進(jìn)廠水質(zhì)、排放去向等基本信息，以及污水處理廠的出水水質(zhì)、水量等排污信息。根據(jù)市政污水處理廠的年處理水量和進(jìn)出水質(zhì)，計算其污染物的排放量。

(2)面源污染負(fù)荷核定方法。應(yīng)用基于1∶5萬地形圖構(gòu)建的數(shù)字高程圖(DEM)和土地覆蓋/土地利用類型遙感數(shù)據(jù)，借助ArcGIS地理信息技術(shù)和遙感技術(shù)(RS)獲得流域的地形、土地利用、河網(wǎng)等信息，應(yīng)用輸出系數(shù)模型，估算示范區(qū)控制單元面源污染負(fù)荷的輸出量。

輸出系數(shù)模型。對于某一固定的計算區(qū)域，(流域)模型的一般表達(dá)式為：

式中：i——污染物類型;j——流域中污染源種類，共n種;Li——污染物i在流域的總負(fù)荷量，kg;Eij——污染物i在第j種污染源的輸出系數(shù)，kg/(km·a);Aj——第 j種污染源的數(shù)量;p——流域內(nèi)平均降水深度，m;A——計算流域的面積，km2;ei——降雨輸入系數(shù)，kg/(km·a)。

輸出系數(shù)確定方法。根據(jù)水文水質(zhì)監(jiān)測斷面劃分控制區(qū)域。一般情況下，選擇有連續(xù)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)的水文和水質(zhì)斷面，劃定監(jiān)測斷面控制的計算區(qū)域，將計算區(qū)域進(jìn)一步劃分為若干個小流域。應(yīng)用水文分割法對水文和水質(zhì)監(jiān)測資料進(jìn)行處理，求解線性方程組計算輸出系數(shù)。

清河流域河川徑流存在明顯的豐、平、枯水期，面源污染主要發(fā)生在豐水期。應(yīng)用水文分割法將水體的面源污染負(fù)荷分離出來。豐、平水期水體污染負(fù)荷由點源和面源構(gòu)成，枯水期只有點源污染負(fù)荷。如果小流域斷面的徑流和水質(zhì)資料已知，就可以根據(jù)式(2)計算非點源污染負(fù)荷：

式中：Lns——流域的年度非點源負(fù)荷，kg;Qi——第 i月的平均徑流量;Ci——第 i月的污染物濃度。

對于某一種污染源計算模型，需要確定的參數(shù)的個數(shù)是(m×n+1)個，如果對于某一種污染物，需要確定的參數(shù)個數(shù)是(m+1)，如果有足夠多的斷面監(jiān)測資料，那么就從計算區(qū)域內(nèi)劃分出(m+1)個小流域，組成線性方程組：

式中：L——小流域中某種污染物的面源污染負(fù)荷;A——流域或小流域的面積;p——降水量(已知)。式(3)共有 (m+1)個未知數(shù)，即 E1，E2…En，e，共(m+1)個線性方程組，解此線性方程組可求得該種污染物的輸出系數(shù)。

一部分已知斷面數(shù)據(jù)用于計算輸出系數(shù)初值，再應(yīng)用其他已知斷面的資料進(jìn)行校驗，以超靜定線性方程組殘差最小的原則，率定面源輸出系數(shù)(表2)。

表2 清河流域不同類型面源輸出系數(shù)

1.2.3 水環(huán)境容量計算與分配方法

采用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型模擬污染負(fù)荷與水質(zhì)的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系，結(jié)合線性規(guī)劃模型，依據(jù)現(xiàn)有經(jīng)濟技術(shù)條件，分近、中、遠(yuǎn)期計算與分配清河區(qū)控制單元水環(huán)境容量。

(1)一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型。

式中：C'——支流或排污口等邊界匯入后稀釋濃度，mg/L;C0——上游來水濃度，mg/L;Q0——上游來水流量，m3/s;W——支流或排污口等邊界的污染物排放量，kg/d;Cq——支流或排污口等邊界匯入濃度，mg/L;q——支流或排污口等邊界匯入流量，m3/s;C——距離邊界下游x米處控制斷面的濃度，mg/L;K——降解系數(shù)，1/d;x——控制斷面距離支流或排污口等邊界的距離，m;u——河段的流速，m/s。

(2)水環(huán)境容量計算模型。在水質(zhì)模擬基礎(chǔ)上，采用線性規(guī)劃模型計算河流水環(huán)境容量［8］。

式中：決策變量 Xj——第 j個污染源的排放量，t/a;aij——第 j種源對第 i個控制點的響應(yīng)系數(shù);Ci——控制斷面(點)i的水質(zhì)控制濃度，mg/L。

(3)水環(huán)境容量分配模型。在河流水環(huán)境容量計算基礎(chǔ)上，對(6)至(7)的線性規(guī)劃問題提出了一種降維的反向處理，可在分配比例(容量利用率、人口、現(xiàn)狀負(fù)荷等)確定的情況下，找到該原則下的最優(yōu)解，使總量分配的線性規(guī)劃問題變?yōu)椴坏仁奖容^求最大(最小)值問題，如果對分配結(jié)果不滿意，調(diào)整分配比例(10)，直到分配結(jié)果滿意為止，實現(xiàn)總量最優(yōu)化分配［8］。

對方程(6)至(7)進(jìn)行變換，定比例的簡化處理表達(dá)。目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榈仁郊s束

決策變量轉(zhuǎn)變?yōu)楦髟吹呐欧帕勘壤s束方程轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

式中：M——水環(huán)境容量，t/a。

總量分配合理性指數(shù)TCRI為

式中：ai——權(quán)重系數(shù)，∑ai=1;ci——單項指標(biāo)值，是0～1之間的無量綱值，數(shù)值越大越合理。表3為清河流域分項指標(biāo)及權(quán)重系數(shù)列表。

___________________________________表3 清河流域分項指標(biāo)及權(quán)重系數(shù)列表

1.2.4 污染負(fù)荷總量分配與削減技術(shù)

(1)污染負(fù)荷總量分配技術(shù)。在控制單元水環(huán)境容量計算與分配基礎(chǔ)上，根據(jù)點源、面源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率及水質(zhì)安全性，結(jié)合河流污染特征，預(yù)留出安全余量，其余水環(huán)境容量在控制單元點源、面源之間分配。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合點源污水處理技術(shù)及污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，對控制單元點源環(huán)境容量再分配，進(jìn)而分配到工業(yè)企業(yè)。

(2)污染負(fù)荷削減技術(shù)。根據(jù)點源、面源污染負(fù)荷現(xiàn)狀，結(jié)合點源、面源污染負(fù)荷總量分配結(jié)果，制定控制單元點源與面源污染負(fù)荷削減及重點企業(yè)削減方案。

2 結(jié)果與討論

2.1 水環(huán)境問題診斷與水質(zhì)保護目標(biāo)制定

2010年4月，鐵嶺市環(huán)境監(jiān)測站對清河流域前馬河、寇河、馬仲河、小清河4條二級支流跨界斷面進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果顯示除小清河水質(zhì)為Ⅳ類，其余均為劣Ⅴ類。在清河流域共劃分7個三級水生態(tài)功能分區(qū)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)水環(huán)境管理需求，劃分西豐縣、開原、清河區(qū)3個主要行政管理控制單元。依據(jù)清河流域水質(zhì)狀況，結(jié)合“十二五”清河流域污染物總量控制規(guī)劃，選取COD、氨氮作為水體污染控制指標(biāo)(表4)。

清河下游水生態(tài)功能區(qū)(清河區(qū)控制單元) 提供產(chǎn)品與農(nóng)業(yè)發(fā)展 COD≤40 mg/L COD≤30 mg/L COD≤30 mg/L氨氮≤2 mg/L 氨氮≤1.5 mg/L 氨氮≤1.5 mg/L

2.2 控制單元污染負(fù)荷核定

豐水期清河區(qū)控制單元點源與面源排放量相差不大，平、枯水期以點源污染為主。由于面源污染負(fù)荷與降雨量、地貌、土壤類型、植被類型等密切相關(guān)，結(jié)合降雨時段及其他時段河流水質(zhì)狀況，核定面源污染負(fù)荷(見表5和表6)。

表5 清河區(qū)控制單元點源污染負(fù)荷

表6 清河區(qū)控制單元面源污染負(fù)荷

2.3 控制單元水環(huán)境容量計算與分配

水環(huán)境容量計算時重點考慮以下因素：水文條件設(shè)定，由于清河區(qū)控制單元位于清河水庫下游，考慮水量調(diào)度問題，采用最小生態(tài)流量(多年平均流量的10%)設(shè)計水文條件;首斷面達(dá)標(biāo)，由于現(xiàn)行水環(huán)境管理以出境斷面作為水質(zhì)考核斷面，容易造成全河段污染現(xiàn)象，首斷面達(dá)標(biāo)可以避免上述現(xiàn)象發(fā)生;河流污染物衰減系數(shù)，可以采用水質(zhì)模型模擬、經(jīng)驗公式、經(jīng)驗參數(shù)等。筆者結(jié)合國家“十五”科技攻關(guān)項目部分成果，確立清河區(qū)河流COD衰減系數(shù)為 0.1，氨氮為 0.05［7］。按照等比例分配、負(fù)荷分配比例大于現(xiàn)狀負(fù)荷10%、容量利用率大于80%、考慮排污口位置與污染負(fù)荷現(xiàn)狀等多種分配方案，采用水環(huán)境容量計算與分配模型模擬多種方案的污染負(fù)荷總量分配，結(jié)果顯示，考慮排污口位置、污染負(fù)荷現(xiàn)狀與污水處理能力綜合方案，分配結(jié)果與實際結(jié)合較好，可以推薦使用(表7)。

表7 清河區(qū)控制單元水環(huán)境容量 t/a

2.4 控制單元污染負(fù)荷總量分配

基于水環(huán)境容量計算結(jié)果，分析控制單元水環(huán)境污染風(fēng)險源特征，采用經(jīng)驗值或模型預(yù)測預(yù)留一定的安全余量;根據(jù)控制單元點源、面源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率，實現(xiàn)水環(huán)境容量在點源、面源間的分配。

清河區(qū)工業(yè)以冶金、釀造、建材、食品加工等為主，沒有大的水環(huán)境污染風(fēng)險源，預(yù)留5%水環(huán)境容量作為安全余量，其余容量在點源、面源間分配(表8)。

表8 清河區(qū)控制單元污染負(fù)荷分配 t/a

2.5 控制單元污染負(fù)荷削減

2.5.1 污染負(fù)荷削減量計算

根據(jù)點源、面源允許入河量，結(jié)合污染負(fù)荷排放現(xiàn)狀，計算控制單元污染負(fù)荷削減量(表9和表10)。

表9 清河區(qū)控制單元面源污染負(fù)荷削減量t/a

表10 清河區(qū)控制單元點源污染負(fù)荷削減量 t/a

由表9和表10看出，控制單元近期污染負(fù)荷削減率為60%左右，中(遠(yuǎn))期削減率為70%左右。

2.5.2 污染負(fù)荷削減方案制定

工業(yè)企業(yè)污染負(fù)荷削減時，重點考慮污染物排污去向(進(jìn)入污水廠、工業(yè)園或直排)，排污口距離受納水體距離(污染物衰減系數(shù))，污水排放量，排污方式，污染物排放限值及污水處理技術(shù)等方面。清河區(qū)重點控制7家排污較嚴(yán)重的企業(yè)，削減COD 87.49 t/a、氨氮 4.82 t/a。

清河區(qū)控制單元可控的面源污染以畜禽養(yǎng)殖、鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污染為主，建設(shè)鄉(xiāng)污水處理設(shè)施及畜禽養(yǎng)殖小區(qū)污染防治工程控制面源污染。

3 結(jié)語

(1)流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)在清河流域應(yīng)用示范中顯示：實施基于容量的流域污染物總量控制技術(shù)優(yōu)于區(qū)域目標(biāo)總量控制技術(shù)，目標(biāo)總量控制主要根據(jù)陸源污染物排放限值及排放現(xiàn)狀控制污染物排放總量，容易造成或加重河流污染;容量總量控制以河流水環(huán)境容量為約束條件，控制陸源污染物的排放，可以預(yù)防和減輕河流污染。

(2)合理分析面源產(chǎn)生時期與規(guī)范面源污染負(fù)荷核定技術(shù)，是科學(xué)、合理核定面源污染負(fù)荷的關(guān)鍵。清河流域降雨主要集中于7月和8月，由于控制單元位于清河水庫下游，5月水庫承擔(dān)灌溉任務(wù)，4月冰雪融化，清河區(qū)控制單元面源實際發(fā)生于4月、5月、7月和8月。由于影響面源污染因子較多，使面源污染具有不確定性，從而衍生出多種面源污染負(fù)荷核定技術(shù)。筆者采用輸出系數(shù)與水文分割法核定清河區(qū)控制單元面源污染負(fù)荷，面源COD和氨氮總負(fù)荷分別為922.08 t/a和54.54 t/a。

(3)設(shè)計合理的水文條件是實現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)的基礎(chǔ)。清河流域河流季節(jié)變化明顯，水量變化大，根據(jù)清河區(qū)控制單元水文特點，采用最小生態(tài)流量作為水文設(shè)計條件模擬計算水環(huán)境容量。實踐證明，在現(xiàn)有經(jīng)濟技術(shù)條件下，水量可調(diào)節(jié)河段，采用最小生態(tài)流量作為水文設(shè)計條件較適合，可以滿足清河區(qū)控制單元水環(huán)境管理需求，另外，設(shè)計流域水文條件時，要充分考慮冬季部分河段出現(xiàn)連底凍現(xiàn)象。

(4)簡單易行的水環(huán)境容量計算方法與總量分配原則是實現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)的關(guān)鍵。采用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型與線性規(guī)劃模型，綜合考慮水資源、人口、GDP、耕地等多項因子，計算清河區(qū)控制單元水環(huán)境容量，近期COD和氨氮水環(huán)境容量分別為706.55 t/a和40.86 t/a。根據(jù)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率總量分配原則，實現(xiàn)控制單元點源、面源污染負(fù)荷總量分配，近期清河區(qū)控制單元面源COD、氨氮允許入河量分別為314.86 t/a和13.59 t/a;點源COD和氨氮允許入河量分別為356.36 t/a和25.22 t/a，削減率在60%和70%。實踐表明，在實際管理工作中，模型簡單、可靠、實用，分配原則越簡單，越具有可操作性，便于實現(xiàn)流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)。

(5)流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)實施運用對流域水質(zhì)改善，完善流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)體系，提高流域水環(huán)境管理水平起到非常重要的作用，同時為“十二五”示范流域排污許可證的發(fā)放奠定基礎(chǔ)。

［1］孟偉，張楠，張遠(yuǎn)，等.流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究(Ⅰ)-控制單元的總量控制技術(shù)［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2007，20(4)：1-8.

［2］孟偉，王海燕，王業(yè)耀.流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究(Ⅳ)-控制單元的水污染物排放限值與削減技術(shù)評估［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2008，21(2)：1-9.

［3］孟偉，劉征濤，張楠，等.流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究(Ⅱ)-水環(huán)境基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)與總量控制［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2008，21(1)：1-8.

［4］孟偉，秦延文，征兵會，等.流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究(Ⅳ)-水環(huán)境流域監(jiān)控技術(shù)研究［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2008，21(1)：9-16.

［5］孟偉，張遠(yuǎn)，王西琴，等.流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究：(Ⅴ)水污染防治的環(huán)境經(jīng)濟政策［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2008，21(4)：1-9.

［6］鐵嶺市統(tǒng)計局.鐵嶺2011統(tǒng)計手冊［M］.北京：中國統(tǒng)計出版社，2011.

［7］文毅，李宇斌，胡成.水污染物總量控制管理技術(shù)研究［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2009.

［8］遼寧省環(huán)境保護局.遼寧省遼河流域水污染物總量控制管理技術(shù)研究［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2006.