基于水體納污能力的流域水環(huán)境管理模式研究

基于水體納污能力的流域水環(huán)境管理模式研究

1流域水質(zhì)管理模式—引言(Introduction)義烏是中國水資源豐富的地區(qū)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量污染物從義烏流入烏江，水質(zhì)惡化，嚴(yán)重影響了義烏社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。流域水質(zhì)管理是一項系統(tǒng)工程。自20世紀(jì)70年代以來，美國流域水質(zhì)管理模式經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。從監(jiān)測到復(fù)雜、不準(zhǔn)確的模型監(jiān)測到監(jiān)測到簡單、精確的模型結(jié)合三個發(fā)展階段（cooter，2004），形成了目前廣泛使用的流域水質(zhì)管理模式（mtdl：土壤處理日最大污染日），并將非點源污染納入流域水質(zhì)管理體系（saltman，2001）。qual2k（drolcetal.，1996；chaduhuretal.，1998；chaineral.，2003；cox，2003）、wp6（eataral.，1998；kaietal.，1998；tuffordal.，1999；wolpetal.，2004）、e-11（kazmietal.，1997；haleytal.，1998；keeletal.，2006）、hmpf（filosoff.）、felder、2004；franspf（f）、11（kazhotal.，2004；f）等。估計河流中的水處理能力，并合理分配點源和未點源污染物的排放，以實現(xiàn)流域水體的可持續(xù)利用。本研究中在金華江義烏段流域水質(zhì)和排污現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,分析估算流域干流的氨氮、BOD納污量,建立氨氮、BOD日最大排污量管理模式,明確流域各河段污染物入河的削減量,旨在為政府科學(xué)決策和流域水質(zhì)管理提供切實有效的理論方法.2tmdl管理模式日最大排污量水質(zhì)管理模式(TMDL)是某一水體在滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)前提下能接收的某種污染物的最大量,并且在污染源(點源和非點源)中進(jìn)行合理分配.其表達(dá)式為:TMDL=∑WLA+∑LA+MOS(1)式中,TMDL為日最大允許排污量(TotalMaximumDailyLoad);WLA為點源污染物分配(WasteLoadAllocation);LA為非點源污染物分配(LoadAllocation);MOS為安全臨界值(MarginofSafety).TMDL管理模式是以水質(zhì)監(jiān)測和評價為前提,以水體最大納污能力為核心,以水質(zhì)模型構(gòu)建為關(guān)鍵,綜合應(yīng)用水質(zhì)模型以簡化污染物在水體中復(fù)雜的遷移轉(zhuǎn)化過程.其針對的污染物包括DO、BOD、營養(yǎng)鹽、pH、微量元素等(David,1999;Lemly,2002;Stowetal.,2003;Ormsbeeetal.,2004).TMDL管理模式程序見圖1.3金華江流域東南部的水環(huán)境改善概況江曲區(qū)的外部環(huán)境3.1金融體制下區(qū)域流域概況金華江是錢塘江流域南源蘭江的支流,河長195km,流域面積6782km2,其主源為東陽江北江,發(fā)源于磐安縣龍烏尖,流經(jīng)浙江省義烏市.義烏,地處浙江中部,是中國乃至亞洲最大的小商品市場所在地.金華江義烏段是流經(jīng)義烏市的主要河流,是錢塘江水系的二級支流.自廿三里何宅村入市境后,流經(jīng)9個鎮(zhèn)街,于義亭鎮(zhèn)上低田村西入金華市境,市內(nèi)總長約39.75km,流域面積約812.70km2,年平均入境水量為15.08×108m3,是義烏市主要的生產(chǎn)、生活水源.金華江義烏段流域(下文簡稱為義烏江流域)概況見圖2.3.2污染物排放量估算義烏江流域水體的目標(biāo)水質(zhì)以地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)為主,隨著義烏市及其上游縣市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,義烏江流域水體污染日漸加劇.2001～2005年監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,2001～2004年水體BOD值都超過地表水Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)值4.0mg·L-1;干流常規(guī)監(jiān)測斷面水質(zhì)基本為劣Ⅴ類水質(zhì),遠(yuǎn)不能滿足水環(huán)境功能區(qū)要求,主要超標(biāo)指標(biāo)為BOD、氨氮、COD等.因而加強(qiáng)流域水污染控制管理迫在眉睫.流域排污現(xiàn)狀統(tǒng)計分析包括點源和非點源,其中工業(yè)污染源、生活污染源和規(guī)?；B(yǎng)殖作為點源,分散養(yǎng)殖作為非點源.由于本研究中設(shè)計流量為90%保證率流量,此流量條件為流域枯水期,農(nóng)田徑流對河流水質(zhì)影響非常小,因而本研究中忽略農(nóng)田面源污染貢獻(xiàn).工業(yè)和生活污染源數(shù)據(jù)來源于《金華市統(tǒng)計年鑒》和《浙江省水環(huán)境容量測算與核定污染源調(diào)查實施方案》.畜禽糞便污染物產(chǎn)生量通過估算得到,主要根據(jù)調(diào)查資料和國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)(張忠祥,1996;張玉珍等,2003),結(jié)合義烏江流域畜牧飼養(yǎng)的實際情況,確定畜禽糞便污染物的排泄系數(shù)(表1),采用排泄系數(shù)估算法分析畜禽養(yǎng)殖糞便污染負(fù)荷(段勇等,2006).在污染物產(chǎn)生量估算基礎(chǔ)上,依據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》和《杭嘉湖地區(qū)水環(huán)境容量研究、水質(zhì)模型開發(fā)報告》(國家環(huán)境保護(hù)總局環(huán)境規(guī)劃院,2003;太湖流域管理局,2005),明確污染物入河系數(shù)(表2),得到義烏江流域廢水、BOD和氨氮入河量統(tǒng)計分析結(jié)果(見表3),結(jié)果表明生活污染源是目前流域主要污染源.4研究方法mehs4.1以20年最枯月平均水文站為例設(shè)計流量,采用90%保證率流量為依據(jù)的設(shè)計流量是確定合理河流水體在低流量條件下容易引發(fā)水污染事件,從便于管理和監(jiān)督的角度出發(fā),目前在進(jìn)行水體納污能力估算過程中,將設(shè)計水文條件下估算得到的水體納污能力作為制定污染物總量控制定額的依據(jù).以《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》為依據(jù)(國家環(huán)境保護(hù)總局環(huán)境規(guī)劃院,2003),采用90%保證率流量(近10年最枯月平均流量)作為義烏江流域納污能力分析的設(shè)計流量.義烏江目前只設(shè)有1個水文站——義烏佛堂(見圖2),根據(jù)浙江省水文局提供的流量數(shù)據(jù),義烏佛堂站及其相鄰水文站金華站90%保證率流量分別為7.62m3·s-1和19.8m3·s-1.其它沒設(shè)水文站河段的流量,借助Mapinfo,根據(jù)河流流量與集雨面積關(guān)系確定,則流域各河段90%保證率流量見表4.4.2維穩(wěn)態(tài)模型義烏江為山溪性河流,其河長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于河寬及河深,污染物在水體中沿橫向和垂向較易混合均勻,但沿縱向變化顯著,主要靠縱向遷移向下游輸送,符合一維穩(wěn)態(tài)模型模擬條件.美國環(huán)保署開發(fā)的QUAL2K模型為一維穩(wěn)態(tài)模型,使用有限差分法求解一維平流-彌散的物質(zhì)輸送和反應(yīng)方程,模擬充分混合的樹枝狀河流的BOD、DO、N、P等多種水質(zhì)組分.此模型被廣泛用于北美、歐洲、亞洲等流域的污染物總量控制和水質(zhì)管理(Parketal.,2002;Babuetal.,2006;Palmierietal.,2006),適用于義烏江流域水質(zhì)模擬和納污能力分析.4.2.1水質(zhì)模擬方程1極限bod濃度dLdt=-Κ1L-Κ3L+Κ4D+α4ρ4AdLdt=?K1L?K3L+K4D+α4ρ4A(1)式中,L為極限BOD濃度(mg·L-1);K1為BOD氧化率(d-1);K3為BOD沉淀損失率(d-1);K4為河流底泥BOD上浮率(mg·m-2·d-1);D為河水平均深度(m);α4為單位藻類呼吸(死亡)耗氧率(mg·mg-1);ρ2為藻類死亡率(d-1);A為藻類生物量(mg·L-1).2[am]第5頁,云dΝodt=α1ρA-β3Νo-σ4ΝodNodt=α1ρA?β3No?σ4No(3)d[ΝΗ+4]dt=βΝo-β1[ΝΗ+4]+σ3d-F1α1μAd[NH+4]dt=βNo?β1[NH+4]+σ3d?F1α1μA(4)式中,F=Ρam[ΝΗ+4](Ρam[ΝΗ+4]+(1-Ρam)[ΝΟ-3])F=Pam[NH+4](Pam[NH+4]+(1?Pam)[NO?3])(5)d[ΝΟ-2]dt=β1[ΝΗ+4]-β2[ΝΟ-2]d[NO?2]dt=β1[NH+4]?β2[NO?2](6)d[ΝΟ-3]dt=β2[ΝΟ-2]-(1-F)α1μAd[NO?3]dt=β2[NO?2]?(1?F)α1μA(7)式中,No為有機(jī)氮濃度(mg·L-1);α1為以氮計的藻類生物量(mg·mg-1);ρ為藻類呼吸速率(d-1);β3為有機(jī)氮水解為氨氮的水解系數(shù)(d-1);σ4為有機(jī)氮沉淀速率(d-1);[NH+4]為氨氮濃度(mg·L-1);β1為硝化系數(shù)(d-1);σ3為底泥氨揮發(fā)系數(shù)(mg·m2·d-1);F為來自于有效態(tài)銨的藻氮數(shù)量;Pam為氨氮比硝態(tài)氮優(yōu)先因素;[NO-3]為硝酸鹽濃度(mg·L-1);[NO-2]為亞硝酸鹽氮濃度(mg·L-1);β2為亞硝酸鹽氮氧化系數(shù)(d-1).4.2.2納污能力計算水體的納污能力是指在一定設(shè)計水量條件下,滿足水功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的污染物最大允許負(fù)荷量.山溪性河流BOD和氨氮納污能力計算公式為(方曉波等,2007):Wi=31.536C′(1+Qq-QqC01C′)(8)式中,Wi為計算河段納污能力(g·s-1);Q為河流流量(m3·s-1);q為污水排放量(m3·s-1);C′為計算河段水質(zhì)目標(biāo)濃度(mg·L-1);C01為計算河段上游來水污染物QUAL2K模擬濃度(mg·L-1),適合β<1的情形.4.3arga/sapty:safi人,增加了其方差分析污染物在水體中遷移轉(zhuǎn)化過程非常復(fù)雜,在日最大排污量分析中,為了彌補(bǔ)污染物在水體中遷移轉(zhuǎn)化的不確定性以及理解力不足,需要考慮安全臨界值(MOS:MarginofSafety)(Dilksetal.,2004;Zhangetal.,2004).安全臨界值估算有2種方法:Implicit法和Explicit法.Implicit法應(yīng)用守恒模型假設(shè)來估算安全臨界值,如:設(shè)計流量采用7Q10法、底泥氧化耗氧假設(shè)不變等;Explicit法以水體最大納污量百分比形式估算安全臨界值,一般為水體最大納污量的5%～10%,不超過10%.本研究中設(shè)安全臨界值為水體最大納污量的10%.5結(jié)果結(jié)果5.1流域水質(zhì)預(yù)測和管理模擬結(jié)果對比根據(jù)流域水力學(xué)特征以及支流和概化后排污口地理位置,把義烏江流域河段劃分成14個計算單元(見圖2).模型設(shè)計流量采用90%保證率流量,水質(zhì)參數(shù)借鑒國外相關(guān)文獻(xiàn)報道(Chapraetal.,2003;Parketal.,2002;Cox,2003),采用試錯法確定模型參數(shù).在參數(shù)取值范圍內(nèi),輸入2001～2003年最枯月BOD和氨氮實測平均值,不斷調(diào)整模型參數(shù)取值直到模擬值接近測量值,參數(shù)取值見表5.在參數(shù)率定基礎(chǔ)上,以2004～2005年最枯月BOD和氨氮測量平均值驗證模型,結(jié)果見圖3和圖4,模擬結(jié)果與實測值吻合良好.從模型驗證結(jié)果看,模擬值和實測值較為一致,可作為此流域水質(zhì)預(yù)測和管理的有效工具.在距離義烏江起始斷面10.5km和25.3km處(6號和12號河段)由于點源污染物的大量輸入,BOD和氨氮值有所上升;在距離義烏江起始斷面19.0km和21.3km處(9號和10號河段)由于大量污染物的連續(xù)輸入,導(dǎo)致河流水體中BOD和氨氮值有明顯的升高過程,基本符合有機(jī)污染物自然凈化過程.但是,由于研究區(qū)缺乏自己開發(fā)的水質(zhì)模型,此研究涉及的相關(guān)水質(zhì)參數(shù),如單位藻類呼吸(死亡)耗氧率、藻類呼吸速率、底泥氨揮發(fā)系數(shù)等沒有實際測定值,借用國外文獻(xiàn)經(jīng)驗值給模擬結(jié)果帶來一定誤差,有待于做進(jìn)一步相關(guān)研究.5.2污染物入河量削減措施本研究中僅對金華江義烏段干流進(jìn)行納污能力估算,對于支流僅考慮了匯入干流的流量和負(fù)荷量,并未開展支流相關(guān)納污能力的研究.在每個計算河段點源和面源污染物入河量估算以及相應(yīng)河段納污能力分析基礎(chǔ)上,以各個河段納污量10%作為日最大排污量分析的安全臨界值,確定各河段污染物削減百分比;累加各個河段納污量作為整個河段的納污能力,分析整個河段污染物入河削減量;并且對污染物入河量削減前后模型模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析.基于90%水文保證率的義烏江流域BOD和氨氮日最大排污量分析結(jié)果見表6、表7和圖3、圖4.表6和表7的研究結(jié)果表明,義烏江流域目前BOD和氨氮排放入河量分別為8692.69kg·d-1和3227.30kg·d-1.不同河段需要削減不同比例的污染物,其中BOD日最大排污量分析結(jié)果表明,除距離起始斷面河長為5.3km、12.7km、16.4km、22.6km和31.5km(4號、7號、8號、11號和14號河段)不需削減BOD排放入河量外,其它河段均需進(jìn)行不同程度削減;氨氮日最大排污量分析結(jié)果表明,只有距離起始斷面河長5.3km和22.6km(4號和11號河段)不需削減氨氮排放入河量.針對研究結(jié)果,提出如下污染物入河量削減措施.首先,根據(jù)研究區(qū)最大日排污量分析結(jié)果,借鑒最佳管理措施(BMPs)并結(jié)合義烏江流域污染特點,建議采用下述最佳管理措施減少面源污染物入河量.農(nóng)業(yè)面源最佳管理措施通過源污染控制和徑流過程控制來實現(xiàn).源污染控制建議采取生態(tài)農(nóng)業(yè)、生態(tài)施肥等技術(shù),根據(jù)作物和土壤類型選擇化肥品種,按所需肥料的最佳使用數(shù)量和時間平衡施肥,不同作物品種輪種、套種,以減少養(yǎng)分流失.徑流過程控制通過建立適當(dāng)人工濕地、植被緩沖帶和河岸交錯帶等生態(tài)工程技術(shù)控制暴雨徑流、截留污染物;在潛在污染源區(qū)與受納水體之間設(shè)立由林、草或濕地植物覆蓋植被緩沖區(qū),對污染物進(jìn)行阻截、吸收和轉(zhuǎn)化,從而達(dá)到去除污染物的目的;河岸交錯帶通過根際微生物的旺盛活動能截留大量的營養(yǎng)物質(zhì),降解有機(jī)污染物.城市面源最佳管理措施依據(jù)義烏商貿(mào)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的趨勢,在老城區(qū),針對具體污染負(fù)荷較強(qiáng)地段采用合適的管理措施,如強(qiáng)化固體廢棄物分類收集制度,提倡廢物回用;采用滲透池、滲透渠、滯留槽等生態(tài)治理技術(shù)過濾、吸收污染物;或引入新的景觀要素,切斷非點源污染物遷移途徑,降低或去除污染物.在新城區(qū)規(guī)劃建設(shè)中,根據(jù)不同功能區(qū)對水環(huán)境影響的特點合理規(guī)劃居住、商業(yè)、道路、綠地、生態(tài)保護(hù)等用地的比例和位置,結(jié)合城市非點源污染產(chǎn)生和遷移過程引入生態(tài)景觀要素,形成符合生態(tài)景觀要求的綠色網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),減少污染物入河量.如對小區(qū)路面徑流的控制,首先提高小區(qū)內(nèi)綠地面積,擴(kuò)大透水性,減少不透水比例,并對小區(qū)內(nèi)的徑流進(jìn)行收集簡單處理,回用于澆灌綠地,噴灑路面等.再者,對于現(xiàn)存點源污染排放的河段,若通過采取最佳管理措施減少面源污染后BOD和氨氮現(xiàn)狀入河量仍超過水體納污能力,則必須繼續(xù)加強(qiáng)點源污染控制.表6和表7分析結(jié)果表明,流域點源BOD削減百分比為64.31%～97.71%,氨氮削減百分比例