非點源污染影響的水環(huán)境容量分析

非點源污染影響的水環(huán)境容量分析

保護水源，實現(xiàn)水資源可持續(xù)使用，是現(xiàn)代水資源保護的重要組成部分?！吨腥A人民共和國水法》明確提出了以自然水體對污染物稀釋自凈能力作為約束條件,實施污染物總量控制的水污染防治政策?？偭靠刂茝沫h(huán)境目標出發(fā),根據(jù)指定污染物的排放量或削減量,對污染有計劃、有目標地進行削減,能使環(huán)境得到有效的改善。水環(huán)境容量的估算及其在各污染源和區(qū)域之間的分配,是水污染總量控制的基礎(chǔ)和核心。目前,我國總量控制重點仍主要放在點源上,非點源污染沒有得到應(yīng)有的重視,國外已實行多年的點源—非點源污染總量控制在我國才剛剛起步:1)國外自20世紀70年代至今對非點源污染問題進行了系統(tǒng)研究,我國從80年代開始非點源污染方面的研究,針對國外模型理論性強、計算量大、參數(shù)復(fù)雜、難以推廣應(yīng)用于我國資料基礎(chǔ)差的實際情況,提出了一些簡便實用的非點源污染估算和預(yù)測方法,為考慮非點源的總量控制奠定了一定基礎(chǔ),但總體積累不足;2)對考慮非點源污染影響的河流水環(huán)境容量研究相對較少;3)我國自主研究的、綜合考慮點源和非點源影響的水污染綜合控制規(guī)劃模型較少。隨著點源污染控制水平的提高,我國非點源污染問題影響日益突顯,將非點源污染的防治納入到總量控制中具有重要意義。本文擬建立考慮非點源污染影響的河流污染物總量控制方法和模型,并以渭河干流西安段為例研究,在合理確定河流水環(huán)境容量的基礎(chǔ)上,將環(huán)境容量在點源、非點源兩類污染源之間進行合理分配,以期為河流水環(huán)境的綜合、有效治理與水資源保護提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。1學(xué)習(xí)方法1.1污染源的及排放方式為了簡化計算,本文假定:1)渭河河道斷面沿流程構(gòu)造均勻,可概化為順直均勻河道;2)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)廢水和鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水按集中排放污染源計算,即點源;3)渭河各支流作為排污口處理,排污方式視為連續(xù)排放;4)渭河干流非點源污染主要由支流輸入,忽略干流沿岸線源污染輸入;5)COD和NH3-N的降解假設(shè)為一級反應(yīng),地下水、底泥、泥沙吸附及解吸等作用不考慮;6)渭河流域水期的劃分:7～10月為豐水期,4～6月、11月為平水期,1～3月、12月為枯水期。1.2河流污染物總量控制模型首先,構(gòu)建考慮非點源污染的河流水環(huán)境容量計算模型(模型中考慮支流特別是其汛期對水環(huán)境容量的貢獻),其次,對研究河段非點源污染負荷定量化,最后建立綜合考慮點源、非點源影響的河流污染物總量控制模型。1.3計算水環(huán)境體積的模型1.3.1污水污染物的初始濃度渭河及其支流屬于中小型河流,對此類河流的較長河段,通常只關(guān)心污染物濃度的沿程變化,其橫向和豎向的污染物濃度梯度可以忽略,這時可采用一維模型來模擬河流水質(zhì)。假定水體的水文條件和排污條件所構(gòu)成的水質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)(即水體污染物的濃度不隨時間變化),同時忽略縱向彌散作用,描述河流污染物一維穩(wěn)態(tài)衰減規(guī)律的微分方程為:u?C?x=?KC(1)u?C?x=-ΚC(1)在初始條件C=C0下,式(1)的解為:Cx=C0exp(?Kxu)(2)Cx=C0exp(-Κxu)(2)其中C0=QC1+qC2Q+q(3)C0=QC1+qC2Q+q(3)式中,u為河流斷面縱向平均流速(m/s);x為河水流經(jīng)距離(m);Cx、C0分別為河水流經(jīng)距離x處和初始斷面處(x=0)河水污染物的濃度(mg/L);K為污染物降解系數(shù)(1/d);C1為河流中污染物的本底濃度(mg/L);C2為排入河流的污水污染物濃度(mg/L);Q為河流水體的流量(m3/s);q為排入河流的污水的流量(m3/s)。1.3.2段首控制影響水質(zhì)水環(huán)境容量計算采用段首控制法。段首控制法的目的在于保證河流各功能區(qū)段內(nèi)處處達到水質(zhì)要求,嚴格按照功能區(qū)劃分約束水質(zhì)。段首控制中的段是指沿河任何兩個排污口斷面之間的河段,而段首則是指各段的上游第一個排污口斷面。段首控制就是控制上游斷面(也即段首)的水質(zhì)達到功能區(qū)段的要求,那么由于污染物的降解,則在該段內(nèi)的水質(zhì)處處達到或高于功能區(qū)段的控制指標。段首控制嚴格控制了功能區(qū)段的水質(zhì)不超標。計算公式如下:E=Q0(Cs?C0)+∑i=1nCs[Qi(1?expkxi?1?kxiu)+qi]E=Q0(Cs-C0)+∑i=1nCs[Qi(1-expkxi-1-kxiu)+qi]式中,Q0為來水流量(m3/s);Cs為功能區(qū)段水質(zhì)標準(mg/L);C0為功能區(qū)段段首來水的污染物濃度(mg/L);qi為第i個斷面處的排污流量或支流流量(m3/s);Qi為第i段混合后干流流量(m3/s);n為功能區(qū)段劃分的河段數(shù);xi-1,xi分別為第i-1斷面、第i斷面與功能區(qū)段段首的距離。用此方法計算水環(huán)境容量過程中,水環(huán)境容量與排污口(含支流)的排放濃度無關(guān),只與污水量有關(guān),同時受到排污口位置及排放方式、衰減系數(shù)等其它因素約束。1.4非點源污染的污染物總量控制方法1.4.1污染加權(quán)平均濃度采用平均濃度法進行非點源污染負荷估算。平均濃度法的基本思想是:先求出各次暴雨徑流非點源污染加權(quán)平均濃度,再將該加權(quán)平均濃度近似作為河流控制斷面年地表徑流的平均濃度,則該斷面非點源污染年負荷量為此加權(quán)平均濃度與年地表徑流量之積。亦可根據(jù)控制斷面長系列年徑流實測資料進行頻率計算,把年徑流量分割為地表徑流和地下徑流,求得不同頻率代表年的非點源污染負荷量。1.4.2非點源污染的污染物總量控制模型1環(huán)境容量允許排放量在公平性原則下,將非點源污染單獨作為一個排放源,與點源污染一起參與環(huán)境容量的分配,其分配得的環(huán)境容量(允許排放量)或削減量為:Wi,n=Li,n×Wi/(Li,p+Li,n)(5)式中:Wi,n為河流第i功能段非點源污染負荷允許排放量;Li,n為河流第i功能段產(chǎn)生的非點源污染負荷;Li,p為河流第i功能段產(chǎn)生的點源污染負荷;Wi為水環(huán)境容量。2不合理利用考慮到非點源污染量大、面廣和難以治理的特點,加之對河流的環(huán)境容量的開發(fā)利用應(yīng)該是合理利用,而不是充分利用,對式(7)進行修正:Wi,n=(1+α)×Li,n×λ×Wi/(Li,p+Li,n)(6)式中:α為非點源污染削減難度系數(shù),α=0.3～0.5;λ為環(huán)境容量利用系數(shù),λ=0～1,完全利用為1。2使用示例分析計算渭河干流西安段不同水平年及研究年(2009)年豐、平、枯三個水期的水環(huán)境容量,并相應(yīng)對其進行排污總量控制。2.1黃河干流長安段根據(jù)陜西省人民政府辦公廳發(fā)布的陜西省水功能區(qū)劃,按照河流監(jiān)測斷面設(shè)置原則,結(jié)合渭河干流西安段的實際情況,將渭河干流西安段劃分為7個控制斷面,共6個控制單元,具體情況如表1。根據(jù)陜西省水文水資源勘測局的《陜西省黃河流域入河排污口普查登記報告》等,整理得到渭河干流西安段入河排污口排放情況,如表2。渭河西安段支流、排污口、水文站位置圖如圖1。2.2實測資料及分析水質(zhì)模型一旦確定以后,即需進行水質(zhì)參數(shù)識別。在參數(shù)的實際估算中,其方法的選擇視具體情況而定。模型參數(shù)估值的一般方法有現(xiàn)場實測法、實驗室測定法、經(jīng)驗公式法、多元分析方法等。根據(jù)文獻和文獻,暫定渭河COD降解系數(shù)KCOD=0.2d-1,NH3-N降解系數(shù)KNH3-N=0.1d-1,并運用2006年渭河西安段的實測資料對模型參數(shù)選取值進行驗證(2006年咸陽水文站觀測的水量為61.3m3/s),各污染物模擬結(jié)果見表3。從表3的模擬和驗證結(jié)果看,COD的總體平均的相對誤差為6.16%,NH3-N的總體平均的相對誤差為11.82%,誤差均小于15%,說明模擬結(jié)果較好。因此,模型的參數(shù)值選取總體上可行。2.3根據(jù)咸陽渭河段水環(huán)境面積計算2.3.1同水文頻率下的斷面流量計算結(jié)果根據(jù)咸陽水文站1950—2006年流量資料,進行經(jīng)驗頻率計算和P-III型曲線適線,計算不同水文頻率下的斷面流量,計算結(jié)果如表4(離差系數(shù)=0.52,偏差系數(shù)/離差系數(shù)=1.5)。結(jié)合表4,頻率P=20%、50%、75%、95%的代表年分別選取1976年、1988年、1971年和2004年。2009年咸陽水文站年徑流量為64.6m3/s,可見2009年為枯水年。2.3.2水環(huán)境容量預(yù)測河流水環(huán)境容量與上游來水量有關(guān),本文計算渭河干流西安段不同水平年水環(huán)境容量及其研究年2009年豐、平、枯三個水期的水環(huán)境容量。根據(jù)2009年渭河咸陽水文站的流量資料,計算得到2009年咸陽站豐、平、枯三個水期的流量分別為112.05m3/s、53.6m3/s、27.6m3/s。由于渭河流域降雨量和徑流量年內(nèi)變化較大,在不同水期產(chǎn)生的地表徑流及非點源污染負荷差別很大,因此在計算渭河西安段各水期水環(huán)境容量時,各支流各水期入渭口的流量不同。根據(jù)2009年情況統(tǒng)計得到渭河西安段各支流各水期的水量水質(zhì)資料,見表5。2.3.3相關(guān)關(guān)系?+/單因素相關(guān)關(guān)系以下簡稱“1/2在河流斷面一定的條件下,流速和流量之間存在一定的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)實測資料經(jīng)回歸分析,渭河干流西安段斷面流速u和流量Q的關(guān)系為:u=0.1098Q0.939,R=0.910(7)2.3.4環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)目標的確定背景濃度的確定:有資料時,采用該河段上游對照斷面近年水質(zhì)監(jiān)測的最枯月平均值;無資料時,如上游其他斷面有資料,可以利用上游其他斷面近幾年水質(zhì)監(jiān)測的最枯月平均值用一維模型的濃度公式推算至該斷面,或采用兩次補充水質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查的平均值代替。水質(zhì)目標的確定:以水環(huán)境功能區(qū)相應(yīng)環(huán)境質(zhì)量標準類別的上限值為水質(zhì)目標。水環(huán)境功能區(qū)相應(yīng)環(huán)境質(zhì)量標準具體落實于相應(yīng)的監(jiān)控斷面,斷面達標即意味著環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)達標。根據(jù)渭河西安段水功能區(qū)劃要求,研究區(qū)水體執(zhí)行Ⅳ類標準,河水中的COD和氨氮的控制標準分別為30mg/L和1.5mg/L。2.3.5實驗結(jié)果分析將上述模型設(shè)計條件和模型參數(shù)值,代入式(4)可以計算得出渭河干流西安段各河段不同水平年及研究年(2009年)豐、平、枯三個水期COD和NH3-N的水環(huán)境容量,如表6和表7。從表6可見,不管是同一河段還是整個河段,枯水年的水環(huán)境容量<平水年的水環(huán)境容量<豐水年的水環(huán)境容量。這是由于渭河干流的徑流量變化較大,20%水平年的設(shè)計流量大于90%水平年的設(shè)計流量,因此導(dǎo)致了這種結(jié)果的產(chǎn)生。還可看出,咸陽水文站到天江監(jiān)測斷面(表中對應(yīng)1～3河段)的污染物COD、NH3-N水環(huán)境容量是逐漸增加的,這是由于在這個河段匯入灃河和皂河的流量,導(dǎo)致河流的稀釋容量增加。在天江監(jiān)測斷面—灞河入渭口(表中對應(yīng)第4河段)的水環(huán)境容量達到全河段最低,這是由于在該河段匯入了漕運渠,漕運渠流量小,導(dǎo)致水環(huán)境容量減少。在灞河入渭口到臨潼斷面(表中對應(yīng)第5、6河段)的污染物COD、NH3-N水環(huán)境容量是逐漸增加的,這是由于該段匯入大量灞河和涇河的流量導(dǎo)致河水的稀釋引起的。文獻研究表明,在Ⅳ類水質(zhì)目標下,考慮支流的影響,渭河西安行政區(qū)段污染物COD、NH3-N水環(huán)境容量為77959.30t/a和3680.90t/a,本文研究結(jié)果與該計算結(jié)果基本相符。從表7可以看出,2009年枯水期的水環(huán)境容量<平水期的水環(huán)境容量<豐水期的水環(huán)境容量。這是由于枯水期的降雨量遠小于豐水期的降雨量,導(dǎo)致枯水期的徑流量小于豐水期的徑流量,而一般情況下,流量越大,水環(huán)境容量越大。從表7還可看出,在第3、5、6河段豐水期污染物COD、NH3-N的水環(huán)境容量比枯、平水期的水環(huán)境容量大許多,這是由于這3個河段都有支流的匯入,豐水期會產(chǎn)生大量的降雨徑流匯入支流,從而導(dǎo)致豐水期該3個斷面的水環(huán)境容量的增加。2.4結(jié)果表明，秦西洛段污染總數(shù)2.4.1非點源污染負荷渭河干流西安段的研究范圍是從咸陽水文站到臨潼水文站,因此在渭河干流西安段匯入的非點源污染負荷等于臨潼斷面以上的非點源污染負荷減去咸陽斷面以上的非點源污染負荷,計算公式如下:W西安=W臨潼-W咸陽(8)式中,W表示某斷面的非點源污染負荷量。選用2009年和2010年咸陽斷面和臨潼斷面的水質(zhì)水量同步監(jiān)測時間與洪峰流量資料,采用平均濃度法分別計算各斷面的非點源平均濃度。計算結(jié)果見下表8。根據(jù)表8,運用平均濃度法對污染物COD、NH3-N平均濃度的計算結(jié)果,估算咸陽斷面和臨潼斷面不同水文頻率條件下的非點源污染負荷。在估算之前需要對咸陽斷面、臨潼斷面年徑流量進行地表徑流的分割。采用數(shù)字濾波法,根據(jù)咸陽站、臨潼站日平均流量過程線分割出地表徑流和基流兩部分,分割結(jié)果如下表9。將表8中多場暴雨徑流的加權(quán)平均濃度近似作為渭河咸陽斷面和臨潼斷面年地表徑流的平均濃度,則斷面各水平年非點源污染負荷量為此加權(quán)平均濃度與年地表徑流量之積。不同水平年點源污染負荷根據(jù)《陜西省黃河流域入河排污口普查登記報告》確定。根據(jù)式(8)計算得到渭河干流西安段匯入的非點源污染負荷。計算結(jié)果如表10。從表10可見,不論是污染物COD和氨氮,豐水年非點源污染負荷大于枯水年的非點源污染負荷,這是由于豐水年地表徑流大,沖刷力強,從而能夠攜帶更多的非點源污染物。從表10還可見,在50%水平年渭河西安段的非點源污染負荷大于20%水平年的非點源污染負荷,這是由于在這兩個頻率下咸陽斷面地表徑流量相差較大,而臨潼斷面地表徑流量相差不大,因此根據(jù)式(8)計算得到這個結(jié)果。2.4.2非點源污染負荷采用數(shù)字濾波法,根據(jù)2009年咸陽站、臨潼站日平均流量資料分割出地表徑流和基流兩部分,統(tǒng)計出各站豐、平、枯三個水期的地表徑流和基流,分割結(jié)果如下表11。將表8點源平均濃度作為渭河咸陽斷面和臨潼斷面基流的平均濃度,則2009年斷面點源污染年負荷量為此平均濃度與基流量之積;將表8非點源平均濃度作為渭河咸陽斷面和臨潼斷面地表徑流的平均濃度,則2009年斷面非點源污染年負荷量為此平均濃度與地表徑流之積。根據(jù)公式(8)計算得到渭河干流西安段匯入的點源污染負荷和非點源污染負荷,結(jié)果如表12。全年污染負荷為各水期的污染負荷之和,2009年渭河西安段COD和NH3-N的非點源污染負荷分別為14142t、1658t,COD和NH3-N的點源污染負荷分別為62828t、9813t,因此渭河西安段COD和NH3-N非點源污染負荷占總負荷的比重分別為18%、14%,可見2009年渭河西安段COD和NH3-N的污染負荷大部分來自污水排放的點源污染,渭河干流西安段主要是以點源污染為主的。從表12可以看出,2009年渭河西安段各水期的非點源污染負荷規(guī)律為豐水期>平水期>枯水期,這是由于豐水期降雨徑流大,沖刷力強,從而能夠攜帶更多的非點源污染物?？菟诘姆屈c源污染占總污染負荷的比重很小,枯水期基本上不存在非點源污染;而豐水期污染物COD和NH3-N的非點源污染比重為0.38、0.25,豐水期受非點源污染較嚴重,對渭河水質(zhì)的影響不容忽視。由此可見,降雨徑流對非點源污染負荷量有直接影響。2.4.3事業(yè)總污染負荷削減量兼顧公平性原則,在不同水文頻率條件下,利用式(6)對渭河西安段的水環(huán)境容量在兩類污染源之間進行分配。其中非點源污染削減難度系數(shù)取α=0.3,環(huán)境容量利用系數(shù)取λ=0.8。不同水文頻率條件下渭河西安段污染物總量控制結(jié)果如表13和表14。2009年渭河西安段各水期污染物總量控制結(jié)果如表15和表16。由表13可以看出,除了90%水平年污染物COD非點源污染不需要削減外,渭河干流西安段污染物COD點源污染排放量及非點源污染排放量都需要削減,說明渭河西安段基本上已無任何污染物COD納污能力。20%和90%水平年渭河干流西安段污染物COD的總污染負荷削減量分別為26778t、16110t,豐水年總削減量大于枯水年總削減量,這說明豐水年比枯水年的非點源污染嚴重,豐水年比枯水年降雨徑流量所攜帶的非點源污染負荷增量遠大于其水環(huán)境容量增量。由表14可以看出,渭河干流西安段污染物NH3-N點源污染排放量及非點源污染排放量都需要削減,說明渭河西安段基本上已無任何NH3-N納污能力。20%和90%水平年渭河干流西安段污染物NH3-N的總負荷削減量分別為7263t、4546t,豐水年總削減量大于枯水年總削減量,這說明豐水年比枯水年的非點源污染嚴重,豐水年比枯水年降雨徑流量所攜帶的非點源污染負荷增量遠大于其水環(huán)境容量增量。從表15可見,2009年渭河西安段豐水期污染物COD的兩類污染負荷均不需要削減,其它兩個水期的兩類污染負荷都需要削減,枯水期的總削減量最大。從表16可見,豐、平、枯三個水期的污染物NH3-N均需要削減,河流基本上已無任何污染物NH3-N容納能力。雖然豐水期污染物NH3-N的水環(huán)境容量大枯水期的水環(huán)境容量將近三倍,但是豐水期總削減量大于枯水期的總削減量,這是由于豐水期NH3-N的非點源污染嚴重,降雨徑流會攜帶大量的NH3-N污染,導(dǎo)致豐水期的污染物NH3-N總排放量變大,從而導(dǎo)致河流水質(zhì)變差?？梢妴渭兊挠嬎闼h(huán)境容量并不能完全體現(xiàn)一條河流的污染現(xiàn)狀,水環(huán)境容量大并不意味著河流水環(huán)境現(xiàn)狀好,必須把非點源污染納入到水污染總量控制體系中才能更好的體現(xiàn)河