基于控制断面法的水环境容量及污染综合治理研究

张国庆

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

在水体功能不被破坏的前提下，水体所能容纳污染物的最大量即为水环境的容量[1]。水系统具有一定自净和稀释功能，该功能是影响水环境容量的重要参数指标，是揭示污染物在水体环境中能够得到扩散、转移和消散的重要参数指标[2]。一般条件状况下，当净污比高于10～20倍之时，水环境容量可仅仅对稀释作用进行计算研究，而不考虑水体的自净功能。随着城市需水量和环境污染问题的日趋严峻，对染排放量控制和水环境容纳量的研究已成为国内外水环境领域的主要研究方向和重要内容[3]。在控制污染物总排放量的状况下，开展水环境容量的研究对缓解水体环境污染和水资源紧缺等问题具有重要意义[4]。

众多学者分别针对不同流域开展了水环境容量的计算方法研究，如韩龙喜[5- 10]等结合南通水文地理河网特征，构建了用于该地区的水质水量模型并进行模拟计算研究；孟伟[11]等通过分水环境质量标准和基准等概念，概述了制定上述标准的方法和过程，并探讨了影响污染物总量控制的关键因素，同时对水质标准体系的保护功能、组成方面和制定方法等进行了分析，总结了水指标准在污染物控制方面的应用状况；周刚[12]等以氨氮水质和化学需氧量为研究指标和参数，提出了RPSM非线性优化算法和WESC2D水质分析模型的河流污染物控制技术和方法。

当前，对水质环境的总目标研究是水环境容量关键性技术控制措施探讨研究的主要内容，而实现从总目标的设定到流域单元的水质控制研究已成为未来相关控制计算研究发展的必然趋势，且采用年际标准是进行水环境容量计算采用较多的方法。据此，本文结合大凌河水系的基本税额问特征，采用控制断面法对水环境按月份进行分配，以期为研究区域制定更加科学合理的水环境污染管理控制方案、水体污染治理措施提供参考依据和理论支持[13]。

1 水环境容量计算法

大凌河流域大部分区域属于雨源型河流，局部地区汇水面积少且在枯水期河道径流量小，通常情况下河流的补充水源不足，水环境的容纳能力极其有限，而城市经济发展和人们生产生活对水资源的需求导致对该流域的水资源开采强度较高，并给当前的水环境治污系统带来较大的压力。本研究以辽宁省大凌河水环境容量为研究对象，依据大凌河流域交接断面水质目标为Ⅲ类水质标准，为了对研究流域水环境容量进行充分利用并达到水质目标，本研究采用控制断面法进行大凌河流域水环境计算分析[14]。在满足水质标准相关要求的条件下进行某控制断面处的水环境容量的计算分析是保证入河污染量计算准确性和客观性的基本前提。控制断面的水环境容量是基于该控制断面向上游方向进行反推至某一断面，将该区间内排污口所能承受的排污能力极限值进行统计并求和计算。自净容量和稀释容量是河流水环境容量的2个重要组成部分，其计算公式分别如下所示：

(1)

(2)

E=E1+E2

(3)

式中，E、E1、E2—分别为水环境容量，稀释容量和自净容量，g/s；c0、cs—分别为流域水体背景浓度和水质标准值，mg/L；Q—河流设计流量，m3/s；qi—河流污染物平均排放量，m3/s；k—河流污染物降解系数，d-1；ti—第i时段内的水流时间，d；u—河流水流速度，m/s。

2 相关参数的确定

2.1 设计水文条件

因大凌河流域实测水文资料相对缺乏，本研究对该该流域的计算分析采用辽宁省水文图集径流深等值线图对不同保证率下大凌河交接断面天然径流量进行推算。通过借鉴相关资料和图集数据可知，研究区域年径流变差系数Cv取0.36，平均径流深度为980m，偏态系数Cs为2Cv，对不同频率控制断面的大凌河主要干、支流的天然径流进行推算，计算结果见表1。

表1 不同频率下大凌河流域交接断面处天然径流量计算结果

大凌河流域大部分区域属于雨源型河流，在降雨汛期河流洪水存在明显的陡涨陡落特征，而在非汛期的水流量较少。结合相关流域经验，河流设计流量通常采用90%的保证率进行水环境容量的计算，并利用典型年份的径流量月分配状况对水环境容量进行逐月分配，以期为其他类似流域制定有效、合理的水环境污染控制管理方案和治理措施提供决策依据和理论支持。同时，为了保持河流的流动性和自然性并维持河流一年四季的流水不断，根据相关资料和研究成果，朝阳市对大凌河的再生补给年入水量月12870万m3，该部分补给水资源量对大凌河的水环境在一定程度上产生影响。考虑到调水水量来源较为稳定，且随时间的变化量相对较小，据此可将该部分补给入水量在时间上假定为均匀分配。水环境容量水文条件为补给水量和保证率为90%的天然径流量之和为24705万m3，然后对其进行逐月分配，大凌河月径流量分配结果见表2。

表2 大凌河水环境容量逐月水文条件计算结果

2.2 大凌河水质治理目标

水资源不同功能要求、自然条件和开发利用现状是进行水功能区划的主要依据，不同的水功能区划具有各自的水质管理目标。结合辽宁省对跨界河流的水质管理要求和朝阳市地面水环境功能区划内容，构建了大凌河流域交接断面处的水环境治理目标为：除黑消臭，并达到地表水Ⅲ类水质标准，该水质标准的相关参数指标极限值表3。

表3 地表水Ⅲ类标准水体中各项目指标的质量浓度极限值 单位：mg/L

2.3 水质降解系数

水体环境中的污染物可通过物理、化学和生物降解作用进行转移、消除和稀释作用，而降解系数是反映污染物在水体中降解速率快慢的重要参数，是表征水环境中一系列复杂行为的综合体现。采用经验系数法、河道实地现场测量法、采用模型参数率定法和实验室测定法是污染物降解系数测定的主要方。本研究中结合大凌河流域纳污能力相关计算研究，采用经验系数法进行降解系数K的计算，K为0.18d-1。

3 结果与分析

利用文中所得基本参数和方法，可获得大凌河朝阳区段的水环境容量在90%保证率河流补水和天然流量情况下分配状况，月分配状况统计结果见表4。

表4 COD年大凌河朝阳段总水环境容量月分配情况与入河污染物量

以水体环境中COD参数指标为例，由表4计算结果可知，大凌河入河污染物总量和水环境容量分别为65640、6436t，年平均污染物量与水环境容量比值为10.2。水环境容量整体表现为丰水期较大、枯水期较小，其最大和最小值分别位于7月份和12月份。

通过对大凌河流域污染源和污水处理厂运行状况进行调查和统计分析，得到研究区域COD年污染负荷量为122410t，且年污染物处理量约为567700t，污染物年入河总量为65640t，且在枯水期12月份的污染物量和水环境容量的最高比值可达57.0倍。由此可知，大凌河朝阳段河流污染物入河量相对于水环境容量非常大，污染负荷量明显大于水环境的最大承载力，特别是在枯水期污染物量与水环境容量比值高达57.0倍；虽然在丰水期河流水环境容量较大，然而污染负荷量依旧超高水环境的最大承载力。

根据研究区域社会经济发展基本特征和城镇化发展基本状况可知，经济的发展、城镇化建设、人口数量的增大是引起区域内水资源用量废水排放量增加的主要因素，而水环境治理措施滞后和污水处理技术的落实等是引起水环境持续恶化的关键性因素。

4 流域水质改善措施

流域内水质环境改善的相关技术主要包括：外源阻断和内源控制、生态修复、水质净化、水动力改善等。对人类生活垃圾和污水等面源控制、城镇纳污管道管理等措施是外源阻断技术的主要方法，纳污管道截断作用是利用市政原位处理或污水管排放措施直接阻断污染的来源，降低外源向河流的输入，而城镇生活垃圾的随意堆放是引起降雨径流污水的主要原因，据此还应加强对水体周边环境的面源污染清理和控制；抽水清淤和挖泥船直接清淤是内源控制技术两种主要方法；氮磷污染浓度的偏高是引起水体黑臭等次生问题的内在因素，氮磷含量较高可引起水体生物死亡、水质恶化、水藻毒素验证等问题。据此，加强河流氮磷有机污染物的入河控制是进行城市河道富养化治理的有效方法，当前污水处理厂的氮磷排放浓度指标值明显低于地表水极限值，加强对氮磷总排放量的控制是改善水体环境的有效措施。而生物、物理和化学技术是控制藻类生产的主要方法，采用高强紫外线对藻类直接作用或人工集中打捞是进行水环境物理治理的主要方法，而采用投放有机、无机抑制剂是主要的化学技术控制法，采用食藻鱼类和水体生物是水体环境净化的主要生物控制法；实施人工湿地技术、对河流进行曝气充氧、建造生态浮岛和稳定塘等措施是进行水体环境净化的技术措施；对于有条件的区域进行调水是水动力改善的主要措施，不仅有利于提高河道的纳污水平，而且可加强并促进污染物在水体中的转移、消散和净化作用，同时有利于稀释水体中发黑发臭污染物浓度，对于改善水体环境具有明显的治理效果。

5 结论

本文选取COD作为水体环境污染物参数指标利用控制断面法对大凌河水环境容量进行计算和分析，通过将外调水量与水环境容量进行叠加并按月进行水环境容量的分配，得到了大凌河朝阳区段的逐月水环境容量，并将计算结果研究区域入河污染总量进行比较。得出的主要结论如下：

(1)大凌河朝阳段河流污染物入河量相对于水环境容量非常大，污染负荷量明显大于水环境的最大承载力，特别是在枯水期污染物量与水环境容量比值高达57.0倍；虽然在丰水期河流水环境容量较大，然而污染负荷量依旧超高水环境的最大承载力。

(2)经济的发展、城镇化建设、人口数量的增大是引起区域内水资源用量废水排放量增加的主要因素，而水环境治理措施滞后和污水处理技术的落实等是引起水环境持续恶化的关键性因素。

(3)外源阻断和内源控制、生态修复、水质净化、水动力改善等措施是改善流域内水质环境改善有效措施。