基于污染溯源分析的通榆河考核断面水质达标方案研究

2020-08-14 12:54胡开明董锦云冯彬周斌唐佳丽

环境与发展 2020年11期

胡开明董锦云冯彬周斌唐佳丽

摘要：基于水文、水质和污染源资料，建立了大丰区通榆河流域一维水环境数学模型。利用控制断面达标法计算得到通榆河水环境容量，进而与断面现状污染物入河量对比，确定了研究区域内各类污染物的削减量，并对草堰大桥考核断面污染源解析，最终制定断面水质达标方案及可行性分析，为草堰大桥断面乃至通榆河的水环境综合治理提供技术支持。结果证明：草堰大桥断面达到Ⅲ类水要求时，水环境容量分别为：COD 272.66 t/a，氨氮33.77 t/a，总磷7.45 t/a;草堰大桥断面污染源主要为畜禽养殖污染、上游污染及生活污水等。

关键词：水环境容量;污染物入河量;污染源解析;水质达标

中图分类号：X132 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）11-00-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.11.023

Research on the water quality reaching standard scheme of Tongyu River section based on pollution traceability analysis

Hu Kaiming1，2，Dong Jinyun1，2，3，Feng Bin1，2，Zhou Bin4，Tang Jiali4

（1.Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science，Nanjing Jiangsu 210036，China;2. Jiangsu Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering，Nanjing Jiangsu 210036，China;3. College of Environment，Hohai University，Nanjing Jiangsu 210098，China;4. Dafeng Ecological Environment Bureau of Yancheng City，Yancheng Jiangsu 224100，China）

Abstract：Based on the data of hydrology， water quality and pollution sources， the one-dimensional mathematical model of water environment of the Tongyu River basin was established. The water environmental capacity of the Tongyu River is calculated by using the control section meeting standard method. Then compared with the amount of pollutants discharged into rivers， the amount of pollutants cut was determined. And the sections pollution sources of Caoyan Bridge were analyzed. The plan of meeting the water quality standards and feasibility analysis were applied in order to provide technical support for the comprehensive treatment of the water environment of Caoyan Bridge section and Tongyu River further. The result showed that， when the section of Caoyan Bridge reaches the standards for Grade III water quality， the environmental capacity of COD， NH3-N and TP is 272.66 t/a， 33.77 t/a， 7.45 t/a respectively. The sections pollution sources of Caoyan Bridge are mainly livestock and poultry breeding pollution， upstream pollution and domestic sewage.

Key words：Water environmental capacity;River input discharge;Pollution source analysis;Water quality standards

隨着我国经济社会的快速发展，工业化、城市化的规模不断扩大，污染物入河量剧增，冲击原本薄弱的水环境承载力。针对日益严峻的水污染形式，国家制定了“水十条”[1]，旨在改善和保护环境。根据“水十条”要求，未达到水质目标要求的地区需要制定达标方案，其中多数以考核断面水质达标为整治目标[2]。

宋为威对秦淮河[3]及七桥瓮国考断面[4]、王长芳子[5]对广东省鸦岗国家考核断面进行水质分析及污染物入河量的计算，解析断面相关水域污染源，最终对主要水环境问题进行诊断及提出对策。综上可见，目前部分研究是根据污染物入河量确定控制断面水质达标方案，在此基础上，近年来，我国学者进一步采用不同模型及分析方法对断面水质达标进行了系统性研究，其中针对将水环境容量理论及计算方法与断面水质控制规划相结合的研究也日益获得重视[6]。周孝德[7]提出在一维稳态条件下计算水环境容量的3种方法，即：段首控制方法、断尾控制方法和功能区段尾控制方法，并将3种方法实际应用于渭河干流COD水环境容量计算;刘媛[2]利用一维稳态计算公式建立汤水河流域水质模型，得到水环境容量，进行污染溯源分析，进而提出近远期达标整治方案;展勇兴[8]以常熟市东环河虞东路桥断面为例，建立东环河水质模型，根据水质监测数据进行模型参数率定，计算得出区域水环境容量，提出断面水质达标方案。因此，本文通过建立一维稳态水环境数学模型，利用控制断面达标法，计算出草堰大桥断面所在流域水环境容量，与断面相关水域污染物入河量对比，进而确定各类污染物削减量，开展研究区污染源解析，最终制定了基于断面达标的污染源区域整治的对策方案。

通榆河草堰大桥断面位于盐城市大丰区境内，是考核通榆河（大丰段）水质的国家考核断面，2018年水质考核目标为Ⅲ类，但2018年1-11月均值为Ⅳ类，汛期超标严重，尚不能实现稳定达标。为此，本文将草堰大桥断面作为研究断面，开展基于污染源解析的草堰大桥考核断面水质达标方案研究，以确保断面水环境质量达到Ⅲ类水质目标要求，为草堰大桥断面乃至通榆港的水环境综合治理提供技术支持。

1 数据与方法

1.1 区域概况

草堰大桥断面位于通榆河，为通榆河（大丰段）水质的国家考核断面，通榆河是江苏省江水东引北调工程的一部分，南起南通长江北岸，北至连云港市赣榆县，全长415km，流域面积约30 000km2。通榆河草堰大桥断面位于东台与大丰交界下游2.3km处，区域土地总面积约

5 128.88hm2，土地利用类型以农用地为主，耕地面积约为3 276.64hm2，占研究区域土地面积的63.9%，其余主要为水域及水利设施用地。大丰区常年自然降水量1 066.7mm，丰水年超过2 000mm，欠水年最少也有500mm。

1.2 水环境容量计算方法

对于地表水体水环境容量的计算，目前已发展出公式法、模型试错法、系统最优化法（主要是线性规划法和随机规划法）、概率稀释模型法和未确知数学法等五大类计算方法[6]。由于通榆河研究区域位于平原河网地区，河流坡降平缓，因此，本文以环境容量定义法为基础，运用基于断面水质达标的水环境容量计算方法，并利用一维稳态水环境模型模拟考核断面水质和污染源之间的关系，保证水环境容量计算结果的准确可靠，使得断面水质达标方案切实可行。

1.2.1 基于断面水质达标的水环境容量计算方法

基于考核断面水质达标的水环境容量是指依据水功能区水质边界条件，在设计水文条件下，满足考核断面水质达标要求的区域内污染源的最大允许排放量[2]。

式中：W为水环境容量，kg/d;C为混合后下游水质浓度，下同，mg/L;C为初始断面混合水质浓度，下同，mg/L;Q0为水体流量，下同，m3/s;k为水质降解系数，下同，1/d;V为水体体积，m3;CS为该水体相应水质标准下的浓度，mg/L，依据《关于下达“十三五”水环境质量考核目标的通知》（苏环委办〔2016〕5号），草堰大桥断面2020年考核目标为Ⅲ类水质标准，即COD达到20 mg/L，氨氮达到1 mg/L，总磷达到0.2 mg/L。

1.2.2 主要河网及排口概化

根据调查通榆河研究区域主要污染源为畜禽养殖源，其次为生活源，存在部分农田面源及其他污染源。根据研究区域内河流水系特点及污染源分布，得到河网及排口概化与控制断面位置见图2。

1.2.3 水环境数学模型建立与参数选取

控制断面水质模型采用一维稳态水环境数学模型[9]，具体计算公式如下：

式中：x为排污口与计算断面纵向距离，m;u为流速，m/s;C0为边界水质浓度，mg/L;C1为排污口排放浓度或汇入支流水质浓度，mg/L;q为排污口废水排放量或流入的支流流量，m3。

本文水文條件方面，采用通榆河90%保证率下的最枯月均流量作为设计水文条件;水质本底值取2018年1-11月草堰大桥断面平均浓度。水环境容量计算过程中选取的水质降解系数参考历史实验资料，综合考虑附近区域水质降解系数的规律，取COD0.08/d，氨氮0.06/d，总磷0.04/d。

1.3 污染物入河量计算方法

污染物入河量一般是结合当地实际排污情况，多采用经验系数与估算相结合的方法计算。本文依据《太湖流域主要入湖河流水环境综合整治规划编制技术规范》[10]对草堰大桥断面污染物入河量进行计算。

2 研究区污染物溯源及水环境容量计算

2.1 研究区污染物入河量及污染源解析

本文在污水处理厂生活污水处理现状调研的基础上，分别针对草堰大桥断面影响范围内的农业污染源、生活污染源、工业污染源及船舶污染源，选出化学需氧量、氨氮、总氮和总磷4项污染较大的因子进行污染源分析。考虑河流流向、汇水区域范围及污染物排放情况，将草堰大桥断面污染源调查范围设定为大丰区草堰镇丁溪村、双河村、草堰村、界中村、合新村、双垛村等区域。

2.1.1 研究区污染物结构特征分析

通过对各类污染源污染物排放量的调查，分析研究区域污染源构成情况，综合生活污染源、农业污染源、船舶污染源等入河情况，汇总出研究区域范围内的污染源入河量，COD为163.55 t/a，氨氮为19.03 t/a，总磷为7.76 t/a。

污染源调查范围内产业主要以农业生产为主，区域污染物排放构成主要以养殖污染源为主，COD、氨氮、总磷的排放量分别占61.36%、45.40%、83.36%;其次为生活源，COD、氨氮、总磷排放量分别占32.09%、42.13%、10.62%，其中城镇生活源与农村生活源相当。此外，农田面源、水产养殖源、船舶污染源总量相对不大，合计分别占6.55%、12.47%、6.02%。

2.1.2 研究区污染物地域特征分析

根据各地区污染物入河量统计数据分析，双垛村污染物排放总量最大，COD、氨氮、总磷分别占区域排放总量的34.32%、30.61%、34.69%;其次为合新村，污染物排放量分别占26.03%、23.86%、28.52%;界中村和草堰村排放总量相当，分别占14.75%、15.02%、15.35%和14.43%、17.73%、8.64%;双河村和丁溪村排放总量相当，分别占5.77%、6.52%、9.42%和4.70%、6.26%、3.38%。

2.2 水环境容量计算结果

根据以上环境容量计算方法、水环境质量考核目标（Ⅲ类水质目标限值）及确定的水文水质设计条件，结合《省水利厅、省发展和改革委关于水功能区纳污能力和限制排污总量的意见》（苏水资〔2014〕26号）计算得到通榆河研究河段COD、氨氮、总磷的环境容量，草堰大桥断面达到Ⅲ类水要求时，水环境容量分别为：COD 272.66 t/a，氨氮33.77 t/a，总磷7.45 t/a，而经计算现状入河量分别为：COD 163.55 t/a，氨氮19.03 t/a，总磷7.76 t/a。结果表明，目前通榆河研究河段除总磷总量超过水环境容量外，其余污染物总量均满足要求，需针对总磷污染物进行削减。

3 草堰大桥断面水质达标方案

3.1 草堰大桥断面水环境问题分析

3.1.1 畜禽养殖污染问题突出

根据区域各污染源污染物排放特征分析，草堰大桥断面污染调查范围内畜禽养殖污染比重超过区域污染总量的50%。该区域畜禽养殖业发展较为粗放，大型养殖场、规模化养殖场不多，呈现小而散的局面，且缺乏有效管理与治理措施。通榆河水体及其两岸陆域范围均划定了禁养区，经现场调查发现，通榆河1km范围内还存在一些畜禽养殖户，很多养殖户没有针对性的治理措施，大量排泄物就近排入农田或入河，尤其5-10月份，降雨量较多时，大量蓄积的畜禽粪便随雨水排入就近河道，而地势相对低洼区域平时污水不易排出，汛期随着水量增加进入主干河道，因而出现污染物超标现象。

3.1.2 生活污水處理能力偏低

根据统计数据及现场调查，污染源研究区域内无生活污水处理厂，除少部分集镇生活污水接入其他乡镇污水处理厂处理，其余集镇生活污水收集处理率较低。而农村居民居住分散，除少部分村落建设小型农村污水处理设施，大部分村落污水管网建设不到位，管网覆盖率严重不足，且由于管护水平低，导致现有管网损坏率高，直排现象比较普遍。

3.1.3 上游水质波动较大

通榆河草堰大桥断面位于东台与大丰交界（以车路河、丁溪河为界）下游2.3km处，断面受西边兴化市、南边东台市上游客水影响较大，尤其通榆河穿越东台市区和工业区全境，带入境内大量污染物，例如：生活、养殖、工业、种植等污染源排放的污染物。尤其根据污染源普查数据，东台市家禽养殖密度是大丰区的4倍，常住人口为大丰区的1.6倍，工业增加值为大丰区的1.3倍，且其人口、养殖量、工业企业均排在盐城市所有区县的前列，草堰大桥断面水质受其影响较大。

3.1.4 其他污染

种植业面源污染、水产养殖污染、工业污染以及船舶航运污染对草堰大桥断面水质影响也不容忽视。各项污染物的产生量已经远远超过环境自净能力，而应该配套的处理设施则远远滞后，造成目前环境问题突出，成为影响河道水质的重要因素。

3.2 区域总量削减方案

研究区域需要削减的污染物主要为总磷，需削减0.31 t/a。结合上文针对草堰大桥断面水质污染源分析结论和断面影响区域现状，重点组织实施五大类工程，包括：（1）生活污水控制工程。完善农村家庭标准化化粪池建设，新建分散式污水处理站、配套建设管网，界中村农村生活污水拉网式覆盖微动力处理设施，草堰镇集镇建设生活污水收集管网二期3.km主管网及配套设施[11]。（2）农业面源污染控制工程。新设禁养区内畜禽养殖场及水产养殖塘口关闭，开展各乡镇的农田测土配方工作，推进农业化学肥料减施[12]。（3）船舶污染防治工程。开展船舶生活污水收集处理、作业运输船舶油水分离设备配备等。（4）河道综合整治工程。实施生态清淤疏浚，提升水体自净能力，构建健康水循环体系。严格按照“市级河道10-12年疏浚一次，镇级河道5-8年疏浚一次，村组3-5年疏浚一次”的要求，高标准实施河道疏浚，积极推进生态河道建设。（5）监测预警与应急能力建设工程。具体为环境监测能力建设、环境应急能力标准化建设工程、智慧环保平台建设工程、“河长制”水环境监测点建设工程、重点污染源在线监控体系建设及提升工程[13]。最终共可削减COD为51.83t/a、氨氮为4.44t/a、总磷为3.08t/a，说明相关工程实施后，区域内整体污染物排放能得到大幅削减，各污染因子削减能力均能满足削减量需求，区域水环境容量能够容纳区域相关工程实施后的污染物排放。

3.3 断面水质目标可达性分析

3.3.1 内外源对考核断面水质影响权重分析

影响区域控制断面水质情况的因素主要有两点：一是区域外污染源对控制断面水质的影响，以边界来水水质的影响计算，二是区域内污染源的排放量影响。

内外污染源对控制断面水质影响权重分析计算公式[4]如下：

式中：α内为内部污染源所占的权重（%）;α外为外部污染源所占的权重（%）;c内为边界取功能区水质目标时，考虑内部污染源排放情况下按一维水质模型计算得出的控制断面水质浓度值（mg/L）;c外为边界取实测水质时，不考虑内部污染源排放情况下按一维水质模型计算得出的控制断面的水质浓度值（mg/L）。

根据水质监测结果，草堰大桥断面水质影响权重计算结果如表1所示。

由表1可见，通榆河草堰大桥断面水质受外部污染源影响较大，主要为上游东台污染物的输入，基本占到54.66%～61.85%，其上游来水水质若得到改善且汇入的污染源得到削减，草堰大桥断面水质浓度将逐步降低，抵御风险能力更高。

3.3.2 控制断面水质改善效果分析

区内提高生活污水接管率，农田以及畜禽水产养殖等面源污染整治工程实施后，对主要河流的水质起到了改善的正效应，根据建立的一维稳态水环境数学模型计算得知最终通榆河研究河段污染物浓度均有所减少，其中COD浓度可下降0.74 mg/L，氨氮浓度可下降0.043 mg/L，总磷浓度可下降0.021 mg/L。加强上下游协同治理，在上游入境水质满足相关功能区划及考核目标要求的前提下，通过研究区域各污染控制措施的落实到位，可使通榆河草堰大桥断面水质达标。

4 结论

基于水文、水质和污染源相关资料，建立了大丰区通榆河流域一维稳态水环境数学模型。基于控制断面达标法最终得到通榆河水环境容量，与断面现状污染物入河量对比，确定了研究区域内各类污染物的削减量，进而对草堰大桥考核断面污染源解析，最终制定断面水质达标方案及可行性分析，得出结论如下：

（1）草堰大桥断面达到Ⅲ类水要求时，通榆河研究河段水环境容量分别为：COD 272.66 t/a，氨氮33.77 t/a，总磷7.45 t/a。目前通榆河研究河段除总磷总量超过水环境容量0.31 t/a外，其余污染物总量均满足要求，需针对总磷污染物进行削减。

（2）通榆河草堰大桥断面水质受外部污染源影响较大，主要为上游东台污染物的输入，基本占到54.66%～61.85%，其上游来水水质若得到改善且汇入的污染源得到削减，草堰大桥断面水质浓度将逐步降低，抵御风险能力更高。

（3）通过影响草堰大桥断面的区域内污染源分析表明，首先，结构特征上，区域污染物排放构成主要以养殖污染源为主，各污染因子占比基本上占到一半以上;其次为生活源，其中城镇生活源与农村生活源相當。此外，农田面源、水产养殖源、船舶污染源总量相对不大;首先，从地域特征角度分析，双垛村污染物排放总量最大，其次为合新村，这个区域合计总量占各污染因子的一半以上。

（4）根据污染源分析结果，以削减总磷排放量为主要目标，制定了草堰大桥断面水质达标方案，提出了包括生活污水控制工程、农业面源污染控制工程、船舶污染防治工程、河道综合整治工程、监测预警与应急能力建设工程在内的5大类重点工程，共可削减COD为51.83t/a、氨氮为4.44t/a、总磷为3.08t/a，使得通榆河研究河段COD浓度可下降0.74 mg/L，氨氮浓度可下降0.043 mg/L，总磷浓度可下降0.021 mg/L，可以满足考核目标要求。

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