流域水環(huán)境承載力及規(guī)劃應(yīng)用研究_以青島市大沽河為例_張相忠

1、流域水環(huán)境承載力及規(guī)劃應(yīng)用研究以青島市大沽河為例張相忠 楊濤摘 要：城市的水環(huán)境對城市生態(tài)、城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要影響。確定水環(huán)境承載力大小是判斷水環(huán)境優(yōu)劣的重要依據(jù)。本文以青島市的母親河大沽河流域為研究對象，對該流域水環(huán)境承載力進(jìn)行分析并加以具體應(yīng)用，提出規(guī)劃對策，對保護(hù)好青島的母親灣，保障青島市“環(huán)灣保護(hù)，擁灣發(fā)展”戰(zhàn)略實施，實現(xiàn)青島市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義和實際應(yīng)用價值。對于我國快速發(fā)展的城市化進(jìn)程中如何保護(hù)好水環(huán)境，建設(shè)“兩型”社會，實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展具有借鑒作用。 關(guān)鍵詞：水環(huán)境；承載力；大沽河1 流域水環(huán)境承載力模型1.1 水環(huán)境承載力基本概念在給定水域范圍和水文條件，規(guī)定排污方式

2、和水質(zhì)目標(biāo)的前提下，單位時間內(nèi)該水域最大允許納污量，稱作水環(huán)境容量，也是狹義水環(huán)境承載力的基本觀念。按照污染物降解機(jī)理，水環(huán)境容量分為稀釋容量和自凈容量兩部分。 1.2 水環(huán)境承載力影響要素影響水域水環(huán)境容量的要素很多，概況起來主要有以下4個方面：水域特性；環(huán)境功能要求；污染物質(zhì)；排污方式。 1.3 水環(huán)境承載力計算模型污染物進(jìn)入水體后，產(chǎn)生平流輸移、縱向離散和橫向混合，同時與水體發(fā)生物理、化學(xué)和生物作用，使水體中污染物濃度逐漸降低。狹義水環(huán)境承載力計算模型主要有零維模型、一維模型、二維模型等。根據(jù)流域特征確定具體選用的模型，通過河網(wǎng)概化、入河污染物狀況、水質(zhì)目標(biāo)、設(shè)計條件以及選擇的模型，計算

3、水環(huán)境承載能力，根據(jù)水環(huán)境承載力計算結(jié)果制定污染控制規(guī)劃。本文介紹了各類模型及模型使用條件，確立了非點源模型，以大沽河流域為例確定了水環(huán)境承載力的計算模型及參數(shù)。1.4 模式的取選及計算步驟青島地區(qū)河流寬度相對較窄，長度較長，且河流排污口分布相對較少，混合范圍相對較小，另外，本研究按流域污染控制斷面進(jìn)行分析，排污口距離水質(zhì)監(jiān)控斷面的距離相對較遠(yuǎn)，因而，水環(huán)境承載力的計算采用一維水質(zhì)模型。對河流進(jìn)行承載力(環(huán)境容量計算，計算步驟包括如下6個步驟：水域概化；基礎(chǔ)資料調(diào)查與評價；選擇控制點(或邊界；建立水質(zhì)模型；水環(huán)境容量(承載力計算分析；水環(huán)境承載力確定。2 入河污染物分類計算2.1 工業(yè)污染源入

4、河污染物計算污染源調(diào)查方法：對大沽河流域污染源進(jìn)行全面調(diào)查的方法進(jìn)行。重點企業(yè)采取監(jiān)測數(shù)據(jù)流量加強方式計算， 非重點企業(yè)采用產(chǎn)排污系數(shù)法計算。以2007年為基準(zhǔn)年進(jìn)行的調(diào)查，大沽河流域共有361家工業(yè)企業(yè)，按斷面、主要支流、所在區(qū)域進(jìn)行企業(yè)排污調(diào)查，按麻灣橋斷面上游、下游進(jìn)行了統(tǒng)計。2.2 城鎮(zhèn)生活污染源入河污染物計算城鎮(zhèn)生活污染源主要采用監(jiān)測和人均排污系數(shù)兩種方式計算。計算思路：直接進(jìn)入大沽河干流或支流的城鎮(zhèn)生活污水只有膠州市城鎮(zhèn)污水，處理后廢水進(jìn)入大沽河干流的城市污水處理廠也只有膠州市污水處理廠和膠東鎮(zhèn)污水處理廠。采用常駐人口和暫住人口用水量及排水量、污染物產(chǎn)生系數(shù)來計算城鎮(zhèn)生活污水產(chǎn)排量

5、。計算中膠州市常駐人口按23萬，暫住人口按18萬計，污水集中處理率按80%算，入河系數(shù)按0.9計。2.3 農(nóng)村生活污染源計算研究農(nóng)村生活污染源屬于非點源，其污染物的計算采用調(diào)查與排污系數(shù)結(jié)合方式進(jìn)行。對大沽河流域內(nèi)相關(guān)的村莊與城鎮(zhèn)進(jìn)行調(diào)查，按實際農(nóng)村人口、排放系數(shù)、入河系數(shù)等進(jìn)行入河污染物計算。計算方法：按照流域人口數(shù)去掉膠州市市區(qū)人口來進(jìn)行農(nóng)村生活源的計算。按村莊及鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地距離河道遠(yuǎn)近，入河系數(shù)按0.10.3取值。2.4 農(nóng)田徑流計算研究通過對大沽河流域典型農(nóng)田在68月不同的降雨狀況下的污染物監(jiān)測，進(jìn)行降雨污染物農(nóng)田徑流污染分析與核算，最終得出農(nóng)田污染物狀況，見下表。農(nóng)田徑流污染物濃度狀況

6、單位：mg/L項目 SS COD Cr COD Mn 氨氮 總氮 總磷 磷酸鹽 加權(quán)平均3703112.72.784.190.300.11已知降雨污染物加權(quán)平均濃度后，結(jié)合降雨徑流量就可以計算流域降雨水污染物進(jìn)入水體的量。根據(jù)水利部門多年的統(tǒng)計，大沽河流域的平均降雨量為675.6mm，平均徑流系數(shù)為0.27。通過流域面積、降雨量、徑流系數(shù)、入河系數(shù)進(jìn)行綜合計算，可以得出大沽河流域農(nóng)田徑流污染物產(chǎn)生量及入河量。大沽河流域在青島市內(nèi)的面積為4850.7km 2，耕地面積為2742km 2，通過單位轉(zhuǎn)換計算，單位面積標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田因下雨徑流浸出的污染物產(chǎn)生量就是農(nóng)田徑流污染源源強。通過計算，大沽河流域農(nóng)田

7、徑流污染源的源強系數(shù)為：COD 13.837kg/畝·a、氨氮1.262kg/畝·a、總氮1.902kg/畝·a、總磷0.136kg/畝·a、磷酸鹽0.050kg/畝·a。此數(shù)據(jù)可作為青島地區(qū)農(nóng)田徑流計算的污染源源強系數(shù)。2.5 規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖污染物入河量計算研究畜禽養(yǎng)殖污染物產(chǎn)生量可參照經(jīng)驗參數(shù)估算：豬COD 50g/頭·d，NH3-N 10g/頭·d；對畜禽廢渣以回收等方式進(jìn)行處理的污染源，按產(chǎn)生量的12%計算污染物排放量。大沽河流域養(yǎng)殖面源污染入河系數(shù)取0.01。 2.6 城市徑流入河污染物計算研究本文采用監(jiān)測計算法算

8、（單位面積負(fù)荷法）。參照非點源黑箱模型中的單位面積負(fù)荷模型（Unit area load，UAL）進(jìn)行計算，該模型被廣泛應(yīng)用于估算城鎮(zhèn)非點源污染的模型。選取青島市浮山河口、延安三路雨水口、石老人浴場雨水口等在2008年79月多次監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行計算得出，其結(jié)果基本代表了市區(qū)的徑流污染狀況。主要污染物平均濃度情況為：COD60mg/L、氨氮1.5mg/L。按照降雨量、城鎮(zhèn)匯流區(qū)面積、徑流系數(shù)、流失系數(shù)、平均污染物濃度，可以計算城鎮(zhèn)徑流入河污染物量。徑流系數(shù)取值按水利設(shè)計規(guī)范取0.3，匯流區(qū)面積按2007年膠州城區(qū)面積40km 2取值進(jìn)行計算。將監(jiān)測計算的城鎮(zhèn)徑流流失污染物計算結(jié)果與城鎮(zhèn)匯流面積進(jìn)行換

9、算，得到城鎮(zhèn)單位面積污染物的流失系數(shù)。通過計算，大沽河流域城鎮(zhèn)單位面積徑流污染物流失系數(shù)為：COD 7.9t/km2·a、氨氮0.2 t/km2·a，此系數(shù)可作為青島地區(qū)的城鎮(zhèn)徑流污染物源強系數(shù)，也是單位面積負(fù)荷法計算系數(shù)。 2.7 入河污染物匯總及分析大沽河麻灣橋上游以飲用水源為主，下游以景觀和工業(yè)用水為主，分類統(tǒng)計大沽河的排污狀況及源的分擔(dān)率，以利于制定污染防治對策。結(jié)果見下表。大沽河流域主要污染物COD 入河量匯總 單位：t/a農(nóng)村面源 流域 功能區(qū) 企業(yè)城鎮(zhèn) 生活 農(nóng)村生活農(nóng)田徑流 養(yǎng)殖面源各類源 總合計入境麻灣橋 896.14182.32289.56454.9 3

10、822.9 2391.42403.174.7280.1755.8284 總 計3287.542403.171872569.73510.7284 大沽河流域主要污染物氨氮入河量匯總 單位：t/a農(nóng)村面源 流域 功能區(qū) 企業(yè)城鎮(zhèn)生活農(nóng)村生活農(nóng)田徑流 養(yǎng)殖面源城市徑流各類源 總合計沙埠麻灣橋 11.3218.3205.32391大沽河麻灣橋入海52.59239.440.425.12411.17.1 總 計63.91239.4418.7230.447102.17.1 由表可見，大沽河上游農(nóng)田徑流污染較重，是污染防治的重點；下游以城鎮(zhèn)生活和工業(yè)排污為主，需要完善城鎮(zhèn)市政污水管網(wǎng)，提高污水處理廠的處理能力

11、和處理深度。3 流域水環(huán)境承載力研究3.1 流域水環(huán)境容量計算方法3.1.1 河流概化污染物進(jìn)入河流后，在一定范圍內(nèi)經(jīng)過平流輸移、縱向離散和橫向混合后達(dá)到充分混合，可按一維模式進(jìn)行計算。河流一維水質(zhì)模型由河段和節(jié)點兩部分組成，水量與污染物在節(jié)點前后滿足物質(zhì)平衡規(guī)律。 圖1 河流一維模型概化示意圖3.1.2 節(jié)點平衡方程考慮干流、支流、取水口、排污口均在同一節(jié)點的最復(fù)雜情況，水量平衡方程為：上界j # k #Q 干流混合后Q干流混合前Q支流Q排污口Q取水口污染物平衡方程為：CC Q Q Q Q +干流混和前干流混和前支流支流排污口排污口取水口取水口干流混合后干流混和前支流排污口取水口3.1.3

12、水環(huán)境容量具體計算模式將ji i i Q Q W C C +=54. 31/代入模型，得到一維模型水環(huán)境容量的計算公式為：( (54. 314. j i i ui Q Q C eC W +×××=×3.1.4 環(huán)境容量的確定每個水環(huán)境功能區(qū)可以調(diào)整設(shè)計條件得出多個水環(huán)境容量計算結(jié)果，根據(jù)前述的容量確定原則，分析各個排污口污染負(fù)荷削減的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，利用線性規(guī)劃模型或其他的數(shù)學(xué)方法，從一組水環(huán)境容量結(jié)果中確定合理的水環(huán)境容量。 3.2 流域水環(huán)境承載力計算3.2.1 正常狀態(tài)下的承載力計算通過大沽河流域早朝及江家莊之間的衰減實驗，結(jié)合水環(huán)境容量山東省核定

13、系數(shù)，大沽河K COD 、K NH3-N 分別為0.25、0.15(1/d。根據(jù)上游各斷面不同水期監(jiān)測濃度、枯水期徑流量，按照容量核算模式，按大沽河流域各斷面實際，采用一維模式進(jìn)行大沽河流域上游區(qū)域水環(huán)境容量計算。通過計算得出大沽河干流南莊閘上游各斷面COD 、氨氮的水環(huán)境承載力，包括最枯月、最枯季，枯水期。3.2.2 特殊狀況下的承載力計算大沽河南莊閘下游入海口之間為排污混合區(qū)，沒有控制標(biāo)準(zhǔn)，不能進(jìn)行正常的環(huán)境容量計算，本文結(jié)合大沽河入海通量及入?？诳刂茢嗝娴目刂埔?，進(jìn)行南莊閘入?？谥g的容量核算。計算模式為：86400(001. 04. 860q Q C Q C W n ×&#

14、215;××=控標(biāo)計算參數(shù)確定：大沽河南莊閘控制斷面水量按枯水期徑流量4.967m 3/s；膠州市污水處理廠、膠東鎮(zhèn)污水處理廠及桃源河、云溪河、直排河企業(yè)等進(jìn)入南莊閘下游的污水量及支流水量折算為1.156m 3/s；按10%蒸發(fā)等損失計，則入海口斷面徑流量為5.511m 3/s；為給上游留出容量，斷面本底濃度取工業(yè)用水區(qū)控制濃度值；大沽河入?？跀嗝姘碐B 3838-2002中的類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。計算結(jié)果與正常情況下的計算結(jié)果疊加就是整個流域單純以水環(huán)境容量考慮的水環(huán)境承載力計算結(jié)果。3.2.3 大沽河干流總?cè)萘客ㄟ^大沽河各節(jié)點容量的核算，對流域總?cè)萘窟M(jìn)行匯總，匯總方法為分段相

15、加方式。計算結(jié)果見下表。大沽河水環(huán)境容量計算結(jié)果 單位：t/a 控制斷面名稱COD 容量 氨氮容量 麻灣橋上游3894.77 156.93 麻灣橋下游 5759.891 287.9973.3 大沽河流域污染物削減研究3.3.1 現(xiàn)狀削減及分析對照2007年入河污染物量及水環(huán)境容許的量，現(xiàn)狀污染物削減情況見下表。大沽河流域污染物削減情況 COD氨氮 控制斷面名稱 容量2007年入河量2007年需削減量容量 2007年 入河量 2007年 需削減量麻灣橋上游 3894.773822.90 156.93169.013麻灣橋下游(計算條件5759.8915419.240287.99747.757 麻灣

16、橋下游(計算條件6308.8465419.240 489.2370 3.3.2 2015年削減及分析2015年污染物削減情況見下表。2015年大沽河流域污染物削減情況COD 氨氮 控制斷面名稱容量入河量需削減量容量 入河量 需削減量麻灣橋上游 3894.775330.2831435.513156.93294.78 137.85 麻灣橋下游(計算條件9365.6713605.78287.997111.3453.4 流域水環(huán)境承載力提升及經(jīng)濟(jì)承載能力分析通過對大沽河流域進(jìn)行水環(huán)境容量(狹義水環(huán)境承載力計算得知，影響水環(huán)境質(zhì)量的污染源主要包括：工業(yè)污染源、城鎮(zhèn)生活污染源、農(nóng)村生活污染源、農(nóng)田徑流、畜

17、禽養(yǎng)殖、城市徑流等。能提高水環(huán)境承載力的措施有：污水處理廠的擴(kuò)建及深化處理、中水回用、節(jié)水措施、清潔生產(chǎn)源頭減排措施、農(nóng)村規(guī)范化整治、河道整治、儲水設(shè)施建設(shè)、雨水綜合利用、結(jié)構(gòu)調(diào)整、人口控制等。因大沽河麻灣橋上游以飲用水源為主，屬于青島市的水環(huán)境保護(hù)的重點，上游的容量可以不考慮使用。只考慮大沽河麻灣橋斷面以下的水環(huán)境容量及經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、人口承載分析。計算思路：大沽河下游主要以工業(yè)企業(yè)和城鎮(zhèn)生活污染為主，2015年工業(yè)企業(yè)和城鎮(zhèn)生活兩者的入河量占到了入河總量的91.87%。通過對2015、2007年城鎮(zhèn)人口狀況進(jìn)行比較，到2015年大沽河下游的人口數(shù)基本可以達(dá)到55.6萬人。若所有的城鎮(zhèn)生活污水全

18、部得到處理，則城鎮(zhèn)生活源對大沽河麻灣橋下游的COD 貢獻(xiàn)量為1491.7t/a，基本上沒有多大削減余地。因此，削減工業(yè)源入河污染物量就成為控制重點。按下游容量看，若按91.87%的總?cè)萘勘壤?，將水環(huán)境容量進(jìn)行同比分配，工業(yè)及城鎮(zhèn)生活入河COD 量應(yīng)控制在5291.612t/a以內(nèi)，去掉城鎮(zhèn)生活污水COD 入河量，能給工業(yè)企業(yè)的入河COD 容量最大只有3799.912t/a，若按0.9入河系數(shù)進(jìn)行反推，工業(yè)企業(yè)排放的COD 總量應(yīng)控制到4222.124t/a。通過前面章節(jié)對萬元工業(yè)增加值排污系數(shù)進(jìn)行核算，按萬元工業(yè)增加值排放量1.237kg 計，年大沽河下游區(qū)域能承載的工業(yè)增加值為341.32億

19、元。若按2008年工業(yè)增加值與GDP 的比例推算(0.516，能承受的GDP 總量為661.47億元。提高水環(huán)境承載能力，則經(jīng)濟(jì)承載能力也會加強。4 大沽河水環(huán)境承載能力的應(yīng)用4.1 大沽河合理供水規(guī)模的確定供水規(guī)模是指單位時間內(nèi)持續(xù)有效供應(yīng)的滿足水質(zhì)和水量要求的水源量。對大沽河流域的供水規(guī)模是扣除大沽河生態(tài)流量后的可利用水資源量。這是一個復(fù)雜的計算過程，供水規(guī)模定得太小，就會浪費水資源；供水規(guī)模定得太大，就可能引起地下水位過渡下降，導(dǎo)致污水倒灌、水質(zhì)惡化等。因此如何合理確定大沽河流域合理的供水規(guī)模，必須以滿足大沽河水資源承載能力為前提。大沽河多年平均徑流量為5億立方米，地下水源地現(xiàn)狀（200

20、7年）供水能力為10萬立方米/日，根據(jù)大沽河流域雨水徑流量計算及水環(huán)境承載能力分析，可以有效利用的是通過大沽河流域庫庫與庫河聯(lián)合調(diào)度工程等水源挖潛與建設(shè)，可以再增加供水能力10萬立方米/日。由此確定大沽河合理供水規(guī)模為22萬立方米/日。4.2 在城市規(guī)劃中的應(yīng)用以往全市基本上沒有大沽河流域的規(guī)劃控制，規(guī)劃沒有劃定各類控制區(qū)，也缺少依據(jù)，致使規(guī)劃管理不到位。特別是由于大沽河流域面積大，河流長，再加上屬地化管理，致使管理控制不統(tǒng)一不到位，造成大沽河部分區(qū)段污染嚴(yán)重，危及大沽河地下水源地。根據(jù)城鄉(xiāng)規(guī)劃法和新編青島市城市總體規(guī)劃（20062020年），應(yīng)該對大沽河整個流域進(jìn)行專項規(guī)劃編制，其重要規(guī)劃內(nèi)

21、容就是劃定禁止建設(shè)區(qū)（水源地，生態(tài)濕地，耕地），限制建設(shè)區(qū)等，而這些區(qū)域劃定的依據(jù)就是大沽河環(huán)境承載能力的分析：大沽河從產(chǎn)芝水庫出口到麻灣段（見下圖）屬于大沽河地下水源地，水環(huán)境承載能力較低，為規(guī)劃禁止建設(shè)區(qū)，規(guī)劃區(qū)內(nèi)的現(xiàn)狀工業(yè)應(yīng)該逐步退出。麻灣至入?？诙斡幸欢ㄋh(huán)境承載能力，規(guī)劃為限制建設(shè)區(qū)。4.3 大沽河生態(tài)濕地建設(shè)的依據(jù)根據(jù)膠州灣生態(tài)濕地保護(hù)研究，大沽河生態(tài)濕地將是其重要組成部分，而如何科學(xué)劃定大沽河流域的生態(tài)濕地并進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)，本研究將為其提供重要參考依據(jù)。4.4 大沽河污染治理對策應(yīng)用城鎮(zhèn)污染防治方案：加強膠州市污水處理廠及其配套管網(wǎng)建設(shè)，繼續(xù)擴(kuò)大污水處理廠的處理能力及處理深度，加大

22、中水回用力度。工業(yè)污染防治方案：進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)品優(yōu)化升級，逐步解決結(jié)構(gòu)性工業(yè)污染問題；.抓好現(xiàn)有工業(yè)企業(yè)的監(jiān)管，嚴(yán)格實行排污許可證制度；發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，推進(jìn)清潔生產(chǎn)；加強新建項目的環(huán)境管理；編制大沽河上游區(qū)域發(fā)展規(guī)劃，以保護(hù)大沽河飲用水源區(qū)為第一要務(wù)，限制工業(yè)企業(yè)的發(fā)展，完善相應(yīng)補償措施，指明萊西、平度等大沽河流域上游鄉(xiāng)鎮(zhèn)今后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向。非點源污染防治：做好農(nóng)村垃圾及污水處理，控制農(nóng)村生活污染；積極發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，科學(xué)施肥控制農(nóng)田徑流污染；加強對畜禽養(yǎng)殖的污染防治；完善設(shè)施，雨污分流，做好城市徑流污染控制。再生水綜合利用：采取措施鼓勵推廣再生水的利用；加大中水的回用力

23、度，節(jié)約新水并降低廢水的最終外排量。此外，要建立完善的組織領(lǐng)導(dǎo)體系；完善政策法規(guī)體系；健全監(jiān)督管理體系；加強部門協(xié)調(diào)、共同做好流域保護(hù)工作。 5 結(jié)論（1）確立了大沽河流域水環(huán)境承載力評價模式，明確重點流域水質(zhì)控制要求及入河污染物削減指標(biāo)，提出水環(huán)境污染治理措施及提高水環(huán)境承載力的建議。（2）大沽河流域水環(huán)境容量為：COD 9654.661t/a、氨氮444.927t/a。（3）大沽河上游及支流COD、氨氮的主要貢獻(xiàn)者為農(nóng)田徑流。大沽河下游COD 主要貢獻(xiàn)者為城鎮(zhèn)生活和工業(yè)企業(yè)，氨氮主要由城鎮(zhèn)生活帶來的。（4）給出了大沽河流域2015年各類污染源污染物的核算方法，確定了污染物計算的各類參數(shù)及源強，計算了流入大沽河水系的污染物量，對各類污染源對大沽河水環(huán)境的分擔(dān)率進(jìn)行了研究，為“十二五”環(huán)境保護(hù)規(guī)劃，也為總量削減指標(biāo)的制定提供技術(shù)依據(jù)；（5）以2015年為目標(biāo)控制年來考慮，結(jié)合可能采取的綜合治理措施后預(yù)測的入河COD削減量為：5041.293t/a，其