上海市水環(huán)境污染現(xiàn)狀以及水環(huán)境容量核算研究

1、上海市水環(huán)境污染現(xiàn)狀以及水環(huán)境容量核算研究邵一平 矯吉珍 林衛(wèi)青（上海市環(huán)境科學研究院，上海 200233）摘要：本次研究分析了上海市水環(huán)境污染物產(chǎn)生和排放現(xiàn)狀，以2000年全市水環(huán)境污染源調(diào)查的數(shù)據(jù)作為點源統(tǒng)計的依據(jù)，并根據(jù)全市土地利用現(xiàn)狀、徑流系數(shù)、年降水量等參數(shù)計算出各種類型面污染源的產(chǎn)生量和入河量。此外，研究以1973年最枯年作為基準年，通過建立一維河網(wǎng)水動力模型和水質(zhì)模型針對上海市不同的水環(huán)境功能區(qū)計算出理論水環(huán)境容量，在此基礎(chǔ)上分析計算出上海市實際可利用的水環(huán)境容量。這將對了解上海市的水環(huán)境現(xiàn)狀以及對于今后的污染源治理工作起到一定的作用。關(guān)鍵詞：水環(huán)境容量，水質(zhì)模型，水動力模型，點

2、源污染負荷，面源污染負荷1. 引言改善水環(huán)境質(zhì)量是我國環(huán)境保護的主要任務(wù)之一。實施水污染物總量控制是改善水環(huán)境質(zhì)量的重要措施。水環(huán)境容量核算工作要求根據(jù)水環(huán)境功能分區(qū)和水質(zhì)目標，依據(jù)河段的水文特征、如何排污口分布等因素，計算水環(huán)境功能區(qū)、水體的水環(huán)境容量，并進一步實施水污染物容量總量控制，是實現(xiàn)水環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)目標的主要手段，是保證水環(huán)境質(zhì)量的根本方法，也是水污染防治量化的依據(jù)。 2. 污染源調(diào)查根據(jù)上海市2000年全市水環(huán)境污染調(diào)查的數(shù)據(jù)全市共有各類污染源55979個，其中包括工業(yè)污染源、企業(yè)事業(yè)單位及居民生活污染源和規(guī)?；菪竽翀龅?。其中工業(yè)污染源污4657個，污水年排放總量為74677.

3、77萬噸，平均204.59萬噸/天，COD 總量13.7萬噸/年，平均375.65噸/天，氨氮總量9763.75噸/年，平均26.75噸/天。生活污染源包括企事業(yè)生活用水和各生活小區(qū)的生活用水。城市生活污染源46232個，年污水量為107280.5萬噸，平均排放293.92萬噸/天。COD 年產(chǎn)生量達到38.56萬噸，平均1056.4噸/天；氨氮年產(chǎn)生量3.16萬噸，平均產(chǎn)生86.58噸/天。其中直排河流水體的污染源有27105個，入河污水量為50536.38萬噸，平均138.46萬噸/天，占生活污水產(chǎn)生量的47.1%。規(guī)模化畜禽牧場定期對養(yǎng)殖場地進行沖刷清洗，其產(chǎn)生的污染物排放進入到統(tǒng)一的搜

4、集系統(tǒng)并集中排放，根據(jù)其排放特征，這部分污染源應(yīng)列為點源污染范圍。畜禽牧場年污水排放量為：1040.25萬噸；年COD 排放量為9.57萬噸，氨氮0.39萬噸/年，分別占水體污染負荷的26.3%、15.2%。COD 污染負荷超出排入水體的工業(yè)污染源。經(jīng)統(tǒng)計，全市點源污水產(chǎn)生量達到182997.75萬噸/年，COD 產(chǎn)生量為61.83萬噸，氨氮4.53萬噸。全市面源污染物計算主要根據(jù)土地利用類型的不同分為城鎮(zhèn)地表徑流、農(nóng)田地表徑流、畜禽養(yǎng)殖污染、水稻田排水污染、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染等五大部分。本次研究采用上海市水資源普查辦提供的不同種類用地單位面積土地污染估算系數(shù)和張大弟等在上海郊區(qū)非點源污染研究中所得

5、出村鎮(zhèn)地表徑流污染排放系數(shù)(見表1、徑流系數(shù)以及上海市各區(qū)縣年平均降水量進行估算。由此估算得出城鎮(zhèn)地表徑流污染排放負荷：CODCr13.8萬噸/年、氨氮3855噸/年。表1 上海城鎮(zhèn)地表徑流污染排放系數(shù)類型 COD Cr系數(shù)(mg/L NH3N系數(shù)(mg/L徑流系數(shù) 中心城區(qū) 185 3.53 0.7 外圍城區(qū) 167.4 6.24 0.7 住宅郊區(qū) 243.64 9.432 0.7 綠化 30.3 1.8 0.20.3 交通倉儲 92.8 1.21 0.7 工建服務(wù) 1885.620.6農(nóng)田地表徑流是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化肥、農(nóng)藥和土壤養(yǎng)分流失對地表水環(huán)境造成面源污染影響的主要途徑和形式。根據(jù)上海市

6、環(huán)境科學院農(nóng)田面源污染現(xiàn)場試驗研究，按照上海市郊區(qū)土地利用類型及其土壤條件、生產(chǎn)方式、生產(chǎn)水平和管理方式等因素劃分的青金松（青浦、金山、松江）、閔嘉寶（閔行、嘉定、寶山）、浦南奉崇（浦東、南匯、奉賢、崇明）三大污染匯水區(qū)域的農(nóng)田地表徑流污染排放系數(shù)見表2。根據(jù)上海市土地利用類型調(diào)查統(tǒng)計，2001年上海市實際農(nóng)田耕地面積21.5萬公頃，計算得出全市農(nóng)田地表徑流污染排放負荷：COD Cr約2.5萬噸/年、氨氮700噸/年左右。分區(qū)縣的農(nóng)田地表徑流污染排放負荷如表2所示。表2 上海市郊區(qū)農(nóng)田地表徑流污染排放負荷（單位：噸/年）區(qū)縣農(nóng)田面積(平方公里COD Cr徑流排放系數(shù)NH 4N 徑流排放系數(shù) C

7、OD Cr負荷NH4N 負荷閔行 11730.1 85.3 2.29 1000.6 26.9 嘉定 15122.5 85.3 2.29 1289.9 34.6 寶山 12867.1 85.3 2.29 1097.6 29.5 浦東 15127.5 115.9 2.49 1753.3 37.7 南匯 22853.5 115.9 2.49 2648.7 56.9 奉賢 25964.3 115.9 2.49 3009.3 64.7 松江 18643.7 149.35 5.88 2784.4 109.6 金山 15747.7 149.35 5.88 2351.9 92.6 青浦 18028.2 149

8、.35 5.88 2692.5 106.0 崇明 58731.3 115.9 2.49 6807.0 146.2 合計 214815.925435.2704.7除了規(guī)模型禽畜養(yǎng)殖場外，上海市還存在大量散養(yǎng)戶。根據(jù)2001年上海市農(nóng)村統(tǒng)計年鑒和各郊區(qū)統(tǒng)計年鑒提供的畜禽飼養(yǎng)量數(shù)據(jù)，按上海地區(qū)各類畜禽排糞、排尿系數(shù)折算，上海郊區(qū)全年畜禽糞尿的產(chǎn)生量約700萬噸。計算出上海市各類畜禽糞尿流失進入水體產(chǎn)生的污染負荷：COD Cr為12.73萬噸/年、氨氮1.84萬噸/年。水稻是上海地區(qū)主要的糧食作物之一。在水稻生長期間，由于田塊水體外排和滲漏形成面源污染。經(jīng)對上海郊區(qū)水稻田滲漏和外排水質(zhì)的調(diào)查監(jiān)測，結(jié)合

9、中科院南京土壤所對水稻田滲漏和外排水量研究結(jié)果，得出水稻田因滲漏排水造成的面源污染排放系數(shù)COD Cr120 kg/ha.a、NH3-N 5.5 kg/ha.a。按照2001年郊區(qū)水稻田面積16.5萬ha，計算得出水稻田面源污染排放負荷：COD Cr近2萬噸/年、氨氮約900噸/年。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染是因其養(yǎng)殖水體更換排出導致影響受納水域水質(zhì)，通過對上海市郊區(qū)18家水產(chǎn)養(yǎng)殖（魚塘）水域的實地調(diào)查和水質(zhì)監(jiān)測，推算出的水產(chǎn)養(yǎng)殖污染排污系數(shù)為99900.0kg/km2.a。根據(jù)2001年上海市淡水養(yǎng)殖狀況調(diào)查結(jié)果，全市陸域淡水養(yǎng)殖總面積3.75萬ha，計算得出水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染排放負荷：COD Cr約為3.

10、2萬噸/年、氨氮430噸/年。綜上所述，上海地區(qū)5大類面源污染總負荷為：COD Cr 近35.60萬噸/年、氨氮2.55萬噸/年，COD Cr負荷最高的是城鎮(zhèn)地表徑流和畜禽養(yǎng)殖污染，兩者約占41.1%和35.7%，其次是水產(chǎn)養(yǎng)殖污染、郊區(qū)農(nóng)田地表徑流，分別占10.44%和7.14%；氨氮負荷最高的是畜禽污染約占72.18%，其次是城鎮(zhèn)地表徑流占19.53%。由此可見，畜禽污染和城市地表徑流是構(gòu)成上海市面源污染的主要污染類型。表3 上海市面源污染排放負荷匯總表 （單位：噸/年）COD CrNH 3N面源類型負荷（噸/年）比例（%） 負荷（噸/年）比例（%） 城鎮(zhèn)地表徑流 146313.62 41

11、.10 4977.53 19.53 郊區(qū)農(nóng)田 25435.20 7.14 704.70 2.76 畜禽養(yǎng)殖 127300.00 35.76 18400.00 72.18 水稻田排水 19824.00 5.57 908.60 3.56 水產(chǎn)養(yǎng)殖 37158.60 10.44 502.13 1.97 合計 356031.4010025492.96100綜合統(tǒng)計上海市點源、面源污染物產(chǎn)生量可知上海地區(qū)水環(huán)境點源和面源污染總負荷為COD Cr 近97.43萬噸/年、氨氮7.08萬噸/年,見表4。從上海點和面污染源排放負荷構(gòu)成比例來看，CODCr 排放量面源和點源排放分別占36.5%、63.4%；氨氮排

12、放量點源和面源分別占36.0%、64.0%。表4 上海市2000年污染源排放負荷統(tǒng)計COD CrNH 3N污染源類型負荷（萬噸/年）比例（%）負荷（萬噸/年）比例（%） 點源 61.83 63.46 4.53 63.99 面源 35.60 36.54 2.55 36.01 合計 97.431007.081003. 入河量調(diào)查污染物排放途徑有以下四種：直排河道、接入市政管道后排放、進入污水處理廠和接入排海管道。通過污水管道或者合流污水管道經(jīng)預處理后外排，主要通過合流污水一期、合流污水二期和西干線外排，外排污染源15340個，每天外排污水145萬噸，每天排出COD Cr477.28噸；其次是排入污

13、水處理廠，經(jīng)過二級生化處理后就地排放，全市共有31個二級生化處理廠，每天接納污染源6860個，處理污水量77萬噸；其余污染源通過市政管道入河或者直接排入水體，直接對內(nèi)陸河流產(chǎn)生污染，這部分污染源33779個，每天排入河道的污水量為282.04萬噸，每天排入COD Cr 996.99噸，氨氮71.53噸/天。表5污染源排放途徑統(tǒng)計污水排放量排放途徑 污染源數(shù)量總量（萬噸/年）比例（%）COD Cr 總量（噸/年）NH 3N 總量（噸/年）集中式外排 15340 52928.65 28.77 174207.2 12742.15 納入污水處理廠 6860 28134.2 15.29 83891.6

14、6183.1 直排水體 21552 56137 30.51 231150.9 16742.55 通過市政管道排水體12227 46807.6 25.44 132750.5 9365.9 合計 55979 184007.5 100 622000.2 45033.7面源污染產(chǎn)生量大，入河量小，根據(jù)各面源類型的不同分別對面源污染的入河量給出了不同的入河系數(shù)，從而得到上海市面源污染入河量。經(jīng)計算面源污染入河量COD Cr 為15.07萬噸/年，氨氮為0.66萬噸/年。具體數(shù)據(jù)見下表：表6 面污染源入河量統(tǒng)計COD CrNH 3N 面源類型污染負荷（噸/年）入河系數(shù)入河量（噸/年）污染負荷（噸/年）入河

15、系數(shù)入河量（噸/年）城鎮(zhèn)地表徑流 146313.6 0.6 87788.2 4977.5 0.5 2488.75 郊區(qū)農(nóng)田 25435.2 0.3 7630.6 704.7 0.2 140.94 畜禽養(yǎng)殖 127300 0.3 38190 18400 0.2 3680 水稻田排水 19824 0.3 5947.2 908.6 0.2 181.72 水產(chǎn)養(yǎng)殖 37158.6 0.3 11147.6 502.1 0.2 100.42 合計 356031.4150703.625492.96591.83上海市點源、面源總計污染物入河量，COD Cr 為54.47萬噸/年，氨氮為3.52萬噸/年。表7

16、入河量匯總統(tǒng)計入河量COD Cr入河量NH 3N污染源類型負荷（噸/年）比例（%）負荷（噸/年）比例（%） 點源 394022.51 72.3% 28622.26 81.3% 面源 150703.60 27.7%6591.8318.7%合計 544726.11100.0% 35214.09 100.0%4. 水環(huán)境容量計算河網(wǎng)水動力模型的選用水量設(shè)計條件選擇1971年為典型枯水年，用平原河網(wǎng)水動力模型計算河道的設(shè)計流量，作為上海市河網(wǎng)水環(huán)境容量模型的輸入條件。水質(zhì)設(shè)計條件采用上海市水環(huán)境功能區(qū)劃確定的河流、湖泊水質(zhì)目標作為水環(huán)境容量計算的水質(zhì)輸入條件（采用地表水環(huán)境質(zhì)量標準GB3838-200

17、2標準）。根據(jù)上海的感潮河網(wǎng)的特點，采用基于一維非恒定流動的基本方程組圣維南方程組的MIKE11平原河網(wǎng)水動力模型對河道水流運動進行模擬。水動力模型的計算結(jié)果為水環(huán)境容量模型提供流量輸入條件。l W q tZB x Q =+ (1-1(023/4222=+RQ u n g x A u x Z Bu gA x Q u t Q (1-2 式中 : t時間坐標（s） x 為空間坐標(m Q 為流量(m3/s Z 水位(mu 斷面平均流速(m2/s n 糙率A 過流斷面面積(m2 B 主流斷面寬度(mBW 水面寬度（包括主流斷面寬度B 及僅起調(diào)蓄作用的附加寬度）(mR 水力半徑(m, R=A/B q

18、l 旁側(cè)入流流量(m3/s模型共概化主干河道481條段，閘門83座，泵站40余座。考慮到模型計算穩(wěn)定性要求及模型運行時間要求，時間步長取5 min，空間步長取50 m2500 m不等。采用蘇州河第三次綜合調(diào)水試驗期間黃浦江、蘇州河干流及其主要支流的十幾個斷面的實測水位、流量資料，對所建立的河網(wǎng)水動力模型進行全面率定。模型率定以糙率系數(shù)n 為基本率定參數(shù)，率定結(jié)果為：黃浦江干流的糙率系數(shù)為0.020.028，蘇州河干流的糙率系數(shù)為0.020.06，其它河道的糙率取0.020.04不等。由模型的率定結(jié)果可知，各測站的計算結(jié)果與實測值吻合較好，水位誤差基本在10%以內(nèi)，平均誤差為5%，干流流量誤差基

19、本在20%以內(nèi)，平均誤差為10%。說明所次研究所建立的水動力模型是比較可靠的，可為水環(huán)境容量模型提供水動力輸入條件。具體的水位、流量計算結(jié)果和實測結(jié)果的比較略。在水動力模型驗證情況較好的前提下根據(jù)河流水質(zhì)管理的要求，不考慮排放污染物在河流中的混合過程，假定在排污口斷面瞬時完成污染物與河水的均勻混合，基于水量水質(zhì)基本方程并結(jié)合面源污染的排放特點，建立河網(wǎng)污染物水環(huán)境容量計算模型計算河道的環(huán)境容量。L Tq xQt Z B =+ （1-3） dxW h A S KAC x C AE X x QC t AC pr x +=+ ( ( ( （1-4） 式中： Q 流量；Z 水位； B T 河道寬度；q

20、 l 單位河長區(qū)間入流量；A 、h 、U 分別為過水面積、水深和流速； C 污染物濃度；K 、S r 分別為污染物降解系數(shù)和底泥釋放污染物的速率； W p 單位時間長度河段上的污染物排放量； dx t 、x 分別是時間和空間坐標。假設(shè)長度為L 的河段上污染物排放總量為W L , 則有dx h A S KACdx dx xCAE x dx QC x dx AC t dW r x L +=( ( ( （1-5）將上式積分后得：+=L r L L x LL S A KVC xC AE QC dx AC t W 00( ( ( （1-6）式中，V =AL 為河段的水體體積；A L 河段底面積。 由于假

21、定是面源排放，因此0,0=SSC C C C tC xC（1-7）考慮到上游河道進口斷面水質(zhì)本底濃度 00C Cx =, 進口斷面流量00Q Q x =。將上述條件代入式（1-6）中，得到河段的污染物允許排放量r L S SL S A KVC C Q QC tVC W += (00 （1-8）將式（8-3）變化后積分，得q Q Q tV=+ (0 （1-9）式中：q 是河段區(qū)間來水量。將（1-9）代入（1-8），可得到河段污染物允許排放量r L S S S L S A KVC qC C C Q W += (00（1-10）當忽略底泥釋放量時，河段污染物允許排放量為S S S L KVC qC

22、C C Q W += (00 （1-11）式中：WL 河道的環(huán)境容量 CS 河道的目標水質(zhì) Q0上游來水的的流量 C0上游來水的目標水質(zhì) ql 旁側(cè)入流K 河道中污染物降解參數(shù) V 河道的調(diào)蓄容量本次研究模型計算過程中，污染物降解系數(shù)（K ）采用以往相關(guān)研究的經(jīng)驗成果，各指標降解參數(shù)系數(shù)取值范圍，其中，Kc 為COD 降解系數(shù)0.01-0.11/d， KN 為氨氮降解系數(shù)0.051/d 。往復河流的水環(huán)境容量按最枯月的正向、反向和流量為零取平均。即：W=(W1*d1+W2*d2+W3*d3/d式中：W河道的環(huán)境容量；W1,W2,W3正向、反向和流量為零時河道的環(huán)境容量；d1,d2,d3正向、反

23、向和流量為零在一個月出現(xiàn)的天數(shù)；d最枯月的天數(shù)。在水量和水質(zhì)設(shè)計條件下，計算出上海市重點整治河流全面達到響應(yīng)的地表水質(zhì)量標準時，六大分區(qū)和兩大干流計算出的環(huán)境容量。5. 主要結(jié)論2000年全市有各類污染源55979個，污水排放量為504萬m 3/d（不包括地下水滲入量和自備水源中用于冷卻水的部分），產(chǎn)生CODCr 為1704t/d，NH3-N為123t/d。生活污水、工業(yè)廢水、初期雨水是污染的重點，上海內(nèi)陸河網(wǎng)水系水系這三部分CODCr 占排放總量的78%。全市有22200個污染源產(chǎn)生的222萬m3/d污水通過污水外排管道外排或納入污水處理廠，其余33779個污染源直接排入河道或通過市政管道排

24、入內(nèi)陸水體，其污水量為282萬m 3/d，占全市污水總量的56 %；CODCr 996.99t/d，占全市每天產(chǎn)生的CODCr 總量的58.5 %；NH 3-N71.53 t/d，占全市產(chǎn)生的NH3-N總量的58 %，其中通過市政管道排入水體的污水量約為120萬m3/d。全市污水收集率68%，污水處理率44%。按照不同控制單元的水質(zhì)要求選定了合適的計算模型，計算得到的上海市內(nèi)陸河網(wǎng)水環(huán)境理想容量為CODCr 46.80萬噸/年，氨氮2.42萬噸/年；最大允許排放量為CODCr 33.19萬噸/年，氨氮1.93 萬噸/年。綜合考慮現(xiàn)有的經(jīng)濟、治理設(shè)施建設(shè)情況、治理技術(shù)水平、以及污染源對水體水質(zhì)的

25、貢獻等因素，上海市內(nèi)陸河網(wǎng)點污染負荷在現(xiàn)狀產(chǎn)污水平上CODCr 約需削減9.99%、氨氮削減26.81%。6. 參考文獻1 譚維炎. 計算淺水動力學. 北京：清華大學出版社，1998 2 張書農(nóng). 環(huán)境水力學. 南京：河海大學出版社，1988 3 楊國錄. 河流數(shù)學模型. 北京：海洋出版社，19934 曾凡棠，許振成，陳銑成. 潮汐河網(wǎng)水環(huán)境實時數(shù)學模型研究與應(yīng)用. 重慶環(huán)境科學，1989（12）：37465 DHI Water & Environment. MIKE11, A Modeling System for Rivers and Channels Reference Manual,

26、2000The pollution sources research and environmental capacity estimation of surface water in Shanghai Shao Yipping et al (Academy of Shanghai Environmental Science, Shanghai 200233） Abstract: Based on the water pollution sources investigation taken in 2000, the total discharge amount of water pollut

27、ants and pollution situation was analyzed. According to the land usage, runoff parameter and annual precipitation etc., the total amount pollutants generated and discharged into river by all kinds of non-point sources were calculated. Meanwhile, by establishing one-dimensional mathematical model and

28、 water quality model, the theory water environmental capacity was calculated. Key words: water environmental capacity; water quality model; hydraulic model; point source pollution load; non- point source pollution load. 上海市水環(huán)境污染現(xiàn)狀以及水環(huán)境容量核算研究 邵一平 矯吉珍 林衛(wèi)青 （上海市環(huán)境科學研究院，上海 200233） 摘要： 本次水環(huán)境容量核算的主要內(nèi)容包括：水環(huán)

29、境質(zhì)量調(diào)查與評價、污染源調(diào)查與評價、水 環(huán)境容量計算與核定、污染物允許排放量的確定等。 其中，水環(huán)境功能區(qū)劃、水環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)評價、污染源調(diào)查是本次工作的重要基礎(chǔ)。 上海市環(huán)保局于 1999 年進行的上海市污染源調(diào)查、現(xiàn)已完成的上海市水環(huán)境功能區(qū)劃、和 長期水質(zhì)監(jiān)測斷面、監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累為本次水環(huán)境容量核算提供了詳實、可靠的基礎(chǔ)資料。 上海市環(huán)境科學研究院擁有的上海市河網(wǎng)模型為本次工作提供了科學的計算平臺。 工作內(nèi)容主要包括以下幾個部分：污染源調(diào)查與評價、水環(huán)境功能區(qū)評價、控制單元的 劃分、容量計算和環(huán)境容量核定。 1. 對全市重點污染源、生活污染源以及面源進行調(diào)查，分析工業(yè)污染源的達標狀況。根據(jù) 上海市水環(huán)境污染調(diào)查的資料，統(tǒng)計全市 5 萬余家工業(yè)企業(yè)；生活小區(qū)、街道、行政事業(yè)單 位共計 4 萬余家。 分別按照功能區(qū)進行了分類匯總。 并通過對上海市土地利用現(xiàn)狀的了解和 分析，估算出全市面源的污染物排放量。 2. 根據(jù)上海市環(huán)境保護十五規(guī)劃， 以入河口溝通水