官廳水庫及其上游流域水環(huán)境容量計算,水污染論文

官廳水庫及其上游流域水環(huán)境容量計算,水污染論文人多水少、水資源時空分布不均是我們國家的基本國情和水情，而我們國家北方地區(qū)多處于干旱半干旱氣候帶，降水量較少，而蒸發(fā)量較大，水資源更為貧乏。除了水資源短缺，北方地區(qū)的水污染問題也相當嚴重。2020年中國水資源公報顯示，北方水系普遍水質較差，華而不實，海河區(qū)水污染最為嚴重，Ⅰ～Ⅲ類水河長比例僅為34．6%，劣Ⅴ類水河長比例高達46．1%。水污染控制面臨宏大挑戰(zhàn)。水環(huán)境容量是指水體在設計水文條件和規(guī)定的環(huán)境目的下所能包容的最大污染物量。理論上，水環(huán)境容量反映了污染物在水體中的遷移、轉化和積存規(guī)律，也反映了特定功能條件下水體對污染物的接納能力。實踐中，水環(huán)境容量是水質目的管理的基本根據(jù)，是水污染控制規(guī)劃的主要約束條件，也是污染物總量控制的關鍵參數(shù)。國內學者對水環(huán)境容量的研究主要集中在水環(huán)境容量計算方式方法以及對某一詳細區(qū)域水環(huán)境容量的測算上，案例研究主要以某一河流、湖庫為對象，兩者結合起來計算某一流域水環(huán)境容量的研究較少。另外，當前水環(huán)境容量研究與詳細水環(huán)境管理存在一定的脫節(jié)，研究者只是針對特定區(qū)域計算水環(huán)境容量，但沒有進一步分析水環(huán)境容量對該區(qū)域水污染治理的啟示作用。文中以官廳水庫及其上游流域為例，通過河流一維穩(wěn)態(tài)水質模型和物料衡算模型，分別求出官廳水庫及其上游流域各功能區(qū)段COD和NH3－N的水環(huán)境容量，并基于對水環(huán)境容量計算結果的分析提出流域內水污染治理的相應措施，以期使流域盡快到達目的水質，為流域內人民的健康生活以及北京張家口冬奧會的成功申辦創(chuàng)造有利條件。1、材料與研究方式方法1．1研究區(qū)大概情況官廳水庫地處北京和張家口的交界處，其上游流域包括永定河及其支流桑干河、洋河，屬于海河水系。官廳水庫于1954年5月完工，是新中國成立后建設的第一座大型水庫。水庫中心坐標為北緯402043，東經(jīng)1154249，海拔490m，面積可達280km2，設計總庫容41．6億m3，控制流域總面積4．34萬km2，具有防洪、供水、發(fā)電、灌溉等多種功能。永定河上游有桑干河和洋河兩大支流，兩河在張家口市懷來縣匯合后稱永定河。文中主要研究張家口市境內的官廳水庫上游流域，并根據(jù)河北省水功能區(qū)劃將官廳水庫上游流域河流分成13個水功能區(qū)(圖1)。根據(jù)2020年海河流域水資源質量公報，全年官廳水庫水質基本穩(wěn)定在IV類水。官廳水庫上游流域監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)顯示，2020年洋河各監(jiān)測斷面水質多位于IV類水標準，個別處于V類水標準。桑干河水質總體略好于洋河。官廳水庫上游流域污染情況調查資料顯示，流域內污染源主要為城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活污染，工業(yè)廢水污染和農(nóng)業(yè)面源污染，2020年官廳水庫上游流域入河污染負荷COD為10297．81t，NH3－N為1219．63t。1．2數(shù)據(jù)來源文中以官廳水庫及其上游流域各功能區(qū)為研究對象計算其水環(huán)境容量。官廳水庫上游流域水功能區(qū)劃及水質目的來源于(河北省水功能區(qū)劃〕，河流流量取自洋河響水堡水文站和桑干河石匣里水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)，流域內各監(jiān)測斷面污染物濃度取自(張家口市2020年環(huán)境質量報告〕。官廳水庫相關水文資料取自張家口市環(huán)保局。部分水環(huán)境容量模型參數(shù)參考相關文獻。1．3研究方式方法文中以COD、NH3－N為主要污染因子，根據(jù)水功能區(qū)劃以及水文特征，選取模型計算河流水環(huán)境容量;根據(jù)庫區(qū)水文特征、水質現(xiàn)在狀況及水質目的，通過模型計算官廳水庫水環(huán)境容量，兩者之和即為官廳水庫及其上游流域的水環(huán)境總容量。1．3．1官廳水庫上游河流水環(huán)境容量模型官廳水庫上游流域河流屬于中小河流，多年平均流量小于3m3/s，且同時知足下面條件:1)寬深比擬小;2)污染物在較短的時間內基本能混合均勻;3)污染物濃度在斷面橫向方向變化不大，橫向和垂向的污染物濃度梯度能夠忽略。因此，污染物的濃度變化能夠由一維穩(wěn)態(tài)水質模型進行描繪敘述。式中:u為河流斷面平均流速，m/s;x為沿河段的縱向距離，m;Cx為流經(jīng)x距離后的污染物濃度，mg/L;K為污染物綜合衰減系數(shù)，1/d;C0為上游斷面的污染物濃度，mg/L。在每個功能區(qū)段可能有多處污染源。為解決排污口分布所帶來的環(huán)境容量計算的復雜性，將各功能區(qū)內的多個排污口概化為位于河段中點處的一個集中的排污口。概化后的污染物濃度公式為:式中:Cx=L為計算河段下斷面污染物濃度，mg/L;L為功能區(qū)河段長度，m;m為污染物入河速率，g/s;Q為河道斷面設計流量，m3/s;M為水環(huán)境容量，g/s;Cs為功能區(qū)河段下斷面水質目的濃度值，mg/L。1．3．2官廳水庫庫區(qū)水環(huán)境容量模型根據(jù)官廳水庫多年平均水質監(jiān)測結果，其水質空間分布比擬均勻，宜采用均勻混合模型計算庫區(qū)水環(huán)境容量，根據(jù)物料衡算方程，得到官廳水庫水環(huán)境容量計算公式:式中:W為水環(huán)境容量;W1、W2、W3分別代表稀釋容量、降解容量和輸移容量。Cs為目的水質值，mg/L;C0為庫區(qū)水質現(xiàn)值，mg/L;V0為現(xiàn)庫容，億m3;qin為入庫水量，萬m3;K為污染物綜合降解系數(shù)，1/d。1．3．3模型參數(shù)選取(1)河流模型主要參數(shù)選取。官廳水庫上游流域主要處于山區(qū)和平原河網(wǎng)間的過渡區(qū)，河流斷面平均流速u取0．2m/s;設計流量采用90%的保證率，河道斷面設計流量取洋河響水堡水文站和桑干河石匣里水文站的10年最枯月平均流量;河流綜合消減系數(shù)KCOD、KNH3－N參考相關文獻(表1)。(2)庫區(qū)模型主要參數(shù)選取。官廳水庫的目的水質為Ⅲ類水，現(xiàn)在狀況水質為Ⅳ類水。由于官廳水庫上游流域主要河流為桑干河和洋河，且兩河交匯后經(jīng)八號橋斷面流入官廳水庫，因而八號橋斷面的年流量值可近似為官廳水庫年入庫水量。庫區(qū)綜合消減系數(shù)KCOD、KNH3－N參考相關文獻(表2)。2、結果與分析2．1結果根據(jù)相關數(shù)據(jù)及公式(3)，計算得到2020年官廳水庫上游流域各功能區(qū)段水環(huán)境容量(表3)。將相關數(shù)據(jù)帶入公式(4)，分別得到官廳水庫庫區(qū)在Ⅱ類水和Ⅲ類水標準下的水環(huán)境容量(表4)。2．2不同水功能區(qū)段環(huán)境容量的差異分析流域內不同功能區(qū)段的水環(huán)境容量差異較大。功能區(qū)的水環(huán)境容量與河段長度、水質目的有很大關系，一般來講，功能區(qū)河段越長，水質目的越低，水環(huán)境容量越大。如表3所示，僅洋河張家口農(nóng)業(yè)用水區(qū)與清水河張家口開發(fā)利用區(qū)的COD環(huán)境容量就占了洋河水環(huán)境容量的41．2%;而桑干河張家口開發(fā)利用區(qū)與壺流河張家口開發(fā)利用區(qū)的COD環(huán)境容量高達桑干河水環(huán)境容量的77．8%。考慮不同功能區(qū)水環(huán)境容量差異，根據(jù)水環(huán)境容量合理布置污染負荷，能夠使各功能區(qū)段盡快恢復目的水質，有效率有針對性地治理水污染。2．3水環(huán)境容量與污染負荷的比擬分析水體的環(huán)境容量與其污染負荷的比擬是施行總量控制的重要根據(jù)。官廳水庫目的水質為Ⅲ類水，因而，流域內水環(huán)境總容量為官廳水庫上游流域各功能區(qū)段水環(huán)境容量與Ⅲ類水標準下官廳水庫水環(huán)境容量相加之和。圖2顯示了流域內水環(huán)境總容量與入河污染負荷的比擬。官廳水庫主要污染來源為洋河和桑干河，而八號橋斷面為洋河和桑干河匯合入官廳水庫的國控斷面。因而，每年通過八號橋斷面的污染物量可近似為官廳水庫污染負荷量。經(jīng)計算，官廳水庫污染負荷中COD為2267．80t，NH3－N為54．32t，其與水環(huán)境容量比擬(圖3)。能夠發(fā)現(xiàn)，官廳水庫上游流域COD和NH3－N的入河污染負荷均超過了總的水環(huán)境容量，且NH3－N的污染負荷遠高于其環(huán)境容量。官廳水庫庫區(qū)的水環(huán)境容量較小，COD的污染負荷分別是Ⅲ類和Ⅱ類水標準下環(huán)境容量的1．7倍和24．8倍;NH3－N在Ⅱ類水標準下已無環(huán)境容量，其污染負荷是Ⅲ類水標準下環(huán)境容量的1．6倍。2．3．1水環(huán)境容量較小的原因分析水環(huán)境容量的大小與水體流量密切相關。而官廳水庫來水量呈現(xiàn)出明顯的遞減趨勢(圖4)，直接導致水環(huán)境容量降低。分析其原因，除了流域內降水量逐年減少的自然因素外，人為因素能夠歸結為下面兩點:(1)上游流域大興水利工程。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，上游農(nóng)田灌溉和生活需水量不斷增加，同時為了解決流域十年九旱的缺水境況，流域上游大力興建水庫。幾十年來，張家口市境內陸續(xù)修建水庫96座，總庫容7．18億m3。水庫的集中建設隔斷了水的正常流動，分流了大量水資源，使官廳水庫上游流域流量逐年減少，部分河段甚至斷流。另外，上游流域的兩個大型水庫(冊田水庫和友誼水庫)分別歸山西和內蒙古主管，由于屬地管理和地方利益保衛(wèi)，近年來兩個水庫幾乎不放水，使官廳水庫來水量雪上加霜。(2)農(nóng)業(yè)用水量大，利用效率低。2020年張家口全市農(nóng)業(yè)用水量7．72億m3，占總用水量的73．1%，比全國平均水平高出9．5%。盡管十一五期間張家口市施行了首水規(guī)劃農(nóng)業(yè)節(jié)水項目等一大批以渠道防滲、低壓管道輸水、噴灌為主的農(nóng)業(yè)節(jié)水工程，但官廳水庫上游流域地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉仍然存在大水漫灌等現(xiàn)象，灌溉水利用系數(shù)不高。張家口市地表水的平均渠系水利用系數(shù)在0．4左右，生產(chǎn)糧食量缺乏1．5kg/m3，而發(fā)達地區(qū)為2．5kg/m3，個別發(fā)達地區(qū)可達4kg/m3。較低的水利用效率使農(nóng)業(yè)用水量居高不下，進而導致官廳水庫上游流域流量減少。2．3．2污染負荷較大的原因分析(1)產(chǎn)業(yè)構造不盡合理。官廳水庫上游流域以傳統(tǒng)型產(chǎn)業(yè)為主，高新技術企業(yè)相對較少，低消耗、低污染、高效益的節(jié)約型產(chǎn)業(yè)比重低，當前流域內支柱產(chǎn)業(yè)仍以兩高一資的黑色金屬冶煉及壓延、礦山采選和電力為主，產(chǎn)業(yè)構造不合理。鋼鐵、水泥、化工、制藥、電力等高污染、高消耗企業(yè)主要分布于上游流域兩條主要支流洋河與桑干河附近，對河流水質影響較大，進而對官廳水庫水環(huán)境產(chǎn)生不利影響。(2)農(nóng)村面源污染未得到有效控制。官廳水庫上游流域農(nóng)村面源污染問題越來越突出。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，氮、磷等營養(yǎng)物質和農(nóng)藥通過農(nóng)田地表徑流、滲漏或揮發(fā)構成污染。詳細地，2020年官廳水庫上游流域農(nóng)用化肥施用量82418t，占張家口全市農(nóng)用化肥施用量的80．02%，華而不實氮肥施用量41411t。由于近年來畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，流域內分散養(yǎng)殖逐步變?yōu)橐?guī)?；s養(yǎng)殖，但是相應的污染物集中處置設施建設相對缺乏，由此產(chǎn)生的污染問題比擬嚴重;另外，農(nóng)村生活污水處理尚未有效開展，大部分農(nóng)村生活污水無處理排放，成為流域內重要污染源之一。3、討論文中采用了河流一維穩(wěn)態(tài)水質模型和物料衡算模型計算了官廳水庫及其上游流域水環(huán)境容量，這一研究視角是對當下單純研究河流或湖庫水環(huán)境容量的有效補充。文中參照水功能區(qū)劃將官廳水庫上游流域劃分為13個功能區(qū)段，根據(jù)水文特征和水質目的分別求出各個功能區(qū)段水環(huán)境容量，加總的結果應比直接計算整個上游流域的水環(huán)境容量更準確，且從管理的角度更具有針對性。文中著重分析了流域內水環(huán)境容量與污染負荷差異較大的原因，為流域水污染控制與管理指明了方向，也為其他地區(qū)從環(huán)境容量視角研究污染控制問題提供借鑒。從前面的分析能夠看出，為了使流域內各功能區(qū)到達目的水質，一方面應當采取措施提高水環(huán)境容量，即擴容另一方面，應當采取污染物削減措施，即減排。(1)通過和上游地區(qū)水權交易來增加流域內來水水量。同時，大力發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)，提高灌溉水利用系數(shù)。充分發(fā)揮水價的調節(jié)作用，基于全成本定價，實行工商業(yè)和居民差異不同水價，以節(jié)約用水。這些措施將增加流域內河水流量和水庫蓄水量，進而提高水環(huán)境容量。(2)為降低污染負荷，應開展流域產(chǎn)業(yè)構造調整，淘汰高耗水、重污染、低效益的企業(yè)。同時，減少經(jīng)濟作物大面積種植造成的氮磷污染，加強規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖廠污染物集中處理設施建設。在官廳水庫上游流域增加人工濕地項目，以解決傳統(tǒng)污水處理廠難以處理的NH3－N消減問題。根據(jù)水環(huán)境容量的差異性，新增企業(yè)應建立在水環(huán)境容量較大的功能區(qū)內，環(huán)境容量較小的功能區(qū)應減少或禁止新建排污企業(yè)。工業(yè)點源污染物排放應參考流域內各個水功能區(qū)段的水質目的和環(huán)境容量，執(zhí)行愈加嚴格的排放標準。流域內宜實行污染物總量控制，將所有排污企業(yè)納入總量控制范圍，以水功能區(qū)段水環(huán)境容量為基礎將排污量進行科學分配，探尋求索并逐步放開排污權交