水環(huán)境容量法人口規(guī)模預測的應用探索

水環(huán)境容量法人口規(guī)模預測的應用探索

改革開放以來，中國城市化進程加快，但中國似乎走上了“先發(fā)展后治理”的道路，發(fā)展了良好的生態(tài)環(huán)境。正是基于這樣的一種背景,城市發(fā)展中的生態(tài)環(huán)境問題越來越受到人們的關(guān)注。2003年9月國家頒布的《中華人民共和國環(huán)境影響評價法》中提到的有關(guān)規(guī)劃環(huán)境影響評價的內(nèi)容就體現(xiàn)出國家對城市發(fā)展中生態(tài)環(huán)境問題的關(guān)注。2006年4月新的《城市規(guī)劃編制辦法》正式出臺,也要求在城市規(guī)劃的編制過程中對生態(tài)與環(huán)境方面給予足夠的重視。進行規(guī)劃環(huán)評的初衷就是要將環(huán)境保護的思想盡早地納入到?jīng)Q策的過程當中,使環(huán)境因素與社會、經(jīng)濟因素一樣,在規(guī)劃形成之時即得到重視,使規(guī)劃更加符合可持續(xù)發(fā)展的要求。規(guī)劃環(huán)境影響評價作為戰(zhàn)略環(huán)境影響評價的一部分,具有早期介入性和主動性兩大特點,可以在更高的層次、更宏觀的角度進行替代方案的比選,和規(guī)劃同步進行,在規(guī)劃方案的編制過程中主動地去預測,從環(huán)境閾值的角度去規(guī)范城市的發(fā)展規(guī)模、重大基礎設施布局等問題,從而為城市規(guī)劃提供依據(jù)。人口規(guī)模是城市規(guī)劃中一項重要的控制性指標,人口規(guī)模是否合理不僅影響到未來地區(qū)經(jīng)濟和社會發(fā)展,而且會影響到地區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。目前人口預測的常用方法有經(jīng)濟發(fā)展預測法、模型預測法和資源承載力與環(huán)境容量法等,而尤以前兩種應用較多。而對于某些生態(tài)環(huán)境較脆弱的地區(qū),城市的發(fā)展和環(huán)境之間的矛盾就顯得尤為明顯,從而成為制約城市發(fā)展的主要因素,在城市總體規(guī)劃中如不解決這個矛盾,將會使城市陷入環(huán)境污染日益加重的惡性循環(huán)之中。因此,在對這類城市進行總體規(guī)劃時,必須考慮城市的規(guī)模與城市生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境自凈能力以及環(huán)境容量之間的關(guān)系,根據(jù)城市對人口的承載能力的控制性因素規(guī)劃城市,合理確定城市的環(huán)境人口容量,制定適宜的城市人口規(guī)模,以解決由于人口密度過大而帶來的城市環(huán)境問題。目前水環(huán)境容量的研究主要是為了進行水環(huán)境污染物排放的總量控制和為環(huán)境管理提供依據(jù),還沒有應用于人口預測的先例。水環(huán)境容量法屬于資源承載力與環(huán)境容量法人口規(guī)模預測的一個分支,使用前要先分析當?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀以及規(guī)劃未來城市的發(fā)展狀況,找出當?shù)刂饕沫h(huán)境制約因素,如果水環(huán)境是當?shù)刂饕沫h(huán)境制約因素,則此方法就是適用的。本文以福建長汀縣為例進行討論。1規(guī)劃中心城區(qū)的總結(jié)1.1江西金融風場長汀縣位于福建省西南部,東經(jīng)115°58′～116°43′,北緯25°11′～26°21′之間,隸屬于龍巖市,閩贛邊陲要沖,北接寧化、清流,東鄰連城,南毗上杭,西南與武平接壤,西北與江西瑞金交界。1.2徑流和徑流分布汀江在長汀縣境內(nèi)流域總面積為2604km2,河道長154km,多年平均徑流量14.28×108m3,多年平均徑流深1100mm,平均流速0.42m/s。長汀屬山區(qū)縣,支流坡降大,汀江干流坡降平緩,平均河道坡降1.80‰。中心城區(qū)段支流主要有鐵長河、鄭坊河、七里河以及瀏源河。汀江是貫穿閩粵兩省的韓江水系的源頭,是長汀縣乃至閩西地區(qū)重要的河流與水源地,是閩西客家人的母親河。1.3鄉(xiāng)鎮(zhèn)和建設用地情況長汀縣中心城區(qū)規(guī)劃范圍在空間上,北至大同鎮(zhèn)的大埔、翠峰、師福等地,南至策武鄉(xiāng)的李城、河梁、黃館,德田等地,包括了汀州、大同、策武3個鄉(xiāng)鎮(zhèn),總面積為87.97km2;主要包括北部原古城所在地和南部河梁新城兩個盆地。規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi)2006年現(xiàn)狀共12.7×104人,其中城鎮(zhèn)人口為8.94×104人,農(nóng)業(yè)人口為3.76×104人;城鎮(zhèn)建設用地(含臥龍山)為7.45km2,農(nóng)村居民點建設用地面積約為3.9km2。據(jù)建設適宜性評價,中心城區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)適宜建設用地約30km2(包括現(xiàn)狀建成區(qū))。1.4汀江干流流量長汀縣位于福建西部山區(qū),水資源豐富,但年季分布不均,枯水期汀江干流流量較小?，F(xiàn)狀城區(qū)段沒有污水處理設施,生活污水和工業(yè)廢水全部直接排入汀江,造成較大的水環(huán)境污染,因此水環(huán)境問題是長汀縣主要的環(huán)境問題,也是長汀縣發(fā)展主要的環(huán)境制約因素。1.5城市給排水規(guī)劃主要是根據(jù)規(guī)劃區(qū)地形和水源地位置,確定城市污水處理廠的布局,污水廠排污口的位置以及污水管網(wǎng)的走向等。1.5.1水源規(guī)劃長汀縣城區(qū)用水水源地均在汀江支流上游,污水處理廠沿汀江干流布置對水源地沒有影響。1.5.2污水處理廠排放污水(1)排水體制、污水處理率與排放標準規(guī)劃中心城區(qū)排水體制為雨污分流。根據(jù)科學發(fā)展觀、以人為本、可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境友好理念,本次總體規(guī)劃目標為中心城區(qū)污水集中處理率達到100%,生活污水和工業(yè)廢水均由污水處理廠集中處理后排放,因此中心城區(qū)的水環(huán)境污染源變得簡單,主要就是污水處理廠的尾水。雖然污染源變得簡單,但也是需要重點關(guān)注的,因為整個城市污水都由污水處理廠集中處理后排放,則污水處理廠的污水排放量很大,特別在區(qū)域水環(huán)境條件不利的情況下,環(huán)境影響也是較明顯的。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)城鎮(zhèn)污水處理廠出水排入GB3838地表水Ⅲ類功能水域(劃定的飲用水水源保護區(qū)和游泳區(qū)除外),執(zhí)行一級標準的B標準。由于規(guī)劃污水處理廠排入水體水環(huán)境功能為GB3838Ⅲ類,因此規(guī)劃城鎮(zhèn)二級污水處理廠尾水排放標準執(zhí)行一級B類。(2)排水系統(tǒng)的布局。分散式與集中式,采用單污水處理廠方案,城區(qū)段沒有點源水污染物的排放,水質(zhì)可以達到Ⅲ類水環(huán)境功能區(qū)要求。采用雙污水處理廠方案,可以減少污水的長途運輸,就近處理,減少管線鋪設費用和管線滲漏等隱患,而且減小了事故排放的概率和污染強度;污水處理廠及管網(wǎng)布局,根據(jù)相關(guān)原則,確定了2處污水處理廠的合理選址地點以及中心城區(qū)污水管網(wǎng)的布局,見圖1。2研究方法與參數(shù)設計2.1河流相連成網(wǎng)主要指水系的復雜情況,分以下3種情況。一是簡單水系即有明顯的干流和支流的區(qū)別,支流匯入干流,各支流之間沒有連通,長汀縣水系即屬于這種情況(見圖1);二是復雜水系即河流相連成網(wǎng),如蘇中的里下河地區(qū)以及蘇南的水鄉(xiāng);三是河口、海灣地區(qū)可能有回流等情況。2.2預測水環(huán)境流量的模型和參數(shù)設計2.2.1河流水質(zhì)模型對可降解的有機污染物質(zhì),其降解速率符合一級反應動力學規(guī)律的情況。由于汀江河面較窄,而且規(guī)劃層面較宏觀,因此采用一維穩(wěn)態(tài)河流水質(zhì)模型。C=C0exp(?Kx86400u)C=C0exp(-Κx86400u)式中:C——預測點平均濃度(mg/L);C0——計算初始點污染物濃度(mg/L);K——耗氧系數(shù)(1/d);x——河流長度(m);u——河流流速(m/s)。水環(huán)境容量是指一定水體在規(guī)定環(huán)境目標下所能容納污染物的量,包括稀釋容量和自凈容量。(1)銨稀釋容量是指水體通過物理稀釋作用使污染物達到規(guī)定的水質(zhì)目標時所能容納的污染物的量。E1=C0(Q上+Q污)-C上Q上(2)降解或形象測定自凈容量是水體通過物理、化學、物理化學、生物作用等對污染物所具有的降解或無害化能力。E2=C0[exp(Kx86400u)?1](QE2=C0[exp(Κx86400u)-1](Q上+Q污)(3)控制斷面水質(zhì)標準E=C0exp(Kx86400u)(QE=C0exp(Κx86400u)(Q上+Q污)-C上Q上式中:E1——稀釋容量(g/s);C0——控制斷面水質(zhì)標準(mg/L);Q上——河段上游來水流量(m3/s);Q污——河段合計排污流量(m3/s);C上——上游來水中污染物原始濃度(mg/L);E2——自凈容量(g/s);K——自凈系數(shù)(1/d);x——河段長度(m);u——河段平均流速(m/s);E——水環(huán)境總?cè)萘?g/s)。由預測公式可見河流水環(huán)境容量與河流本身流量以及預測區(qū)段的污水排放量關(guān)系密切。2.2.2汀江干流入汀江斷面位置計算水期選枯水期。根據(jù)觀音橋水文站水文觀測數(shù)據(jù)和《福建省汀江長汀河流域綜合規(guī)劃》得到觀音橋水文站最枯月平均流量,按匯水面積比較,推算出汀江干流各支流入汀江斷面(斷面位置見圖1)的相應流量;根據(jù)觀音橋水文站最枯月河流斷面形狀估算流速,以此流速為最枯月全流域平均流速,詳見表1。2.2.3河流流速、兩面距離、初始污染物濃度公式:K=86400ux1nCACBΚ=86400ux1nCACB式中:K——自凈系數(shù)(1/d);u——河流流速(m/s);x——兩端面距離(m);CA——上游斷面末污染物濃度(mg/L);CB——下游斷面末污染物濃度(mg/L)?？紤]到預測公式是理想狀態(tài)下的河流自凈系數(shù),實際情況下河段沿途會有農(nóng)業(yè)面源等非點源污染排放,因此在結(jié)合相關(guān)文獻比較,預測時氨氮自凈系數(shù)取0.151/d。2.3污水處理廠排污口位置水環(huán)境容量的預測結(jié)果和污水處理廠尾水排入水體的水環(huán)境功能要求以及達標控制段面與排污口距離關(guān)系密切。長汀縣汀江干流水環(huán)境功能區(qū)劃如表3所示。污水處理廠排污口位置如圖1所示。陳坊橋斷面在北部組團污水處理廠排污口下游7000m,是現(xiàn)狀省控水質(zhì)監(jiān)測斷面;由于美西大橋省控水質(zhì)監(jiān)測斷面距城區(qū)段較遠,因此在城區(qū)段下游選擇規(guī)劃遠期的城市副中心河田鎮(zhèn)人口密集區(qū)設一水質(zhì)控制斷面,即瀏源河入汀江口斷面,在南部組團污水處理廠排污口下游21000m。把以上2個斷面作為本次水環(huán)境容量預測的水環(huán)境功能水質(zhì)控制斷面(見圖1),水環(huán)境容量預測河段情況見表4。2.4人口規(guī)模預測模型和參數(shù)2.4.1污染物排放量及排放濃度預測公式:E污=C污×Q污式中:E污——污水處理廠水環(huán)境污染物排放量(g/s);C污——污水處理廠尾水水環(huán)境污染物排放濃度(mg/L);Q污——污水處理廠排放量(m3/s)。2.4.2人均住房和廢水排放根據(jù)《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB50282-98)確定城市單位人口綜合用水量取0.6m3/人·d。污水產(chǎn)生系數(shù)取0.8。2.4.3污水處理廠最大排放量是水環(huán)境容量水環(huán)境容量水環(huán)境容量在e根據(jù)城市排水規(guī)劃的分析,在預測中水環(huán)境容量控制區(qū)的污染源僅考慮污水處理廠尾水排放,因此在E=E污的情況下,污水處理廠的排放量就是水環(huán)境容量允許范圍內(nèi)的污水處理廠最大排放量。假定污水處理廠的處理規(guī)模等于排放量,則城市人口規(guī)模由以下公式計算:城市用水量=Q污/污水產(chǎn)生系數(shù)城市人口規(guī)模=城市用水量/城市單位人口綜合用水量。3控制河段水環(huán)境容量預測本次長汀縣總體規(guī)劃的環(huán)境影響評價中,基于早期介入原則和主動性原則,主動地以水環(huán)境容量法進行人口規(guī)模預測,為最終規(guī)劃方案的人口規(guī)模提供了必要的依據(jù)。水環(huán)境容量的研究區(qū)間分兩段,第一段是北部組團污水處理廠排污口到陳坊橋,河段計算長度7000m;第二段是南部污水處理廠排污口到河田鎮(zhèn),河段計算長度為21000m。根據(jù)水環(huán)境影響評價結(jié)果,氨氮對該區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量影響較大,以氨氮為限制因子。污水處理廠尾水排放濃度執(zhí)行一級B標準,據(jù)實際監(jiān)測,汀江平均水溫>12℃,因此氨氮排放標準按水溫>12℃時的控制指標即8mg/L。按不同的污水處理廠布局方式和水環(huán)境容量水質(zhì)控制斷面水質(zhì)要求,得出不同的污水處理廠規(guī)模和人口規(guī)模(詳見表5)。情景1:采用集中式排水系統(tǒng),中心城區(qū)僅在南部設一座污水處理廠,城區(qū)全部污水均由管道送至這一座污水處理廠集中處理。南部組團污水處理廠排污口位于Ⅲ類水環(huán)境功能區(qū),因此排污口上游來水水質(zhì)取GB3838-2002Ⅲ類,氨氮濃度1.0mg/L,瀏源河入汀江口水質(zhì)要求達到GB3838-2002Ⅲ類,氨氮濃度1.0mg/L。情景2:采用分散式排水系統(tǒng),南北組團各設一座污水處理廠。北部組團污水處理廠排污口位于Ⅲ類水環(huán)境功能區(qū),因此排污口上游來水水質(zhì)取GB3838-2002Ⅲ類,氨氮濃度1.0mg/L,陳坊橋斷面水質(zhì)要求達到GB3838-2002Ⅲ類,氨氮濃度1.0mg/L;南部組團污水處理廠排污口位于Ⅲ類水環(huán)境功能區(qū),因此排污口上游來水水質(zhì)取GB3838-2002Ⅲ類,氨氮濃度1.0mg/L,瀏源河入汀江口水質(zhì)要求達到GB3838-2002Ⅲ類,氨氮濃度1.0mg/L。情景3:采用分散式排水系統(tǒng),南北組團各設一座污水處理廠。規(guī)劃后北部組團污水處理廠排污口所在的十里鋪～陳坊橋段水環(huán)境應比現(xiàn)狀有所好轉(zhuǎn),且上游為Ⅱ類水環(huán)境功能區(qū),沿途沒有明顯污染源,因此雖然位于Ⅲ類水環(huán)境功能區(qū),但排污口上游來水水質(zhì)取GB3838-2002Ⅱ類,氨氮濃度0.5mg/L,陳坊橋斷面水質(zhì)要求達到GB3838-2002Ⅲ類,氨氮濃度1.0mg/L;南部組團污水處理廠排污口位于Ⅲ類水環(huán)境功能區(qū),因此排污口上游來水水質(zhì)取GB3838-2002Ⅲ類,氨氮濃度1.0mg/L,瀏源河入汀江口水質(zhì)要求達到GB3838-2002Ⅲ類,氨氮濃度1.0mg/L。根據(jù)以上預測可以看出,在設計的3種情景中,在預測控制河段滿足水環(huán)境功能要求的前提下,控制河段距離越長,上游來水水質(zhì)越好,則水環(huán)境容量就越大,從而該地區(qū)水環(huán)境所能容納的人口也越多。但是就預測結(jié)果和該地區(qū)現(xiàn)狀人口相比,在水環(huán)境容量閾值允許范圍內(nèi)人口規(guī)模已無太大發(fā)展空間。如果想增加該地區(qū)的水環(huán)境容量以便增加該地區(qū)所能容納的人口規(guī)模,可以采取以下幾種方法:(1)節(jié)約用水,增加水的循環(huán)利用,減少新鮮水的取用,保證汀江的本底流量,提高其自凈能力;(2)提倡清潔生產(chǎn),減少污染物的排放;(3)整治