流域水环境承载力及规划应用研究_以青岛市大沽河为例_张相忠

1、流域水环境承载力及规划应用研究以青岛市大沽河为例张相忠 杨涛摘 要：城市的水环境对城市生态、城市经济发展具有重要影响。确定水环境承载力大小是判断水环境优劣的重要依据。本文以青岛市的母亲河大沽河流域为研究对象，对该流域水环境承载力进行分析并加以具体应用，提出规划对策，对保护好青岛的母亲湾，保障青岛市“环湾保护，拥湾发展”战略实施，实现青岛市可持续发展具有重要意义和实际应用价值。对于我国快速发展的城市化进程中如何保护好水环境，建设“两型”社会，实现城市的可持续发展具有借鉴作用。 关键词：水环境；承载力；大沽河1 流域水环境承载力模型1.1 水环境承载力基本概念在给定水域范围和水文条件，规定排污方式

2、和水质目标的前提下，单位时间内该水域最大允许纳污量，称作水环境容量，也是狭义水环境承载力的基本观念。按照污染物降解机理，水环境容量分为稀释容量和自净容量两部分。 1.2 水环境承载力影响要素影响水域水环境容量的要素很多，概况起来主要有以下4个方面：水域特性；环境功能要求；污染物质；排污方式。 1.3 水环境承载力计算模型污染物进入水体后，产生平流输移、纵向离散和横向混合，同时与水体发生物理、化学和生物作用，使水体中污染物浓度逐渐降低。狭义水环境承载力计算模型主要有零维模型、一维模型、二维模型等。根据流域特征确定具体选用的模型，通过河网概化、入河污染物状况、水质目标、设计条件以及选择的模型，计算

3、水环境承载能力，根据水环境承载力计算结果制定污染控制规划。本文介绍了各类模型及模型使用条件，确立了非点源模型，以大沽河流域为例确定了水环境承载力的计算模型及参数。1.4 模式的取选及计算步骤青岛地区河流宽度相对较窄，长度较长，且河流排污口分布相对较少，混合范围相对较小，另外，本研究按流域污染控制断面进行分析，排污口距离水质监控断面的距离相对较远，因而，水环境承载力的计算采用一维水质模型。对河流进行承载力(环境容量计算，计算步骤包括如下6个步骤：水域概化；基础资料调查与评价；选择控制点(或边界；建立水质模型；水环境容量(承载力计算分析；水环境承载力确定。2 入河污染物分类计算2.1 工业污染源入

4、河污染物计算污染源调查方法：对大沽河流域污染源进行全面调查的方法进行。重点企业采取监测数据流量加强方式计算， 非重点企业采用产排污系数法计算。以2007年为基准年进行的调查，大沽河流域共有361家工业企业，按断面、主要支流、所在区域进行企业排污调查，按麻湾桥断面上游、下游进行了统计。2.2 城镇生活污染源入河污染物计算城镇生活污染源主要采用监测和人均排污系数两种方式计算。计算思路：直接进入大沽河干流或支流的城镇生活污水只有胶州市城镇污水，处理后废水进入大沽河干流的城市污水处理厂也只有胶州市污水处理厂和胶东镇污水处理厂。采用常驻人口和暂住人口用水量及排水量、污染物产生系数来计算城镇生活污水产排量

5、。计算中胶州市常驻人口按23万，暂住人口按18万计，污水集中处理率按80%算，入河系数按0.9计。2.3 农村生活污染源计算研究农村生活污染源属于非点源，其污染物的计算采用调查与排污系数结合方式进行。对大沽河流域内相关的村庄与城镇进行调查，按实际农村人口、排放系数、入河系数等进行入河污染物计算。计算方法：按照流域人口数去掉胶州市市区人口来进行农村生活源的计算。按村庄及乡镇驻地距离河道远近，入河系数按0.10.3取值。2.4 农田径流计算研究通过对大沽河流域典型农田在68月不同的降雨状况下的污染物监测，进行降雨污染物农田径流污染分析与核算，最终得出农田污染物状况，见下表。农田径流污染物浓度状况

6、单位：mg/L项目 SS COD Cr COD Mn 氨氮 总氮 总磷 磷酸盐 加权平均3703112.72.784.190.300.11已知降雨污染物加权平均浓度后，结合降雨径流量就可以计算流域降雨水污染物进入水体的量。根据水利部门多年的统计，大沽河流域的平均降雨量为675.6mm，平均径流系数为0.27。通过流域面积、降雨量、径流系数、入河系数进行综合计算，可以得出大沽河流域农田径流污染物产生量及入河量。大沽河流域在青岛市内的面积为4850.7km 2，耕地面积为2742km 2，通过单位转换计算，单位面积标准农田因下雨径流浸出的污染物产生量就是农田径流污染源源强。通过计算，大沽河流域农田

7、径流污染源的源强系数为：COD 13.837kg/亩·a、氨氮1.262kg/亩·a、总氮1.902kg/亩·a、总磷0.136kg/亩·a、磷酸盐0.050kg/亩·a。此数据可作为青岛地区农田径流计算的污染源源强系数。2.5 规模化畜禽养殖污染物入河量计算研究畜禽养殖污染物产生量可参照经验参数估算：猪COD 50g/头·d，NH3-N 10g/头·d；对畜禽废渣以回收等方式进行处理的污染源，按产生量的12%计算污染物排放量。大沽河流域养殖面源污染入河系数取0.01。 2.6 城市径流入河污染物计算研究本文采用监测计算法算

8、（单位面积负荷法）。参照非点源黑箱模型中的单位面积负荷模型（Unit area load，UAL）进行计算，该模型被广泛应用于估算城镇非点源污染的模型。选取青岛市浮山河口、延安三路雨水口、石老人浴场雨水口等在2008年79月多次监测结果进行计算得出，其结果基本代表了市区的径流污染状况。主要污染物平均浓度情况为：COD60mg/L、氨氮1.5mg/L。按照降雨量、城镇汇流区面积、径流系数、流失系数、平均污染物浓度，可以计算城镇径流入河污染物量。径流系数取值按水利设计规范取0.3，汇流区面积按2007年胶州城区面积40km 2取值进行计算。将监测计算的城镇径流流失污染物计算结果与城镇汇流面积进行换

9、算，得到城镇单位面积污染物的流失系数。通过计算，大沽河流域城镇单位面积径流污染物流失系数为：COD 7.9t/km2·a、氨氮0.2 t/km2·a，此系数可作为青岛地区的城镇径流污染物源强系数，也是单位面积负荷法计算系数。 2.7 入河污染物汇总及分析大沽河麻湾桥上游以饮用水源为主，下游以景观和工业用水为主，分类统计大沽河的排污状况及源的分担率，以利于制定污染防治对策。结果见下表。大沽河流域主要污染物COD 入河量汇总 单位：t/a农村面源 流域 功能区 企业城镇 生活 农村生活农田径流 养殖面源各类源 总合计入境麻湾桥 896.14182.32289.56454.9 3

10、822.9 2391.42403.174.7280.1755.8284 总 计3287.542403.171872569.73510.7284 大沽河流域主要污染物氨氮入河量汇总 单位：t/a农村面源 流域 功能区 企业城镇生活农村生活农田径流 养殖面源城市径流各类源 总合计沙埠麻湾桥 11.3218.3205.32391大沽河麻湾桥入海52.59239.440.425.12411.17.1 总 计63.91239.4418.7230.447102.17.1 由表可见，大沽河上游农田径流污染较重，是污染防治的重点；下游以城镇生活和工业排污为主，需要完善城镇市政污水管网，提高污水处理厂的处理能力

11、和处理深度。3 流域水环境承载力研究3.1 流域水环境容量计算方法3.1.1 河流概化污染物进入河流后，在一定范围内经过平流输移、纵向离散和横向混合后达到充分混合，可按一维模式进行计算。河流一维水质模型由河段和节点两部分组成，水量与污染物在节点前后满足物质平衡规律。 图1 河流一维模型概化示意图3.1.2 节点平衡方程考虑干流、支流、取水口、排污口均在同一节点的最复杂情况，水量平衡方程为：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为：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、水环境容量具体计算模式将ji i i Q Q W C C +=54. 31/代入模型，得到一维模型水环境容量的计算公式为：( (54. 314. j i i ui Q Q C eC W +×××=×3.1.4 环境容量的确定每个水环境功能区可以调整设计条件得出多个水环境容量计算结果，根据前述的容量确定原则，分析各个排污口污染负荷削减的技术经济可行性，利用线性规划模型或其他的数学方法，从一组水环境容量结果中确定合理的水环境容量。 3.2 流域水环境承载力计算3.2.1 正常状态下的承载力计算通过大沽河流域早朝及江家庄之间的衰减实验，结合水环境容量山东省核定

13、系数，大沽河K COD 、K NH3-N 分别为0.25、0.15(1/d。根据上游各断面不同水期监测浓度、枯水期径流量，按照容量核算模式，按大沽河流域各断面实际，采用一维模式进行大沽河流域上游区域水环境容量计算。通过计算得出大沽河干流南庄闸上游各断面COD 、氨氮的水环境承载力，包括最枯月、最枯季，枯水期。3.2.2 特殊状况下的承载力计算大沽河南庄闸下游入海口之间为排污混合区，没有控制标准，不能进行正常的环境容量计算，本文结合大沽河入海通量及入海口控制断面的控制要求，进行南庄闸入海口之间的容量核算。计算模式为：86400(001. 04. 860q Q C Q C W n ×&#

14、215;××=控标计算参数确定：大沽河南庄闸控制断面水量按枯水期径流量4.967m 3/s；胶州市污水处理厂、胶东镇污水处理厂及桃源河、云溪河、直排河企业等进入南庄闸下游的污水量及支流水量折算为1.156m 3/s；按10%蒸发等损失计，则入海口断面径流量为5.511m 3/s；为给上游留出容量，断面本底浓度取工业用水区控制浓度值；大沽河入海口断面按GB 3838-2002中的类标准进行控制。计算结果与正常情况下的计算结果叠加就是整个流域单纯以水环境容量考虑的水环境承载力计算结果。3.2.3 大沽河干流总容量通过大沽河各节点容量的核算，对流域总容量进行汇总，汇总方法为分段相

15、加方式。计算结果见下表。大沽河水环境容量计算结果 单位：t/a 控制断面名称COD 容量 氨氮容量 麻湾桥上游3894.77 156.93 麻湾桥下游 5759.891 287.9973.3 大沽河流域污染物削减研究3.3.1 现状削减及分析对照2007年入河污染物量及水环境容许的量，现状污染物削减情况见下表。大沽河流域污染物削减情况 COD氨氮 控制断面名称 容量2007年入河量2007年需削减量容量 2007年 入河量 2007年 需削减量麻湾桥上游 3894.773822.90 156.93169.013麻湾桥下游(计算条件5759.8915419.240287.99747.757 麻湾

16、桥下游(计算条件6308.8465419.240 489.2370 3.3.2 2015年削减及分析2015年污染物削减情况见下表。2015年大沽河流域污染物削减情况COD 氨氮 控制断面名称容量入河量需削减量容量 入河量 需削减量麻湾桥上游 3894.775330.2831435.513156.93294.78 137.85 麻湾桥下游(计算条件9365.6713605.78287.997111.3453.4 流域水环境承载力提升及经济承载能力分析通过对大沽河流域进行水环境容量(狭义水环境承载力计算得知，影响水环境质量的污染源主要包括：工业污染源、城镇生活污染源、农村生活污染源、农田径流、畜

17、禽养殖、城市径流等。能提高水环境承载力的措施有：污水处理厂的扩建及深化处理、中水回用、节水措施、清洁生产源头减排措施、农村规范化整治、河道整治、储水设施建设、雨水综合利用、结构调整、人口控制等。因大沽河麻湾桥上游以饮用水源为主，属于青岛市的水环境保护的重点，上游的容量可以不考虑使用。只考虑大沽河麻湾桥断面以下的水环境容量及经济、环境、人口承载分析。计算思路：大沽河下游主要以工业企业和城镇生活污染为主，2015年工业企业和城镇生活两者的入河量占到了入河总量的91.87%。通过对2015、2007年城镇人口状况进行比较，到2015年大沽河下游的人口数基本可以达到55.6万人。若所有的城镇生活污水全

18、部得到处理，则城镇生活源对大沽河麻湾桥下游的COD 贡献量为1491.7t/a，基本上没有多大削减余地。因此，削减工业源入河污染物量就成为控制重点。按下游容量看，若按91.87%的总容量比例，将水环境容量进行同比分配，工业及城镇生活入河COD 量应控制在5291.612t/a以内，去掉城镇生活污水COD 入河量，能给工业企业的入河COD 容量最大只有3799.912t/a，若按0.9入河系数进行反推，工业企业排放的COD 总量应控制到4222.124t/a。通过前面章节对万元工业增加值排污系数进行核算，按万元工业增加值排放量1.237kg 计，年大沽河下游区域能承载的工业增加值为341.32亿

19、元。若按2008年工业增加值与GDP 的比例推算(0.516，能承受的GDP 总量为661.47亿元。提高水环境承载能力，则经济承载能力也会加强。4 大沽河水环境承载能力的应用4.1 大沽河合理供水规模的确定供水规模是指单位时间内持续有效供应的满足水质和水量要求的水源量。对大沽河流域的供水规模是扣除大沽河生态流量后的可利用水资源量。这是一个复杂的计算过程，供水规模定得太小，就会浪费水资源；供水规模定得太大，就可能引起地下水位过渡下降，导致污水倒灌、水质恶化等。因此如何合理确定大沽河流域合理的供水规模，必须以满足大沽河水资源承载能力为前提。大沽河多年平均径流量为5亿立方米，地下水源地现状（200

20、7年）供水能力为10万立方米/日，根据大沽河流域雨水径流量计算及水环境承载能力分析，可以有效利用的是通过大沽河流域库库与库河联合调度工程等水源挖潜与建设，可以再增加供水能力10万立方米/日。由此确定大沽河合理供水规模为22万立方米/日。4.2 在城市规划中的应用以往全市基本上没有大沽河流域的规划控制，规划没有划定各类控制区，也缺少依据，致使规划管理不到位。特别是由于大沽河流域面积大，河流长，再加上属地化管理，致使管理控制不统一不到位，造成大沽河部分区段污染严重，危及大沽河地下水源地。根据城乡规划法和新编青岛市城市总体规划（20062020年），应该对大沽河整个流域进行专项规划编制，其重要规划内

21、容就是划定禁止建设区（水源地，生态湿地，耕地），限制建设区等，而这些区域划定的依据就是大沽河环境承载能力的分析：大沽河从产芝水库出口到麻湾段（见下图）属于大沽河地下水源地，水环境承载能力较低，为规划禁止建设区，规划区内的现状工业应该逐步退出。麻湾至入海口段有一定水环境承载能力，规划为限制建设区。4.3 大沽河生态湿地建设的依据根据胶州湾生态湿地保护研究，大沽河生态湿地将是其重要组成部分，而如何科学划定大沽河流域的生态湿地并进行严格保护，本研究将为其提供重要参考依据。4.4 大沽河污染治理对策应用城镇污染防治方案：加强胶州市污水处理厂及其配套管网建设，继续扩大污水处理厂的处理能力及处理深度，加大

22、中水回用力度。工业污染防治方案：进一步优化产业结构，结合产业结构调整和产品优化升级，逐步解决结构性工业污染问题；.抓好现有工业企业的监管，严格实行排污许可证制度；发展循环经济，推进清洁生产；加强新建项目的环境管理；编制大沽河上游区域发展规划，以保护大沽河饮用水源区为第一要务，限制工业企业的发展，完善相应补偿措施，指明莱西、平度等大沽河流域上游乡镇今后的经济发展方向。非点源污染防治：做好农村垃圾及污水处理，控制农村生活污染；积极发展生态农业，科学施肥控制农田径流污染；加强对畜禽养殖的污染防治；完善设施，雨污分流，做好城市径流污染控制。再生水综合利用：采取措施鼓励推广再生水的利用；加大中水的回用力

23、度，节约新水并降低废水的最终外排量。此外，要建立完善的组织领导体系；完善政策法规体系；健全监督管理体系；加强部门协调、共同做好流域保护工作。 5 结论（1）确立了大沽河流域水环境承载力评价模式，明确重点流域水质控制要求及入河污染物削减指标，提出水环境污染治理措施及提高水环境承载力的建议。（2）大沽河流域水环境容量为：COD 9654.661t/a、氨氮444.927t/a。（3）大沽河上游及支流COD、氨氮的主要贡献者为农田径流。大沽河下游COD 主要贡献者为城镇生活和工业企业，氨氮主要由城镇生活带来的。（4）给出了大沽河流域2015年各类污染源污染物的核算方法，确定了污染物计算的各类参数及源强，计算了流入大沽河水系的污染物量，对各类污染源对大沽河水环境的分担率进行了研究，为“十二五”环境保护规划，也为总量削减指标的制定提供技术依据；（5）以2015年为目标控制年来考虑，结合可能采取的综合治理措施后预测的入河COD削减量为：5041.293t/a，其