基于水体纳污能力的流域水环境管理模式研究

基于水体纳污能力的流域水环境管理模式研究

1流域水质管理模式—引言(Introduction)义乌是中国水资源丰富的地区。随着经济的快速发展，大量污染物从义乌流入乌江，水质恶化，严重影响了义乌社会经济的可持续发展。流域水质管理是一项系统工程。自20世纪70年代以来，美国流域水质管理模式经历了三个发展阶段。从监测到复杂、不准确的模型监测到监测到简单、精确的模型结合三个发展阶段（cooter，2004），形成了目前广泛使用的流域水质管理模式（mtdl：土壤处理日最大污染日），并将非点源污染纳入流域水质管理体系（saltman，2001）。qual2k（drolcetal.，1996；chaduhuretal.，1998；chaineral.，2003；cox，2003）、wp6（eataral.，1998；kaietal.，1998；tuffordal.，1999；wolpetal.，2004）、e-11（kazmietal.，1997；haleytal.，1998；keeletal.，2006）、hmpf（filosoff.）、felder、2004；franspf（f）、11（kazhotal.，2004；f）等。估计河流中的水处理能力，并合理分配点源和未点源污染物的排放，以实现流域水体的可持续利用。本研究中在金华江义乌段流域水质和排污现状基础上,分析估算流域干流的氨氮、BOD纳污量,建立氨氮、BOD日最大排污量管理模式,明确流域各河段污染物入河的削减量,旨在为政府科学决策和流域水质管理提供切实有效的理论方法.2tmdl管理模式日最大排污量水质管理模式(TMDL)是某一水体在满足水质标准前提下能接收的某种污染物的最大量,并且在污染源(点源和非点源)中进行合理分配.其表达式为:TMDL=∑WLA+∑LA+MOS(1)式中,TMDL为日最大允许排污量(TotalMaximumDailyLoad);WLA为点源污染物分配(WasteLoadAllocation);LA为非点源污染物分配(LoadAllocation);MOS为安全临界值(MarginofSafety).TMDL管理模式是以水质监测和评价为前提,以水体最大纳污能力为核心,以水质模型构建为关键,综合应用水质模型以简化污染物在水体中复杂的迁移转化过程.其针对的污染物包括DO、BOD、营养盐、pH、微量元素等(David,1999;Lemly,2002;Stowetal.,2003;Ormsbeeetal.,2004).TMDL管理模式程序见图1.3金华江流域东南部的水环境改善概况江曲区的外部环境3.1金融体制下区域流域概况金华江是钱塘江流域南源兰江的支流,河长195km,流域面积6782km2,其主源为东阳江北江,发源于磐安县龙乌尖,流经浙江省义乌市.义乌,地处浙江中部,是中国乃至亚洲最大的小商品市场所在地.金华江义乌段是流经义乌市的主要河流,是钱塘江水系的二级支流.自廿三里何宅村入市境后,流经9个镇街,于义亭镇上低田村西入金华市境,市内总长约39.75km,流域面积约812.70km2,年平均入境水量为15.08×108m3,是义乌市主要的生产、生活水源.金华江义乌段流域(下文简称为义乌江流域)概况见图2.3.2污染物排放量估算义乌江流域水体的目标水质以地表水Ⅲ类标准为主,随着义乌市及其上游县市经济快速发展,义乌江流域水体污染日渐加剧.2001～2005年监测数据分析结果表明,2001～2004年水体BOD值都超过地表水Ⅲ类水质目标值4.0mg·L-1;干流常规监测断面水质基本为劣Ⅴ类水质,远不能满足水环境功能区要求,主要超标指标为BOD、氨氮、COD等.因而加强流域水污染控制管理迫在眉睫.流域排污现状统计分析包括点源和非点源,其中工业污染源、生活污染源和规模化养殖作为点源,分散养殖作为非点源.由于本研究中设计流量为90%保证率流量,此流量条件为流域枯水期,农田径流对河流水质影响非常小,因而本研究中忽略农田面源污染贡献.工业和生活污染源数据来源于《金华市统计年鉴》和《浙江省水环境容量测算与核定污染源调查实施方案》.畜禽粪便污染物产生量通过估算得到,主要根据调查资料和国内相关文献(张忠祥,1996;张玉珍等,2003),结合义乌江流域畜牧饲养的实际情况,确定畜禽粪便污染物的排泄系数(表1),采用排泄系数估算法分析畜禽养殖粪便污染负荷(段勇等,2006).在污染物产生量估算基础上,依据《全国水环境容量核定技术指南》和《杭嘉湖地区水环境容量研究、水质模型开发报告》(国家环境保护总局环境规划院,2003;太湖流域管理局,2005),明确污染物入河系数(表2),得到义乌江流域废水、BOD和氨氮入河量统计分析结果(见表3),结果表明生活污染源是目前流域主要污染源.4研究方法mehs4.1以20年最枯月平均水文站为例设计流量,采用90%保证率流量为依据的设计流量是确定合理河流水体在低流量条件下容易引发水污染事件,从便于管理和监督的角度出发,目前在进行水体纳污能力估算过程中,将设计水文条件下估算得到的水体纳污能力作为制定污染物总量控制定额的依据.以《全国水环境容量核定技术指南》为依据(国家环境保护总局环境规划院,2003),采用90%保证率流量(近10年最枯月平均流量)作为义乌江流域纳污能力分析的设计流量.义乌江目前只设有1个水文站——义乌佛堂(见图2),根据浙江省水文局提供的流量数据,义乌佛堂站及其相邻水文站金华站90%保证率流量分别为7.62m3·s-1和19.8m3·s-1.其它没设水文站河段的流量,借助Mapinfo,根据河流流量与集雨面积关系确定,则流域各河段90%保证率流量见表4.4.2维稳态模型义乌江为山溪性河流,其河长远远大于河宽及河深,污染物在水体中沿横向和垂向较易混合均匀,但沿纵向变化显著,主要靠纵向迁移向下游输送,符合一维稳态模型模拟条件.美国环保署开发的QUAL2K模型为一维稳态模型,使用有限差分法求解一维平流-弥散的物质输送和反应方程,模拟充分混合的树枝状河流的BOD、DO、N、P等多种水质组分.此模型被广泛用于北美、欧洲、亚洲等流域的污染物总量控制和水质管理(Parketal.,2002;Babuetal.,2006;Palmierietal.,2006),适用于义乌江流域水质模拟和纳污能力分析.4.2.1水质模拟方程1极限bod浓度dLdt=-Κ1L-Κ3L+Κ4D+α4ρ4AdLdt=−K1L−K3L+K4D+α4ρ4A(1)式中,L为极限BOD浓度(mg·L-1);K1为BOD氧化率(d-1);K3为BOD沉淀损失率(d-1);K4为河流底泥BOD上浮率(mg·m-2·d-1);D为河水平均深度(m);α4为单位藻类呼吸(死亡)耗氧率(mg·mg-1);ρ2为藻类死亡率(d-1);A为藻类生物量(mg·L-1).2[am]第5页,云dΝodt=α1ρA-β3Νo-σ4ΝodNodt=α1ρA−β3No−σ4No(3)d[ΝΗ+4]dt=βΝo-β1[ΝΗ+4]+σ3d-F1α1μAd[NH+4]dt=βNo−β1[NH+4]+σ3d−F1α1μA(4)式中,F=Ρam[ΝΗ+4](Ρam[ΝΗ+4]+(1-Ρam)[ΝΟ-3])F=Pam[NH+4](Pam[NH+4]+(1−Pam)[NO−3])(5)d[ΝΟ-2]dt=β1[ΝΗ+4]-β2[ΝΟ-2]d[NO−2]dt=β1[NH+4]−β2[NO−2](6)d[ΝΟ-3]dt=β2[ΝΟ-2]-(1-F)α1μAd[NO−3]dt=β2[NO−2]−(1−F)α1μA(7)式中,No为有机氮浓度(mg·L-1);α1为以氮计的藻类生物量(mg·mg-1);ρ为藻类呼吸速率(d-1);β3为有机氮水解为氨氮的水解系数(d-1);σ4为有机氮沉淀速率(d-1);[NH+4]为氨氮浓度(mg·L-1);β1为硝化系数(d-1);σ3为底泥氨挥发系数(mg·m2·d-1);F为来自于有效态铵的藻氮数量;Pam为氨氮比硝态氮优先因素;[NO-3]为硝酸盐浓度(mg·L-1);[NO-2]为亚硝酸盐氮浓度(mg·L-1);β2为亚硝酸盐氮氧化系数(d-1).4.2.2纳污能力计算水体的纳污能力是指在一定设计水量条件下,满足水功能区水环境质量标准要求的污染物最大允许负荷量.山溪性河流BOD和氨氮纳污能力计算公式为(方晓波等,2007):Wi=31.536C′(1+Qq-QqC01C′)(8)式中,Wi为计算河段纳污能力(g·s-1);Q为河流流量(m3·s-1);q为污水排放量(m3·s-1);C′为计算河段水质目标浓度(mg·L-1);C01为计算河段上游来水污染物QUAL2K模拟浓度(mg·L-1),适合β<1的情形.4.3arga/sapty:safi人,增加了其方差分析污染物在水体中迁移转化过程非常复杂,在日最大排污量分析中,为了弥补污染物在水体中迁移转化的不确定性以及理解力不足,需要考虑安全临界值(MOS:MarginofSafety)(Dilksetal.,2004;Zhangetal.,2004).安全临界值估算有2种方法:Implicit法和Explicit法.Implicit法应用守恒模型假设来估算安全临界值,如:设计流量采用7Q10法、底泥氧化耗氧假设不变等;Explicit法以水体最大纳污量百分比形式估算安全临界值,一般为水体最大纳污量的5%～10%,不超过10%.本研究中设安全临界值为水体最大纳污量的10%.5结果结果5.1流域水质预测和管理模拟结果对比根据流域水力学特征以及支流和概化后排污口地理位置,把义乌江流域河段划分成14个计算单元(见图2).模型设计流量采用90%保证率流量,水质参数借鉴国外相关文献报道(Chapraetal.,2003;Parketal.,2002;Cox,2003),采用试错法确定模型参数.在参数取值范围内,输入2001～2003年最枯月BOD和氨氮实测平均值,不断调整模型参数取值直到模拟值接近测量值,参数取值见表5.在参数率定基础上,以2004～2005年最枯月BOD和氨氮测量平均值验证模型,结果见图3和图4,模拟结果与实测值吻合良好.从模型验证结果看,模拟值和实测值较为一致,可作为此流域水质预测和管理的有效工具.在距离义乌江起始断面10.5km和25.3km处(6号和12号河段)由于点源污染物的大量输入,BOD和氨氮值有所上升;在距离义乌江起始断面19.0km和21.3km处(9号和10号河段)由于大量污染物的连续输入,导致河流水体中BOD和氨氮值有明显的升高过程,基本符合有机污染物自然净化过程.但是,由于研究区缺乏自己开发的水质模型,此研究涉及的相关水质参数,如单位藻类呼吸(死亡)耗氧率、藻类呼吸速率、底泥氨挥发系数等没有实际测定值,借用国外文献经验值给模拟结果带来一定误差,有待于做进一步相关研究.5.2污染物入河量削减措施本研究中仅对金华江义乌段干流进行纳污能力估算,对于支流仅考虑了汇入干流的流量和负荷量,并未开展支流相关纳污能力的研究.在每个计算河段点源和面源污染物入河量估算以及相应河段纳污能力分析基础上,以各个河段纳污量10%作为日最大排污量分析的安全临界值,确定各河段污染物削减百分比;累加各个河段纳污量作为整个河段的纳污能力,分析整个河段污染物入河削减量;并且对污染物入河量削减前后模型模拟结果进行对比分析.基于90%水文保证率的义乌江流域BOD和氨氮日最大排污量分析结果见表6、表7和图3、图4.表6和表7的研究结果表明,义乌江流域目前BOD和氨氮排放入河量分别为8692.69kg·d-1和3227.30kg·d-1.不同河段需要削减不同比例的污染物,其中BOD日最大排污量分析结果表明,除距离起始断面河长为5.3km、12.7km、16.4km、22.6km和31.5km(4号、7号、8号、11号和14号河段)不需削减BOD排放入河量外,其它河段均需进行不同程度削减;氨氮日最大排污量分析结果表明,只有距离起始断面河长5.3km和22.6km(4号和11号河段)不需削减氨氮排放入河量.针对研究结果,提出如下污染物入河量削减措施.首先,根据研究区最大日排污量分析结果,借鉴最佳管理措施(BMPs)并结合义乌江流域污染特点,建议采用下述最佳管理措施减少面源污染物入河量.农业面源最佳管理措施通过源污染控制和径流过程控制来实现.源污染控制建议采取生态农业、生态施肥等技术,根据作物和土壤类型选择化肥品种,按所需肥料的最佳使用数量和时间平衡施肥,不同作物品种轮种、套种,以减少养分流失.径流过程控制通过建立适当人工湿地、植被缓冲带和河岸交错带等生态工程技术控制暴雨径流、截留污染物;在潜在污染源区与受纳水体之间设立由林、草或湿地植物覆盖植被缓冲区,对污染物进行阻截、吸收和转化,从而达到去除污染物的目的;河岸交错带通过根际微生物的旺盛活动能截留大量的营养物质,降解有机污染物.城市面源最佳管理措施依据义乌商贸经济迅速发展的趋势,在老城区,针对具体污染负荷较强地段采用合适的管理措施,如强化固体废弃物分类收集制度,提倡废物回用;采用渗透池、渗透渠、滞留槽等生态治理技术过滤、吸收污染物;或引入新的景观要素,切断非点源污染物迁移途径,降低或去除污染物.在新城区规划建设中,根据不同功能区对水环境影响的特点合理规划居住、商业、道路、绿地、生态保护等用地的比例和位置,结合城市非点源污染产生和迁移过程引入生态景观要素,形成符合生态景观要求的绿色网络结构,减少污染物入河量.如对小区路面径流的控制,首先提高小区内绿地面积,扩大透水性,减少不透水比例,并对小区内的径流进行收集简单处理,回用于浇灌绿地,喷洒路面等.再者,对于现存点源污染排放的河段,若通过采取最佳管理措施减少面源污染后BOD和氨氮现状入河量仍超过水体纳污能力,则必须继续加强点源污染控制.表6和表7分析结果表明,流域点源BOD削减百分比为64.31%～97.71%,氨氮削减百分比例