宓永寧，陳靜超

(沈陽農業(yè)大學水利學院，沈陽 110161)

遼陽市位于遼寧省沈遼鞍經濟帶中部，區(qū)位優(yōu)勢明顯、礦產資源豐富、大中型國企密布，是著名的老工業(yè)城市，也是新興的現(xiàn)代石化輕紡工業(yè)基地。但其經濟發(fā)展存在嚴重依賴工礦業(yè)、農林牧漁產業(yè)以傳統(tǒng)方式為主等問題，既有的經濟結構決定了遼陽市產業(yè)以高耗水、高污染類型為主。域內有渾河、太子河2大水系，葠窩、湯河2座省轄大型水庫，它們主要承擔域內及鄰近地區(qū)的工農業(yè)、飲用水供水等常規(guī)性任務，其中部分河流還承擔了首山、遼化等缺水型地下水源地、湯河等季節(jié)性缺水河流的水資源補給等任務，葠窩、湯河2水庫還承擔了聯(lián)合調度等任務。

鑒于近年來遼陽市面臨水污染加重及取水量增長較快的狀況，為實現(xiàn)城市可持續(xù)健康發(fā)展，建設特色產業(yè)化、特大型城市的目標[1]，本文主要分析遼陽市域內主要河流2010-2014年的水質變化趨勢、2014年的納污能力和限排總量，以供參考。

1 研究區(qū)域及主要污染物

遼陽市位于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明、雨熱同步，渾河、太子河水系流量年內季節(jié)性變化明顯，太子河有一級支流蘭河、湯河、北沙河、柳壕河、南沙河、運糧河，見圖1。

依據遼陽市水系流域詳圖，遼陽市主要工礦企業(yè)及其排污口均位于主要河流附近，城市、村鎮(zhèn)居民點呈“沿河而居”的特點，主要灌區(qū)亦沿河兩岸分布。從污染物排放源頭來看，河流接納點源、面源、生活污染物量均遠超葠窩、湯河2大水庫，其中尤以太子河干流、湯河、柳壕河、北沙河、渾河河段接納污染物量較大；從污染物降解能力來看，葠窩、湯河2座大型水庫遠遠高于主要河流，由引蘭入湯工程分析知，蘭河流量與污染物降解能力較大。本文選取域內污染狀況相對嚴重的太子河干流、湯河、柳壕河、北沙河、渾河為研究區(qū)域，研究區(qū)域河流及水功能區(qū)對應狀況見表1。

圖1 遼陽市流域水系Fig.1 Liaoyang city watershed

表1 研究區(qū)域水功能區(qū)情況匯總Tab.1 Water function zones of research region

注：①水功能區(qū)[2,3]分為1級區(qū)、2級區(qū)2類。1級區(qū)協(xié)調地區(qū)間用水需求，2級區(qū)協(xié)調用水部門間需求。1級區(qū)包括保護區(qū)、保留區(qū)、開發(fā)利用區(qū)、緩沖區(qū)，2級區(qū)是在開發(fā)利用區(qū)基礎上，按需優(yōu)先滿足的用水需求將其進一步劃分為飲用水源區(qū)、工業(yè)用水區(qū)、農業(yè)用水區(qū)、漁業(yè)用水區(qū)、景觀娛樂用水區(qū)、排污控制區(qū)、過渡區(qū)。②排污控制區(qū)是指排污口較集中的水功能區(qū)，不設水質目標。

統(tǒng)計分析2010-2014年研究區(qū)域各河流及對應水功能區(qū)全年水質實測濃度值及相應水質目標值，采用單因子法分析。本文選取超標情況相對較大的COD、NH3-N為主要污染物。

依據《全國水功能區(qū)劃技術大綱》、《遼寧省主要水系地表水環(huán)境功能區(qū)劃》等資料，研究區(qū)域涉及1級水功能區(qū)8個，其中2個保護區(qū)、6個開發(fā)利用區(qū)[4]，研究區(qū)域開發(fā)利用區(qū)共包含16個2級水功能區(qū)。從功能區(qū)來看，保護區(qū)河長占研究區(qū)域總河長的19.1%，開發(fā)利用區(qū)占80.9%；從河流來看，域內渾河河段僅包含七臺子農業(yè)用水區(qū)，其余水功能區(qū)位于研究區(qū)域其他河段。

2 水質趨勢

由于水功能區(qū)僅能代表河流局部水質狀況，無法反映河流整體上的水質濃度水平，且現(xiàn)實中相鄰河流水功能區(qū)監(jiān)測斷面的水質濃度可能相差較大，更加大了評價河流整體上水質濃度水平的難度。為準確評價各河流水質濃度水平，本文采用加權平均法處理水質數據，以季節(jié)性Kendall檢驗法[5-7]分析各河流2010-2014年水質變化趨勢。

2.1 數據處理

統(tǒng)計分析研究區(qū)域各河流水功能區(qū)主要污染物2010-2014年逐月水質濃度值，加權平均。各河流水質濃度值取其囊括水功能區(qū)的加權平均值，權重取該水功能區(qū)河長占河流河長的比重。

2.2 水質變化趨勢分析

鑒于水質數據序列為2010-2014年、河流流量年內季節(jié)性變化明顯的特點，本文采用季節(jié)性Kendall檢驗法分析水質變化趨勢。季節(jié)性Kendall檢驗法是通過比較歷年同月份水質濃度值逐項的增長、降低次數及相應數學模型判斷水質變化趨勢的方法。通過SPSS軟件分析，各河流2010-2014年水質濃度變化趨勢見表2。

表2 研究區(qū)域水質變化趨勢Tab.2 Water quality trend of research region

注：“―”代表無明顯升降趨勢，“↑”代表顯著上升趨勢，“↑↑”代表高度顯著上升趨勢，“↓”代表顯著下降趨勢，“↓↓”代表高度顯著下降趨勢。

3 水域納污能力核算

水域納污能力[8-10]是指在設計水文條件下，滿足計算水域的水質目標要求時，該水域某一時段所能容納的某種污染物的最大數量。

依據遼寧省遼陽水文局提供的資料：研究區(qū)域水功能區(qū)較少囊括分流、交匯流節(jié)點，將囊括節(jié)點的水功能區(qū)視為銜接的單一河段在理論上是可行的；研究區(qū)域排污口基本位于所處水功能區(qū)起始斷面至控制斷面之間，可將排污口概化為位于水功能區(qū)上界面。

3.1 納污能力模型

假設水功能區(qū)為單一河段i，排污口概化為位于上界面，Li為河長，Csi、C0i、Cli分別為河段水質標準、入流水質、出流水質濃度，Qi、qi分別為河段設計流量、排污口平均流量，ui為河段設計流速，Ki為河段綜合降解系數，Wi為污染物排放量，見圖2。

圖2 河段納污能力示意圖Fig.2 River pollutant carrying capacity

設排污口對河段上界面濃度貢獻值為ΔCi1：

(1)

依據《水域納污能力計算規(guī)程》(GB25173-2010T)中河流一維模型，橫斷面上均勻混合的污染物流經x距離后濃度降解至Cx=C0e(-K x/u)，則排污口排污量對下界面濃度貢獻值ΔCi2滿足：

(2)

同理，河段入流水質C0對下界面濃度貢獻值ΔC0L滿足：

ΔC0L=C0e(-KiLi/ui)

(3)

當下游斷面水質濃度值等于水質目標時，河段i納污能力值Mi等于受納污染物總量Wi，即：

Cli=Csi

(4)

由式(1)、(2)、(3)、(4)及量綱守恒得：

3.2 模型參數

由3.1知，納污能力核算需知相應的水質標準、入流和出流水質濃度及流量、流速、排污流量等數據資料，部分水功能區(qū)模型參數見表3。

表3 模型參數Tab.3 Model index

(1)水質標準。取各河流水功能區(qū)對應的水質目標，其中排污控制區(qū)取其上游水功能區(qū)水質標準。

(2)入流、出流水質濃度。取各河流水功能區(qū)對應監(jiān)測斷面的年均值。

(3)設計流量。鑒于既有流量資料為10年序列，本文取各河流水功能區(qū)2005-2014年最枯月平均流量作為設計流量。

(4)設計流速。取各河流水功能區(qū)設計流量對應的流速。統(tǒng)計各水功能區(qū)監(jiān)測斷面流量及對應流速數據，調用matlab軟件中interp(Q，u)函數進行插值。

(5)廢污水排放流量。取各河流水功能區(qū)監(jiān)測斷面全年流量平均值，2014年遼陽市部分排污口排污統(tǒng)計見表4。

表4 排污口排污統(tǒng)計Tab.4 Outfall emissions

3.3 納污能力及污染物消減量核算

根據所選納污能力模型、模型參數及研究區(qū)域各水功能區(qū)相關數據等資料，研究區(qū)域2014年各河流納污能力核算結果見表5。

限排總量[11]是指在確定的時間內，允許污染物進入水功能區(qū)的最大數量，其值恒小于等于相應納污能力，核算[10,12-13]滿足：①保護區(qū)嚴格限制排污，限排總量取污染物入河量；②飲用水源區(qū)限排總量取納污能力、污染物入河量中較小值；③其余水功能區(qū)限排總量取其納污能力值。各河流限排總量見表5。

表5 2014年各河流納污能力及限排總量 t/a

4 結 論

本文通過分析遼陽市主要水功能區(qū)及其水文、水質等資料，采用季節(jié)性Kendall檢驗法分析各河流2010-2014年COD、NH3-N濃度變化趨勢，采用一維水質模型核算各河流2014年COD、NH3-N納污能力，并依據相關原則核算其限排總量。

(1)水質變化趨勢。太子河干流、湯河COD、NH3-N濃度顯著上升，柳壕河、北沙河NH3-N濃度顯著上升，渾河NH3-N濃度顯著下降，其余無明顯變化趨勢。

(2)納污能力及限排總量。從水功能區(qū)上來看，開發(fā)利用區(qū)集中了最大的納污能力、限制排污總量；從河流來看，太子河干流、柳壕河、渾河納污能力與限排總量占研究區(qū)域的80%以上，其中太子河干流納污能力、限排總量最大，柳壕河、渾河2河占比相差不大，且納污能力值等于限排總量。

(3)鑒于遼陽市水污染以工業(yè)點源、農業(yè)面源及生活污水為主，應轉變生產、生活方式，從源頭上減少污染；建立有生態(tài)補償的“排放權”市場引導排污，依據相應水功能區(qū)限排總量調節(jié)、轉移污染物排放；依據水體降解能力的年內、年際變化及限排總量在不同時間尺度上的差異，從時間上調節(jié)污染物排放。

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