水域纳污能力是指在设计水文条件下,满足计算水域水质目标要求时,该水域所能容纳的某种污染物的最大数量[1],是水资源保护､水污染防治的重要内容｡科学计算水域纳污能力,是区域污染物限排总量方案制定的重要基础,是促进区域污染减排､有效解决引调水工程受水区水污染防治问题的关键[2]｡引调水工程在有效解决受水区水资源短缺的同时,也会带来新的水污染防治问题｡如何科学确定受水区污染物限排总量,确保工程“增水不增污”或“增水减污”,是引调水工程受水区水污染防治面临的一大难题｡

为科学计算水域纳污能力,宋晓峰[3]综合分析渭河枯期流量特性及设计流量与实际水文特征的关联性,认为以近10a最枯月平均流量作为设计流量计算渭河流域的水域纳污能力更接近实际｡王彦红[4]认为在各类流域纳污能力的计算中,应重点考虑流速和降解系数,设法保证其准确性｡王卓､祁永超､王伟[7]对引调水工程受水区纳污能力计算模式及参数进行了研究,并成功应用于引汉济渭､昌化江调水､白龙江引水工程受水区水域纳污能力的核算｡刘康[8]､孙凌凯[9]采用河流一维模型分别对英德市水功能区､江阴城区水网纳污能力进行计算,为区域水污染防治工作提供了借鉴｡罗慧萍[10]在系统调研大量水域纳污能力计算理论相关文件的基础上,总结归纳现有水域纳污能力内涵､计算方法和原则､设计条件和参数确定等,提出了新形势下强化水域纳污能力计算合理性分析､推进水文-水动力-水质-纳污能力耦合研究等发展方向｡

为更好地将水域纳污能力成果应用于实践,科学指导引调水工程受水区水污染防治工作[11],本文以环北部湾广东水资源配置工程为例,基于工程受水区河流水系分布及水文条件､水环境质量现状､工程退水受纳河流排污状况､区内水功能区划分情况等,采用一维河流水质模型,对比分析工程实施前后受水区水域纳污能力变化,提出规划水平年受水区污染物限排总量方案,为引调水工程受水区水污染防治工作提供参考｡

1、研究对象概况

环北部湾广东水资源配置工程是国务院批准的《全国水资源综合规划》《珠江流域综合规划》确定的流域重大水资源配置工程,是广东省迄今为止投资规模最大､输水线路最长､建设条件最复杂､影响面最广的重大水利工程｡工程从珠江流域西江干流云浮段取水,在云浮市郁南县地心村新建1处取水口,通过输水管线沿途输水至云浮､茂名､阳江､湛江等4地市｡工程设计取水规模110m3/s,规划2035年多年平均新增供水量为云浮市0.43亿m3､阳江市1.25亿m3､茂名市4.34亿m3､湛江市11.23亿m3[12]｡

工程受水区涉及广东省云浮､茂名､阳江､湛江4市13县区｡区内多年平均年降水量1699mm,多年平均水资源总量267.4亿m3,属于水资源短缺地区,特别是湛江市市辖区,多年平均水资源量仅为599m3/人,远低于珠江区2494m3/人的平均水平[13]｡工程建成后受水区长期缺水干旱问题可得到有效解决,受益人口达2400万｡

近年来,受水区各地大力推进水污染防治工作,取得了较为显著的成效,水环境质量有所好转｡根据生态环境部门公布的水环境质量进行统计得知,2018年,环北部湾广东水资源配置工程受水区98个水质监测断面中有36个断面超标,水质达标率为63.3%;至2024年第一季度,受水区42个水质监测断面中有5个断面超标,水质达标率为88.1%｡

2、研究方法

2.1计算模型

选用GB/T25173—2010《水域纳污能力计算规程》推荐的一维河流水质模型进行水域纳污能力计算[1]｡计算公式如下｡

式中,Wi—第i个节点处的纳污能力;W—水域纳污能力,t/a;CS—第i个节点处的目标浓度;Ci—河段第i个节点处的本底浓度,mg/L;k—污染物综合衰减系数,d-1;x—计算点到第i节点的距离,m;u—断面流速,m/s;Qi—河段第i节点处的流量,m3/s;Qp—第i节点处的废污水入河量,m3/s｡

2.2模型参数选取

2.2.1设计水文条件

以90%保证率最枯月平均流量作为设计流量进行水域纳污能力计算｡

2.2.2水质目标CS和污染物本底浓度Ci

各河段水质目标Cs按该河段水功能区水质目标确定,未划定水功能区的河流参考该河流汇入水功能区的水质目标确定｡根据《全国重要江河湖泊水功能区划(2011—2030年)》及受水区4市水功能区划成果,受水区主要河流水质目标为地表水Ⅱ~Ⅳ类｡根据i河段上游控制断面近年水质监测数据的最枯月平均值确定河流的污染物本底浓度Ci｡

2.2.3污染物综合降解系数k

采用经验估算法,结合专家咨询,主要污染物COD､氨氮和总磷的降解系数分别按0.15d-1､0.1d-1和0.08d-1计取｡

2.2.4设计流速u

根据纳污河流实测流量和实测流速数据资料建立河流流量与流速之间的关系曲线,进而求得不同设计流量对应的流速｡对于没有实测资料的河流,但是有糙率和河道比降的河段,利用曼宁公式求解流速｡

2.3数据来源

本次研究所用数据主要来源于环北部湾广东水资源配置工程受水区云浮市､阳江市､茂名市､湛江市当地政府部门提供的统计资料,包括统计年鉴､环境统计数据､水资源公报等,以及罗定古榄､双捷､高州(四)､鹤地水库等水文站的统计数据｡

2.4受水区退水调查及预测方法

环北部湾广东水资源配置工程以2018年为现状年,2035年为规划水平年[11]｡本次调查范围为工程受水区退水河流所在行政区｡区内废污水包括工业废水､生活污水､面源退水三大类,其中生活污水分为城镇生活污水和农村生活污水2类,面源退水分为农业面源退水､畜禽养殖污水､城市径流面源退水3类｡

基于近年的环境统计､水资源公报､统计年鉴等资料,对受水区内各地市的工业废水排放量进行统计;对各地市的城镇和农村生活用水量进行统计,生活污水排放系数按80%计算;采用“标准农田法”估算农业面源退水,采用GB18596—2001《畜禽养殖业污染物排放标准》计算畜禽养殖面源污水[14],采用《全国水环境容量核定技术指南》的标准法计算城市径流面源退水[15]｡

根据受水区废污水排放量和主要污染物COD､氨氮､总磷排放量,按照入河系数法计算受水区废污水及污染物入河量｡其中,经污水处理厂等设施集中处理排放的工业废水和生活污水入河系数按0.9计,其余按0.6计;农业面源退水入河系数按0.1计,规模化畜禽养殖污水入河系数按0.6计,散养养殖污水入河系数按0.3计,城市径流面源入河系数按0.1计｡

3、研究结果及分析

3.1现状年受水区污染物入河量

基于环北部湾广东水资源配置工程受水区水资源配置和污染物排放现状,对受水区工业污染源､生活污染源､畜禽养殖污染源､农业面源污染源和城市径流面源分别进行统计分析,考虑COD､氨氮和总磷3个污染物指标｡2018年,工程受水区废污水入河量为54677.11万t,主要污染物COD､氨氮和总磷入河量分别为110113.36､13566.07､4353.26(t见表1､如图1所示)

表1环北部湾广东水资源配置工程受水区现状年污染物入河量

图1环北部湾广东水资源配置工程受水区2018年废污水及污染物入河情况

3.2受水区水域纳污能力

3.2.1现状年受水区水域纳污能力

基于受水区水资源配置和污染物产排现状,采用本次研究构建的数学模型,计算得出:2018年,工程受水区COD､氨氮､总磷水域纳污能力依次为121465.82､5122.75､925.24t/a(见表2)｡其中,以云浮市COD纳污能力占比最高,为40.03%,其次为茂名市,为28.56%;以茂名市氨氮纳污能力占比最高,为33.37%,其次为云浮市,为28.76%;以茂名市总磷纳污能力占比最高,为34.05%,其次为云浮市,为27.13%(如图2所示)｡

表2环北部湾广东水资源配置工程受水区水域纳污能力

图2环北部湾广东水资源配置工程受水区各地市水域纳污能力占比

3.2.2规划水平年受水区水域纳污能力

基于环北部湾广东水资源配置工程调水后受水区水资源配置及污染物产排情况,采用本次研究构建的数学模型,计算得出:2035年,工程受水区COD､氨氮､总磷水域纳污能力依次为142215.18､6115.07､1119.70t/a(见表2)｡其中,以云浮市COD纳污能力占比最高,为35.46%,其次为茂名市,为27.31%;以茂名市氨氮纳污能力占比最高,为31.10%,其次为湛江市,为29.72%;以茂名市总磷纳污能力占比最高,为31.56%,其次为湛江市,为30.65%(如图2所示)｡

图2环北部湾广东水资源配置工程受水区各地市水域纳污能力占比

3.2.3工程调水前后纳污能力变化对比

环北部湾广东水资源配置工程建设后,随着工程新增水量的调入,工程受水区规划水平年2035年用水量增加,区内退水量增加,受水区水域纳污能力较现状也有所增加,主要污染物COD､氨氮､总磷纳污能力的增幅分别为17.08%､19.37%､21.02%｡

经对比分析,工程受水区水域纳污能力变化与调入水量呈正相关｡受水区4市中以湛江市新增水量最大,占工程调入总水量的65.10%,其污染物水域纳污能力增值也最大,占受水区纳污能力增值总量的58.31%~59.72%;其次为茂名市,新增水量占工程调入总水量的25.16%,其污染物纳污能力增值占比为19.28%~19.98%(见表3､如图3所示)｡

表3环北部湾广东水资源配置工程受水区2035年水域纳污能力较现状变化情况

图3北部湾广东水资源配置工程调水前后受水区水域纳污能力变化对比

3.3规划水平年受水区污染物限排总量

根据《水利建设项目(引调水工程)环境影响评价文件审批原则(试行)》,引调水工程须满足“增水不增污”或“增水减污”的要求｡结合环北部湾广东水资源配置工程受水区水功能区水质达标要求,提出工程受水区水污染物限排总量(见表4),2035年工程受水区主要污染物COD､氨氮､总磷入河量控制在95583.52､5198.44､980.49t/a,较现状2018年分别减少14529.84､8367.62､3372.77t/a(见表4､如图4所示)｡

表4环北部湾广东水资源配置工程受水区水污染物入河量

图4环北部湾广东水资源配置工程受水区主要污染物入河量变化对比

3.4受水区污染物限排总量控制方案

在全面梳理受水区已建(在建)污水处理措施､已有水污染防治规划措施的基础上,通过落实污水处理厂新､改､扩建和提标改造工程建设､积极推广生态农业种植技术､加快推进畜禽养殖规模化､完善城镇污水处理管网建设等170余项水污染防治措施(见表5),削减COD､氨氮､总磷入河量14529.84､8367.62､3372.77t/a,满足环北部湾广东水资源配置工程受水区水污染物入河总量控制要求｡

表5环北部湾广东水资源配置工程受水区重点工程统计

4、结语

环北部湾广东水资源配置工程作为广东省迄今为止投资规模最大､影响面最广的重大水利工程,其受水区水污染得到有效防治意义重大｡以近10a最枯月平均流量为设计水文条件,采用河流一维水质模型,分析工程调水前后受水区主要污染物COD､氨氮､总磷水域纳污能力的变化,提出规划水平年主要污染物限排总量方案,以期为引调水工程受水区水污染防治提供参考｡基于本次研究采用经验系数法估算受水区污染物入河量,其结果某种程度上取决于入河系数取值的合理性,建议结合工程所在区域实际情况对废污水入河系数作进一步深入探讨｡

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文章来源:王申芳,罗昊.引调水工程受水区纳污能力和限排总量研究[J].水利规划与设计,2025,(04):50-54.