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基于控制单元的流域水环境容量总量分配研究

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基于控制单元的流域水环境容量总量分配研究以锦江流域COD分配为例王涛张萌张柱陈宏文2012-8-14 9:41:38 来源:《人民长江》(武汉)2011年23期【内容提要】以赣江一级支流锦江流域为例,建立了控制单元内水环境容 量总量分配方案模型,遵循“流域-区域、流域-子流域(支流)、流域-排污口(直 排口)”的分配思路,根据流域具体情况,确定了水环境容量总量分配原则,对 各控制单元的COD水环境容量总量进行分配,并采用合理性指数对不同分配方案 进行评估,得出各个控制单元COD容量总量分配的推荐方案和备选方案研究成 果为该流域COD容量总量控制规划的制定提供了科学依据关键词】水污染控制总量控制总量分配控制单元污染控制方案锦江 流域经过多年的研究,我国的流域水环境管理逐步形成了以污染物目标总量控制 为主,容量总量控制和行业总量控制为辅的水质管理技术体系[1]总量分配是 在控制总量的基础上,对可利用的环境承载能力及允许排放量进行分配[2],按 分配的受体不同,可将容量分配分为流域总量分配和污染源总量分配两种类型 [3]流域总量分配是将污染物排放总量分配到独立的行政区,或分配到水系、 支流、子流域、排污口的过程;污染源总量分配是将污染物排放总量分配到各污 染源的过程,在实际操作中常作为流域总量分配的后续步骤[3].流域水环境容 量总量分配是用水环境容量计算方法推算受纳水体的纳污总量,并按一定原则将 其分配到各污染控制区及污染源,以实现对流域水污染物的容量总量控制,并能 更有效地利用水环境容量资源。

由于流域水质目标管理是“国家-流域-区域-控 制单元-污染源”的多层次体系[4],因此,需从不同层次上对流域的水污染总量 控制技术进行研究1研究区概况锦江系赣江一级支流,发源于江西、湖南两省交界的幕阜山脉东麓的坪子岭, 自西向东流经慈化、株潭、万载、徐家渡、凌江口、上高、灰埠、高安、松湖、 新建等地,于南昌市新建县瑞河口汇入赣江,主河道长307. Okm,干流天然落差 391.0m,平均纵比降 1.29%o[5]o根据控制单元划分的-•般原则,结合锦江流域的自然地理与社会经济特征、 污染状况以及水质现状等,将锦江流域划分为4个控制单元,从上游至下游依次 为万载控制单元、上宜控制单元、高安控制单元和新丰控制单元(图1)2研究方法2. 1分配模型研究区水环境容量总量计算的FI标函数采用简单的线性FI标函数[2]约束方程:Z 殉XjWG i=l,2,…XjNOj - i式中,决策变量为为第j个污染源的排放量;即为第 j个污染源对第i控制点的响应系数;G为控制点i 的水质控制浓度目标函数为某一污染物的最大允 许排放总量,设为M对目标函数和约束方程进行变换,以定比例简 化处理表达,则目标函数转变为等式约束闽n nj • I M j B i萨BK决策变量转变为各源的排放量比例。

冷约束方程转变为 部产&j . 1 J j ・ i M或MW ——= — * Bj aijBj j = 1 J J ■ 12. 2总量分配的合理性评估总量分配的合理性可采用基尼系数法和合理性指数法评估[3, 7],本研究采 用合理性指数(TCR1)对各分配方案的合理性进行评估,指数的分项指标如表1 所示,控制单元内各排污口的容量总量分配暂不考虑公平性指标(枯水期不考虑 非点源贡献),因此权重系数8心助、此、脉取值为零,环境容量利用率 G和现状负荷率C3两个指标的权重均取0.5总量分配合理性指数TCRI计算公式为皿TCREE.G式中,件为权重系数,皿=1 ;G为单项指标值,为 0~1之间的无量纲值23排污口约束条件(1)上限约束条件在确定污染负荷上限时,在 污染物排放进入河流的混合过程中,采用二维污染 模型进行计算考虑到锦江流域能够获得的河道地 形、水文、水质数据非常有限,本研究采用类比法确定 数学模型的衰减系数叫卜取0.2d-*S 取0.瑚, 横向混合系数取0.62)下限约束条件本研究在对各排污口进行容量总量分配时,将排污曰现 状排放量的10%作为该排污口的排放下限约束条件2.4分配方法为排除不确定性因素对流域水环境管理带来的潜在风险,在进行总量分配时 需预留出一定的量作为安全余量不参与分配,一般取5%-10%[8-9],本研究取 10%。

总量分配遵循“流域-区域、流域-子流域(支流)、流域-排污口(直排口)” 的分配思路[3],按照一定的分配原则,基于控制单元对锦江流域C0D的水环境 容量总量进行分配,全部计算在Excel2003中利用“工具规划求解”内嵌的规 划求解工具完成弟■分配合理性评估分攻指标指标科学性指标公平性指标内容G环境容量利用率经济指标有容量利用与水费源贡献比例喝人口 (生存排污权)上农田(生存生产排污权) 上城市发展(达标排污权)C她理费用较低). 「表达方式分配负荷故量与分配区域排污口环境4 l-EgFp式中H为分配负荷比例,1 i-gpy.式中Pi为人口比例 l-EgLO2.式中U为农田面积比例 l-E(RrG)2,式中G为GDP比例 1-(昨时,式中E,为现状负荷量2. 5分配原则总量分配的方法很多,根据分析的角度和侧重面不同,总量分配的一般原则 有等比例分配原则、费用最小分配原则、按贡献率削减污染排放量分配原则、按 污染范围和程度(包括污染长度、面积的大小)分配原则、按污染物毒性大小承担 污染责任分担率原则、按企业污染治理的先进性考虑污染责任分担率和削减率的 分配原则[10]本研究主要考虑了以下儿方面原则。

1) 按贡献率削减排放量分配原则即按控制单元内务污染源对污染物排放 总量的贡献率,对水环境容量总量进行分配2) 合理性指标最大分配原则该分配原则考虑环境容量利用率和现状负荷 率,使容量总量分配的合理性指标最大,直接规划求解,得出分配方案3) 在合理性指数最大条件下,对排放量进行约束该分配原则充分考虑排 污口的排放情况,对排污口的污染带长度进行约束,同时保障排污M的排污权利, 本研究中赋予排污口不低于10%的现状排放量4)企业治污的难易程度在合理性指数最大,对排放量约束的同时,考虑企业治理污染的难易程度,对有削减难度的排污口不进行削减,规划求解,得出 分配方案3结果与分析3. 1万载控制单元万载控制单元COD容量总量分配方案如表2所示,合理性评估结果如表3 所示由表3可见,虽然方案1合理性指数较高,但其环境容量利用率较低,且 没有可增负荷,方案较差;方案2和方案3具有容量利用率高、合理性指数大的 优点,但是方案2不能保证万载控制单元全流域水体COD达标目前,万载控制 单元COD最大纳污量小于现状排放量,剩余环境容量小,方案4与方案3比较并 没有显著降低消减负荷,反而影响全流域的达标综上分析,从现阶段各因素考 虑,方案3较优。

方案编号白水河竹渡水万栽县工业园万栽县污水处理厂白良】124.55.425.431.513.1228.66J24.130.011』314.422324.0 .28.410.$414.322.241.711.110.t衰2万裁控制单元COD容■忌■分配方案方案条件1按现状排放量等比例消戒0.93386.6740.1302合理性指标■大•直接规划求解0.950903037.6203在方案2的条件下.增加排污口排放上下限约束0.91887.7147.508.0S4在方案3的条件卞,对有消*难度的排污 口不考虑消破0.88888.3247.088.0S万就控IN单元COD总■分配方案技术指标衰3注:①容量利用率指分配负荷兑量与分IE区域排污口环境容盈之比;②负荷削或率指排放点现』 与现状负荷之比;③可增负荷率指排放点分配负荷高于现状负荷部分与现状负荷之比3. 2上宜控制单元上宜控制单元COD容量总量分配方案如表4所示,合理性评估结果如表5 所示由表5可见,虽然方案1负荷削减率低,但其他技术指标均较差;方案2 不能保证上宜控制单元全流域COD水质达标;方案3和方案4,均具有容量利用 率高、负荷消减率低、治理费用低、合理性指数大的优点。

目前,上宜控制单元 COD最大纳污量大于现状排放量,尚有足够的环境容量可利用(可增负荷率较 高),从现阶段各因素考虑,在满足发展的同时,应尽可能降低消减负荷,因此, 方案4更具优势随着经济的快速发展,污染负荷的增加,方案3作为备选方案, 其优势也将逐步得到体现a 4 上宜控制尊元cod Mas分配方案 %方案编号田心 河长膛港宜丰 河斜口 港上高工业上高污水 处理厂堂浦*合计10.75.627.814.625.51738.310025.48.526.14.818.09.128.010036.39.927.78.119.12.216.510046.39.924.68.126.38.216.61003. 3高安控制单元高安控制单元COD容量总量分配方案如表6所示,合理性评估结果如表7 所示由表7可见,方案1的各项技术指标均较差;方案2不能保证高安控制单 元金流域COD水质达标;方案3和方案4均具有容量利用率高、负荷消减率小、 治理费用低、合理性指数大的优点目前高安控制单元COD最大纳污量大于现状 排放量,从现阶段各因素考虑,在满足社会经济发展要求的同时,应尽可能地消减负荷,因此,方案4更具优势。

随着经济的快速发展,污染负荷的增加,方案3作为备选方案,其优势也将逐步得到体现3.4新丰控制单元新丰控制单元COD容量总量分配方案如表8所示,合理性评估结果如表9 所示由表9可见,虽然方案1各项技术指标均较好,但水环境质量的潜在风险 较大;方案2不能保证新丰控制单元全流域COD水质达标;方案3和方案4,均 具有容量利用率高、负荷消减率小、治理费用低、合理性指数大的优点目前, 新丰控制单元COD最大纳污量远大于现状排放量,从现阶段各因素考虑,在满足 社会经济发展要求的同时,尽可能地消减负荷,因此,方案4更具优势随着经 济的快速发展,污染负荷的增加,方案3作为备选方案,其优势将逐步得到体现 5 上宜控制单元COD总■分配方案技术指标方案条件TCRI.容宣利用率/%负荷削减率/%可增负荷1按理状排放at等比例消*0.85270.4311.9102合理性指标最大.苴接规划求解0.94996.1619.1339.43在方案2的条件下,增加排涔口排放上下限约束0.90282.7016.5920.4在方案3的条件下,对有消减难度的排污「1不考虑消减 0.89882.1817.9220.7 6 高安控制单元COD容■总■分配方案方案编号苏■河支流溪桥水支流高安市工业园高安污水处理广高邮河117.331.420.423.37.6212.627.720.821.017.S36.81。

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