不同水情条件下太湖污染物限制排污总量核算报告.doc

一、 报告概况 报告由太湖流域水资源保护局与上海勘测设计院编写完成 分七个章节1、 项目内容与技术路线2、 太湖概况3、 太湖入湖污染负荷分析4、 设计条件下太湖出入湖水量计算5、 太湖限制排污总量核算6、 成果分析7、 结论与建议 太湖污染物限排总量定义为：为实现太湖水质保护目标，太湖环湖河道在不同入湖水量条件下允许带入湖体的最大污染物量。 研究内容是：采用流域河网一维水量模型计算1992年型(P=75%)降雨典型年条件下的太湖环湖河道出入湖水量，在此基础上，采用太湖二维水量水质模型，调算以全年入湖水量控制，满足太湖2012年、2020年以及2030年水质保护目标的环河入湖控制浓度和污染物限制排污总量；复核1971年型(P=90%)降雨典型年条件下，采用全年期入湖水量控制的环湖河道入湖浓度和太湖污染物限制排放总量。 项目技术路线是：根据流域1956-2000年系列降雨频率分析成果，选取流域典型年降雨过程，输入流域产汇流模型以及河网一维水量模型计算，获得该典型年条件下，太湖环湖河道出入湖水量过程。再以该水量过程为边界条件，采用太湖二维 水量水质模型反复调算污染物入湖浓度，获得满足太湖水质目标时，环湖河道污染物入湖控制浓度，以及相应的污染物限制排污总量。 在流域综合规划修编中，水资源保护局采用该技术路线，以最枯月入湖水量为控制，核算了降雨率为90%的条件下，太湖2012年、2020年、2030年污染限制排污总量，以及相应的污染物入湖控制浓度。本项目与流域综合规划调算成果相衔接，以全年期入湖水量为控制，补充核算降雨频率为75%条件下，太湖2012年、2020年及2030年污染物限制排污总量；并补充计算以全年期入湖水量为控制的90%降雨频率条件下对应的限排意见。 太湖有出入河流(溇港)228条，其中不少河流出入湖流向不定，且受到严重污染，是太湖污染物输入的主要途径。对主要环湖河流区划一级水功能区41个(不包括望虞河、太浦河)，根据上下游用水的要求，对太湖上游宜溧山区入湖河流区划了19个缓冲区，开发利用程度较高的其它主要环湖河流区划了22个开了利用区。水质目标除出入湖河流胥江为类，太浦河为-类外，其余河流入、出湖段水质目标均为类。2010年水质总体评价为劣于类，其中有0.3%水域水质为类，18.8%为类，80.9%为劣于类，未达到地表水类标准的指标主要为总氮、总磷和五日生化需氧量。太湖各湖区中，西北部湖区水质较差，东部湖区水质相对较好，在空间分布上呈现出由北向南，由西向东水质逐渐变好的状态。其中五里湖、东部沿岸区、东太湖水质最好；竺山湖和西部沿岸区水质最差，总体为劣于类。太湖平均营养状态指数为61.5，处于中度富营养状态，其中贡湖、东太湖和东部沿岸区为轻度富营养，面积约为604.2km2，占太湖总面积的25.8%，其余湖区为中度富营养，占74.2%。 河网概化：根据太湖流域河道特性，概化河道断面为复式的梯形断面，为了在河床干涸条件下仍能继续运算，在主槽底部虚设了一条窄缝，当河道水位低于河底后，水流在窄缝中运动。河网概化时需要注意：主要河道不要合并，次要的起输水作用的小河道，可以几条合并成一条概化处理，更小的基本上不起输水作用的河道为陆域面上的调蓄水面处理。 湖泊概化：较大的湖泊，如太湖，根据研究目的，可处理成零维的调蓄节点，或用网络概化，概化后的湖泊可作二维三维流场计算，中等大小的湖泊概化为零维调蓄节点，小的湖泊和塘坝作为面上调蓄水面处理。 概化节点：概化河网中需要设置以下6 种类型的节点：正常节点，两条概化河道交叉点，交叉点处的蓄水量可以忽略不计；调蓄节点，用来模拟大、中、小型湖泊，具有一定的水面积；流量边界节点，平原河网与山丘区交界处的节点，节点处有山丘区入流加入；水位边界节点，例如沿长江及杭州湾口门处的节点，这些节点上的水位是已知值；闸节点，联结堰闸等控制建筑物的节点；引排水节点，节点处有固定的流量取引或排入，主要用于模拟引排水工程。 降雨型： 90% ：1971年 75%：1992年和1976年 . 引言在中国!主要的江河湖库均面临严重的水污染威胁!全国水源污染呈发展趋势!有近FGH以上的城市水域污染严重!IGH重点城镇水源水质不符合标准# 水污染正从东部向西部发展!从支流向干流延伸!从城市向农村蔓延!从地表向地下渗透!从区域向流域扩散$ 其中湖泊污染尤为严重!水体富营养化问题突出$ 根据%AGGJ 年中国环境状况公报&发布的信息!KA 个大型湖泊中!水质类别劣于!类的湖泊为J 个!其中太湖为劣!类LKM$水污染防治的根本问题是有效控制污染源$ 为了控制污染遏止水环境恶化的趋势!中国提出了污染物排放总量控制的管理思路!要求从环境目标出发!根据环境容量!确定污染污染物总量控制是指导流域污染源治理和改善湖泊水环境质量的重要措施! 基于特定水文条件计算得到的总量控制成果!尽管应用偏安全!却无法反映自然水文过程的动态变化!也不适应污染源全面控制的需要!因此进行湖泊限制排污总量动态变化分析并提出环湖分区入湖水质浓度控制要求!既适应了湖泊自然变化特征!又可以满足流域污染源全面控制与入湖污染负荷定量化管理的实际需要 本文分析了湖泊纳污能力的动态变化特征!提出选择典型水文年和将湖泊与环湖河道作为一个整体进行模拟是进行湖泊限制排污总量核算的关键!并以枯水年作为代表水文年!采用二维数学模型进行了近期太湖纳污能力动态变化模拟及限制排污总量核算!并基于近期太湖限制排污总量研究成果!提出环太湖分区逐月入湖水质浓度的平均值在经过简单的技术修正后!可作为近期太湖各分区入湖河道的水质控制浓度要求!为太湖流域近期水环境定量化管理提供了技术支撑纳污能力#动态特征#限制排污总量#控制浓度#太湖马巍2!禹雪中2!翟淑华:!廖文根2K9 中国水利水电科学研究院水环境研究所!北京KGGGNOA9 太湖流域水资源保护局!上海AGGPNP!#$%& (%) *+$,% -./$+0$12)345%6, 20 7+2 8+9,收稿日期 AGGOQGOQGK基金项目 国家自然科学基金项目#IGRRFGRJ$作者简介 马巍!北京市海淀区复兴路甲K 号院中国水利水电科学研究院水环境研究所!工程师!物的排放量或削减量!对污染源从整体上有计划有目标地进行削减!使环境质量逐步得到有效改善 目前!这种方法在中国点源污染防治中取得了良好效果!但对非点源污染防治还处在探索阶段 随着中国污染物总量控制制度的推行!非点源污染防治将显得越来越重要 因此在污染源密集地区!只针对点源规定排放浓度和实施总量控制!不能保证整个区域#或流域$达到环境质量标准#或目标水质$的要求!应该以环境质量标准#或目标水质$为基础!考虑流域水文过程及其他影响因子的动态变化特征!综合分析所在区域!或流域内的污染源!通过数学模型计算出为满足环境质量标准#或目标水质$的污染物允许排放总量!提出污染物限制排污总量及可供实际管理应用的水质控制浓度!从而为湖泊水污染控制和水环境管理提供更加有效的技术支撑%! 太湖入湖污染源全面控制的必要性 太湖非点源入湖负荷量贡献率分析非点源污染是在较大范围内!大气&地面和土壤中的污染物通过地表径流进入地表水和地下水!并在水体中大量富集从而导致的水环境污染 非点源污染目前是太湖最主要的三大污染来源之一!对太湖水环境造成的污染主要通过以营养物型和有毒害型污染物污染水体环境 来源于农业生产和城镇生活污水的#&$ 流失是引起太湖水体富营养化的重要原因 有关研究表明!在太湖水体富营养化的总氮贡献率中!工业废水占%&!生活污水占(!农业面源占()!总磷的贡献率中!工业废水占%*!生活污水占&*!农业面源占+*!,-农业生产与农村生活污水是太湖地区水体富营养化的主要因子,+-*+ 年通过环太湖河流入湖的高锰酸盐指数(./012$为&3 3)& 4& 总磷(5$% 3+6 4& 总氮(5#$(% +& 4! 与* 年(./012 &7( 万4&5$ % 3)8 4&5# 878& 万4$相比!高锰酸盐指数基本相当!总磷有所减少!而总氮则有%*9的增幅% 从*:*+ 年入湖负荷量年内月变化过程(图%$来看!主汛期6 月份入湖负荷量最大!约占全年入湖总量的%&79其次是+ 月和( 月!其入湖量均约占%*789再次就是汛期的&3&) 月!月均入湖均超过37(9以上 而非汛期入湖负荷量除% 月较大(占37%9$外!其余各月的入湖负荷量均较小(小于&7)9$%从汛期(:) 月$&非汛期(%:8 月&%*:% 月$入湖负荷分配来看!汛期入湖量约占全年入湖总量的(+9以上!而非汛期入湖量则少于869% 如果再考虑春汛(+ 月$的影响!则多雨季节(+&(:) 月$的入湖负荷量超过&+9以上!而其余月份的入湖负荷量则少于+69% 由此可见!随降雨径流而入湖的非点源负荷量约占+*9左右% 由此可见!太湖流域非点源污染相当严重!已经成为威胁流域水环境健康的主要因素%!# 污染物排放总量控制的局限性实施水污染物总量控制是改善水环境质量的重要措施!中国对水污染物排放总量控制先后经历了浓度控制和目标总量控制阶段!现已逐渐进入容量总量控制阶段% 容量总量控制是基于特定水文条件(一般为枯水条件$下的水环境容量成果!确定区域或流域污染源的最大允许排放量或污染负荷消减量% 水环境容量计算常采用最近%* 年最枯月平均流量(水量$或者)*9保证率最枯月平均流量(水量$作为设计水文条件,8-!类似地!还有6;%*()*9保证率下连续6 最枯流量平均值$设计水文条件也经常被采用% 采用这种方法计算得到的水环境容量在年内均是一个定值! 计算结果严格!应用于管理也偏安全% 但是这种方法得到的纳污能力无法反映湖泊水文过程&自然边界条件及人为调度控制等因素的动态变化!并且采用枯水条件反映的是点源负荷控制量!无法适应点源&非点源污染负荷全面控制的需要,(:&-%!$ 具有动态变化特征的限制排污总量可满足入湖污染源全面控制的需要湖泊水文过程和其他边界条件的动态变化是湖泊纳污能力具有动态变化特征的基础!影响湖泊纳污能力的主要因素都是随时间而变化的!这些因素的动态变化直接影响着湖泊纳污能力的变化!因此湖泊纳污能力实际上是一个具有时间和空间动态变化特征的量% 加之水污染源的排放具有种类多样性&结构复杂性&时空分布的动态性等特点!因此为达到区域(或流域$环境质量标准(或阶段目标水质$!必须对水污染源实行过程控制%基于具有动态变化特征的纳污能力分析成果,6-!提出的湖泊限制排污总量及入湖河流控制浓度!可以为水污染控制和水环境管理工作提供更加全面的科学数据!从而实现对环湖入湖水污染源的全过程管理与监控% 目前!太湖流域水资源保护部门在主要出入湖河道设立了水质监测站点!对环湖河网进入太湖的水质进行监测!监管入湖污染负荷% 在当前水污染情势较为严重的条件下!如果仅仅按照一个确定且偏于安全的纳污能力量值作为控制标准!那么大多数时段的污染负荷都会超过这个量值!但是实际的水质状况却未必都是超标的! 因此这种控制量对于管理工作也就失去了实际意义% 随水文过程&其他自然要素及人工常规调控调度变化的限制排污总量及确定的入湖控制浓度!由于反映了水体对污染物的综合作用!包括了点源和非点源的负荷量!满足入湖污染源全面控制管理需求!并且容易管理!因此更加符合水资源保护部门业务管理的特点和需要%图! 环太湖河流入湖污染负荷的年内过程分配%& ! ()*+, -&./0&1*/&2) 23 42,*/+)/. &) 0&560.3,27&) &)/2 /86 9+& :+;6研究论文!(0/& 科技导报#?#!?C MY K! 太湖限制排污总量核算的关键技术太湖纳污能力动态变化是给出一个符合管理需要的纳污能力过程!因此设计水文条件的选取是纳污能力动态计算的关键技术问题之一! 同时湖泊与入湖河道构成一个整体!在纳污能力计算过程中综合考虑湖泊与入湖河道的水质目标是湖泊纳污能力计算的重要特点!# 设计水文条件太湖纳污能力的动态变化受到各种自然要素变化的综合影响!这些要素的影响趋势可能互不相同 为了反映不同水期水文条件变化对纳污能力的影响!同时又能安全保护水资源!可以选择某一枯水年型作为代表水文条件!同时对该年型的年内分文条件分布特性进行分析!以接近多年平均状况或者对水环境管理比较安全为原则确定年型!这种设计水文条件下计算得到的纳污能力能够适用于大部分的水文年型!可以作为环境管理的依据! 限排总量核算原则限制排污总量核算原则是进行纳污能力计算过程中确定入湖负荷总量及其空间分布的基础 为满足河#湖水质保护目标要求!并综合考虑河#湖水质目标的协调性和现状水质状况!提出在太湖纳污能力计算过程中应该按照以下原则进行控制$! 湖区水质满足分区水质保护目标要求且不劣于现状% 环湖河道入湖水质不劣于现状%# 环湖河道入湖水质基本符合规划目标基于上述! 原则计算得到的太湖纳污能力即为环湖入湖污染负荷的限制排污总量!$ 太湖限制排污总量核算过程对于浅水型湖泊!可以采用平面二维数学模型进行纳污能力计算 风生湖流是浅水型湖泊污染物质输移的主要驱动力!营养物质转化是湖泊水环境演化的主要生化过程!这也是湖泊水环境模拟的关键#$%& 数学模型包括水流模型和水质模型两部分!在采用模型进行计算之前!需要依据实测资料进行参数率定和模型验证 太湖限制排污总量核算主要包括以下步骤&(& 根据湖泊水功能区划和水污染现状!提出分区水质保护目标#环湖河道水质控制目标)& 根据长期系列水文资料和风况资料!确定设计水文条件和风况! 利用湖流模型模拟设计水文年内的逐日流场!作为纳污能力计算的设计水动力条件!& 根据湖泊污染源资料!确定污染物入湖口位置以及各排放口分配权重*& 采用水质数学模型进行纳污能力计算在限制排污总量核算过程中!水质计算为一个完整的年过程!在计算过程中依据限制排污总量核算控制原则对负荷量和空间分布进行动态调整!计算得到的限制排污总量也是一个逐时变化的动态过程!在此基础上可以得到各个月份的限制排污总量 采用以上方法计算得到的限制排污总量及环湖分区入湖水质浓度!既保证了湖区水质控制目标!又保证了河道水质不劣于现状和符合规划目标的要求!从而反映了水污染控制的综合要求! 从技术和管理两个方面都更加合理!%& 环太湖分区入湖水质控制浓度计算污染物限制排污总量为流域水污染综合治理提供了总量控制依据!同时区域及入湖河流限制排污总量进一步细化了总量控制任务! 为区域污染负荷的定量化管理提供了条件 但从水污染管理控制的可操作角度分析!针对特定区域或某条河流的限制排污总量仍难以在实际管理中应用!需结合常规的水环境管理手段例行水质监测&!提出区域内各河道的入湖水质控制浓度要求!才符合当前及今后流域水环境定量化管理需求!从而为流域限制排污总量意见的全面落实提供管理依据环太湖分区入湖水质控制浓度要求的合理确定!主要是基于流域水体限制排污总量控制条件下的环湖分区逐月入湖水质浓度要求!统计分析年内环湖各分区入湖时段控制浓度的最小值#平均值及最大值!并带入数学模型进行演算!分析不同入湖水质浓度控制条件下太湖各湖区水质的达标情况!在此基础上给出环湖各分区入湖控制浓度要求$ 近期太湖限制排污总量核算根据以上确定的关键技术方法和计算过程!进行近期太湖限制排污总量核算! 核算指标包括+,-./#01#02 和23!42!得到了近期太湖限制排污总量!并且对环湖分区逐月入湖水质浓度进行统计分析及模型演算!提出了近期太湖水质基本达标的环湖分区入湖水质浓度控制要求$%# 设计水文年分析)556 年太湖流域降水量为78 99! 比常年减少:;7!降雨频率为%!属枯水年份!其中流域汛期降雨*88 99!比常年偏少*5!汛期降水频率为7*!属特枯年份 该年型属枯水年型!并且丰水期在相应的水文系列中也具有较高的保证率!因此从年型和年内分布两个方面都适合作为纳污能力动态计算的设计水文年$%! 湖区及河道水质保护目标基于太湖水功能区纳污能力动态计算中的太湖分区成果&图)&!在太湖近期限制排污总量核算中!根据(水环境综合治理总体方案) 中提出的太湖)5:) 年治理平均目标作为湖区水质保护目标!并综合太湖)55!4)55 年湖区水质状况以及(太湖水污染防治*十五+计划)55:4)55= 年&)#*太湖流域水污染防治规划)5584)5:5 年&征求意见稿&+中各湖区的水质目标要求分布格局!确定了近期太湖限制排污总量核算的各分区水质控制浓度限值见表:&根据河网水污染特点和河网水质保护目标!在太湖流域水资源保护规划过程中!提出了河道水质控制目标 本研究结合太湖流域水污染现状特点!采用(太湖水污染防治*十五+计划)55:4)55= 年&)确定的水质目标作为环湖各分区内河道水质控制目标研究论文!()*+,-.科技导报!/01#!2!31 43C MY K太湖水功能分区一级区太湖水功能分区二级区太湖水质分区!#$% & &( ()*+(太湖梅梁湖无锡开发利用区梅梁湖,-. .-/0. 0-. /-0.太湖胥湖苏州开发利用区太湖胥湖苏州饮用水源!景观娱乐用水区胥湖1-. .-.0. /-2. .-0.太湖湖体江苏水源地保护区竺山湖2-. .-/0. 3-4. /-0.西北沿岸区湖心北区湖心南区贡湖东太湖1-2.1-0.1-0.1-4.1-.-.24.-.,4.-.,4.-.2.-.*.3-1./-4./-4.3-3./-.-0.-*3.-*3.-,.-3.太湖苏浙边界缓冲区西南沿岸区1-2. .-.24 3-1. .-0.南部沿岸区1-. .-.,. /-4. .-*.! 太湖限制排污总量意见按照湖泊限制排污总量核算过程 根据湖泊及分区入湖河道的水质目标对污染负荷量和时空分配进行反复调整在各分区平均水质浓度基本达到#即506的天数和5.6的分区$近期太湖分区水质控制浓度的条件下计算得到满足近期水质保护目标条件下的太湖环湖污染物入湖负荷的限制排污总量!7!8%&!()* +(!&( 此1 指标的近期限制排污总量分别为/5/ .!/ 13*!/1 *44 和* 3*0 9:;&从太湖限制排污总量的地区分配来看引江济太实施条件下经江苏省境内河流进入太湖的限制排污总量约占太湖污染物限排总量的5/-16 经浙江省境内河道进入太湖的限制排污总量约占太湖污染物限排总量的4-,6& 引江济太实施条件下近期太湖环湖地区限制排污总量大小排序为 常州宜兴!无锡湖州苏州长兴&!# 太湖环湖河流入湖水质控制浓度要求根据近期太湖限制排污总量研究成果 通过对近期太湖限制排污总量控制条件下的环湖分区逐月入湖水质浓度分析统计得到各分区入湖时段控制浓度的最小值%平均值与最大值并以此作为近期太湖环湖分区的入湖水质边界条件模拟预测太湖各湖区年内逐月水质浓度& 以环湖分区逐月入湖水质控制浓度的最小值与平均值作为边界输入时 模拟得到太湖各湖区年内逐月水质均达到(或基本达到$近期太湖各湖区水质控制浓度要求) 而当以环湖分区逐月入湖水质控制浓度的最大值作为边界输入时 模拟得到太湖各湖区年内水质超标现象严重* 由此可见环湖分区逐月入湖水质控制浓度的平均值可作为近期环湖河道的入流水质控制浓度要求*综上所述为满足引江济太实施条件下近期太湖各分区规划水质目标要求 落实近期太湖环湖区域限制排污总量意见当环太湖分区入湖水质满足如表3 所示的水质控制浓度要求时太湖各湖区水质可基本达到近期规划水质目标要求*# 结论水污染防治的根本问题是有效控制污染源而实施入湖污染物总量控制则是改善湖泊水环境质量的重要举措但容量总量控制是基于特定水文条件(一般为枯水条件$下的水环境容量成果尽管计算结果严格应用于管理也偏安全却无法反映自然水文过程的动态变化也不适应污染源全面控制的需要* 为了对流域点源和非点源进行全面控制需要提出具有动态特征的纳污能力及限制排污总量才更符合水资源+水环境管理部门的实际管理需求&选择具有代表性并且适合环境管理要求的设计水文年是湖泊纳污能力动态变化及限制排污总量核算的技术关键同时在核算过程中还应该把湖泊及入湖河道的水质保护目标进行综合考虑& 采用该方法可以得到各时段的纳污能力和限制排污总量并且该研究结果综合反映了湖泊及入湖河道的水质保护目标因此更加符合实际在管理中也更加灵活图$ 太湖纳污能力计算分区%& ( )&*&+&,-+ ,. /01 23& 4351 &- /01 6376873/&,- ,.93/1: 1-*&:,-;1-/ 63 近期太湖分区水质控制浓度限值!;?42371 A B,-61-/:3/&,- 7&;&/+ &- /01 C&*&+&,-+ ,. /01 23& 4351研究论文!D:/&671+E( 科技导报(FFG#(H!AGC MY K能够为湖泊水污染控制和水环境管理提供科学依据!从监管部门环境管理的实际需求出发针对特定区域或某条河流的限制排污总量仍难以在实际管理中应用需结合常规的水环境管理手段#例行水质监测$提出各分区或河道入湖的水质控制浓度要求才符合当前及今后流域水环境定量化管理需求从而为流域限制排污总量意见的全面落实提供科学依据% 本研究基于近期太湖限制排污总量研究成果提出环湖分区逐月入湖水质浓度的平均值在经过合理性分析及技术修正后可作为近期太湖各分区入湖的水质控制浓度要求为太湖流域近期水环境定量化管理提供技术支撑!参考文献!#$%&!# 国家环境保护总局$ %& 年中国环境状况公报!(#$ 北京) 国家环境保护总局* %&+$,-.-/012 34 5.6-13.78.09: ;1308:80-. 3. 0?8 8.6-13.78.09:/-090-3. 34 ?-.9 -. %&!(#$ =8-A-.B) ,-.-/012 34 5.6-13.78.09: ;1308* L9.B M-/?9.$ !#$%& ( )&*+ ,-.+%-+/* %&D* ENOO:F)GHIGG$!H# 杨桂山$ 太湖流域经济发展&水环境&水灾害!,#$ 北京) 科学出版社*%&H$L9.B M-/?9.$ P?8 83.37- =9/-.!,#$ =8-A-.B) N-8.18/$ P?8 9:908Q 90 34 R9081 8.6-13.78.09O9* ,9 U8-* N?- X-