CN115115485B - 一种基于控制单元水质目标分类管理的水环境容量核定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于控制单元水质目标分类管理的水环境容量核定方法。包括如下步骤：S1：布设监测断面，对水环境质量进行监测；S2：划分管控类别，得到管控单元分类，并评估各管控单元内的污染源排放量；S3：采用SWAT模型与河道水动力水质模型耦合，建立径流、非点源负荷的流域输出与河道水质关系模型，计算各管控单元的水环境容量；S4：根据流域水质目标要求，制定污染物削减方案，将其细化到各管控单元。本发明方法通过研究陆域控制单元社会经济发展的“环境容纳上限”，以水环境容量为约束，倒逼经济发展模式、产业结构、空间布局及能源结构的调整与转型，优化污染物总量减排策略等，为筑牢长江上游重要生态屏障提供技术助力。
Description
技术领域
本发明涉及水环境监测和保护技术领域，尤其涉及一种基于控制单元水质目标分类管理的水环境容量核定方法。
背景技术
目前的水环境质量监管措施，多以水质断面考核和区域污染总量减排分而治之的形式实施，将“质”与“量”割裂开来，现有水环境容量核定多着眼水域纳污能力计算，缺乏对陆域各类别污染排放量、入河量的考虑。以点为代表的水质考核断面和以面为代表的行政单元如何有机结合、分类管理，更好的服务于重庆市长江保护修复攻坚战和碧水保卫战，成为现阶段水环境容量核定的一大重难点。
发明内容
本发明提供一种基于控制单元水质目标分类管理的水环境容量核定方法，包括如下步骤：
S1：布设监测断面，对水环境质量进行监测；
S2：划分管控类别，得到管控单元分类，并评估各管控单元内的污染源排放量；
S3：采用SWAT模型与河道水动力水质模型耦合，建立径流、非点源负荷的流域输出与河道水质关系模型，计算各管控单元的水环境容量；
S4：根据流域水质目标要求，制定污染物削减方案，并将其细化到各管控单元。
进一步地，步骤S1包括：通过对地表水的水质现状进行监测，确定首要污染物。
进一步地，步骤S2包括：划分汇水单元，以行政中心位置确定主导的汇水单元，进而将主导的汇水单元与乡镇级行政边界进行拟合，得到水环境控制单元；依据国土空间规划及产业分布状况，对水环境控制单元进行管控类别划分。
进一步地，步骤S3包括以下步骤：
S31：划分流域及水文单元，整理水文、水质、气象、社会经济专题数据和基础地理信息数据，建立模型数据库；
S32：对数据完整的流域，构建和率定SWAT模型，计算流域内各主要支流径流量与子流域单元的污染负荷产生、入汇、迁移的时空特征进行精细化模型模拟，总结数学模型识别的流域产汇流特征；
对无法建立SWAT模型的区域，采用非点源输出系数模型，对流域非点源产排污情况进行估算；
S33：按流域集水区河道的长度比例，构建流域模型产汇流过程与河网的连接，将SWAT和非点源输出模型计算的径流、非点源负荷结果在年内各水期分配至计算河道，并建立各河道的水动力水质模型；
S34：明确河段水质控制要求，根据河段控制断面的达标要求，将各河流划分成一系列的容量计算单元河段；
S35：输入模型参数和模拟条件，模拟污染物在各控制河段的稀释和自净规律，进行水环境容量核算；对计算得到的水环境容量计算单元结果进行加和，即得到某一河流的水环境容量；
S36：根据河段所在的空间位置信息，以河流、区县和控制单元为基础，统计汇总水环境容量核算成果。
进一步地，步骤S31中所述模型数据库包括河段概化模型数据库。
进一步地，所述河段概化模型数据库的建立方法包括：
(1)搜集核对水系、排污口、取水口、水利工程数据，并转换为GIS空间数据集，以重要支流汇入口、排污口、取水口、水利工程为节点建立河流概化模型，计算各节点距离并建立污染源-控制河段-管控单元之间的输入响应关系；
(2)在搜集水文站点长序列水文数据和湖库调蓄信息的基础上，采用分布式水文模型模拟目标河流各河段逐月径流，结合河道参数，计算河段设计流量和设计流速；
其中，分布式水文模型包括气象数据、土壤数据。
进一步地，步骤S32包括：
(1)构建和率定SWAT模型，对流域内各主要支流径流量与子流域单元的污染负荷产生、入汇、迁移的时空特征进行精细化模拟；
(2)建立非点源输出系数模型对区域非点源负荷进行核算；
其中，非点源负荷排放量包括结合了产排污系数的流域畜禽养殖业、种植业、农村生活源排放量。
进一步地，步骤S35中，所述水环境容量核算包括一维河流水环境容量核算和二维河流水环境容量核算。
进一步地，所述一维河流水环境容量核算的步骤包括：
(1)在控制断面处增设虚拟排污口，定义负荷排放量为w初始＝0；
(2)按实际点源、非点源排放条件，在设计水文条件下，采用水质模型核算计算单元内沿程水质变化；
(3)若核算控制断面水质比目标要求好，通过等比放大调整虚拟排污口的排放量w初始＝w目标，使得断面水质达标，统计此时单元内的所有排污口的排放量加和，将其作单元的环境容量；
若核算断面水质比目标要求差，定义w初始＝0，通过等比缩小所有实际排污口的负荷排放量，使得断面水质达标，统计此时单元内的所有排污口的排放量加和，将其作单元的环境容量。
进一步地，所述二维河流水环境容量核算的计算方法包括：
式中：W为环境容量；c(x,y)为混合区下边界水质目标，单位为mg/L；c0为排污口上游污染物浓度，单位为mg/L；x为混合区沿河道方向目标控制长度，单位为m；y为混合区沿河宽方向目标控制宽度，单位为m；u为纵向平均流速，单位为m/s；Ey为横向混合系数。
术语“水环境容量”是指在维持环境功能及生态系统结构不变的情况下，水体所能容纳的污染物最大量。
本发明的有益效果为：
(1)水环境控制单元的分类管控实现了流域精细化管理的空间基础，使流域管理和行政管理有机结合，区域河流预测与污水排放的紧密衔接。通过划分管控类别，可以深化和落实流域水质目标分类管理的控制要求，将控制要求逐步分解，实现流域水质目标分类管理的逐层控制，最终实现流域水质目标分类管理。
(2)本发明通过建立合理的模型，计算得到水环境容量的大小。对应区域现状排污量，从而制定污染物的削减量，以期改善水环境质量，有利于合理地制定流域水环境管理和污染防控对策，有利于减轻水环境污染情况，最大限度的利用水环境容量资源，为保护饮用水源水质安全，为全市农业生产和工业发展的合理布局等提供理论依据，并有利于推动生态环境保护和社会经济增长的可持续发展。
附图说明
图1为本发明实施例1中水环境控制单元初步划分图。
图2为本发明实施例1中水环境控制单元细化图。
图3为本发明实施例3中水环境重点管控单元图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。以下实施例以重庆长江流域为例，利用2017年监测数据进行详细说明。
实施例1水环境质量评价成果
全市地表水总体水质为良好，监测的211个断面中，Ⅰ～Ⅲ类水质断面占84.8％，同比上升3.8个百分点。主要污染指标为TP、COD和高锰酸盐指数，断面超标率分别为14.7％、12.8％、5.7％。
2017年，区域内水质总体良好，88.6％断面达标。其中，长江干流达标率100％，支流达标率87.8％。在211个监测断面中，Ⅰ类水质断面21个，占10.0％；Ⅱ类水质断面92个，占43.6％；Ⅲ类水质断面65个，占30.8％；Ⅳ类水质的断面22个，占10.4％；Ⅴ类水质的断面7个，占3.3％；劣于Ⅴ类水质的断面4个，占1.9％。
以断面水域功能为目标，2017年211个监测断面中水质累计不达标的断面共有24个，占全部断面的11.4％，超标因子主要为TP、氨氮和COD，部分断面的高锰酸盐指数、石油类和BOD5也有超标现象；其中劣Ⅴ类断面有8个，占全部断面的3.8％；Ⅴ类断面有5个，占全部断面的2.4％。
按月份分析，2017年1～12月超标指标主要为TP、COD、高锰酸盐指数和氨氮，3月、8月和9月超标断面个数较多，11月超标断面个数最少。其中，COD 3月份、4月份和8月份超标断面个数较多，11月份超标断面个数最少；氨氮2月份、3月份和5月份超标断面个数较多，10月份无氨氮超标断面。
实施例2水环境控制单元划分
1、汇水单元划分
基于GIS平台和数字高程模型(DEM)，采用ArcGIS的Hydrology模块、ArcSWAT的Watershed Delineator模块等水文分析工具划分重庆市自然流域汇水单元。重庆市共划定干流流域1个，即长江；一级支流流域49个，即嘉陵江、乌江、阮江等；二级支流流域93个，即琼江、大溪河、酉水河等；三级支流流域56个。
2、行政单元拟合与细化
依托105个地表水市级考核断面位置及其考核范围，以其覆盖区域为最小单位得到控制单元划分成果。以行政中心位置确定乡镇级行政单位内主导汇水单元，拟合其与行政边界，得到初步划分的水环境控制单元。结果如图1所示。
3、水环境控制单元划分
根据碧水保卫战改善水环境质量为核心的工作定位，考虑211个市级以上地表水监测断面中2017年水质评价较差的水质断面进行重点细化，对市域内24个年均不达标市控监测断面、35个月均超标频次超过4个月的监测断面、消除劣V类重点目标水体所覆盖控制单元以乡镇街道为最小行政单元进行精细化划定。同时，对人口和产业相对稀疏且水环境质量评价结果较好的断面涉及区县，如与水环境功能区进行衔接，适当放宽到较大尺度进行划定；对环境功能相近、环境问题相近的周边乡镇街道，合并为同一控制单元。最终方案共划定209个水环境控制单元。水环境控制单元的细化结果如图2所示。
实施例3水环境管控分类
1、管控类别划分原则根据重庆市区域经济社会发展水平，将重庆市分为精细化管控类(主城区、其他区县)、一般精度管控类(渝东南、渝东北)。
对于精细化管控类，结合前文水质评价及污染负荷评估结果，将工业园区(集聚区)所在控制单元划定为工业污染重点管控单元；将超标控制单元，按照工业、城镇生活、农业污染源占比，划为相应类型控制单元；又根据重庆市工业园区多组团小面积分散式的特点，对于因产城融合度高、人口集聚度高、未来发展潜力较大等因素造成同一控制单元内既有工业聚集区，城镇生活污染又较为突出的区域，划定为工业-城镇生活污染双属性重点管控单元。
对于一般精度管控类，将以工业污染源为主的控制单元划定为工业污染重点管控单元，以农业源、城镇生活源为主的超标控制单元划定为相应类型重点管控单元。
同时，根据国家及重庆市委市政府的相关要求，从三峡库区及三江干流(长江、嘉陵江、乌江)水环境安全与保护原则出发，将农业面源贡献值较大，但未超标的控制单元划定为农业污染重点管控单元；将对水环境安全风险较大的工业园区(涉及重点排水行业)、城镇生活区划定为工业、城镇生活污染重点管控单元。
此外，将重庆市其他水质较好，水环境现状较为优良的其余区域作为一般管控单元。
2、重点管控单元分类成果
根据划分原则，本方案共划定工业源重点管控单元20个，城镇生活源重点管控单元7个，农业源重点管控单元19个，工业-城镇生活源重点管控单元45个，一般管控单元119个。重庆市水环境重点管控单元如图3所示。
实施例4污染源排放评估
主要污染物来源按照点源和面源两类进行统计，其中点源主要包括城镇生活源、工业污染源，面源主要包括城市地表径流、农业面源、水土流失、畜禽养殖等。
1、工业污染
根据2017年环境统计数据，重庆市共有3283家国控、市控、县控以上的工业污染源，其中涉及废水排放的企业共计1888家，按照不同控制单元分别统计和核算COD和氨氮的入河量。
2、城镇生活污染
城镇污水主要指城镇居民生活污水，机关、学校、医院、商业服务机构及各种公共设施排水，以及允许排入城镇污水收集系统的工业废水和初期雨水等。3、农业面源污染
本实施例中，农业面源污染主要包括农村生活、城镇面源、畜禽养殖、农业种植、水土流失污染5个方面。
(1)农村生活污染主要包括生活污水和生活垃圾等两部分，参照《重庆市农村环境连片整治示范项目技术指南》，并依据《次级河流污染综合整治实施方案编制指南》规定，农村生活污染以农村常住人口计。
通过计算可知，重庆市农村常住人口1139.98万人，农村生活污染主要污染物入河总负荷为COD 32184.77t/a、NH3-N 2490.31t/a。
(2)城镇面源污染即城镇地表径流污染排放负荷，依托城镇面积及常住人口，按照经验系数类比法进行计算。
重庆市城镇常住人口1908.45万人，城镇总面积为1964.63km2，城镇污染主要污染物入河总负荷为COD 65856.48t/a、NH3-N 446.12t/a。
(3)畜禽养殖污染参照《畜禽养殖业污染物排放标准(GB18596-2001)》和国家环保总局《关于减免家禽业排污费等有关问题的通知》等相关文件。依据“重庆市畜禽养殖环保基础信息管理系统”内相关统计资料进行计算。
通过计算可知，重庆市规模化畜禽养殖场共30045家，猪当量5865637头，重庆市畜禽养殖污染入河总负荷为COD 19197.68t/a、NH3-N 361.28t/a。
(4)农业种植面源污染，主要是指农田化肥和农药经径流进入水体，使水环境中氮、磷等营养盐负荷增加，而使水体遭受污染。
考虑农田排污系数及耕地面积等，通过计算可知，重庆市耕地总面积为3573.75万亩，农业种植面源污染入河总负荷为COD 28589.97t/a、NH3-N 5717.99t/a。
(5)根据2012-2016年重庆市水土保持公报可以获得各个区县的水土流失面积占幅员面积的比例和区域内土壤年均侵蚀模数Si。
通过计算可知，重庆市水土流失污染总负荷分别为COD 19300.47t/a、NH3-N439.41t/a。
实施例5水污染物允许排放量测算
1、测算时间及范围
(1)测算时间：采用基准年为2016年，允许排放量计算年为2020年。
(2)测算范围：
①目标河流为重庆市境内流域面积大于200km2的河流。
②根据实施例3中的管控分类的划定成果，本次测算对象定为城镇生活、工业、农业、工业-城镇生活污染重点管控共四类重点管控单元。
③控制指标为COD、氨氮。
2、河段概化和数据库建立
(1)建立河段概化模型：搜集核对重庆市水系、排污口、取水口、水利工程数据，并转换为GIS空间数据集，以重要支流汇入口、排污口、取水口、水利工程为节点建立河流概化模型，计算各节点距离并建立污染源-控制河段-管控单元之间的输入响应关系。
(2)数据库建立：在搜集水文站点长序列水文数据和湖库调蓄信息的基础上，采用分布式水文模型模拟目标河流各河段逐月径流，结合河道参数，计算河段设计流量和设计流速。分布式水文模型主要需要气象、土壤数据支撑。
广泛搜集实验室内和野外研究成果，合理确定适合于各个区域河段的污染物衰减系数。
3、计算技术路线
本次研究针对重庆市长江、嘉陵江、乌江及其他二、三级支流水文、水质关系特征，主城片区采用DHI MIKE21模型，其余片区采用SWAT模型与河道水动力水质模型耦合，建立径流、非点源负荷的流域输出与河道水质关系模型，在此基础上开展区域水环境容量的测算。
(1)DHI MIKE模型
①水动力模块：Hydrodynamics(HD)模拟由各种作用力的作用而产生的水位及水流变化。首先用三角非结构网格对模型区域进行划分，在垂向σ分层的基础上，在笛卡尔坐标系和球面坐标系向下用单元中心的有限体积法计算。
②水动为学平流扩散模块：在水动力学HD模块的基础上加上水动力学平流扩散AD模块，模拟水中溶解物由于对流和扩散作用的传输过程。
(2)SWAT模型
针对研究基础条件较好，数据较为完整的重庆市三峡库区流域，构建和率定SWAT模型，对流域内各主要支流径流量与子流域单元的污染负荷产生、入汇、迁移的时空特征进行精细化模拟。具体步骤包括：
①水文模块：SWAT模型流域水文模块包括水文循环陆地过程及水文循环汇流过程，水文循环陆地过程共包含气象模块、水文模块、土壤侵蚀模块、产沙模块、植被生长模块、污染物质模块、杀虫剂模块及农业管理模块等，控制着每个子流域径流、泥沙、污染物等向主河道汇入；水文循环汇流过程包含河道汇流模块和水库汇流模块，控制流域河网内的径流、泥沙等向流域总出水口的输移过程。
②土壤侵蚀模块：由MUSLE方程计算降水和径流所产生的土壤侵蚀。USLE是通过降水动能函数预测年均侵蚀量；而在MUSLE中，用径流因子代替降水动能，改善了泥沙产量的预测，不需要泥沙输移系数，并且可以将方程用于单次暴雨事件。
③污染负荷模块：SWAT模型可以模拟不同形态的氮、磷营养元素以及有机物的迁移转化过程。对于土壤含氮量，模型可精确模拟土壤剖面和浅层含水层中的氮循环过程。氮元素通过大气氮沉降、共生细菌固氮作用及氮肥施用进入土壤，通过植物吸收、土壤淋溶、微生物反硝化及侵蚀作用从土壤中流失。对于土壤中磷，模型可模拟土壤剖面和浅层含水层中的磷循环过程。磷元素通过土壤母质岩石风化、及含磷化肥和含磷粪肥等施用进入土壤，通过植物吸收、侵蚀作用从土壤中流失过程。
(3)非点源输出系数模型
对于重庆市三峡库区流域外的其他区域，采用非点源输出系数模型对区域非点源负荷进行核算。非点源负荷排放量包括流域畜禽养殖业(小型养殖专业户、农村散养)、种植业、农村生活源排放量，计算公式如下：
E非点源＝E畜禽+E种植+E农村生活
式中，E非点源为非点源负荷排放量；E畜禽为畜禽养殖业负荷排放量；E种植为种植业负荷排放量。
①畜禽养殖业排放
畜禽养殖业非点源总量核算的畜禽种类包括猪、奶牛、肉牛、蛋鸡和肉鸡，核算范围包括养殖专业户和农村散养畜禽，计算公式如下：
E畜禽＝E专业户+E农村散养
式中，E畜禽为猪、奶牛、肉牛、蛋鸡和肉鸡五类畜禽负荷排放量；E专业户为五类畜禽养殖专业户负荷排放量；E农村散养为五类畜禽养殖农村散养户负荷排放量。
农村畜禽养殖专业户负荷排放量公式如下：
式中，E专业户为畜禽养殖专业户负荷排放量；N专业户,i为流域养殖专业户第i类畜禽的养殖存(出)栏总量；P专业户,i为流域养殖专业户第i类畜禽的产污系数；M专业户,i,j为流域养殖专业户第i类畜禽第j类粪便处理方式去除系数。
农村畜禽散养户负荷排放量公式如下：
式中，E农村散养为农村畜禽散养户负荷排放量；N农村散养,i为流域农村畜禽散养户第i类畜禽的养殖存(出)栏总量；P农村散养,i为流域农村畜禽散养户第i类畜禽的产污系数；M农村散养,i为流域农村畜禽散养第i类畜禽排放的平均去除系数。
②种植业面源流失
种植业负荷排放量公式如下：
式中，E种植为流域种植业负荷排放量；E种植模式,i为流域第i类种植模式的流失系数；A水产,i为流域采用第i类种植模式的种植面积。
③农村生活源排放
E农村生活＝N农村×P农村生活
式中，E农村生活为农村生活负荷排放量；N农村为流域农村人口；P农村生活为流域农村生活污染源排放强度系数。
一维河流水环境容量计算模型具体步骤是：
1)在控制断面处增设一个虚拟排污口，定义负荷排放量为w初始＝0；
2)按实际点源、非点源排放条件，在设计水文条件下，采用水质模型核算计算单元内沿程水质变化；
3)若核算控制断面水质好于目标要求的，将通过等比放大调整虚拟排污口的排放量w初始＝w目标，使得断面水质达标，统计此时单元内的所有排污口的排放量加和，将其作单元的环境容量；
4)若核算断面水质比目标要求差的，定义w初始＝0，通过等比缩小所有实际排污口的负荷排放量，使得断面水质达标，统计此时单元内的所有排污口的排放量加和，将其作单元的环境容量。
②二维河流水环境容量核算模型
混合区定义为，当污染物进入水体后，污染物浓度沿着流动方向逐步下降，当污染物浓度达到控制断面水质目标时，其相应的位置和排放口之间的超标污染带空间。对于长江、嘉陵江和乌江等河宽>200m的河流，采用二维混合区容量计算模型方法，以确保混合区范围不超过控制断面水质管理要求。
其计算方案为，考虑排污口上游河流来流本底浓度为c0，忽视混合区内本底浓度降解，则有公式：
考虑河宽B>200m，忽略对岸反射，简化公式为：
式中：W为环境容量；c(x,y)为控制点(混合区下边界)水质目标(mg/L)；c0为排污口上游污染物浓度mg/L；x为混合区沿河道方向目标控制长度(m)；y为混合区沿河宽方向目标控制宽度(m)；u为纵向平均流速(m/s)；Ey(Dy)为横向混合系数。
4、设计条件和参数
(1)水文条件确定
①设计流量的计算
综合考虑重庆市水文流量特征，通过水文频率分析，采用环境最不利原则本次计算选择近十年枯水期平均流量作为参考设计流量条件。
②断面设计流速确定
有资料时，可按下式计算：
V＝Q/A
式中，V为设计流速；Q为设计流量；A为过水断面面积。
③岸边设计流量及流速
宽深比较大的江河，污染物从岸边排放后不可能达到全断面混合，如果以全断面流量计算河段纳污能力，则与实际情况不符。此时纳污能力计算需采用按岸边污染区域(带)计算的岸边设计流量及岸边平均流速。计算时，根据河段实际情况和岸边污染带宽度，确定岸边水面宽度，并推求岸边设计流量及其流速。
(2)水质参数确定
①初始浓度值Co的确定
合理选取水体背景浓度值是水环境容量核算的关键，本次研究参考上游河段标准，从不挤占上下游余留容量角度出发设定初始浓度值。即以上一个控制单元的水质考核目标值来确定Co。
对于处在河流源头的河段，不能通过上游河段的出流水质要求确定来流浓度的，研究中按《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)的Ⅱ类水考虑，分类标准如表1所示。
表1地表水环境质量分类标准
| 项目 | Ⅰ类 | Ⅱ类 | Ⅲ类 | Ⅳ类 | Ⅴ类 |
| COD≦ | 15 | 15 | 20 | 30 | 40 |
| 氨氮≦ | 0.15 | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 |
②水质目标Cs值的确定
水质目标Cs值为本管控单元的水质目标值。
对于长江和嘉陵江、乌江干流水环境容量核算按河段主要国、市控考核断面水质达到规定的环境质量标准类别的上限值为水质目标，同时考虑混合区控制要求，即单个点源排污口混合区范围长度不应超过150米，宽度不超过20m，某一河段内所有混合区长度要控制在河段总长度的1/30以下。
对于其他支流水环境容量核算，按支流考核断面水质达到规定的环境质量标准类别的上限值为水质目标。
③综合衰减系数的确定
污染物综合降解系数(K值)反映了污染物在生物降解、沉降和其他物化过程影响下的综合衰减速率。K值受不同流域水文特征、自然条件、水体污染程度、流速、气温等多种因素的影响，其值较难确定。
综合衰减系数可用实验法确定，方法为：选取一个河道顺直、水流稳定、中间无支流汇入、无排污口的河段，分别在河段上游(A点)和下游(B点)布设采样点，监测污染物浓度值，并同时验测水文参数以确定断面平均流速。综合衰减系数K按K＝U/L×ln(CA/CB)计算。其中：U为断面平均流速；L为上下断面之间的距离；CA为上断面污染物的浓度；CB为下断面污染物的浓度。
在计算不同水期的降解系数时，可按照如下公式计算：
KT＝K20·1.047(T-20)
式中：kT——T℃时的K值，d-1；
T——水温，℃；
k20——20℃时的K值，d-1。
本发明在三峡库区代表性河段实测资料反推的基础上，与国内外其它河流实测情况进行类比确定。
5、水环境容量核算结果
(1)理想水环境容量
计算时结合区域经济社会发展水平与水环境安全，预留一定安全余量。本次计算综合考虑重庆市各地区经济发展与环境保护相协调的相关因素，取10％安全余量。
重庆市四类重点管控单元地表水COD的理想水环境容量为212897.6吨，氨氮的理想水环境容量为20235.6吨。以万州区为例，其重点管控单元的理想水环境容量具体计算结果如表3所示。
表3万州区重点管控单元理想水环境容量(考虑10％安全余量)
(2)水环境质量改善潜力
①新增源污染排放量
新增源污染排放量为预测未来污染源排放量相对于2016年现状排放量增加的排放量。主要包含生活源新增、工业源新增及面源新增。考虑在规划治理情况下，农村生活源、工业源及面源污染保持现有水平排污量不增加，新增水污染排放量主要指城镇生活源的增加量。
人口是污染负荷产生的主体，其生产和生活活动是流域污染产生的根源。2016-2020年的人口增长数按照现有发展模式、人才吸引能力等水平不变的前提下，按2013-2017年“重庆市统计年鉴”关于各区县常住人口统计数据，重庆市各区县城镇常住人口取值0.3％～8.9％进行预测。城镇人均生活污染新增量估算参数与现状取值一样，结合城镇人口增长，预测可得新增源污染排放量。以万州区为例，其管控单元新增源污染排放量计算成果见表4。
表4万州区管控单元水环境质量改善潜力核算成果
②水环境质量改善潜力核算成果
存量源污染削减潜力与新增源污染排放量的差值即为未来水环境质量改善潜力。水质改善潜力为正，则表示该控制单元污染削减情况优于新增排放量；反之则表示该控制单元新增量大于削减总量。以万州区为例，重庆市各管控单元水环境质量改善潜力核算成果结果见表4。总体来说，从管控单元分类来看，水环境质量改善潜力较大的控制单元多为工业污染重点管控区，其次为农业污染重点管控区，而工业-城镇生活污染重点管控区改善潜力则相对较小；从地理分布来看，长江、嘉陵江、乌江等主干流沿线控制单元改善潜力相对较小，渝西片区次支流控制单元改善潜力较大。
(3)水污染物允许排放量核算成果
基于上述计算结果可得2020年预测排放量，即2016年的现状污染排放量去掉水环境质量改善潜力的量。当2016年现状排放量和2020年预测排放量均大于或等于考虑了10％安全余量的理想容量时，理想容量即为水污染物允许排放量；当理想容量较大时，根据水环境只能变好不能变差的原则，在水质改善潜力表现较优的控制单元以2016年现状排放量作为允许排放量，在水质改善潜力表现较差的控制单元以2020年预测排放量作为允许排放量。以万州区为例，2020年水污染物允许排放量核算成果见表5。
表5万州区2020年水污染物允许排放量核算成果
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Claims (9)
1.一种基于控制单元水质目标分类管理的水环境容量核定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：布设监测断面，对水环境质量进行监测；
S2：划分管控类别，得到管控单元分类，并评估各管控单元内的污染源排放量；
S3：采用SWAT模型与河道水动力水质模型耦合，建立径流、非点源负荷的流域输出与河道水质关系模型，计算各管控单元的水环境容量；
S4：根据流域水质目标要求，制定污染物削减方案，将其细化到各管控分单元；
步骤S3包括以下步骤：
S31：划分流域及水文单元，整理水文、水质、气象、社会经济专题数据和基础地理信息数据，建立模型数据库；
S32：对数据完整的流域，构建和率定SWAT模型，计算流域内各主要支流径流量与子流域单元的污染负荷产生、入汇、迁移的时空特征进行精细化模型模拟，总结数学模型识别的流域产汇流特征；
对无法建立SWAT模型的区域，采用非点源输出系数模型，对流域非点源产排污情况进行估算；
S33：按流域集水区河道的长度比例，构建流域模型产汇流过程与河网的连接，将SWAT和非点源输出模型计算的径流、非点源负荷结果在年内各水期分配至计算河道，并建立各河道的水动力水质模型；
S34：明确河段水质控制要求，根据河段控制断面的达标要求，将各河流划分成一系列的容量计算单元河段；
S35：输入模型参数和模拟条件，模拟污染物在各控制河段的稀释和自净规律，进行水环境容量核算；对计算得到的水环境容量计算单元结果进行加和，即得到某一河流的水环境容量；
S36：根据河段所在的空间位置信息，以河流、区县和控制单元为基础，统计汇总水环境容量核算成果。
2.如权利要求1所述的一种基于控制单元水质目标分类管理的水环境容量核定方法，其特征在于，步骤S1包括：通过对地表水的水质现状进行监测，确定首要污染物。
3.如权利要求1所述的一种基于控制单元水质目标分类管理的水环境容量核定方法，其特征在于，步骤S2包括：划分汇水单元，以行政中心位置确定主导的汇水单元，进而将主导的汇水单元与乡镇级行政边界进行拟合，得到水环境控制单元；依据国土空间规划及产业分布状况，对水环境控制单元进行管控类别划分。
4.如权利要求3所述的一种基于控制单元水质目标分类管理的水环境容量核定方法，其特征在于，步骤S31中所述模型数据库包括河段概化模型数据库。
5.如权利要求4所述的一种基于控制单元水质目标分类管理的水环境容量核定方法，其特征在于，所述河段概化模型数据库的建立方法包括：
(1)搜集核对水系、排污口、取水口、水利工程数据，并转换为GIS空间数据集，以重要支流汇入口、排污口、取水口、水利工程为节点建立河流概化模型，计算各节点距离并建立污染源-控制河段-管控单元之间的输入响应关系；
(2)在搜集水文站点长序列水文数据和湖库调蓄信息的基础上，采用分布式水文模型模拟目标河流各河段逐月径流，结合河道参数，计算河段设计流量和设计流速；
其中，分布式水文模型包括气象数据、土壤数据。
6.如权利要求1所述的一种基于控制单元水质目标分类管理的水环境容量核定方法，其特征在于，步骤S32包括：
(1)构建和率定SWAT模型，对流域内各主要支流径流量与子流域单元的污染负荷产生、入汇、迁移的时空特征进行精细化模拟；
(2)建立非点源输出系数模型对区域非点源负荷进行核算；
其中，非点源负荷排放量包括结合了产排污系数的流域畜禽养殖业、种植业、农村生活源排放量。
7.如权利要求1所述的一种基于控制单元水质目标分类管理的水环境容量核定方法，其特征在于，步骤S35中，所述水环境容量核算包括一维河流水环境容量核算和二维河流水环境容量核算。
8.如权利要求7所述的一种基于控制单元水质目标分类管理的水环境容量核定方法，其特征在于，所述一维河流水环境容量核算的步骤包括：
(1)在控制断面处增设虚拟排污口，定义负荷排放量为w初始＝0；
(2)按实际点源、非点源排放条件，在设计水文条件下，采用水质模型核算计算单元内沿程水质变化；
(3)若核算控制断面水质比目标要求好，通过等比放大调整虚拟排污口的排放量w初始＝w目标，使得断面水质达标，统计此时单元内的所有排污口的排放量加和，将其作单元的环境容量；
若核算断面水质比目标要求差，定义w初始＝0，通过等比缩小所有实际排污口的负荷排放量，使得断面水质达标，统计此时单元内的所有排污口的排放量加和，将其作单元的环境容量。
9.如权利要求7所述的一种基于控制单元水质目标分类管理的水环境容量核定方法，其特征在于，所述二维河流水环境容量核算的计算方法包括：
式中：W为环境容量；c(x,y)为混合区下边界水质目标，单位为mg/L；c0为排污口上游污染物浓度，单位为mg/L；x为混合区沿河道方向目标控制长度，单位为m；y为混合区沿河宽方向目标控制宽度，单位为m；u为纵向平均流速，单位为m/s；Ey为横向混合系数。
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Non-Patent Citations (3)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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