水功能区调查：纳污能力计算方法及应用

为准确掌握污染源排放的废污水量及其中所含污染物的特性,找出其时空变化规律,需要对污染源进行调查。从广义上讲,污染源调查的内容包括:污染源所在地周围环境状况;生产、生活活动与污染源排放量的关系;废污水量及其所含污染物量;废污水治理情况;废污水排放方式与去向;纳污水体的水文水质状况及其功能;污染危害及今后发展趋势等。

在水功能区管理、限排总量控制等工作中,考虑到可操作性、方便程度等实际因素,对污染源的调查主要是依据污染源的排放方式展开的,即调查排入水功能区的点源、面源、流动污染源等。点源一般具有固定排放点,废污水及污染物排放具有一定规律,监测方便、易于管理,也便于与水功能区纳污相结合开展总量控制与管理。面源、流动污染源具有污染发生时间的随机性、发生方式的间歇性、排放途径及排放量的不确定性、污染负荷的时空变异性、监测模拟与控制的困难性等特点,这些特点决定了非点源难以适用点源总量控制技术与管理模式。

1.点污染源调查

点污染源主要包括工矿企业废水污染源、生活污水污染源、集约化养殖污染源,其现状调查内容主要包括废污水及污染物排放量调查、污水处理状况调查和入河排污量调查等。点污染源调查分析示意图如图2.1所示。

图2.1　点污染源调查分析示意图

(1)点污染源调查的基本方式。目前点污染源调查方式大致可以分为统计报表、普查、重点调查、抽样调查4种,详见表2.1。

表2.1　点污染源调查基本方式汇总

(2)点污染源排放量、入河量监测。

1)点污染源排放情况监测。工矿企业污染源监测包括企业监测、行业监测、环境保护行政主管部门的环境监测3种方式。

工矿企业污染源排放的废水是流量和污染物浓度都随时间变化的非稳态流体,原则上都要求企业实行连续采样监测,或等比例采样定期监测,甚至实施在线监测。企业暂不能实行连续监测的,其采样与测流时间、频次应视生产周期和排污规律而定。生产周期在24h以内的,监测频次不少于每天3次;生产周期在24h以上的,每8h监测1次,均应包含每个生产周期内的最大排污情况。行业污染源监测频次至少每月1次,环境保护行政主管部门的环境监测站监督监测为每季度1次。

通过对工厂或车间的废水排放系统或某一排放口选定合适的采样测点和采样测流频率,实测废水流量、污染物浓度等。监测法能比较直观地反映污染物的排放情况,并可通过对监测排放流量及其有害污染物浓度的计算得出有害物质的排放量,是确定污染物负荷最可靠的方法。

基于污染源监测的污染物排放总量计算式为

式中 W排——工矿企业排放口污染物总量,t/a;

C排——排放污染物监测的平均浓度,mg/L;

Q排——监测的废水排放量,万m3/a;

A——单位换算系数。

根据现行监测机制,工矿企业污染源排放的污染物总量取企业、行业、环保主管部门监测结果的加权平均值,其权重系数依据地区实际情况而定,一般取值范围在0.3～0.4之间。

城镇生活污染源监测一般在污染源排放口进行,包括城镇污水处理厂排放口、机关与事业单位污水排放口、住宿餐饮业场所污水排放口和医院污水排放口等。监测内容包括污水流量、主要污染物浓度、排放规律与时间和排放去向等。

2)点污染源入河情况监测。污染源的废污水排入受纳水体的入口称为入河排污口。入河污染物资料收集以现状水平年入河排污口监测资料为基础,当现状水平年资料不全时,可采用前后1～2年的数据代替或进行入河排污口补充监测。监测方法参考《水环境监测规范》(SL 219—2013)中“入河排污口监测与调查”的要求进行,监测项目主要包括污水流量、化学需氧量、五日生化需氧量、p H值、悬浮物、氨氮、挥发酚、总氮、总磷、汞、镉及区域特征污染物。其中污水流量、化学需氧量和氨氮为必选监测项目,对于接纳生活污水、化肥厂、日用化工厂排放污水的入河排污口、支流口,必选监测项目还应包括总磷、总氮。

通过监测入河排污口废污水入河量、污染物入河浓度,确定受纳水体的污染物入河量,入河排污口的污染物入河量由下式计算,即

式中 W入——某入河排污口的污染物入河量,t/a;C入——入河污染物监测的平均浓度,mg/L;Q入——废污水入河量,万m3/a;

其他符号意义同前。

关于废污水入河量Q入的测定多采用直接测定法、间接测定法和体积法3种方法。直接测定法是指用压差流量计,或电磁流量计,或涡轮流量计,或流量堰等测流量的仪器进行测量。间接测定法是指用流速仪或浮标法来测定废水的流速,然后根据过水面积按下式计算出废水的排放流量,即

式中 S——排水管横截面积,m2;

u——废水平均流速,m/s;

其他符号意义同前。

体积法是将废水纳入已知容量的容器中,测定其充满容器所需要的时间,从而计算污水量的方法。本法简单易行,测量精度较高,适用于计量污水量较小的连续或间歇排放的污水。

在实际情形中,排污口的形式是多种多样的。有的形状极不规则,所以在流量测定时应选择合适的量测地点、量测手段和方法,还应选择有代表性的时间进行实测,以获得准确的废水入河量数值。

水功能区对应陆域范围内的污染源所排放的污染物,仅有一部分能最终流入江河水域,进入河流的污染物量占污染物排放总量的比例即为污染物入河系数。入河系数表征点污染源排放污染物在进入地表水体的过程中被自然(水系、植被等)和人为因素(集中污水处理厂处理等)截留、降解的程度。若点源排放口与入河排污口对应关系明确,可以根据污染源监测资料反推入河系数λ,即

式中 λ——某点源污染物入河系数;

其他符号意义同前。

入河排污口监测应该与点源排放口监测同步进行,若从调查分析出发,监测频次至少为每年两次,并且均在非汛期进行。通过入河排污口与点源排放口的同步监测结果,可以推算出点源污染物入河系数,为无资料地区污染物入河量估算提供参考。

(3)点污染源排放量、入河量调查。

1)点污染源排放量调查。

a.排放量调查内容。点源排放量调查包括对工矿企业废污水、城镇生活污水、规模化和集约化养殖场及养殖区的废污水排放量进行调查。点污染源排放量调查内容为地理位置、生产工艺或处理工艺、废水和主要污染物产生量、废水和主要污染物外排量、排放规律、排放方式、排放去向等。污染源排放量调查以现状年的调查监测资料为基础,以相近年份的调查监测资料作补充。

污染物调查必选项目为化学需氧量、氨氮。其中,日用化工类、化肥类工矿企业,城镇生活污水,规模化、集约化养殖场必选项目为化学需氧量、氨氮、总氮、总磷。增选项目为五日生化需氧量、悬浮物、挥发酚、总氮、总磷、总汞、总镉等。不同性质的工矿企业还可以根据需要调查特别关心的项目。

ⅰ.工矿企业污染源调查。调查现状年工矿企业地理位置、生产工艺,监测废水排放量、达标排放量、废水处理量以及主要污染物种类及排放量,废污水排放规律、排放方式、排放去向;对缺少资料的工矿企业要进行污染源补充调查或补充监测。首先,调查各污染源的废污水排放量和主要污染物排放量,如污染源过多,全部调查有困难,可调查主要污染源,即污水排放量或污染物排放量较大的污染源必须查清。大型工矿企业(规模以上)必须单独调查;中小型工矿企业(规模以下)可以合并填写调查数据。

ⅱ.规模化、集约化养殖污染源调查。规模化、集约化养殖场和养殖区规模按《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596—2001)确定(表2.2和表2.3)。规模化、集约化养殖污染源调查应该着重调查养殖畜禽类型和规模,废污水处理工艺、处理效果、主要排放污染物种类及排放量,废污水排放规律、排放方式、排放去向;对缺少资料的规模化、集约化养殖场还要进行污染源补充调查或补充监测。

表2.2　集约化畜禽养殖场的适用规模(以存栏数计)

表2.3　集约化畜禽养殖区的适用规模(以存栏数计)

ⅲ.城镇生活污染源调查。调查现状年城镇生活污水排放单位(如污水处理厂)地理位置、处理工艺、处理规模、废水和主要污染物产生量、废水和主要污染物外排量、排放规律、排放方式、排放去向,并分析废污水处理率、回用率等指标,对缺少资料的要进行污染源补充调查或补充监测。

b.排放量估算方法。

ⅰ.类比法。当污染源排放量调查存在困难且无法进行补充监测时,可以通过类比法估算得到:工业废水排放量通过工业生产用水量和依据生产工艺得来的废水产生系数得到,废水主要污染物浓度依据生产工艺类比得到,依据废水排放量和废水污染物浓度可估算出主要污染物排放量。城镇生活污水排放量和污染物排放量也可通过生活用水量、排放系数进行估算。

ⅱ.排污系数法。基于工业产品的排污定额(系数),计算工业废水中污染物排放量,通常采用下式计算排放废水中的污染物排放量,即

式中 W排——废污水中某种污染物的排放量,t/a;

M——某工业企业产品报告期内的产量,t/a;

β——某产品的污染物排放系数,kg/t;

η——排放废水经处理后某污染物的去除率,%。

β可以选用其他相同生产工艺的实测数据或计算数据,也可选用《环境统计手册》中所列数据。较为理想的办法是在生产正常运行情况下,实测排污单元的吨产品排放系数,以后可按此值进行估算或根据具体情况的变化作适当的调整和修正。生活污水中污染物排放量也可根据区域内人口规模、人均综合排污定额、污水处理率等进行估算。

在资料极度缺乏,对主要污染源的调查也无法做到的情况下,至少应通过收集有关统计报表等手段,收集统计每个水资源三级区的废污水排放总量和主要污染物排放总量。在这种情况下,考虑到管理的需要,可将水资源三级区的废污水排放总量和主要污染物排放总量结果分配到每个行政单元乃至水功能区,具体分配时,可根据社会经济指标或用水量指标进行分配,如以人口、工业产值和用水量等指标为权重进行分配等。

c.排放量统计分析。水域纳污能力计算是以所划定的水功能区作为基本单元,为弄清水功能区污染物入河量与陆域污染源的对应关系,应确定各水功能区所对应的陆域范围,掌握进入该功能区的陆上主要污染源和主要污染物排放量。

水功能区对应陆域的确定方法:调查和收集有关入河排污口的设置、市政排水管网布置、企业和单位自行设置排污口资料,尽可能搞清相应的陆域范围,特别是其中对功能区水质影响大的污水排放源,同时进行必要的实地勘查分析,提出水功能区对应的陆域范围,并以此作为陆域污染物产生量、排放量调查的基础。

根据各水功能区与陆域污染源的对应关系,将主要工矿企业、城镇生活、集约化养殖场及养殖区废污水与污染物调查统计结果按水功能区进行统计,可得到各水功能区所有污染源的废污水排放总量和主要污染物排放总量。

d.排放量合理性分析。对调查结果进行统计,根据工业用水量和城镇生活用水量减去耗水量所推求的排放量,与污染源调查结果进行对比分析,检验用水量、用水消耗量与废污水排放量的合理性。合理性判断公式为

式中 Q工业排放——调查城镇工业企业排水量,万m3/a;

Q生活排放——调查城镇生活排水量,万m3/a;

Q用——调查城镇用(供)水量,万m3/a;

Q耗——调查城镇耗水量,万m3/a。

如Q排≠Q用-Q耗,则应对数据重新核实,直至合理。

工业耗水量包括输水损失和生产过程中的蒸发损失量、产品带走的水量、厂区生活耗水量等。一般情况下,可用工业取水量减去废污水排放量求得,也可根据工厂水平衡测试资料推求,还可进行典型调查,取综合耗水率计算耗水量。火电耗水量可按装机容量乘耗水定额计算,火电耗水定额采用调查值。城镇生活耗水量的计算方法与工业基本相同,即由用水量减去污水排放量求得,也可采用典型调查确定耗水率的办法估算耗水量。

2)点污染源入河量调查。

a.点污染源入河量调查内容。调查范围包括所有进行了水功能区划的地表水体中的入河(湖泊、水库)排污口、支流口。

ⅰ.调查现状水平年入河排污口情况。通过实地勘察和收集资料,查清每个水功能区(包括一级功能区和二级功能区,下同)内所有的排污口。调查内容主要有入河(湖库)排污口的分布、位置、类型、对应的污染源的名称、污染源距入河排污口的距离等。重点分析流经大中城市的河段和水域的入河排污口及其排污情况。

ⅱ.调查各水功能区内入河排污口及支流口的入河污水性质、入河方式、废污水入河量、主要污染物入河量。重点调查各水功能区内所有排污口的废污水入河量和主要污染物入河量,如排污口过多,全部调查有困难,可调查主要排污口,污水量或污染负荷较大的排污口必须查清。针对所调查的入河排污口资料,同其他部门的入河排污口资料进行对比分析,检验所调查的资料的合理性和正确性。

主要调查污染物应包括化学需氧量、五日生化需氧量、p H值、悬浮物、氨氮、挥发酚、总氮、总磷、总汞、总镉及区域特征污染物,其中化学需氧量和氨氮为必选项。

b.点污染源入河量估算方法。对无法开展现场监测的地区可采用估算方法获得污染物入河量,也可以类比相似区域实测水质浓度及相应水文条件,结合不同污染物衰减特性进行推算,但应注意成果的复核与验证。对有污染源排放资料而无入河排污口资料的情况,其污染物入河量用入河系数法确定,即

污染物入河量=入河系数×污染物排放量

可通过对不同地区典型污染源的污染物排放量和入河量的监测、调查,确定污染物入河系数。影响入河系数的因素众多,情况复杂,区域差异大。充分利用各职能部门的污染物排放量和污染物入河量资料情况确定相应的入河系数;并进行对比分析,以污水排放量作为校核依据,确定最终的入河系数。

c.点污染源入河量统计分析。将水功能区内各排污口废污水、主要污染物入河量调查监测结果按照水功能区(包括一级区、二级区)进行统计,可得到各水功能区的废污水入河量和主要污染物入河量。

入河排污口及其废污水、污染物入河量调查结果,与该地区工业与生活用水量、排污状况、经济发展水平、产业结构、工艺技术、企业管理水平、污染治理水平等因素有关。因此,各种数据如用水量、污染源排放量、入河量之间要符合一定的规律。

对数据的合理性进行检验包括以下内容:

ⅰ.检验废污水入河量与污染源废污水排放量之间关系的合理性。

ⅱ.检验污染物入河量与污染源废污水污染物排放量之间关系的合理性。

ⅲ.结合地区特点,对不同地区、不同水功能区的废污水入河量进行比较,进行合理性分析。

2.面污染源调查

面污染源也称为非点源,指在较大范围内,溶解性或固体污染物在降雨径流的作用下,通过地表或地下径流进入受纳水体,从而造成的水体污染。

(1)面污染源调查内容。面源污染调查分析的主要对象为5部分,即城镇雨水径流污染、农田径流污染、农村生活废水及固体废弃物、水土流失污染和分散式禽畜养殖污染。

1)城镇雨水径流污染。城市地表径流中的污染物主要来自降雨径流对城市地表的冲刷,地表沉积物是城市地表径流中污染物的主要来源。具有不同土地使用功能的城市,其沉积物来源不同。城市地表沉积物主要由城市垃圾、大气降尘、街道垃圾的堆积、动植物遗体、落叶和部分交通遗弃物等组成,污染物负荷量的主要影响因素有不透水面积、雨水排水系统类型、交通影响、路缘高度和街道清扫等。

我国对城镇径流研究较少,资料缺乏,而国外的多数城镇径流模型难以直接应用,根据我国实际情况,推荐利用计算城市地表径流污染负荷的简易模型。简易模型的年污染负荷为

式中 L——年负荷量,kg;

R——年径流量,mm;

C——径流污染物平均浓度,mg/L;

A——集水区面积,m2。

径流污染物浓度要求能代表该城市径流平均浓度值,其数值可以从当地城市径流资料获得。由于不同地区的地表污染状况和气象条件存在差异,不同地区城市地表径流浓度的变化范围很大,因此在对特定城市的地表径流进行分析时,应慎重选择参数,氨氮流失量按照总氮流失量的10%进行估算。表2.4所列为2014年王军霞等在四川省内江市对城市面源污染特征的研究成果,仅供参考,与美国的有关研究成果相比,我国城市不同土地利用类型的径流污染物平均浓度均偏大。

表2.4　城市不同土地利用类型的径流污染物平均浓度　单位:mg/L

注 引自王军霞等“城市面源污染特征及排放负荷研究——以内江市为例”。

此外,模拟城市地表径流污染负荷的常用经验模型还有雅林方程。雅林方程可模拟天然降雨冲刷街道所产生的地表径流使污染物微粒浮起和输运的过程,该方程适用于完全紊流的水流运动,描述了径流流量与携带泥沙容量的相互关系,即

式中 T——每单位宽度流量的颗粒输运量,g/m·s;

ρs——颗粒密度,g/cm3;

D——颗粒直径,m;

g——重力加速度,m/s2;(www.xing528.com)

H——水流深度,m;

J——能量梯度坡降,m/m。

式中 Ycr——泥沙开始运动时的推移量,g/(m·s);

其他符号意义同前。

2)农田径流污染。按地级行政区分区调查统计现状年化肥、农药施用量,并折算成有效成分(化肥以氮、磷计,农药以有机氯、有机磷计)。化肥、农药的养分含量折算可以参考有关化肥、农药手册。

化肥流失量参数应该进行研究分析,并在报告中进行必要的说明。在化肥流失量资料缺乏的地区,可以参考氮肥、磷肥流失相关研究,按当地的流失系数进行估算。

一般农作物对氮肥的吸收利用率为30%～35%,对磷肥的吸收利用率为11%～20%,其他部分都随着地表径流和淋溶等作用而流失掉。有氮肥、磷肥流失研究成果的地区按当地的流失系数进行估算,无相关研究成果的地区,按最低随水流失量的15%～20%进行测算。

在无资料区域,氨氮流失量按照总氮流失量的10%估算。农药在使用过程中的损失主要是漂移、挥发以及从土壤、植物和水体中的蒸发损失,其中漂移、挥发损失约占农药使用量的25%,土壤蒸发占3%～5%,植物蒸发占10%。对于无资料区域,还可以参考《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》《第一次全国污染源普查农业污染源肥料流失系数手册》确定相应的产污系数。本书列出了不同土地利用类型总氮、总磷的产污系数,详见表2.5。

表2.5　不同土地利用类型产污系数

3)农村生活废水及固体废弃物污染。农村缺乏有效的排水措施,生活污水排放到村落沟渠中,污水下渗后污染物在沟渠中大量累积,同时村落地表累积大量固体废弃物,包括生活废弃物以及农作物秸秆,在较大的降雨径流冲刷作用下,这些污染物大多进入河流沟渠系统向受纳水体运移。生活废水产生量的估算采用人均综合排污系数法,农作物秸秆、生活垃圾根据区域作物种植种类、秸秆趋向以及生活状况进行详细调查。各地可根据本地区的实际情况,以乡镇为基本行政单元估算农村人口人均生活污水排放量及固体废弃物产生量(生活垃圾、作物秸秆),考虑区域内的河流系统分布状况,估算区域生活污水、固体废弃物的入河系数。各地对所采用的污水排放量、污染物排放系数、固体废弃物产生量、固体废弃物中的总磷、总氮含量以及入河系数应该进行研究分析,并在报告中进行必要的说明。无资料区域,生活污水中污染物排放系数可参考以下数据进行估算:化学需氧量16～50g/(人·d);氨氮3.2～4g/(人·d),总氮5～6.4g/(人·d),总磷0.44～1.3g/(人·d);生活垃圾和固体废弃物中总氮0.21%,总磷0.22%。根据现状年农村人口统计数,计算生活污水、固体废弃物产生量与入河量。

4)水土流失污染。泥沙作为一种重要的非点源污染物,在流失过程中携带大量吸附态污染物。随泥沙流失的污染物负荷根据泥沙富集比进行计算,对于具有详细监测资料的区域,泥沙单位面积流失负荷和污染物富集比根据实测数据进行修正,在报告中进行详细说明;无资料区域根据表2.6中的数据进行估算。

表2.6　水土流失单位面积负荷

注 引自陈邦雄《基于DEM的水土流失型非点源污染估算》。

水土流失污染物负荷估算公式为

式中 w——流域(区域)随泥沙运移输出的污染负荷,t;

wi——某种土地利用类型单位面积泥沙流失量,t/km2;

Ai——某种土地利用类型面积,km2;

ERi——污染物富集系数;

ci——土壤中总氮、总磷平均含量,mg/kg。

总磷富集比为2.0,总氮富集比为2.0～4.0。

5)分散式禽畜养殖污染。畜禽养殖业除了集约化、规模化养殖场和养殖区外,还包括大量的分散式养殖。分散式养殖一般以乡镇为基本单元进行统计,见表2.7和表2.8。

表2.7　畜禽粪排放量　单位:kg/(只·d)

表2.8　畜禽粪便污染物含量

根据畜禽污染物排泄系数和畜禽粪便处理利用状况,可以估算畜禽养殖污染物排泄量和流失量。为了便于分析汇总畜禽污染物流失量,资料具备区域应对所采用的畜禽污染物排泄系数和流失系数的选取进行分析和说明。对于资料缺失区域,可参考《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》确定。

(2)面污染源估算方法。城镇雨水径流、农田径流、农村生活废水及固体废弃物、水土流失和分散式禽畜养殖等5类面源各自发生、发展的机理不同,在实际工作中,逐项定量计算的难度较大,往往需要采取综合考虑的方法对区域(流域)面源污染负荷进行估算。目前估算面源污染负荷的综合方法主要有3种。

第一种是根据流域主要土地利用类型、人口及牲畜数量、降雨径流资料、土壤侵蚀模数等资料,通过经验模型方法直接或间接估算流域(区域)的面源污染负荷量。这种方法没有考虑面源污染发生、发展的复杂过程,但操作简单易行,所需资料相对较少,同时具有一定的精度。

第二种是在对流域(区域)的水文循环过程、污染物迁移转化过程等进行详细调查和深入研究的基础上,采用数值模型对面源污染物的输入、输出、迁移转化过程进行详细模拟,预测流域(区域)面源污染物的输出总量和空间动态变化。这种方法考虑了面源污染发生和发展的复杂过程,精度较高,但所需水文水质、下垫面、气象等资料繁多,导致数值模型参数众多,对无资料地区的适用性差。

第三种则是根据汛期、非汛期河流控制断面污染物通量以及点源负荷调查数据进行估算。这种方法属于面源污染负荷倒推方法,对点源污染负荷调查的依赖性大,且受不确定性因素的影响较大,适用范围十分有限。

1)经验模型法。应用经验模型对农业面源污染进行模拟和估算是面源污染总量控制的重要手段。国内外学者已建立了多种农业面源污染的评价模型,并对不同区域进行了污染负荷的估算和分析。

a.输出系数模型。

ⅰ.模型公式。输出系数模型法是利用相对容易得到的流域土地利用类型、牲畜数量、人口数量等数据,通过多元线性相关分析,直接建立流域土地利用类型与面源污染输出量之间的关系,然后通过对不同污染源类型的污染负荷求和,得到研究区域的污染总负荷。

早期的输出系数模型假定所有土地利用类型的输出系数固定不变,这种假设与实际情况相差较大。Johns等(1996)在输出系数模型中加入了牲畜和人口等因素的影响,综合考虑了土地利用类型、牲畜数量和分布状况、农村居民的面源污染物排放和处理水平等不同污染源类型的输出系数,从而建立了更为完备的输出系数模型。Johns模型所需参数少、操作简便且具有一定的精度,在大尺度流域面源污染负荷的研究中表现出其独特的优越性。由于该模型一般直接评估和预测总氮和总磷的负荷量,而较少涉及氮、磷元素的具体存在形式,因而减少了许多繁琐的过程并使模型结果的可靠度大为提高。该模型实质上是利用半分布式途径来计算流域尺度上年均污染(总氮、总磷)总负荷的数学加权公式,即

式中 Lj——污染物j在流域的总负荷量,kg/(hm2·a);

i——流域中的土地利用类型,共m种;

Eij——污染物j在第i种土地利用类型中的输出系数(kg/hm2)或第i种畜禽每头输出系数(kg/a)或人口每人输出系数(kg/a);

Ai——流域中第i种土地利用类型的面积(hm2)或第i种牲畜数量(头)或人口数量(人);

P——由降雨输入的污染物总量,kg/(hm2·a)。

ⅱ.模型数据需求。采用上式计算面源污染负荷时需要以下数据:①污染物输出系数,可通过文献资料、实地调查或试验获得;②现状年土地利用或植被覆盖数据,可通过查阅相关部门的统计资料(年鉴)以及文献资料,通过卫星影像解译数据得到;③现状年区域的人口数量以及大牲畜、猪、羊和家禽数量,可通过查阅统计年鉴、国民经济和社会发展统计公报或实地调查获得。

ⅲ.模型参数取值。污染物的输出系数是指单位时间内、某种土地利用方式下输出的污染物总负荷的标准化估值。确定合理的输出系数是成功估算面源污染物输出负荷量的关键,流域内的下垫面特征、水文气象以及植被管理措施等都会对输出系数产生较大的影响。

应用输出系数模型计算流域面源污染负荷时,通常可将流域分为3大类土地利用类型,即自然地(森林、草原和荒漠等)、农用地(耕地、园地、林地和牧草地等)和城镇用地(居住区、工业区、商业区和娱乐区等)。

引起农业面源污染的污染源主要包括农业种植、畜禽养殖和农村生活污水及废弃物等,因此相应地将引起农业面源污染的因素归结为3类,即农业用地、畜禽养殖和农村生活污水及废弃物,据此来计算区域农业面源污染负荷的总量和特征。

获取输出系数的常见途径是现场监测和查阅文献值。Beaulac和Reckhow及Frink通过调查不同土地利用方式下的氮和磷输出系数的变化范围,取其平均值作为所研究流域的输出系数。部分国内学者对农业用地总磷、总氮输出系数的研究成果见表2.9,不同区域具体取值结合研究区气候、水文、土壤、农业耕作特点和人类活动特点等因素而定。

表2.9　不同土地利用类型的输出系数　单位:kg/(hm2·a)

畜禽养殖和农村生活部分的面源污染物输出系数可参考国家环保总局推荐的排泄系数和人口输出系数,见表2.10和表2.11。

表2.10　单位人口的输出系数　单位:kg/a

表2.11　单位畜禽养殖业的输出系数　单位:kg/a

b.重金属污染负荷经验模型。目前大部分经验公式模型侧重开展氮、磷等土壤养分面源污染负荷估算,而针对重金属面源污染负荷估算的研究较少。大量文献表明,重金属污染物主要以吸附态和溶解态两种形式通过土壤侵蚀和地表径流等过程运移进入水体,从而造成面源污染。本书依据研究区域的实际情况,结合这两种主要的迁移方式,估算流域的重金属面源污染总负荷,即

式中 L——重金属面源污染负荷总量,kg/a;

Ls——随土壤侵蚀迁移的重金属面源污染负荷量,kg/a;

Lw——随地表径流溶解迁移的重金属面源污染负荷量,kg/a。

其中,随土壤侵蚀迁移的重金属污染负荷量采用固态污染物负荷方程估算,即

式中 a——泥沙输移比,计算土壤侵蚀量时,需要考虑土壤颗粒被分离以后,只有一部分被地表径流带入沟道系统,另一部分在搬运过程中沉积下来,泥沙输移比是决定流域出口吸附态非点源污染物负荷的关键因子,其取值区间为0.1～0.4;

i——土地利用类型;

Hi——土壤中重金属污染物质量比背景值,mg/kg;

Xi——第i类土地利用类型的土壤年侵蚀模数,t/(hm2·a);

Ai——第i类土地利用类型面积,hm2。

随地表径流溶解迁移的重金属面源负荷量估算公式为

式中 b——提取系数,土壤中污染物的质量比上万倍地高于径流中污染物的质量比,径流作为一种载体,使土壤中某些高质量比的元素随径流迁移。因此,可假设地表径流中溶解态污染物的质量比与原土壤中的污染物质量比成正比,其比例系数称为提取系数;

Qi——第i类土地利用类型流域年地表径流量,mm。

2)数值模拟法。利用数值模型模拟流域农业面源污染物产生、运移过程并进行定量评价,已成为研究农业污染产生机理、防控机制的有效途径。近年来,国内外学者分别应用土水评估工具模型(Soil Water Assessment Tool,SWAT)、农业面源年化模型(Annualized AGricultural Non Point Source,Ann AGNPS)、基于遥感的分布式面源污染计算模型(Diffuse Pollution Estimation with Remote Sensing,DPERS)等,对面源污染负荷进行时空模拟与分析。由美国农业部(USDA)的农业研究中心研发的SWAT模型是应用范围最广、最具代表性的分布式模型。

SWAT模型包含降水、径流、土壤水、地下水、蒸散发以及河道汇流等参数,在径流模拟、面源污染计算、农业管理措施制定方面应用广泛。由于SWAT模型可有效模拟和预测径流、泥沙和污染物运移过程,对分析评价流域非点源污染负荷分布特征十分有效。

SWAT模型主要模拟氮、磷循环的过程,其循环过程伴随水文循环和土壤侵蚀过程而发生,且与二元水循环过程密切相关。对于子流域的营养物,SWAT模型采用自备的EPIC模型进行模拟计算,对其中氮、磷两种营养元素进行独立模拟。氮被分为矿物氮和有机氮两大类,通过水量和平均聚集度来计算。

氮循环模拟:氮循环过程分为有机氮、作物氮以及硝酸盐氮3种化学状态的循环,SWAT模型模拟径流、侧流和入渗条件下各种形态氮的迁移转化过程,主要包括氮的生物固定作用、有机氮向无机氮的转化、溶解性氮随土壤中径流的运移以及氨态氮挥发等过程。

磷循环模拟:磷循环过程分为溶解态磷和吸附态磷,对磷素的流失计算考虑了表层土壤聚集、径流量和状态划分因子等因素,同时考虑作物的生长吸收。SWAT模型模拟磷在肥料、土壤与植物中迁移转化的过程,主要包括地表淋溶、径流冲蚀以及无机吸收等物理过程,有机磷矿化、磷酸盐的固定等化学过程,以及农作物的吸收与收割等生物过程。

3.流动污染源调查

流动污染源主要是指水上交通运输设施和设备,如船舶在行进、停泊、检修过程中,通常以排放废污水、垃圾、泄漏有害物质等方式造成水体污染。

(1)船舶产生的污染物分类。船舶营运过程中排放的污染物可分为两大类,即操作性排放和事故性排放。

含油废水、船舶垃圾与废渣、船舶生活污水等为操作性排放,都属于船舶正常营运过程中产生的污染物,与船舶营运的时间、船员和乘客数量等基本成正比例关系,有一定的排放规律。

1)船舶含油废水。含油废水是指船舶使用的机油、柴油、透平油、汽油、煤油等废污水,以及船舶自身的压载水、机舱水和洗舱水。在船舶作业、码头作业、修船作业过程中,含油废水可能被连续或间断排放,其危害表现在排放后能大量地消耗水体中的溶解氧,使水体变质,造成水生动、植物死亡和危及人体健康。

2)船舶垃圾与废渣。船舶固体废弃物分生活垃圾和工业废渣。生活废渣有瓜皮壳、饮食饮料包装的纸、盒、玻璃瓶、废报纸、塑料袋、烟头、破布及残剩的糕点、饭菜等,工业废渣有各种废软管、电线电缆、碎木料、油漆桶、油棉纱、旧滤芯等。船舶废渣倒入水中可直接污染水体,垃圾长期泡于水中,腐烂发臭、破坏水质,威胁水生生物特别是鱼类的生存发展,也影响人体健康。

3)船舶生活污水。船舶生活污水来源于旅客、船员的洗脸、洗澡、洗衣污水,人的大小便,厨房洗菜洗餐具污水,医疗废水及装有动物的饲养污水等。船舶上人员的厨房污水、洗漱用水和粪便排泄用水等,含有大量的无机氮、磷酸盐、有机物和少量的油类,长期排放可引起局部水域的富营养化,造成水质恶化。

船舶发生碰撞、触礁等事故时泄漏石油类产品、有毒有害化学品等污染物为事故性排放。例如,油轮触礁事故,导致原油泄漏污染水域,这种排放的不确定性很大,污染物时空分布无明显规律,应该使用概率性的风险评价理论来管理,监测的范围也要扩展到对各种不确定性因素或“危害”的调查和跟踪。

(2)船舶流动污染源调查内容。针对某一水域或水功能区,船舶流动污染源调查包含对产生污染源的设备或场所的调查、污染物治理与排放情况调查、受纳水体水文水质调查等。

调查通航河段长度、航段等级、通航能力、现状通航状况,包括通航船舶类型、日通航量、船舶营运时间、行驶速度、船员与乘客数量等。

调查通航船舶污水处理设施配备情况,包括污水处理设施类型、日处理能力、处理工艺、出水水质是否满足《船舶污染物排放标准》(GB 3552—1983)、废污水类型及日排放量、集中排放时段、排放方式、废污水主要污染物类型及排放浓度、船舶垃圾与废渣类型及日排放量、垃圾与废渣中主要污染物类型等。

调查通航水域船舶发生碰撞与触礁等事故的历史情况、事故发生概率、事故发生时石油类与有毒有害化学物质的泄漏情况、针对泄漏事故的应急处理措施与处理效果等。

调查通航水域水文水质情况,包括水深、流速、水温、流量、流向、现状水质类别、污染物背景浓度、现状富营养化状况等。

(3)船舶流动污染源负荷量估算。由于流动航行中的船舶向水中的排污在时空分布上具有一定的随机性,尤其是事故溢油,多属于偶然发生。故流动污染源的污染负荷量计算,至今尚未采用统一的计算模型,大多在有关部门调查统计工作的基础上,按照一定步骤估算污染负荷量。船舶含油废水、生活污水、垃圾与废渣等污染源排放的污染物负荷量可通过实测法、调查估算法等计算。由于船舶污染物排放后直接进入受纳水体,因此基本上可认为污染物排放量与入河量是一致的。

船舶含油废水、生活污水等便于监测,可在集中排放时段进行废污水流量和污染物浓度的监测,基于污染源监测的污染物排放总量计算式为

式中 M排——船舶排放废污水中污染物总量,t/d;

C排——船舶排放含油废水或生活污水中污染物监测的平均浓度,mg/L;

Q排——监测的废污水排放量,m3/d;

A——单位换算系数。

当无法开展污染源监测时,可通过排污系数法对污染物排放量进行估算,计算公式为

式中 M排——船舶排放废污水(垃圾)中污染物总量,t/d;

P——船舶营运期间船员与乘客平均数量,人;

W——船员与乘客人均排放废污水(垃圾)中污染物负荷量,kg/(人·d),人均废污水或生活垃圾污染物排放定额可参照全国或地方污染源普查资料或行业污染源调查手册等;

A——单位换算系数。

当通航水域发生船舶碰撞或触礁等事故,并造成石油类或有毒有害化学物质的泄漏时,应及时组织开展应急监测。监测船舶污染物质泄漏量,确定泄漏污染物扩散影响水域范围并开展水质应急监测,基于污染源与水质应急监测成果估算污染物事故排放总量。