基于水質(zhì)模型的區(qū)域污染控制研究.pdf

1、近年來,隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人口數(shù)量不斷增加,污染物排放也隨之增加,造成的環(huán)境問題越來越明顯。目前,我國實行的目標(biāo)總量控制已經(jīng)不能很好地適應(yīng)區(qū)域環(huán)境管理的要求,因此實施以環(huán)境容量為基礎(chǔ)的污染物總量控制是控制水環(huán)境污染、改善區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的重要措施。區(qū)域環(huán)境污染現(xiàn)狀分析評價、區(qū)域環(huán)境容量的確定以及污染物排放總量的優(yōu)化分配是實施容量總量控制的幾個關(guān)鍵問題。
　　本研究分別對以上幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究,根據(jù)研究區(qū)域水污染控制的現(xiàn)狀,識

2、別了區(qū)域主要污染源;探討了不同水質(zhì)評價方法對區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量評價的適用性;利用GIS和水質(zhì)模型等工具建立了適合研究區(qū)域的水質(zhì)模型;通過水質(zhì)模擬分析對區(qū)域環(huán)境容量進(jìn)行了計算,同時引入經(jīng)濟學(xué)參數(shù)—基尼系數(shù)對區(qū)域總量進(jìn)行了分配;對不同年份的污染物總量進(jìn)行了預(yù)測分析,提出了各類污染控制措施,還定量化分析了這些措施的污染控制效果。這些工作可以為做好區(qū)域污染控制工作提供借鑒和指導(dǎo)。主要研究方法與成果如下:本研究共調(diào)查了研究區(qū)域重點排污企業(yè)100家,分

3、別對這些企業(yè)的污水排放量、污染物質(zhì)(COD和NH3-N)排放量、生產(chǎn)量等進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查的企業(yè)主要包括紡織印染企業(yè)、造紙及紙制品企業(yè)、食品加工企業(yè)、污水處理廠等。同時,還對研究區(qū)域的生活污染、畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)業(yè)面源污染等污染源的入河量進(jìn)行了計算,并對研究區(qū)域的主要污染源進(jìn)行了識別。研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域COD和NH3-N的總排放量分別為15388.9 t/a和2361.89 t/a,其中來自生活污染和工業(yè)污染的COD分別為10495.11t/a

4、和3772.86t/a,NH3-N分別為1893.132t/a和385.89t/a,由此可以看出研究區(qū)域主要污染源為生活污染。研究區(qū)域的工業(yè)污染主要來自紡織印染、造紙及紙制品和食品加工三個行業(yè)。這三個行業(yè)的廢水量、COD和NH3-N排放量占區(qū)域總排放量的比例分別為83％、87%和92%。按照污染排放由大到小排序依次為:紡織印染業(yè),造紙及紙制品,食品加工業(yè)。本研究分析了各類評價方法在研究區(qū)域的適用性,分別選擇單因子評價法、模糊綜合評價法、

5、灰色關(guān)聯(lián)評價法、主成分分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對區(qū)域26個水質(zhì)功能區(qū)的水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行了評價,評價指標(biāo)包括:溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、銅、鋅、揮發(fā)酚、石油類。分析各評價方法的原理和評價過程發(fā)現(xiàn),單因子評價主要對單個污染指標(biāo)進(jìn)行評價,并以最差評價因子所屬的級別來評判水質(zhì)級別。單因子評價法計算最簡便,可以直接反映超標(biāo)的污染因子,但是其評價結(jié)果不能全面的反映整體水質(zhì),往往出現(xiàn)評價結(jié)果過于嚴(yán)格的情況?；疑P(guān)聯(lián)評價法和模糊綜合評價法均可以

6、避免出現(xiàn)水質(zhì)級別不連續(xù)的缺點,同時還可以對同級別的水質(zhì)進(jìn)行分析判別。但是,這兩種方法均存在分辨率不高,易受權(quán)重影響的問題。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法實現(xiàn)了一個從輸入到輸出的映射功能,判定水質(zhì)級別更加明顯,但是也不能對主要污染因子進(jìn)行識別。研究發(fā)現(xiàn),主成分分析法可以對水質(zhì)污染情況進(jìn)行綜合分析,將多個評價因子轉(zhuǎn)化為少數(shù)具有代表性的主成分因子,同時可以識別區(qū)域主要污染因子的類別和對污染因子進(jìn)行排序,滿足本次研究的目的,因此將主成分分析法的評價結(jié)果作為后續(xù)

7、研究的基礎(chǔ)。評價結(jié)果顯示各監(jiān)測斷面水質(zhì)污染情況均表現(xiàn)為:枯水期;平水期;豐水期。綜合各水期水質(zhì)狀況來看,中大河、鄞州河網(wǎng)水質(zhì)最差,甬江下游和奉化江水質(zhì)整體較好。姚江、鄞江上游水質(zhì)最好。污染較嚴(yán)重的水域主要集中在鄞州河網(wǎng)、中大河和鄞江下游,這些污染較嚴(yán)重的河段可以作為未來重點治理區(qū)域。本研究利用ArcGIS對研究區(qū)域水域進(jìn)行了概化,并利用開放的水質(zhì)模型軟件WASP7.4,開發(fā)建立適合研究區(qū)域的水質(zhì)模型,利用該模型進(jìn)行了水質(zhì)模擬,確定甬江、

8、奉化江、鄞江和姚江的9個河段作為模擬河段,主要模擬的污染物為COD和NH3-N。同時,利用實測數(shù)據(jù)對水質(zhì)模型進(jìn)行了率定,還分析了COD衰減系數(shù)、流量、水溫、大氣復(fù)氧系數(shù)和硝化速率系數(shù)這些主要參數(shù)的敏感性。研究發(fā)現(xiàn)影響COD的主要參數(shù)為:COD衰減系數(shù)、流量和水溫,按照敏感度由高到低依次為:COD衰減系數(shù)、流量、水溫、大氣復(fù)氧系數(shù)和硝化速率系數(shù)。影響NH3-N的主要參數(shù)為:流量和硝化速率系數(shù),其次為水溫,COD衰減系數(shù)對NH3-N的影響幾

9、乎可以忽略不計。分析水質(zhì)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),模擬水質(zhì)數(shù)據(jù)與實測水質(zhì)數(shù)據(jù)的變化趨勢基本一致,各河段COD模擬數(shù)值與實測數(shù)值的平均誤差低于12%,NH3-N模擬數(shù)值與實測數(shù)值的平均誤差低于15%,表明建立的水質(zhì)模型可以用來模擬研究區(qū)域的水質(zhì)變化。通過水質(zhì)模擬分析發(fā)現(xiàn):枯水期和平水期COD和NH3-N峰值出現(xiàn)在S-4段,然后逐漸降低。豐水期豐水期COD峰值出現(xiàn)在S-5段,NH3-N峰值出現(xiàn)在S-4段。S-8至S-9河段在各水期表現(xiàn)一致,均為上升趨勢

10、。各河段水質(zhì)污染程度均表現(xiàn)為:豐水期;平水期;枯水期,水質(zhì)超標(biāo)主要集中在11月至1月,6月至9月水質(zhì)較好。本研究利用水質(zhì)模型和ArcGIS建立了研究區(qū)域污染動態(tài)管理系統(tǒng),該系統(tǒng)的主要功能包括:數(shù)據(jù)查詢、地圖制作、區(qū)域水質(zhì)現(xiàn)狀統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)管理、高程分析、水質(zhì)分析、水文分析等,并且可以實現(xiàn)水質(zhì)評價結(jié)果和水質(zhì)模擬結(jié)果的可視化輸出。通過編輯將水質(zhì)模擬結(jié)果對各河段進(jìn)行賦值,可以實現(xiàn)水質(zhì)模擬結(jié)果的可視化輸出。同時利用數(shù)據(jù)庫更新功能,可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)

11、行數(shù)據(jù)添加、刪除、修改等,便于實現(xiàn)區(qū)域污染動態(tài)化管理。利用率定的水質(zhì)模型分別計算了研究區(qū)域的環(huán)境容量和區(qū)域各河段的環(huán)境容量。計算結(jié)果顯示整個區(qū)域的COD和NH3-N的環(huán)境容量分別為12900.72 t/a和2361.89 t/a。研究發(fā)現(xiàn)S-1至S-5河段COD現(xiàn)狀排放量超過了環(huán)境容量,S-6至S-9河段COD現(xiàn)狀排放量小于環(huán)境容量,其中S-4河段和S-5河段污染最嚴(yán)重,分別需要消減2090.02t/a和1177.49 t/a才能夠滿足

12、水質(zhì)達(dá)標(biāo)的需求。同樣,S-1至S-5河段NH3-N現(xiàn)狀排污量也超過了環(huán)境容量,S-6至S-9河段NH3-N現(xiàn)狀排放量小于環(huán)境容量,其中超標(biāo)最為嚴(yán)重的河段為S-4河段,現(xiàn)狀排放量超過環(huán)境容量的3倍,消減量達(dá)307.73 t/a。另外,本研究還將經(jīng)濟學(xué)參數(shù)-基尼系數(shù)引入總量分配,選擇現(xiàn)狀排放量、人口、GDP、水資源量、和土地面積作為控制指標(biāo),最終分配方案的COD基尼系數(shù)分別為0.187、0.162、0.061、0.598,NH3-N的基尼系

13、數(shù)分別為0.222、0.208、0.095、0.634,由此可知分配方案對人口、經(jīng)濟發(fā)展、水資源量而言是較為公平的,該方案可以實施。最后,利用模型分析了區(qū)域各行業(yè)的節(jié)水潛力,定量化分析了節(jié)水減污、工業(yè)預(yù)處理、產(chǎn)業(yè)調(diào)整、限期治理、集中處理和非點源污染控制等污染控制措施的效果,研究發(fā)現(xiàn):研究區(qū)域主要用水企業(yè)節(jié)水量可達(dá)6614448 m3/a,占總?cè)∷康?3.8%,節(jié)水潛力巨大。利用節(jié)水減污和行政手段分別可實現(xiàn)COD減排587.8t/a和8