流域水环境污染源调查技术路线与数据分析研究

发表时间:2020/8/24   来源:《基层建设》2020年第10期   作者:江伟民 孙艳涛 陈奇良 邓洁
[导读] 摘要:为摸清流域水环境污染源的数量、行业及地区分布情况,掌握各类污染物产生、排放、入河(湖)量和处理情况,建立健全流域重点污染源档案、污染源信息数据库和环境统计平台,制定流域污染治理工程方案、实现流域污染物总量控制及搭建流域智慧化管理平台等各项工作提供重要的数据支撑,开展流域污染源调查技术路线与数据分析研究是十分必要的。
        上海市政工程设计研究总院(集团)第六设计院有限公司  安徽合肥  230061
        摘要:为摸清流域水环境污染源的数量、行业及地区分布情况,掌握各类污染物产生、排放、入河(湖)量和处理情况,建立健全流域重点污染源档案、污染源信息数据库和环境统计平台,制定流域污染治理工程方案、实现流域污染物总量控制及搭建流域智慧化管理平台等各项工作提供重要的数据支撑,开展流域污染源调查技术路线与数据分析研究是十分必要的。根据调查成果,可进行污染负荷计算与分析,建立污染排放与河道水质响应关系,提出污染物消减建议,形成流域水环境污染源调查监测与分析报告。
        关键词:流域;污染源调查;总量控制
        前言
        流域水环境污染源调查与监测的工作范围和重点区域应根据区域汇水特征与污染源影响范围综合确定,原则上以某条河流完整的流域范围作为调查对象。调查、监测及分析的成果包括污染源的识别与调查、水环境污染监测、污染源调查数据统计及分析等。调查结果应能客观、真实地反映各区域内污染源现状的排放水平,做到不留死角。
        1流域水环境污染源分类
        《第二次全国污染源普查技术规定》中将水环境污染源分为工业污染源、工业园区污染源、农业污染源、生活污染源、集中式污染治理设施污染源、移动污染源六大类。《水体达标方案编制技术指南》中将水环境污染源分为工业污染源、城镇生活污染源、非点源、船舶港口污染源,其中非点源包括农村生活、农村畜禽散养、农田径流、城市径流四部分。因国家污染源普查偏向管理,适合分行业进行普查。本技术导则仅主要为环巢湖地区治理工程提供服务,为合理安排水环境治理工程提供基础数据支撑,故本导则结合《水体达标方案编制技术指南》,根据污染物产生及排放的方式,污染源类型可分为点源、面源和内源,其中点源主要包括工业废水污染,污水处理厂尾水、城镇生活污染、垃圾填埋场污染、规模化养殖场污染;面源主要包括农村生活污染、农业面源污染、农村畜禽散养污染、水产养殖业污染、城镇地表径流污染及矿山径流污染等,内源主要为底泥污染。具体分类方式见下图。
 
        图 1 流域水环境污染源分类
        2技术路线
        在资料收集的基础上,依据流域水系分布、地形地貌及区域汇水方向等,对治理流域进行子流域划分,然后按照点源、面源、内源三个方面对各子流域进行系统调查,再根据调查结果进行分解与整理,并进行模型输入,建立污染源数据库。具体技术路线见下图。
 
        图 2 流域水环境污染源调查技术路线
        2.1 点源污染调查
        (1)工业废水污染
        1)调查区内工业(“十大”行业、“十小”行业)排污现状,主要调查内容包括企业名称、所在县(区)、所在镇(街道),经纬度,所属行业、主要生产工艺、主要生产设备、生产规模、产值、新鲜用水量,污水排放量、主要污染物产生量、排放量、处置情况、排放去向情况及排污口的地理位置(经纬度)等。(“十大”行业为造纸、焦化、氮肥、有色金属、印染、农副食品加工、原料药制造、制革、农药、电镀;“十小”行业为不符合国家产业政策的小型造纸、制革、印染、染料、炼焦、炼硫、炼砷、炼油、电镀、农药)
        2)调查区内工业聚集区排污现状,主要调查内容包括聚集区名称、所在县(区)、15所在镇(街道)、经纬度,区内企业名称、产值、新鲜用水量,区内污水排放量、主要污染物产生量、排放量、处置情况、排放去向情况及排污口的地理位置(经纬度)等。
        3)调查区内矿山开采区污染现状,主要调查内容包括地理位置、矿种类、开采面积、尾矿库、首要污染物及排放量、有无污水处理设施等。
        4)调查区内港口、码头、卸装站等排污现状,主要调查内容包括货物吞吐量、污水排放量、主要污染物产生量、有无污水处理设施等。
        (2)污水处理厂尾水
        调查区内污水处理厂尾水排放情况,主要调查内容包括污水处理厂名称、建成时间、设计规模、日处理规模、处理方式、运行情况、主要污染物进水浓度、出水浓度等。
        (3)城镇生活污染
        1)统计区内各镇街人口数,分析各镇街所提供的用水量数据,得出区内城市生活综合人均日用水量。可参考《城市排水工程规划规范》(GB 50318)等技术规范,确定城镇综合生活污水排放系数,计算生活污水产生量,根据已调查的城镇生活污水处理厂情况,计算城镇生活污水送至污水处理厂处理量,产生量扣除处理量,得到排放量。根据人口数和人均垃圾产生量计算生活垃圾排放量。
        2)调查精确到排污单位,如小区、企事业单位、学校、餐饮等,主要调查内容包括排污单位名称、人口数量、生活污水排放量、主要排放污染物、排放去向情况、排口位置等。
        (4)垃圾填埋场污染
        调查区内垃圾填埋场污染物排放量,主要调查内容包括名称、地理位置、日处理能力,主要污染物排放量,是否有监测或处理设备等。
        (5)规模化养殖场污染
        调查区内规模化养殖场污染物排放量,主要调查内容包括名称、地理位置、养殖种类、规模、主要污染物排放量,是否有监测或处理设备等。对上述调查中统计的入河排口进行汇总,摸清入河排口的数量与具体位置、16废水排放量、污水来源、主要污染物排放浓度等。
        2.2 面源污染调查
        (1)农村生活污染。农村生活污染包括农村生活污水及生活垃圾两部分,主要调查内容包括行政村名称、人口数量、生活污水产生量及处置方式、生活垃圾产生量及处置方式等。
        (2)农业面源污染。农业面源污染主要调查内容包括行政村名称、耕地面积、耕作物种类及产量,农药、化肥施用量等。
        (3)农村畜禽散养污染。农村畜禽散养污染主要调查内容包括养殖场名称、位置(经纬度,行政村),养殖种类及数量、是否有污水处理设施等。
        (4)水产养殖业污染。水产养殖业污染主要调查内容包括养殖塘名称、位置(经纬度、行政村)、水产养殖种类及数量、养殖方式等。
        (5)城镇地表径流污染。城镇地表径流污染主要调查内容包括地形、建成区面积、绿化率、降雨量、初期雨水水质、雨水管网覆盖率等。
        (6)矿山地表径流污染。矿山地表径流污染主要调查内容与点源污染调查中的矿山开采区调查内容保持一致。
        2.3 内源污染调查
        内源污染调查内容主要为底泥污染调查,主要调查内容包括底泥淤积量、分布及其污染程度和污染范围等。为对河流内部底泥分布、淤积量以及污染情况进行统计分析,需对调查布设的测量点进行水深、淤泥深度和平面坐标测量;采样点进行样品的采集、记录、编码、保存和送样;对所采样品上部土层用数码相机进行拍照留存。对各测点处的土性分布及具体位置都作详细记录,并在各采样点及部分测量点对土层进行密度试验。
        3调查数据统计与合理性分析
        3.1 流域细化分解技术
        结合代表性控制节点、下一级行政区界等因素进一步细化流域范围,是流域污染负荷计算的基础工作。
        (1)资料准备
        ①基础地理信息
        应收集工作范围内的各级行政边界、水系分布等矢量数据,地理坐标一般采用 WGS1984,格式为 shp、coverage、或 ArcGIS 可识别的文件。必要时,采用人工数字化手段将村庄、社区边界叠加至行政边界。
        ②关键控制节点
        主要包括行政区交接断面、常规监测断面、重要水文站点及闸坝、重要支流入河口、重要污染源排污口等。
        ③各类功能区划
        应收集省级人民政府批复的水功能区划、地表水环境功能区划、饮用水水源保护区划、近岸海域环境功能区划等资料、并将各水体功能区划目标反映在矢量图件上。
        (2)子流域划分
        流域细化分解可采用手动提取或自动提取等方法。结合流域内关键控制节点及对应的水功能区划,将行政区-子流域有机结合,建立“关键控制节点-控制河段-对应陆域”的水陆响应关系。
        1)手动提取
        ①利用数字高程(DEM 或等高线图),识别出山脊和山凹,提取出河道和分水岭;平坦地区可参照公路、小道、行政边界等进行提取。
        ②从河口开始、沿分水岭再回到河口,勾描出一个封闭的多边形,形成一个闭合小流域。
        ③将提取结果与已有同级水资源分区图进行对比,调整相差较大的边界。
        ④利用实际水系图,对小流域间的边界和河口汇流处进行调整,应保证一个河段只在一个流域内。
        ⑤可以忽略人工修整的河道和池塘。
        2)基于 GIS 的自动提取
        基于 GIS 平台和 DEM 数据,采用 ArcGIS 软件中的 Hydrology Modeling 模块自动划分子流域。基本操作步骤是:
        ①载入无洼地的 DEM;
        ②流向分析(Flow Direction);
        ③计算流水累积量(Flow Accumulation);
        ④提取河流网络(Stream Net);
        ⑤流域分析(Watershed);
        ⑥栅格转成矢量;
        ⑦流域边界合并,根据详细的水系图调整子流域。自动提取子流域时,设定单元数量应多于预定的最终单元数量,以便合并和调整。
        3)基于分布式水文模型 SWAT 的自动提取
        采用 SWAT 的 Watershed Delineation 模块可快速自动划分子流域。基本操作是:
        ①加载 DEM;
        ②(可选项)定义掩膜(Mask);
        ③(可选项)加载用于流域划分的河网(Burn in);
        ④DEM 预处理(Flow Direction and Accumulation);
        ⑤指定最小的子流域面积(阈值);
        ⑥创建河网及出水点(Create streams and outlets);
        ⑦人工核对并编辑河网上的出水点;
        ⑧定义流域总出口(Whole watershed outlets);
        ⑨子流域划分(Delineate watershed)。
        3.2 污染源调查数据的合理性分析
        污染源调查数据的合理性分析应包括以下几个方面:
        (1)区域基本概况资料:对行政区划、人口分布与密度、产业类型、经济指标、土地利用特征等资料,主要依据统计年鉴、土地利用图等公开发布的统计数据确定,从而保证数据的合理性及可靠性。有条件的地区可收集多年数据进行对比分析,也可根据现场调查数据验证其可靠性和合理性。
        (2)水文资料:对河流和湖(库)的流(水)量、流速、水位等进行代表性、一致性和可靠性分析,分析方法可参照 SL278-2002 的规定执行。
        (3)水质资料:对水质监测断面、监测频次、时段、污染因子、水质状况等,应结合地区污染源及排污状况,进行代表性、可靠性和合理性分析;也可与收集到的历史资料进行对比分析。
        (4)入河排污口资料:根据入河排污口实测或调查资料,对入河排污口的废污水排放量、排放规律、污染物浓度等资料用类比法进行合理性分析。
        (5)陆域污染源资料:根据当地经济社会发展水平、产业结构、GDP、取水量、工农业用水量、生活用水量、废污水处理水平等资料,按照供、用、耗、排水的关系分析废污水排放量、污染物及其排放量等,分析其合理性。
        (6)河流、湖(库)特征资料:对调查收集到的河流和湖(库)河道断面、水下地形、比降等资料,可采用不同方法获得的资料进行对比,分析其可靠性和合理性。
        (7)模型分析:将收集与实测数据输入河道水力水质模型,通过模型对数据的准确性进行分析,避免出现较大误差。
        4结语
        (1)流域水环境污染源调查是开展流域治理的前提和关键,必须不折不扣地将各类污染源及其输移路径调查清楚,才能真正做到精准施策。
        (2)污染源调查过程中,需要与相关政府部分充分对接,一方面可以充分利用现有数据资料,另一方面也可以对调查过程中数据的有效性进行沟通交流。
        (3)数据调查结果应采用GIS及模型等技术手段,建立污染源空间数据库,不仅可以指导治理项目,而且对后续管理也有很好的支撑作用。
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        作者简介:江伟民,(1982-),男(汉),安徽宣城人,工学硕士,高级工程师,从事水环境及给排水设计工作。
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