CN110765213A - 一种地表水流域污染源排放清单（动态清单）的编制方法 - Google Patents

一种地表水流域污染源排放清单（动态清单）的编制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种地表水流域污染源排放清单（动态清单）的编制方法，本方法分别从污染源的分类、污水中主要污染物的识别与排放量的计算、排放量与水质之间的关系构建等方面的工作，最后以GIS为载体，形成具有可以计算、归纳、统计、预测等功能的随时间、空间变化的污染源（动态）清单，为流域环境综合管控重点对象识别提供支持，支持流域水质目标管理体系和水环境精细化管理。

Description

一种地表水流域污染源排放清单（动态清单）的编制方法
技术领域
本发明涉及一种地表水流域污染源排放清单（动态清单）编制方法。
背景技术
地表水流域污染源排放清单是污染源在一定时间跨度和空间区域内排放到水中的各种污染物的数量列表，现有企业排污量大，且排污量与水质存在的关系较为复杂，单一企业对水质污染的贡献度不明，而制作具有高时空分辨率的地表水流域污染物排放清单可以为水环境质量管理及数值模拟提供的基础数据。
高时空分辨率排放清单是指在空间分布特征及时间分布特征上拥有较高的精度的排放清单。高空间分辨率(如1km或30m)可以反映出污染物排放的空间分布特征，为准确预测污染物来源及重点区域提供基础的空间信息。因此，准确得到高时空分辨率的排放清单是进行污染预测及管理的重要工作。高空间分辨率排放清单的编制，主要是根据不同污染源相关的空间地理信息，将排放清单数据按1km×1km或30×30m等空间尺度进行空间网格化，以获得高空间分辨率的排放清单；
水短缺、水污染、水生态环境恶化己经制约中国许多地区的发展并影响到公众健康与福利，偷排漏排问题并未完全有效控制，企业排污依然超出环境容量，2019年6月25日，北京市通州区生态环境局查处一非法排污案例，违规企业采用洗涤灵、洁厕灵浸泡冲洗玻璃容器并未处理的污水直接外排，污染周边环境。经检测，该废水氨氮含量严重超标。
水污染现状与工业废水、城镇生活污水排放密切相关。据前瞻产业研究 院发布的《污水处理行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》数据显示，2011 年以来我国废水排放总量呈上升趋势，污水治理需求不断提升。2011-2015 年，我国工业废水排放量逐年减少，城镇生活污水排放量逐年增加。2011年， 全国废水排放总量为659.2亿吨，其中工业废水排放量为230.9亿吨，城镇生 活污水排放量为427.9亿吨；2012年，全国废水排放总量为684.8亿吨，其 中工业废水排放量为221.6亿吨，城镇生活污水排放量为462.7亿吨；2013 年，全国废水排放总量为659.4亿吨，其中工业废水排放量为209.8亿吨，城 镇生活污水排放量为458.1亿吨；2014年，全国废水排放总量为716.2亿吨， 其中工业废水排放量为205.3亿吨，城镇生活污水排放量为510.3亿吨；2015 年，全国废水排放总量为735.3亿吨，其中工业废水排放量为199.5亿吨，城 镇生活污水排放量为535.2亿吨。
生态环境部公开数据显示，截至2018年9月底，全国2411家涉及废水排放的经济技术开发区、高新技术产业开发区、出口加工区等工业集聚区，污水集中处理设施建成率达97%；自动在线监控装置安装完成率达96%，均比《水十条》实施前提高40多个百分点，推动950余个工业集聚区建成污水集中处理设施，新增废水处理规模2858万吨/日。与此同时，工业集聚区污染防治任务仍然十分艰巨，规划布局不合理、污染治理主体责任不落实、园区管网不完善、处理工艺和废水类型不匹配等突出问题。作为我国环境污染的重点整治区域，工业园区的水污染治理正是中国环保事业的一个缩影。近年来中国环境保护工作取得积极成效，各类污染物的排放量或总量下滑，或增速放缓。在取得阶段性成效的同时，我们也应当看到我国各类污染物的排放量仍较大，中国所面临环保任务仍十分艰巨。
在中国十个一级水资源区中,海河流域的问题最为严重。日益严重的污染加剧了水匮乏。海河流域现状废污水排放量达60亿吨，集中处理率仅15%。在1.97万km评价河段中,1.41万km受到不同程度的污染,劣于III类水质河段占评价河长的72%；部分水源地受到污染；基流减少导致河道污染自净能力大大降低，形成了49条严重污染的河流；在14.9万km2平原区域中，76%范围内的浅层地下水水质劣于III类,其中6.2万km2受到人为污染；在供水量中，有27%地表水和24%地下水水质达不到供水水质标准，数百万人使用着水质不合格的水。
针对我国水体污染控制与治理的关键科技瓶颈问题，通过河流水资源、水环境、水生态***调查识别流域的关键问题并明确解决途径，构建多水源补给实现河流生态流量保障方案，地表水流域污染源排放清单（动态清单）编制方法，从污染源的分类、污水中主要污染物的识别与排放量的计算、排放量与水质之间的关系构建等方面的工作，最后以GIS为载体，形成具有可以计算、归纳、统计、预测等功能的随时间、空间变化的污染源（动态）清单，使水环境管理***更加体系化、***化、精细化。不仅保障了水资源、水生态、水环境“三水”融合的要素，同时为流域环境综合管控重点对象识别提供支持，支持流域水质目标管理体系和水环境精细化管理。
发明内容
本发明旨在提供一种用于构建地表水流域内污染源流域污染源排放清单（动态清单）编制方法。
本编制方法从污染源的分类、污水中主要污染物的识别与排放量的计算、排放量与水质之间的关系等等方面的工作，最后以GIS为载体，形成具有可以计算、归纳、统计、预测等功能的随时间、空间变化的污染源（动态）清单。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
对地表水流域污染源进行科学的分类时，同时考虑了各类污染源的行业特征和环境管理部门的环境管理要求。本方法将按照污染物释放的形式和范围将污染源分为点源污染和非点源污染。点源按照导致水污染的人类社会活动分为工业源、城镇生活源两类。非点源按照产生的地域来看，可分为城市非点源和农村非点源两类。
根据《中国环境质量报告》中地表水流域的水质状况分析结果，选取流域特征污染物化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）和总磷（TP）做为污染物的污染因子进行排放量计算，其它污染指标可参考计算。
工业源采用实际监测法、产排污系数法及物料衡算法核算污染物的产生量和排放量，物料衡算法只在无法采用实际监测法和产排污系数法核算时使用。城市面源污染负荷定量化研究涉及水文、地理、气象、水土保持和市政等诸多学科，可从不同的角度进行研究分析, 目前采用较多的方法有单位负荷法，根据受纳水体的变化，人工模拟降雨，运用模型。农村非点源污染是指在农业生产、农村生活等过程中产生或导致环境变化的非点源污染。可分为农田径流，畜禽养殖，农村生活三类，对于农田径流根据标准农田法和机理模型；畜禽养殖主要是根据流域最新的统计年鉴以及普查结果确定流域内畜禽数量，通过排污系数法确定畜禽养殖污染指标排放量；农村生活通过统计得到流域内农村人口数量，通过人均产排污系数法或者***系数法确定农村生活污染指标排放量。
基于环境容量的总量控制是地表水流域污染控制的重要手段，而实施排污总量控制的技术关键，就是建立污染物排放量与河流水质之间的输入响应关系。综合考虑水文、水体污染的来源等因素，基于流域断面水质的污染源区域的控制单元划分，建立研究区域水量水质数学模型，并根据设计水文条和水质条件，建立控制断面水质与污染物之间的响应关系，通过响应关系计算得出断面水质达标时各个污染物的允许排污量，进而得出该研究区域的水环境容量。
地表水流域污染源排放清单（动态清单）的质量保证包括原始数据（主要是调查数据）来源质量保证、监测数据测试要求的质量保证、排放量估算的质量保证。具体措施如下：对采用实测方法获得的数据要进行数据有效性的分析，并剔除异常数据；地方环保部门对上报数据进行审核，完成所有必要的纠错；清单编制机构对上报数据进行再审核与处理。包括统一数据格式；查找和删去重复记录，同时将删除记录进行拷贝；确认和分析整理参考指标数据，同时确保其完整性。
地表水流域污染源排放清单（动态清单）的评估与验证可通过宏观统计数据校核、不确定性分析和利用水环境质量模型进行模拟校验等方法进行。
附图说明。
图1为地表水流域污染源排放清单（动态清单）污染源解析流程图。
图2为地表水流域污染源排放清单（动态清单）污染源调查流程图。
图3为地表水流域污染源排放清单（动态清单）技术流程图。
图4为地表水流域污染源排放清单（动态清单）实施效果图。
具体实施方式。
1. 污染源排放量的计算方式。
（1）工业源
①实际监测法
实际监测法是依据实际监测调查对象产生和外排废水量和污染物浓度，计算出废水排放量及各种污染物的排放量，公式如下：
Figure 680263DEST_PATH_IMAGE001
式中：
Figure 660989DEST_PATH_IMAGE002
为废水中污染物i的年排放量，kg/a；
Figure 672807DEST_PATH_IMAGE003
为废水排放总量，m3/a；
Figure 106194DEST_PATH_IMAGE004
为单位换算 系数，对废水一般取10-3；
Figure 369816DEST_PATH_IMAGE005
为污染物i的实测浓度，mg/L；
②产排污系数法
在正常经济技术和管理水平下，生产产品所排放的污染物数量的统计平均值。根据生产过程中单位产品的经验排放系数与产品产量，计算出废水及污染物排放量，公式如下：
Figure 77484DEST_PATH_IMAGE006
式中：
Figure 869991DEST_PATH_IMAGE007
为废水中污染物i的年排放量，kg/a；为污染物i的排放系数，kg/t；W为产品年 产量，t。
（2）城市面源
①单位负荷法
单位负荷法是指依据城市不同土地的功能区类型、人口数量、街道清扫频率、降雨量等数据，给定不同功能区的非点源污染物源强，结合各功能区面积大小，计算城市非点源污染负荷，公式如下：
Figure 321832DEST_PATH_IMAGE008
式中：
Figure 248200DEST_PATH_IMAGE009
为污染物年排放量，
Figure 203517DEST_PATH_IMAGE010
;
Figure 163996DEST_PATH_IMAGE011
为污染物浓度参数 ,
Figure 712920DEST_PATH_IMAGE012
;
Figure 708558DEST_PATH_IMAGE013
为人口密度参数；
Figure 331431DEST_PATH_IMAGE014
为扫街频率参数（扫街时间间隔＞20h,取1；扫街时间间隔＜20，取扫街 时间间隔的1/2）；P为年降水量，cm/a；
其中人口密度参数
Figure 121533DEST_PATH_IMAGE013
可参照下表取值；
表1 人口密度参数
Figure 13878DEST_PATH_IMAGE015
Figure 626256DEST_PATH_IMAGE016
污染物浓度参数可参照下表取值
表2 负荷物浓度参数表
Figure 861376DEST_PATH_IMAGE017
城镇的污染总负荷量为：
式中：为第i类土地利用类型的面积（km2）；
②受纳水体的水质变化
各种污染物最终由地表径流携带进入河流、湖泊、海洋等天然水体,因而受纳水体水质的变化必能反映出非点源污染的影响，在水质规划中采用受纳水体水质的变化来反应非点源污染对水体的影响；
③人工降雨模拟
遥感技术可以为非点源污染研究提供了准确、可靠而丰富的背景资源,提高了研究工作的效率和精度人工模拟试验,可以在人工控制情况下模拟各种自然条件下的非点源污染负荷产出规律。这一方法简化了自然界的变化,突出了主要因素的影响,易于定量化。该方法多被用于模拟研究暴雨径流过程中污染物的流失过程；
④数学模型
建立数学模型,进行时空序列上的模拟,是非点源污染定量化研究、影响评价研究和污染治理时最有效和直接的方法。非点源污染模型主要分为两大类，一类是统计性的经验模型，另一类是机理性的过程模型；
a. 统计性经验模型
1)输出系数法，具体表达式如下：
Figure 785711DEST_PATH_IMAGE020
式中：
Figure 954434DEST_PATH_IMAGE021
为各种土地某种污染物的总输出量，kg/a;m为土地利用类型的数目；
Figure 385153DEST_PATH_IMAGE022
为第i 种土地利用类型的该种污染物输出系数kg/hm2·a;为第i种土地利用类型的面积，hm2；
b.水质水量相关法
在降雨的过程中，只有形成径流才可能产生非点源污染，因此，降雨径流污染负荷量与降雨径流量有密切关系，通过计算地表径流和地下径流的平均浓度，即可算出年污染总负荷量。计算公式如下：
Figure 40574DEST_PATH_IMAGE024
式中：
Figure 232127DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 854869DEST_PATH_IMAGE026
为地表径流和地下径流的平均浓度；
Figure 425790DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 978607DEST_PATH_IMAGE028
为年地表和地下径流；
c.平均浓度法
年污染负荷量可以由地表和地下径流的平均浓度和相应的径流量乘积求得，对于地表径流的平均浓度，可以先计算每次暴雨各种污染非点源污染的平均浓度，以各次暴雨产生的径流量为权重，求出其加权的平均浓度即为地表径流的平均浓度；
一次暴雨径流过程非点源污染平均浓度计算公式为：
Figure 875150DEST_PATH_IMAGE029
式中：
Figure 326466DEST_PATH_IMAGE030
为该次暴雨携带的负荷量，g:
; (8)
为该次暴雨产生的径流量，m3:
Figure 34900DEST_PATH_IMAGE033
; (9)
Figure 320650DEST_PATH_IMAGE034
为
Figure 230444DEST_PATH_IMAGE035
时刻的实测流量，m3/s;
Figure 774164DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 261778DEST_PATH_IMAGE035
时刻的实测污染物浓度，mg/L；为时刻的枯 季流量，m3/s;
Figure 468175DEST_PATH_IMAGE037
为
Figure 798794DEST_PATH_IMAGE035
时刻的基流浓度，mg/L；
Figure 839562DEST_PATH_IMAGE038
为各个变量的代表时间，s；
则多次暴雨非点源污染物的加权平均浓度为：
Figure 127248DEST_PATH_IMAGE040
求得该加权平均浓度，即地表径流平均浓度后，可以算出非点源污染的污染源总负荷量，加上枯季径流携带的负荷量，可以得到年总负荷量。
（3）农田径流
①标准农田法
给出标准农田源强系数COD：0.67kg/(hm2·a)［10kg/(亩·a)］，氨氮：0.13kg/(hm2·a)［2kg/(亩·a)］。所谓标准农田为：平原地区，种植作物为小麦，土壤类型为壤土，化肥施用量为1.67-2.34 kg/(hm2·a)［25-35kg/(亩·a)］，降水量为400-800mm；
土壤类型修正：将农田土壤按质地进行分类，即根据土壤成分中的黏土和砂土比例进行分类，分为砂土、壤土和黏土。壤土修正系数为1；砂土修正系数为0.8-1；黏土修正系数为0.6-0.8；
化肥施用量修正：化肥亩施用量在20kg以下，修正系数取0.8；为20-30kg,修正系数取1；为30-40kg,修正系数取1.2；施用量在40kg以上，修正系数取1.5；
②机理模型
非点源污染模型通过对***内部复杂污染过程的定量描述 ,帮助我们分析污染产生的时空特征,识别其主要来源和迁移路径 , 预报污染负荷及其对水体的影响；
常用的农业非点源污染负荷模型有AGNPS、ANSWERS、SWAT、HSPF、SWRRB、BASNS等。常用的有AGNPS、ANSWERS、SWAT、HSPF等。
（4）畜禽养殖
根据流域最新的统计年鉴以及普查结果确定流域内畜禽数量，通过排污系数法确定畜禽养殖污染指标排放量。排污系数的确定可参照《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》，也可参考原国家环保总局推荐的畜禽***系数，进行估算，如下表所示：
表3原环保总局推荐的畜禽***系数
项目 粪便量 BOD<sub>5</sub> COD<sub>Cr</sub> NH<sub>3</sub>-N TP TN
生猪 1054.7 25.98 26.61 2.07 1.7 4.51
牛 10950 193.7 248.2 25.15 10.07 61.1
羊 950 2.7 4.4 0.57 0.45 2.28
家禽 26.3 1.02 1.17 0.13 0.12 0.28
注：单位：kg/(头·a)。
（5）农业生活污水
没有集中式污水处理设施的农村，生活污染主要来自于生活污水和人粪便。通过统计得到流域内农村人口数量，通过人均产排污系数法或者***系数法确定农村生活污染指标排放量，具体取值可以参照下表：
表4 农村人均污染物排放量
项目 COD<sub>cr</sub> TN TP NH<sub>3</sub>-N
生活污水 5.99 1.46 1.83 0.16
人粪便 19.8 2 3.06 0.53
注：单位：kg/(人·a)；
生活污水流失率按照上海农学院研究确定的上海、江苏地区生活污水流失率85%计算；农村居民人粪尿流失率以产生量的 10%计算；
修正系数取1；为30-40kg,修正系数取1.2；施用量在40kg以上，修正系数取1.5。
2. 污染物排放量与河流水质之间的响应关系。
（1）污染物在河段内均匀混合，可采用河流零维模型计算水域的水环境容量。根据入河污染物的分布情况，应划分不同浓度的均匀混合段，分段计算水环境容量，河段的污染物浓度计算公式：
Figure 894346DEST_PATH_IMAGE041
式中：C为污染物浓度，mg/L；
Figure 156832DEST_PATH_IMAGE042
为排放的废（污）水污染物浓度，mg/L；C0为初始断面的 污染物浓度，mg/L；
Figure 401999DEST_PATH_IMAGE043
为废（污）水排放流量，m3/s；Q为初始断面的入河流量，m3/s；
相应的水环境容量：
式中：M为水环境容量，g/s；
Figure 571873DEST_PATH_IMAGE045
为水质目标浓度值，mg/L；C0为初始断面的污染物浓度， mg/L；
Figure 210403DEST_PATH_IMAGE043
为废（污）水排放流量，m3/s；Q为初始断面的入河流量，m3/s。
（2）污染物在河段横截面上均匀混合，可采用河流一维模型计算水环境容量。主要适用于Q＜150 m3/s的中小型河段；
河流一维稳态水环境数学模型计算公式：
式中：
Figure 879729DEST_PATH_IMAGE047
为流经x距离后的污染物浓度，mg/L；C0为初始断面的污染物浓度，mg/L；x为沿 河段的纵向距离，m；u为设计流量下河道断面的平均流速，m/s；K为污染物综合衰减系数，1/ s；
相应的水环境容量计算：
Figure 595488DEST_PATH_IMAGE048
式中：M为水环境容量，g/s；
Figure 894883DEST_PATH_IMAGE045
为水质目标浓度值，mg/L；
Figure 216274DEST_PATH_IMAGE047
为流经x距离后的污染物浓 度，mg/L；
Figure 626002DEST_PATH_IMAGE043
为废（污）水排放流量，m3/s；Q为初始断面的入河流量，m3/s；
入河排污口位于河段的中部（即x=L/2）时，水功能区下断面的污染物浓度及其相应的水环境容量分别按式（16）和（17）计算：
Figure 640225DEST_PATH_IMAGE049
Figure 833440DEST_PATH_IMAGE050
式中：
Figure 817577DEST_PATH_IMAGE051
为水功能区下段面污染物浓度，mg/L；C0为初始断面的污染物浓度，mg/L；K 为污染物综合衰减系数，1/s；u为设计流量下河道断面的平均流速，m/s；m为污染物入河速 率，g/s；Q为初始断面的入河流量，m3/s ;M为水环境容量，g/s；
Figure 347391DEST_PATH_IMAGE045
为水质目标浓度值，mg/L；
Figure 188308DEST_PATH_IMAGE043
为废（污）水排放流量，m3/s。
(3)污染物在河段横截断面上非均匀混合，可采用河流二维模型计算水环境容量，主要适用于Q≥150m3/s的大型河段。污染物连续恒定排放，横断面为矩形（断面的宽深比不小于20时）的河段，可用模型的解析解计算水环境容量；
对于顺直（河段弯曲系数不大于1.3）河段，忽略横向流速及纵向离散作用，且污染物排放不随时间变化，二维对流扩散方程式：
Figure 931136DEST_PATH_IMAGE052
式中：
Figure 854DEST_PATH_IMAGE053
为污染物的横向扩散系数，m2/s；x为沿河段的纵向距离，m；y为计算点到岸边 的横向距离，m；K为污染物综合衰减系数，1/s；C为污染物浓度，mg/L；
河道断面为矩形，式（18）的解析解按式（19）计算：
Figure 247159DEST_PATH_IMAGE054
式中：为计算水域代表点的污染物平均浓度，mg/L；C0为初始断面的污染物浓 度，mg/L；m为污染物入河速率，g/s；h为设计流量下计算水域的平均水深，m；
Figure 502483DEST_PATH_IMAGE053
为污染物的 横向扩散系数，m2/s；x为沿河段的纵向距离，m； v为设计流量下计算水域的平均流速，m/s；
Figure 828423DEST_PATH_IMAGE053
为污染物的横向扩散系数，m2/s；K为污染物综合衰减系数，1/s；u为设计流量下河道断面 的平均流速，m/s；
以岸边污染物浓度作为下游控制断面的控制浓度时，即y=0，岸边污染物浓度按时（20）计算：
Figure 966053DEST_PATH_IMAGE056
式中：
Figure 102768DEST_PATH_IMAGE057
为纵向距离为x的断面岸边（y=0）污染物浓度，mg/L；C0为初始断面的污染 物浓度，mg/L；m为污染物入河速率，g/s；h为设计流量下计算水域的平均水深，m；
Figure 616926DEST_PATH_IMAGE053
为污染 物的横向扩散系数，m2/s；x为沿河段的纵向距离，m；v为设计流量下计算水域的平均流速， m/s； K为污染物综合衰减系数，1/s；u为设计流量下河道断面的平均流速，m/s；
相应的水环境容量按（21）和（22）计算：
Figure 884571DEST_PATH_IMAGE058
Figure 652938DEST_PATH_IMAGE059
式中：M为水环境容量，g/s；
Figure 147505DEST_PATH_IMAGE045
为水质目标浓度值，mg/L；
Figure 286974DEST_PATH_IMAGE055
为计算水域代表点的污 染物平均浓度，mg/L；
Figure 502186DEST_PATH_IMAGE057
为纵向距离为x的断面岸边（y=0）污染物浓度，mg/L；Q为初始断 面的入河流量，m3/s；
二维对流扩散方程式（18）也可采用数值法求解。当污染物为非恒定排放，也可按差分法求数值解。用数值法求得计算水域代表点的污染物平均浓度C（x,y），按式（21）计算水环境容量。

Claims (6)

1.一种地表水流域污染源排放清单（动态清单）的编制方法，本方法分别从污染源的分类、污水中主要污染物的识别与排放量的计算、排放量与水质之间的关系构建等方面的工作，最后以GIS为载体，形成具有可以计算、归纳、统计、预测等功能的随时间、空间变化的污染源（动态）清单。
2.根据权利要求1所述方法，污染源按照污染物释放的形式和范围将污染源分为点源污染和非点源污染。
3.根据权利要求1所述方法，点源按照导致水污染的人类社会活动分为工业源、城镇生活源两类。
4.根据权利要求1所述方法，非点源按照产生的地域来看，可分为城市面源和农村非点源两类。
5.根据权利要求1所述方法，污染物的基于地表水流域的特征污染物和水质水文特征选取四个污染因子：化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）和总磷（TP）。
6.根据权利要求1所述方法，污染物排放量与水质之间的关系，通过建立研究区域水量水质数学模型，并根据设计水文条和水质条件，建立控制断面水质与污染物之间的响应关系，通过响应关系计算得出断面水质达标时各个污染物的允许排污量，进而得出该研究区域的水环境容量。
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