主要水环境问题诊断和识别.docx
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主要水环境问题诊断和识别
第四章主要水环境问题诊断和识别
1、工业企业污染问题
合水县工业生产不发达,重点监控排污企业主要为古象奶业股份有限公司及长庆油田分公司十二采油厂两家,石油开采和加工过程中产生的废水、废渣等对地下水和土壤造成一定程度的污染。
2、农村农业污染问题突出,污染负荷削减任务重
根据污染负荷核算结果,农村农业面源污染物COD入河量主要来源于农村畜禽养殖,TN、TP入河量主要来源于农村畜禽养殖和农田化肥流失为主;规模化畜禽养殖污染物产生量较大,此部分污染负荷的削减任务重,且治污工程的环境效益在短期内难以体现,削减难度较大,成为制约水质改善提高的主要因素。
合水县本次设置的3个断面涉及的人口较多,农村生活污水和生产生活垃圾产生的污染负荷较大,流域范围内农村环境综合整治工作开展较少,无污水收集管网,无处理设施,生活污水通过现有渠系进入河道,对河道水质造成污染影响;大部分农村村落垃圾乱扔现象明显,淤积污水沟渠,阻塞污水通道(照片4-1至4-4)。
3、城镇生活污染收集处理系统不健全
据调查,合水县除了县城建有1座县级污水处理厂外,其余乡镇生活污水、垃圾收集和处理系统设施尚缺乏,绝大部分乡镇产生的生活污水、生活垃圾由于得不到有效的收集和处置,其产生污染物随区域渠道水沟进入河道,将加大河道污染负荷;个别在建垃圾填埋场设置垃圾渗沥液收集池等。
4、河流水开发,影响河流水生态环境
本达标方案涉及的河流县域范围内共设置水库2座,水库的建设使河道径流的天然属性改变,自然径流分配受到人为干扰,导致河流流态变化,流量流速降低,水体自净能力降低,河流的水生态环境受到影响。
5、监管体系机制不完善,流域综合管理能力仍需加强
合水县各河流目前监测监控能力建设还不能满足流域综合管理需求,尚未形成完善的水质水量监测网络体系,导致水环境监管难失去抓手和依据,监管效能无法发挥。
针对沿河工业企业环境监管能力不足,统一的监控、预警、调度平台有待建立。
此外,环境监管体制机制尚不完善健全,管理水平亟待提高。
相关政策法规仍不完善。
现有政策体系中缺乏相应的鼓励、扶持开展清洁生产、循环经济的政策和机制,难以促进地方从源头上开展污染减排工作;缺乏应有的补偿政策和机制,难以处理好受益者与资源提供者之间的关系;缺乏相应的责任追究、问责、考核制度,难以有效提高水环境保护与管理水平。
对于跨区域河流污染应采取联合治理机制或生态补偿机制进行解决。
第五章污染排放与水质响应关系建立
第一节污染控制分区及控制单元划分
1、汇水区及控制单元划分原则
根据国务院颁布的《水污染防治行动计划》提出的“问题导向、突出重点、精准治污”的指导思想,基于《水体达标方案技术指南》(试行)提出的控制单元划分的要求,对达标断面流域开展污染控制区划,为分区分级污染防治方案设计,提出重点突出、针对性强的工程提供技术依据。
污染控制区划将遵照如下原则:
水陆统筹原则;
②以乡镇为最小行政单位原则;
③完整性与唯一性原则;
④与规划功能区划及国家优先控制单元划分衔接原则;
2、汇水区及控制单元划分结果
根据流域地形地貌特征,污染源分布特征,基于GIS平台和DEM数据提取水文响应单元,通过与乡镇级行政边界的结合,合水县3断面汇水区共划分为12个控制单元,具体划分结果见表5-1。
表5-1合水县各断面污染控制分区及控制单元划分情况表
所属流域
控制断面位置
断面考核类别
控制单元
马莲河
铁李川大桥出境
市考
蒿咀铺、老城镇、板桥、太莪、店子、西华池、何家畔、吉岘,及店子坪大桥断面控制单元(马莲河入境)
合水川董家沟
董家沟
入马莲河
蒿咀铺、老城镇、板桥
马莲河
固城河米家川出境
国考
固城、段家集、肖咀
葫芦河
葫芦河太白镇出境
出境
太白镇
第二节污染物排放与水质响应模型建立
1、河流水资源量模拟模型--SWAT模型
(1)SWAT模型原理
SWAT模拟的水文过程分为水循环的陆面部分(即产流和坡面汇流部分)和水循环的水面部分(即河道汇流部分)。
前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量;后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。
整个水分循环系统最重要的基础是水量平衡,其水量平衡表达式如下:
(5-1)
式中:
swt(mm)是土壤最终含水量,sw0(mm)土壤初始含水量,t为时间(day),Rday(mm)为第天总降水量,Qsurf(mm)是第i天地表径流总量,Ea(mm)是第天蒸散总量,Wseep(mm)第天土壤侧流总量,Qgw(mm)第i天地下径流总量。
(1)地表径流
SWAT模型中采用SCS曲线数法模拟降水径流,SCS模型主要可用于计算直接地表径流。
SCS模型的降雨-径流的表达式如下:
(5-2)
式中:
P为一次性降雨总量,(mm);Q为地表径流量,(mm);Ia为初损,(mm);即产生地表径流之前的降雨损失;F为后损,(mm),即产生地表径流之后的降雨损失;S为流域的可能最大滞留量,(mm),是后损F的上限。
为了更好的计算流域当时的最大可能滞留量S,SCS模型引入反映降水前流域特征的无量纲综合参数CN,它是前期土壤湿度AMC、土地利用方式和土壤类型等因素的综合。
计算公式如下:
(5-3)
引入CN值以后,得到的SCS模型的产流计算公式为:
(5-4)
式中,只有当Rday>Ia时才会产生径流。
流域空间存在差异性,为了反映其差异性,SWAT模型中引入了SCS模型的CN值的土壤水分和坡度校正。
为了反映流域土壤水分对CN值的影响,SCS模型根据前期降水量的大小将前期水分条件划分为干旱、正常和湿润三个等级,不同前期土壤水分取不同的CN值,干旱和湿润的CN值由下式计算:
(5-5)
式中:
CN1、CN2和CN3分别是干旱、正常和湿润等级的CN值。
SCS模型中提供了坡度大约为5%的CN值,可用下式对CN进行坡度订正:
(5-6)(5-7)
式中:
CN2S为经过坡度订正后的正常土壤水分条件下的CN2值;SLP为子流域平均坡度,m/m。
(2)蒸散发量
这里所指的蒸散发量即为地表水转化为水蒸气的过程,主要包含5类蒸发,分别是潜在蒸散发、实际蒸散发、层截留蒸散发、植物蒸腾和土壤水分蒸发等。
模型提供了penman-Monteith、priestley-Taylor和Hargreaves等三种方法来计算潜在蒸散发。
(3)土壤水
SWAT模型采用动力贮水的模型计算得到壤中流,模型最终计算壤中流的公式如下:
(5-8)
式中:
SWly,excess为土壤饱和区内可流出的水量,mm;Ksat为土壤饱和导水率mm/h;slp为流域坡度;Ф为土壤可出流孔隙率;Lhill为坡长。
(4)地下水
SWAT模型中所用到的计算地下水的表达式为:
(5-9)
式中:
Qgw,i为第i天进入河道的地下水补给量,mm;Qgw,i-1为第(i-1)天进入河道的地下水补给量,mm;为时间步长,d;wychrg为第i天蓄水层的补给流量,mm;αgw为基流的退水系数。
其中补给流量由下式计算:
(5-10)
式中:
Wrchrg,i为第i天蓄水层补给量,mm;δgw为补给滞后时间,d;Wseep为第i天通过土壤剖面底部进入地下含水层的水分通量,mm/d;Wrchrg,i-1为第(i-1)天蓄水层补给量,mm。
(5)主河道(或河段)汇流
河道水流演算多采用变动存储系数模型或Muskingum方法。
(2)SWAT模型构建
(1)空间数据库
所采用的数字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)数据来自国际服务平台网站,数据的分辨率为30m,投影坐标为D_WGS_1984,地理坐标为WGS_1984_UTM_Zone_47N,利用ARCGIS裁剪出研究区域的DEM,进行网格重分得到流域范围内的数字高程模型图。
DEM数据是SWAT模型中首先输入的空间数据文件,也是最重要的数据,是建模的基础,对流域的DEM进行分析和处理,可以提取出水流流向、流域边界、自动生成的河网、子流域、以及河道和子流域的编码、面积、河网结构和拓扑关系等。
(2)非空间数据库
1)气象资料数据库
模型需要输入的气象数据主要包括气温、降雨、相对湿度、太阳辐射和风速等。
在具有实测数据的情况下,要求以.dbf的格式将以上气象数据输入模型的数据库中,而且时间尺度上每一种实测数据要求是逐日的,在没有实测数据时或者为了填补缺失的部分数据模型可以通过自带的“天气发生器”(WeatherGenerator)生成逐日气象数据,本报告中采用的气象数据部分为实测值,部分由“天气发生器”生成数据。
要能够生成这些模拟值,天气发生器需要输入的气象参数较多,大约有160个气象参数,主要有月平均最高气温、月平均最低气温、最高气温标准偏差、月平均降雨量、降雨量标准偏差、月内干日日数、露点温度、月平均太阳辐射量等。
本报告采用了合水县气象站的实测数据作为输入。
2)土壤物理属性数据库
每一种土壤类型具有其特有的土壤物理属性,SWAT模型需要输入的土壤物理属性参数主要包括土壤层厚度、根系深度、土壤水文学分组、土壤中的黏土、壤土、沙土和砾石所占百分比、土壤湿容重、水力传导率、有效含水量、有机碳含量、土壤可侵蚀K因子、反照率和电导率等。
详情见表5-2。
表5-2SWAT模型土壤物理属性输入参数
参数名称
模型定义
TITLE/TEXT
位于.sol文件的第一行,说明文件
SNAM
土壤名称(在HRU总表中打印)
HYDGRP
土壤水文学分组(A、B、C、D)
SOL_ZMX
土壤剖面最大根系深度
ANION_EXCL
阴离子交换空隙度
SOL_CRK
土壤最大可压缩量,以所占总土壤体积的分数表示
TEXTURE
土壤层结构
SOL_Z(layer#)
土壤表层到土壤底层的深度(mm)
SOL_BD(layer#)
土壤湿密度(mg/m3或g/cm3)
SOL_AWC(layer#)
土层可利用的有效水(mm/mm)
SOL_K(layer#)
饱和水利传导系数(mm/h)
SOL_CBN(layer#)
有机碳含量
CLAY(layer#)
黏土(%),直径<0.002mm的土壤颗粒组成
SILT(layer#)
壤土(%),直径在0.002~0.05mm之间的土壤颗粒组成
SAND(layer#)
沙土(%),直径在0.05~2.0mm之间的土壤颗粒组成
ROCK(layer#)
砾石(%),直径>2.0mm之间的土壤颗粒组成
SOL_ALB(layer#)
地表反射率(湿)
USLE_K(layer#)
USLE方程中土壤侵蚀力因子
SOL_EC(layer#)
电导率(dS/m)
SWAT模型中的SCS模型,按土壤完全湿润条件下的最小下渗率值将土壤分为A、B、C、D四种土壤水文学分组。
在完全湿润条件下,当最小下渗率为7.26~11.43mm/h时属于A水文组,具有较高渗透率的土壤,具有很好的排水和导水能力;当最小下渗率为3.81~7.26mm/h时属于B水文组,具有中等渗透率的土壤;当最小下渗率为1.27~3.81mm/h时属于C水文组,具有较低渗透率的土壤;当最小下渗率为0~1.27mm/h时属于D水文组,具有很低渗透率的土壤。
3)水文响应单元(HRU)的划分
在污染物控制单元的基础上,SWAT模型根据每个控制单元内不同的土壤类型和土地利用方式可以划分为多个水文响应单元(HRU)。
水文响应单元是控制单元的一部分,含有唯一的土地利用和土壤属性,被假定为在亚流域中有用以的水文行为。
本报告中采用土地利用、土壤面积和坡度的最小阈值各为5%,20%
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