展永興

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128)

1 研究背景

常熟市東環(huán)河位于虞山鎮(zhèn)與古里鎮(zhèn)交界處，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，長(zhǎng)期受到生活污水、工業(yè)廢水等點(diǎn)源污染，以及養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村面源污染影響，河道水體情況日趨惡劣。東環(huán)河是太湖流域治理的骨干河道之一，其水環(huán)境和生態(tài)問題已成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一；對(duì)東環(huán)河實(shí)施“河長(zhǎng)制”管理是改善其水環(huán)境質(zhì)量的重要舉措。

“河長(zhǎng)制”是在我國(guó)嚴(yán)峻的水環(huán)境問題背景下河道管理模式的創(chuàng)新，通過“河長(zhǎng)制”，能成功改善河道水質(zhì)及水環(huán)境、提升政府的執(zhí)政能力并且獲得群眾的認(rèn)可。在“河長(zhǎng)制”的推行過程中，如何完善其管理模式已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。艾小榆等提出了在程序設(shè)計(jì)、組織設(shè)計(jì)和考核指標(biāo)體系設(shè)計(jì)等方面對(duì)“河長(zhǎng)制”進(jìn)行完善，構(gòu)建了小河流“河長(zhǎng)制”長(zhǎng)效管理模式；李成艾等分析了河長(zhǎng)制實(shí)施過程中存在的困境及內(nèi)在缺陷，探索如何進(jìn)一步創(chuàng)新和完善，構(gòu)建水環(huán)境治理的長(zhǎng)效機(jī)制；劉元沛等提出“河長(zhǎng)制”從“人治”到“法治”的轉(zhuǎn)變，建立依法治水的中國(guó)特色的流域綜合管理模式。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于河長(zhǎng)制的研究多集中于短河流，但對(duì)于長(zhǎng)河流，由于聯(lián)通水系的污染，相同的管理模式僅能短期控制而無法長(zhǎng)效維護(hù)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)河流斷面及交匯河道斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)是對(duì)各河道河長(zhǎng)協(xié)作管理模式新的考驗(yàn)。

本文以常熟市東環(huán)河為例，依托于“河長(zhǎng)制”管理模式，劃分東環(huán)河流域，對(duì)干流流域整體及各片區(qū)支流流域水質(zhì)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，同時(shí)利用一維穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，模擬東環(huán)河流域水環(huán)境，提出水資源合理配置的污染量控制方案，在實(shí)現(xiàn)各支流水體水質(zhì)達(dá)標(biāo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)東環(huán)河整體流域水質(zhì)長(zhǎng)效管理，對(duì)完善河長(zhǎng)制管理機(jī)制、推動(dòng)其全面實(shí)施具有重要意義。

2 東環(huán)河現(xiàn)狀

2.1 東環(huán)河虞東路橋斷面干流水質(zhì)狀況

2016年?yáng)|環(huán)河虞東路橋斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1所示，其中CODMn、NH3-N、TP達(dá)標(biāo)率分別只有75%、27.7%、33.3%。

NH3-N濃度介于0.84～1.86mg/L之間，平均濃度為1.31mg/L，共出現(xiàn)6次不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象。

TP濃度介于0.15～0.52mg/L之間，平均濃度為0.28mg/L，共出現(xiàn)5次不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象，TP最大濃度出現(xiàn)于8月30號(hào)，最低濃度出現(xiàn)于7月份，

圖1 2016年虞東路橋斷面水質(zhì)情況

總體達(dá)標(biāo)率僅為37.5%。

CODMn濃度介于4.00～6.35mg/L之間，平均濃度為5.44mg/L，共出現(xiàn)2次不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象，CODMn最大濃度出現(xiàn)于9月20號(hào)，最低濃度出現(xiàn)于7月份，總體達(dá)標(biāo)率為75.0%。

2.2 東環(huán)河虞東路橋斷面支流水質(zhì)狀況

在東環(huán)河虞東路橋斷面相關(guān)的河段上設(shè)置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位見圖2，進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

圖2 東環(huán)河虞東路橋斷面支流監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圖

對(duì)10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的CODMn、NH3-N和TP監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖3所示，由此得出如下結(jié)論：

(1)東環(huán)河虞東路橋斷面匯水范圍內(nèi)的周家河、朱家河、陸石涇、淼西河、落水涇等支流河道CODMn不超標(biāo)，只有石灣里、青墩塘等河流CODMn指數(shù)接近于Ⅲ類水指標(biāo)。虞東路橋斷面支流河道水系連通性較好，周邊主要以農(nóng)田和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)為主，生活污染源相對(duì)較少，CODMn指標(biāo)維持在達(dá)標(biāo)范圍內(nèi)。

圖3 東環(huán)河CODMn、NH3-H、TP監(jiān)測(cè)柱狀圖

(2)東環(huán)河虞東路橋斷面匯水范圍內(nèi)支流河道存在NH3-N超標(biāo)現(xiàn)象，其中超標(biāo)倍數(shù)介于1.16～1.54之間，東涇河對(duì)虞東路橋斷面NH3-N超標(biāo)影響最大。周家河、石灣里、陸石涇、淼西河等支流河道周邊存在較大范圍農(nóng)田和養(yǎng)殖業(yè)塘，農(nóng)業(yè)面源污染和養(yǎng)殖業(yè)污染是支流河道NH3-N指數(shù)超標(biāo)的主要原因。由此可知，河道的NH3-N污染源治理對(duì)于虞東路橋斷面整治具有重要意義。

(3)TP超標(biāo)情況和NH3-N類似，支流河道中石灣里、淼西河TP指數(shù)接近于Ⅲ類水指標(biāo)，然而周家河、朱家河、陸石涇、東涇河、落水涇等出現(xiàn)TP超標(biāo)現(xiàn)象，其中東涇河超標(biāo)倍數(shù)達(dá)到1.70倍。

綜上所述，NH3-N和TP超標(biāo)是東環(huán)河虞東路橋斷面支流主要存在問題，其中落水涇等支流對(duì)斷面污染負(fù)荷貢獻(xiàn)較大，在達(dá)標(biāo)整治過程中應(yīng)作為重點(diǎn)工程。

3 實(shí)施河長(zhǎng)制對(duì)河道斷面設(shè)計(jì)的需求

3.1 “河長(zhǎng)制”目標(biāo)

“河長(zhǎng)制”是各級(jí)黨政負(fù)責(zé)人直接負(fù)責(zé)組織領(lǐng)導(dǎo)相應(yīng)河湖的管理和保護(hù)工作，實(shí)現(xiàn)河道長(zhǎng)效管理，維護(hù)河道健康。“河長(zhǎng)制”的實(shí)施不僅有利于明確各級(jí)黨委政府的生態(tài)責(zé)任，也整合了各級(jí)黨委政府的執(zhí)行力，調(diào)動(dòng)各種力量和資源參與水污染治理，營(yíng)造全社會(huì)共同治水的良好氛圍。到2020年，通過“河長(zhǎng)制”的全面實(shí)施，在江蘇省實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代河湖管理保護(hù)規(guī)劃體系的基本建立，全面遏制人為侵占河湖的行為，基本消除地表水劣V類水體和太湖流域內(nèi)的城鄉(xiāng)黑臭水體，顯著提升供水、防洪、水生態(tài)功能，明顯提升群眾對(duì)水生態(tài)環(huán)境的滿意度。

3.2 東環(huán)河“河長(zhǎng)制”實(shí)施對(duì)河道斷面設(shè)計(jì)的需求

“河長(zhǎng)制”既是河道治理新模式，同時(shí)也是水文學(xué)、水力學(xué)、水資源、水環(huán)境理論的統(tǒng)一。河道治理過程中，要將這些理論與河道實(shí)際情況相結(jié)合，開發(fā)出既有共性又有個(gè)性的河道設(shè)計(jì)方案。

(1)水質(zhì)監(jiān)控滿足河道斷面達(dá)標(biāo)控制的需求

通過水質(zhì)分析監(jiān)測(cè)，可以研究出污染物質(zhì)的來源、分布、遷移和變化的規(guī)律，正確評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量，確定水環(huán)境污染的主控因素。東環(huán)河支流眾多，水質(zhì)狀況瞬時(shí)變化很不穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)過程時(shí)間段必須保持連續(xù)，以免破壞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性和規(guī)律性；同時(shí)為保證空間范圍的連續(xù)性，其上游到下游需要統(tǒng)一且完整的檢測(cè)體系。水質(zhì)監(jiān)控指標(biāo)選擇，既要反映東環(huán)河整體狀況，也要反映不同支流的水體情況。

(2)水環(huán)境容量總量控制需滿足對(duì)河道斷面達(dá)標(biāo)控制的要求

以水環(huán)境容量為出發(fā)點(diǎn)，將污染總量逐級(jí)分解，從點(diǎn)到線再發(fā)展至面，由局部水環(huán)境質(zhì)量提升，最終達(dá)到水環(huán)境全面改善。東環(huán)河區(qū)域功能性不同，造成了不同地區(qū)的水污染指標(biāo)超標(biāo)系數(shù)的差異性：12個(gè)控制單元中朱家河，東涇河、落水涇污染因子超標(biāo)倍數(shù)高，但石灣里、西塘河、青墩塘還存在一定容納污染物的富余。所以在東環(huán)河斷面整治過程中，要結(jié)合河道區(qū)域內(nèi)功能性，為各流域預(yù)留相應(yīng)的水環(huán)境容量，并對(duì)排污總量進(jìn)行合理地分配，規(guī)定不同河段及污染源的排放限制。

(3)污染物入河量需滿足河道斷面達(dá)標(biāo)控制的要求

通過估算進(jìn)入水體的污染物負(fù)荷，能夠掌握研究區(qū)域的污染現(xiàn)狀，為水污染防治和水環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行污染物排放量的估算時(shí)，應(yīng)該結(jié)合污染源的差異分區(qū)域統(tǒng)計(jì)，將流域內(nèi)的農(nóng)田、農(nóng)村和城鎮(zhèn)區(qū)域分開，找出研究區(qū)域內(nèi)的主要污染源，有針對(duì)性地制定削減方案。東環(huán)河流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均勻，部分區(qū)域城鎮(zhèn)率高，下墊面多為水泥地面，徑流系數(shù)大，且污染源種類多，污染物入河系數(shù)高；有些區(qū)域?yàn)檗r(nóng)村，仍保持著土壤下墊面，在土壤滲透過程中，對(duì)污染物有一定的削減，污染物入河系數(shù)小，所以要結(jié)合不同區(qū)域的類型進(jìn)行污染入河量計(jì)算。

(4)水資源配置應(yīng)滿足河道斷面達(dá)標(biāo)控制的需求

水資源合理配置能夠加強(qiáng)水資源與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境等要素的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)水資源高效利用。同時(shí)，基于污染控制的水資源配置，能夠?qū)崿F(xiàn)污染的源頭控制。主體功能區(qū)結(jié)構(gòu)類型差異會(huì)對(duì)水資源配置總量分配產(chǎn)生影響，水污染物的削減能力也與污染源的來源密切相關(guān)，所以水資源的配置要與功能區(qū)及污染源機(jī)密結(jié)合。東環(huán)河流域內(nèi)東環(huán)村等存在著大范圍農(nóng)田種植和湖蕩養(yǎng)殖業(yè)，污染源來源為化肥，所以在水資源配置過程中要考慮到農(nóng)業(yè)灌溉以及水產(chǎn)養(yǎng)殖的耗水量及相應(yīng)的面源污染量；但新橋村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)主要為工業(yè)制造，其污染源要結(jié)合企業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，具體分析，水資源配置也不同于其他村落。

4 常熟市東環(huán)河斷面達(dá)標(biāo)方案設(shè)計(jì)

水環(huán)境問題診斷過程中，首先應(yīng)對(duì)污染物進(jìn)行分類，通常以耗氧污染(COD、氨氮)，營(yíng)養(yǎng)鹽污染(氮、磷等)和毒害污染(重金屬、有機(jī)污染物等)進(jìn)行劃分。對(duì)各類型污染利用不同水環(huán)境評(píng)價(jià)模型進(jìn)行污染程度評(píng)價(jià)，如單因子評(píng)價(jià)法、污染指數(shù)法、模糊評(píng)價(jià)法等。其中單因子評(píng)價(jià)法具有能直接反應(yīng)出水質(zhì)狀況與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)，能快速的反應(yīng)出各河道污染指數(shù)的變化。結(jié)合東環(huán)河流域長(zhǎng)，范圍廣的特點(diǎn)，本次研究選取單因子評(píng)價(jià)法，選用有機(jī)污染指標(biāo)(高錳酸鹽指數(shù)CODMn)、氨氮和富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)(總磷)3個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 單因子評(píng)價(jià)指標(biāo)

單因子評(píng)價(jià)法的公式如下：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi—單項(xiàng)水質(zhì)評(píng)價(jià)因子；Ci—實(shí)測(cè)濃度的平均值,mg/L；Si—評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L，參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)以及監(jiān)測(cè)斷面隸屬的功能區(qū)選定。

4.2 水環(huán)境容量計(jì)算

針對(duì)東環(huán)河流域，選取合適的水質(zhì)模型對(duì)污染物的變化進(jìn)行模擬，根據(jù)污染物的特性及相應(yīng)的水質(zhì)目標(biāo)，結(jié)合污染物的時(shí)空分布和排放方式來計(jì)算水環(huán)境容量。將水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果與東環(huán)河污染物年入河總量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于超標(biāo)排放的污染物選用合適的分配模型對(duì)污染源進(jìn)行控制，以減輕東環(huán)河流域內(nèi)的水質(zhì)污染狀況。

常用的水質(zhì)模型包括WASP、EFDC、SWAT、HSPF、SPARROW、MIKE等，涵蓋從機(jī)理到經(jīng)驗(yàn)、從一維到三維的多種模擬過程和空間尺度。不同模型在資料需求、模擬組分、時(shí)空尺度上存在較大差異，因而適用于不同的情形。由于東環(huán)河污染物濃度在橫向斷面和垂向斷面的變化都很小，僅在縱向斷面上變化明顯。本方案選擇河流一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型計(jì)算水環(huán)境容量，如圖4所示。

圖4 一維水質(zhì)模型示意圖

排污口下游某處的水質(zhì)濃度為：

C=C′exp(-Kx/86400μ)

(2)

式中，C′—污染物的混合濃度，mg/L；C0—上游污染物濃度，mg/L；Q0—上游河水流量，m3/s；W—排污口或支流的污染物排放量，kg/d；Cq—排污口或支流的污染物濃度，mg/L；q—排污口或支流的流量，m3/s；C—混合處下游x米處斷面污染物的濃度，mg/L；K—污染物的降解系數(shù)，1/d；x—斷面距離混合處的距離，m；μ—流速，m/s。

如果僅存在一個(gè)排污口時(shí)：

(3)

式中，W容量—水環(huán)境容量，kg/d；Cs—水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L。

如果存在多個(gè)排放口時(shí)，由于排污量和控制斷面水質(zhì)濃度為線性關(guān)系，只需要將計(jì)算的結(jié)果疊加。

4.3 削減量計(jì)算

(1)污染物削減量：污染物入河的總量減去河道的環(huán)境容量，即

W削減=W入河—W容量

(4)

式中，W容量—環(huán)境容量；W削減—污染物削減量；W入河—現(xiàn)狀污染物入河量。

計(jì)算結(jié)果為正，為污染物削減量；結(jié)果為負(fù)，為剩余容量。

(2)削減率：指削減量與現(xiàn)狀污染物入河量的比值，即：

削減率=W削減/W入河

(5)

式中，W削減—污染物削減量；W入河—現(xiàn)狀污染物入河量。

根據(jù)東環(huán)河虞東路橋斷面流域地形地貌特征和污染源分布特征，通過與鎮(zhèn)村級(jí)行政邊界的結(jié)合，將東環(huán)河虞東路橋斷面匯水區(qū)以村為單位劃分為了12個(gè)控制單元，分析得出，COD入河量主要來源于農(nóng)村垃圾污染源；NH3-N入河量主要來源于工業(yè)生產(chǎn)污染源；；TP入河量主要來源于農(nóng)業(yè)面源污染。所以東環(huán)河河道斷面設(shè)計(jì)過程中，要匯總流域內(nèi)工業(yè)企業(yè)廢水接管情況及流域內(nèi)城鎮(zhèn)及農(nóng)村面源污染量；排查污水廠廢水接納量，最終得出東環(huán)河虞東路橋斷面匯水范圍內(nèi)COD、NH3-N、TP的入河量，農(nóng)村及城鎮(zhèn)生活污染物入河量采用以下公式計(jì)算：

農(nóng)村生活污染物入河量

W生1=W生1p×β2

(6)

式中，W生1—入河的農(nóng)村污染物總量；W生1p—排放的農(nóng)村污染物總量；β2—農(nóng)村污染物的入河系數(shù)，通常為0.8。

W生1p=N農(nóng)×α1

(7)

式中，N農(nóng)—農(nóng)村人口數(shù)；α1—農(nóng)村生活排污系數(shù)。

城鎮(zhèn)生活污染物入河量

W生2=(W生2p-θ2)×β3

(8)

式中，W生2—入河的城鎮(zhèn)污染物總量；W生2p—排放的城鎮(zhèn)污染物總量；β3—城鎮(zhèn)污染物的入河系數(shù)，通常為0.8；θ2—被污水廠去除的城鎮(zhèn)污染物總量。

W生2p=N城×α2

(9)

式中，N城—城市人口數(shù)；α2—城市生活排污量。

農(nóng)田類污染物入河量

W農(nóng)=W農(nóng)p×β4

(10)

式中，W農(nóng)—入河的農(nóng)田污染物總量；W農(nóng)p—排放的農(nóng)田污染物總量；β4—農(nóng)田污染物的入河系數(shù)，通常為0.1。

W農(nóng)p=M×α3

(11)

式中，M—耕地面積；α3—農(nóng)田排污系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，東環(huán)河虞東路橋斷面各污染物年入河總量分別為：CODMn為704.1549t、NH3-N為76.4744t、TP為10.5341t。

4.4 水資源配置

等比例分配法是一種較為簡(jiǎn)單公平的分配方法。該方法在污染源達(dá)標(biāo)排放量的基礎(chǔ)上，將允許排放量按照污染物的達(dá)標(biāo)排放量等比例地分配到各排污單元。假設(shè)參與分配的排污單位數(shù)目為n，各排污單位的達(dá)標(biāo)排放量分別為W1、W2、W3、Wn，環(huán)境允許排放量為Q，則每個(gè)排污單位分配到的許可排放量為：

(12)

式中，Qi—第i個(gè)排污單位的許可排放量；Q—該控制單元的環(huán)境允許排放量；Wi—第i個(gè)排污單位的達(dá)標(biāo)排放量。

其中，分配基本原則為：①重點(diǎn)源重點(diǎn)削減原則，城鎮(zhèn)生活污染源與工業(yè)污染源作為優(yōu)先削減的重點(diǎn)；②分配可行性原則，即總量分配與削減要優(yōu)先考慮易削減的區(qū)域與行業(yè)，分配的結(jié)果要兼顧到未來控制方案的可行性；③反饋調(diào)整原則，即總量分配與削減的方案要通過規(guī)劃方案的設(shè)計(jì)、評(píng)估和反饋調(diào)整來保證其實(shí)施的可行性。

4.5 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

(1)東環(huán)河虞東路橋斷面2016年6—9月的數(shù)值監(jiān)測(cè)指標(biāo)及各因子單項(xiàng)指數(shù)表1。

表1 東環(huán)河虞東路橋斷面2016年6—9月的數(shù)值監(jiān)測(cè)指標(biāo)及各因子單項(xiàng)指數(shù)

由表1知：東環(huán)河虞東路橋斷面的首要污染因子為氨氮；總磷超標(biāo)頻繁且超標(biāo)倍數(shù)較高；斷面高錳酸鹽指數(shù)在Ⅲ類達(dá)標(biāo)線上下波動(dòng)。

(2)東環(huán)河虞東路橋斷面水環(huán)境容量、污染物入河量及污染物削減率，見表2。

針對(duì)整個(gè)東環(huán)河虞東路橋斷面，將水環(huán)境容量與污染入河量對(duì)比，高錳酸鉀作為污染因子指數(shù)依然有余量，但氨氮及總磷超標(biāo)量大，需要對(duì)這兩個(gè)污染因子進(jìn)行削減，削減率分別為35.52%、42.9%。

表2 東環(huán)河虞東路橋斷面污染物削量

(3)虞東路橋斷面匯水區(qū)計(jì)算得到水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況下的總量分配結(jié)果見表3。

表3 東環(huán)河虞東路橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的許可量分配結(jié)果

為確保東環(huán)河虞東路橋斷面水質(zhì)達(dá)到III類水質(zhì)目標(biāo)，將東環(huán)河流域分為4個(gè)大區(qū)，分別為虞山鎮(zhèn)琴湖管理區(qū)、虞山鎮(zhèn)虹橋管理區(qū)、古里鎮(zhèn)及高新區(qū)。以村為單位采用等比例分配法進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)東環(huán)河各流域內(nèi)水質(zhì)均穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

5 結(jié)論

(1)本文以“河長(zhǎng)制”為依托，對(duì)東環(huán)河流域進(jìn)行斷面劃分，并對(duì)各斷面水質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，分析表明氨氮和總磷超標(biāo)是虞東路橋斷面污染的主要因素；

(2)運(yùn)用動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型和水環(huán)境容量分析，得出可以通過削減東環(huán)河35.52%氨氮及42.9%總磷污染來實(shí)現(xiàn)東環(huán)河整條河道的水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

以上研究通過將傳統(tǒng)的河道總量控制方法納入到“河長(zhǎng)制”管理模式的實(shí)施過程中，為“河長(zhǎng)制”實(shí)施過程中的河道治理提供了參考依據(jù)，對(duì)推動(dòng)“河長(zhǎng)制”管理機(jī)制的完善具有重要意義。