陳闊，馮健，趙進(jìn)勇，彭文啟，付意成

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.中國水利水電科學(xué)研究院 水生態(tài)環(huán)境所，北京 100038)

2015年國務(wù)院印發(fā)的《水污染防治行動計(jì)劃》(以下簡稱“水十條”)明確提出，“到2020年，地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)”與“到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除”的控制目標(biāo)?！八畻l”旨在解決水體污染的關(guān)鍵問題，并規(guī)定地方人民政府需定期向公眾公布城市黑臭水體名稱和治理進(jìn)展情況，整治黑臭水體已經(jīng)成為地方政府改善城市生態(tài)環(huán)境的重要工作內(nèi)容。由于以前對于潛江市黑臭水體的研究只是面向其污染控制技術(shù)和方法，少有對治理方案和策略進(jìn)行研究。目前，亟須按照新時(shí)期治水理念，遵循流域內(nèi)水文水動力、水環(huán)境與水生態(tài)的基本規(guī)律，將源頭控制、過程阻控和末端治理3個(gè)重要環(huán)節(jié)進(jìn)行聯(lián)系，統(tǒng)籌流域山、水、林、田、湖、草等生態(tài)要素，考慮河湖水系高度耦合的特點(diǎn)，探索形成全覆蓋、全過程、全要素及問題可定位、定時(shí)識別，措施可落地有效、效果可定量預(yù)測的城鄉(xiāng)河湖水環(huán)境治理“三全三可”策略[1]。文中基于最大日負(fù)荷量(Total Maximum Daily Load，TMDL)的水環(huán)境治理方法，在潛江市城區(qū)范圍內(nèi)監(jiān)測潛江市黑臭水體水質(zhì)，制定潛江市黑臭水體清單，在黑臭水體所對應(yīng)的陸域范圍內(nèi)系統(tǒng)調(diào)查污染源，核算污染物總量，并計(jì)算黑臭水體的納污能力，從而確定需要削減的污染物量，針對每條河的實(shí)際情況和污染物削減量確定針對性的污染治理方案和措施，預(yù)估所需的工程措施、工程量和實(shí)施周期，提出后續(xù)監(jiān)測評估方案、組織實(shí)施和保障等內(nèi)容，編制完成黑臭水體整治方案[2]。

TMDL是指在滿足水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，水體每日能夠接受的某種污染物(本文主要研究化學(xué)需氧量(COD)和氨氮(NH3-N))的最大量，TMDL包括點(diǎn)源和面源的污染負(fù)荷，可通過控制污染物的排放措施使目標(biāo)水體達(dá)到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

1 研究區(qū)水系

潛江市位于東經(jīng)112.483°～113.017°、北緯30.067°～30.650°，地處湖北省中南部，江漢平原腹地，東通武漢，南連監(jiān)利，西鄰荊州，北接荊門，是武漢“8+1”城市圈成員之一。全市南北長64.4 km、東西寬51.3 km，呈不規(guī)則的長方形，國土面積為2 004 km2。受人類活動的影響，人工地形、臺地、堤壩、湖垸廣布，溝渠縱橫。

潛江市曾是湖北省有名的水網(wǎng)湖區(qū)，該市水域總面積為197 km2，河渠面積為166 km2，湖泊面積為31 km2。

城區(qū)位于潛江市漢南片區(qū)，排水水系屬通南水系。通南水系以城南河為主排水河，共有排水支流349條，總長度751.26 km，城區(qū)內(nèi)主要引、排水河渠分布如圖1所示。

城區(qū)及周邊現(xiàn)狀水系呈“四縱八橫”格局，百里長渠、城南河、縣河和城東河縱貫?zāi)媳?，羅潭河、莫解渠、一支渠、二支渠、三支渠、四支渠、五支渠和六支渠橫穿東西，主要河渠基本情況見表1。城區(qū)內(nèi)的主要水源是由百里長渠渠首的謝灣閘引漢江之水和東荊河倒虹管通過興隆河引漢江水。眾多河渠中百里長渠和縣河為主要灌溉河渠，城南河和城東河為主要排水河道。

2 黑臭水體監(jiān)測評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法

根據(jù)水體的各項(xiàng)特征指標(biāo)，將黑臭水體劃分為“輕度黑臭”和“重度黑臭”兩個(gè)級別，具體見表2，該劃分標(biāo)準(zhǔn)為黑臭水體整治計(jì)劃的制定和整治效果的評估提供了參考依據(jù)。黑臭水體分級的評價(jià)指標(biāo)包括透明度、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)和氨氮(NH3-N)，相關(guān)指標(biāo)及測定方法見表3[4-5]。

表2 城市黑臭水體污染程度分級標(biāo)準(zhǔn)

表3 水質(zhì)指標(biāo)測定方法

某監(jiān)測點(diǎn)的4項(xiàng)理化指標(biāo)中，有1項(xiàng)指標(biāo)超過60%的檢測數(shù)據(jù)達(dá)到“重度黑臭”級別或2項(xiàng)及以上指標(biāo)超過30%的檢測數(shù)據(jù)達(dá)到“重度黑臭”級別，該監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)被認(rèn)定為“重度黑臭”，否則被認(rèn)定為“輕度黑臭”。

若有連續(xù)3個(gè)以上監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)被認(rèn)定為“重度黑臭”，即認(rèn)定這3個(gè)檢測點(diǎn)中首尾監(jiān)測點(diǎn)之間區(qū)域的水體為“重度黑臭”；整個(gè)水體有超過60%的監(jiān)測點(diǎn)被認(rèn)定為“重度黑臭”，則整個(gè)區(qū)域的水體應(yīng)認(rèn)定為“重度黑臭”[6]。

3 潛江市城區(qū)黑臭水體評價(jià)結(jié)果

于6月16日、6月21日、7月15日對表1中潛江市城區(qū)的13個(gè)水體進(jìn)行了3次監(jiān)測，按照《城市黑臭水體整治工作指南》中的布點(diǎn)要求，在監(jiān)測河段沿水體間距200～600 m進(jìn)行布點(diǎn)，監(jiān)測結(jié)果中黑臭水體名單見表4。表4中確定的潛江市城區(qū)黑臭水體共有5條河流和1個(gè)湖泊，分別是一支渠、二支渠、三支渠、五支渠、城南河，總河長共18.4 km。其中，重度黑臭的河流為一支渠、三支渠、城南河，總河長11.6 km；輕度黑臭的河流為二支渠和五支渠，總河長為6.8 km；南門河1—3號湖水體為輕度黑臭，面積0.08 km2。

表4 潛江市城區(qū)黑臭水體清單

4 水環(huán)境容量計(jì)算及分析

4.1 計(jì)算方法

根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》(GB 25173—2010)(以下簡稱計(jì)算規(guī)程)中相關(guān)規(guī)定，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研與資料梳理，計(jì)算城區(qū)渠網(wǎng)化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)和總磷(TP)納污能力模型均采用均勻水質(zhì)混合模型，具體如下：

(1)

式中：V(t)為湖泊在t時(shí)刻的水量，m3；dC/dt為湖泊水質(zhì)參數(shù)污染物的變化率；C為湖泊污染物的平均質(zhì)量濃度，mg/L；Q(t)為湖泊在t時(shí)刻的入流水量，m3；q(t)為湖泊在t時(shí)刻的出流水量，m3；Cin(t)為湖泊在t時(shí)刻污染物的入流質(zhì)量濃度，mg/L；Cout(t)為湖泊在t時(shí)刻污染物的出流質(zhì)量濃度，mg/L；Sc(t)為其他未計(jì)入的外部源和泄漏源(如內(nèi)源)質(zhì)量，mg；K為污染物綜合衰減系數(shù)，12/年。

公式(1)可視為完全混合反應(yīng)器的水體質(zhì)量平衡基本方程，將該方程應(yīng)用于有機(jī)物的分析，可以推導(dǎo)出有機(jī)物的容量模型。當(dāng)不考慮外部源及泄漏源，湖泊中的污染物只發(fā)生衰減反應(yīng)且符合一級反應(yīng)動力學(xué)時(shí)，水體質(zhì)量平衡基本方程可表達(dá)為：

(2)

式中Cin和Cout分別為污染物的入流和出流質(zhì)量濃度，mg/L。

假設(shè)河流處于穩(wěn)態(tài)條件下，從上述方程中可得到平衡狀態(tài)下的污染物濃度計(jì)算式，如下所示：

(3)

如果水質(zhì)保護(hù)的目標(biāo)濃度為Cs，則水體的納污能力為：

M=qCs+KCsV。

(4)

式中：M為最大允許納污量(納污能力)，g/年；q為湖泊出流水量，m3/年；Cs為污染物的最大允許負(fù)荷量，mg/L；V為湖泊計(jì)算體積，m3。

4.2 水量計(jì)算結(jié)果分析

納污能力的計(jì)算需要相應(yīng)河湖的設(shè)計(jì)流量，所以，根據(jù)潛江市2005—2015年的年降水量數(shù)據(jù)，計(jì)算得到年排頻曲線，如圖2所示。

圖2 潛江市2005—2015年降水量的年排頻曲線

根據(jù)城區(qū)規(guī)劃中納污能力計(jì)算中的設(shè)計(jì)條件以及計(jì)算規(guī)程中對設(shè)計(jì)條件的要求，設(shè)計(jì)中需要選取90%保證率的年降水量作為設(shè)計(jì)流量的計(jì)算參數(shù)，該值為867 mm。

徑流總量采用公式(5)進(jìn)行計(jì)算：

(5)

Ia=0.2S；

(6)

(7)

Q=0，P≤0.2S；

(8)

(9)

式中：V為徑流總量，m3；F為匯水面積，km2；P為降水強(qiáng)度，mm；Ia為降水量初損，mm；S為最大可能降水量損失，mm；Q為徑流量，m3；fCN為徑流因子。

設(shè)計(jì)流量下的計(jì)算結(jié)果見表5，由于各支渠對應(yīng)的產(chǎn)流面積較小，所以表5中對應(yīng)的設(shè)計(jì)流量都較小。

表5 城鎮(zhèn)及農(nóng)村產(chǎn)水量情況

4.3 水環(huán)境污染物削減量分析

計(jì)算納污能力所需的河湖參數(shù)包括河流的長度、河流的寬度、河流的高度、河湖的容積及根據(jù)要求所定的污染物的目標(biāo)質(zhì)量濃度、相應(yīng)的設(shè)計(jì)流量和根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所確定的污染物綜合衰減系數(shù)[7]。計(jì)算城區(qū)水系納污能力涉及的參數(shù)主要是污染物綜合衰減系數(shù)，計(jì)算規(guī)程中確定污染物綜合衰減系數(shù)值的方法有分析借用、實(shí)測以及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算等方法，由于城區(qū)無實(shí)測資料，因此，采用分析借用方法確定污染物綜合衰減系數(shù)[8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)外水域70%化學(xué)需氧量(COD)綜合衰減系數(shù)為0.15～0.25，73%氨氮(NH3-N)綜合衰減系數(shù)小于0.3[9-10]。在南水北調(diào)中線工程的可行性研究專題八《環(huán)境影響評價(jià)》中，對長江水資源保護(hù)研究得出，漢江中下游的化學(xué)需氧量(COD)取值范圍為0.20～0.41。2009年，黃石理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院在湖北省水利廳重點(diǎn)資助科研項(xiàng)目研究中心，分析確定磁湖總氮(TN)和總磷(TP)綜合衰減系數(shù)均為0.241[11]。結(jié)合湖北省部分水域納污能力分析結(jié)果，綜合確定文中所研究水體的化學(xué)需氧量(COD)綜合衰減系數(shù)為0.18，氨氮(NH3-N)綜合衰減系數(shù)為0.25[12]。

根據(jù)城區(qū)河湖納污能力模型，以及工程總體水質(zhì)規(guī)劃目標(biāo)(Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))，計(jì)算得現(xiàn)狀年研究區(qū)的水體納污能力，詳細(xì)情況見表6。

表6 城區(qū)重要水體污染物削減量 t/年

對潛江市城區(qū)水系分別進(jìn)行了點(diǎn)源污染和面源污染調(diào)查，點(diǎn)源污染核算以排水管網(wǎng)布設(shè)、管網(wǎng)污廢水收集范圍、排污口設(shè)置為主要依據(jù)，分析污染來源及去向，并結(jié)合實(shí)地沿河調(diào)查結(jié)果，確定各河段點(diǎn)源污染入河量；面源污染主要計(jì)算城鎮(zhèn)徑流面源污染、農(nóng)田地表徑流面源污染、畜禽養(yǎng)殖面源污染和農(nóng)村生活面源污染[13-14]。計(jì)算方法分別如下：

采用單位負(fù)荷法計(jì)算城鎮(zhèn)徑流面源污染，具體計(jì)算公式如下：

L=RCA×10-6。

(10)

式中：L為年污染負(fù)荷量，kg/年；R為年徑流量，mm；C為徑流污染物平均質(zhì)量濃度，mg/L；A為集水區(qū)面積，m2。年徑流量R按照R=PRV計(jì)算，P為年降水量，mm；RV為徑流系數(shù)。

采用源強(qiáng)系數(shù)法[15]計(jì)算農(nóng)田徑流面源污染，具體計(jì)算公式如下：

(11)

式中：L為農(nóng)田地表徑流的污染物排放量，t/年；Ei為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田地表徑流源強(qiáng)系數(shù)，t/(畝·年)；αi為農(nóng)田的坡度修正值；Si、Pi、Ci和Fi分別為土壤類型、降水量、作物類型和化肥施用量的修正值，無量綱；i為各類農(nóng)田作物類型；Ai為農(nóng)作物的種植面積。

畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷的化學(xué)需氧量和氨氮產(chǎn)生量計(jì)算公式如下：

(12)

式中：L為畜禽養(yǎng)殖每年污染產(chǎn)生量，t/年；Si為第i種類型畜禽養(yǎng)殖量，頭/只；Ti為第i種畜禽飼養(yǎng)周期，年；Pi為排泄物中污染物的含量，kg/t；Ei為每頭(只)畜禽每日排泄物的產(chǎn)生量，kg/d。

農(nóng)村生活面源污染計(jì)算公式如下：

L=EP。

(13)

式中：L為農(nóng)村生活中污染物化學(xué)需氧量/氨氮的產(chǎn)生量，t/年；E為單位農(nóng)村人口污染物化學(xué)需氧量/氨氮的產(chǎn)生系數(shù)，g/(人·d)；P為農(nóng)村人口數(shù)，人。

由納污能力的定義可知，一旦水體接納污染物量超過納污能力限值，水體水質(zhì)將超過目標(biāo)要求，如果要凈化水體使水體中污染物濃度達(dá)到目標(biāo)限值，必須削減入河污染物量，使削減后的入河污染物量小于河流的納污能力[16]。現(xiàn)狀污染物量減去納污能力，即為污染物削減量。通過規(guī)劃計(jì)算潛江市黑臭水體的入河污染負(fù)荷量和每條黑臭水體的納污能力，兩者的差值即為需采取措施削減的污染物量，據(jù)此制定黑臭水體治理的措施及規(guī)模。經(jīng)計(jì)算，城區(qū)各條河流污染物削減量見表6。

5 黑臭水體治理方案與策略

經(jīng)過對黑臭水體治理方法與水質(zhì)長效改善技術(shù)進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)黑臭水體整治措施包括控源截污、內(nèi)源治理、生態(tài)修復(fù)、清水補(bǔ)給等，而且最優(yōu)方案往往來自物理、化學(xué)和生物技術(shù)的結(jié)合?；趯摻谐菂^(qū)黑臭水體的評價(jià)結(jié)果、水環(huán)境容量及污染物削減量的分析，遵循“適用性、綜合性、經(jīng)濟(jì)性、長效性、安全性”原則，結(jié)合多種措施對黑臭水體進(jìn)行治理，詳細(xì)措施見表7。

表7 城區(qū)黑臭水體治理措施 t/年

6 結(jié)語

在潛江市處理黑臭水體的技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，基于TMDL的水環(huán)境治理方法，以潛江市城區(qū)河渠水網(wǎng)為研究對象，對城區(qū)內(nèi)一、二、三、五支渠和城南河、南門河公園湖進(jìn)行了水環(huán)境容量分析，計(jì)算出對應(yīng)水體的TMDL與污染物目標(biāo)削減量。一支渠的污染物削減措施為沿河截污納管、超磁設(shè)備處理徑流面源污染及非工程管控；二、三支渠的污染物削減措施為沿河截污納管、岸邊帶截留徑流面源污染及非工程管控；五支渠的污染物削減措施為建造生態(tài)溝渠—生態(tài)塘—人工濕地；城南河的污染物削減措施為沿河截污納污管理、岸邊帶截留徑流面源污染、消除工業(yè)點(diǎn)源污染、污水處理廠提標(biāo)改造、人工濕地深度凈化。經(jīng)規(guī)劃處理后，潛江市城區(qū)河渠水網(wǎng)中污染物已全部達(dá)到目標(biāo)削減量，也實(shí)現(xiàn)了在TMDL范圍內(nèi)最大程度排放污染物。