彭麗紅,代洪亮
(1.長沙市規(guī)劃設計院有限責任公司,湖南長沙 410125;2.江蘇科技大學環(huán)境與化學工程學院,江蘇鎮(zhèn)江 212003)
流域生態(tài)環(huán)境是區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展的關鍵[1]。根據(jù)《2020年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》[2],全國3.0%的地表水、1.7%的流域水質(zhì)為Ⅴ類及劣Ⅴ類,5.4%的重要湖泊(水庫)水質(zhì)為劣Ⅴ類,水環(huán)境質(zhì)量仍然較差。隨著城市高強度開發(fā)建設,流域生態(tài)環(huán)境面臨巨大壓力,水資源、水環(huán)境問題凸顯,呈現(xiàn)流域性、系統(tǒng)性特點,局部化、碎片化的傳統(tǒng)單一治理模式難以解決流域水環(huán)境面臨的結構性、根源性矛盾[3-5],需要更為系統(tǒng)、綜合、先進的流域治理技術手段。2021年12月,國家發(fā)展和改革委員會印發(fā)的《“十四五”重點流域水環(huán)境綜合治理規(guī)劃》中明確指出,需加快流域水環(huán)境綜合治理思路和模式創(chuàng)新,深化流域水環(huán)境綜合治理試點,推進農(nóng)村水環(huán)境協(xié)同治理。
本文以龍王港流域為研究區(qū)域,以現(xiàn)狀調(diào)查為基礎、以問題為導向,按照“流域統(tǒng)籌、系統(tǒng)治理、以效定案、分片分期、精準施策”的流域水環(huán)境治理思路,將流域分為龍王港上游、雷鋒河、肖河及龍王港中下游四大片區(qū)。并利用基于MIKE工具構建的動態(tài)水環(huán)境模型,以水環(huán)境容量和污染負荷控制為核心,根據(jù)農(nóng)村區(qū)域、未建城區(qū)、新建城區(qū)、老城區(qū)等類型,因地制宜地提出各區(qū)域、各階段的治理目標,科學合理地制定分片、分期的水環(huán)境治理方案,實現(xiàn)多目標融合、遠近期結合、差異化施策。另外從污染削減、水質(zhì)改善等方面對流域水環(huán)境治理方案進行評估,為特征相近的流域水環(huán)境治理及評估提供參考,對水環(huán)境改善及工程實施具有借鑒意義。
龍王港流域位于長沙市湘江新區(qū)核心區(qū)域,流域面積為173 km2。流域內(nèi)水系發(fā)達,主要涉及龍王港及其支流雷峰河、肖河共3條河流,雷鋒湖、梅溪湖、咸嘉湖共3處湖泊,魚婆塘、大沖、石沖、牌樓壩、新華、蓮花塘、石塘及洪寺庵共8座水庫,水系分布如圖1所示。龍王港由西向東至岳麓區(qū)溁銀橋匯入湘江,屬于長江一級支流,全長達28.9 km,多年平均流量為3.67 m3/s,多年平均地表水資源量為1.15億m3。
圖1 流域水系及分區(qū)Fig.1 Drainage System and Zoning
根據(jù)現(xiàn)狀水環(huán)境調(diào)研數(shù)據(jù)和水環(huán)境功能區(qū)劃,利用ArcGIS和MIKE工具搭建管網(wǎng)及河網(wǎng)的水文、水動力、水質(zhì)耦合模型,結合負荷計算模型和環(huán)境容量評估模型,開展流域現(xiàn)狀水環(huán)境動態(tài)評估,明確污染排放與水體水質(zhì)變化的響應關系,研究流域水環(huán)境變化規(guī)律。在此基礎上,提出流域水環(huán)境治理目標,制定綜合、系統(tǒng)的分期分片治理方案,并評估方案的目標可達性。技術路線如圖2所示。
圖2 技術路線Fig.2 Technical Route
2.1.1 水文、水動力及水質(zhì)模型
本次研究采用丹麥水力研究所(Danish Hydraulic Institute,DHI)研發(fā)的MIKE系列軟件對流域管網(wǎng)、河網(wǎng)構建水文、水動力、水質(zhì)模型,是用于模擬城市集水區(qū)和排水系統(tǒng)的地表徑流、管流、水質(zhì)和泥沙傳輸?shù)膶I(yè)工程軟件包,可研究管網(wǎng)各排口不同條件下水量、水質(zhì)的時空變化特征。梳理修正后的地形、下墊面、水系及排水管網(wǎng)數(shù)據(jù),導入MIKE URBAN模型進行概化。在此基礎上,根據(jù)泰森多邊形法為管道每個節(jié)點分配子集水區(qū),并利用GIS和MIKE工具建立排水管網(wǎng)、流域河網(wǎng)、水工建筑物一維拓撲關系,結合污染負荷模型,構建一維MIKE URBAN管網(wǎng)水文、水動力、水質(zhì)模型和一維MIKE 11河網(wǎng)水文、水動力及水質(zhì)模型,模擬區(qū)域的典型降雨徑流、污染負荷及時空分布特性,評估污染源對流域水質(zhì)影響。
2.1.2 污染負荷模型
參考《第一次全國污染源普查公報》,采用入河系數(shù)法,通過各片區(qū)常住人口、單位人口污染負荷產(chǎn)生量及入河系數(shù)進行污染源入河負荷估算。建模時,晴天溢流量、農(nóng)村生活污染、畜禽養(yǎng)殖、內(nèi)源污染均按全年均勻入河,雨污混流和農(nóng)田徑流污染隨降雨徑流均勻入河。污染負荷模型如式(1)~式(2)[3]。
Wp,j=∑φpiθpi,j·C·T
(1)
Wn,j=∑φniθni,j·Sni·T
(2)
其中:Wp,j、Wn,j——點、面源污染物j單位時間內(nèi)的污染排放量,t/a;
φpi、φni——i點處點、面源污染物入河系數(shù);
θpi,j、θni,j——i點處點、面源污染物j的排污系數(shù);
C——i點的單位產(chǎn)生量,mg/L;
T——計算時段,d;
Sni——污染物類型i的面積或人數(shù),m2或人。
2.1.3 水環(huán)境容量模型
根據(jù)水環(huán)境功能區(qū)劃,結合流域特性、污染源分布情況,將流域劃分為4個控制計算單元,包括雷鋒河、龍王港上游、肖河及龍王港中下游。利用《全國水環(huán)境容量核定技術指南》中推薦的一維河流模型,如式(3)~式(4),按照多年平均最枯月90%保證率的設計流量條件來計算流域水環(huán)境容量。
(3)
(4)
其中:Wi——第i個排污口允許排放量,t/a;
Ci——河段第i個節(jié)點處的水質(zhì)本底質(zhì)量濃度,mg/L;
Cn——沿程質(zhì)量濃度,mg/L;
Qi——河道節(jié)點后流量,m3/s;
Qj——第i節(jié)點處廢水入河量,m3/s;
K——綜合降解系數(shù),d-1;
u——第i個河段的設計流速,m/s;
x——計算點到第i節(jié)點的距離,m;
W——環(huán)境功能區(qū)內(nèi)的水環(huán)境容量,t/a。
2.2.1 設計降雨
根據(jù)《降水量等級》(GB/T 28592—2012)并結合長沙20年降雨資料,將日降雨進行劃分為小雨(<10 mm)、中雨(10~25 mm)、大雨(25~50 mm)、暴雨(50~250 mm)、大暴雨(>250 mm)共5等級。以2017年為評估基準年,全年降雨量為1 515 mm,全年有超過1/3為雨天,主要為小于10 mm的小雨,約占70%,大暴雨僅有一場,占全年雨量的8.4%,各等級降雨的雨量分布較為均勻?;谧畈焕瓌t,選取各等級中降雨強度偏大的場次作為該等級典型降雨(圖3)。
圖3 不同等級典型降雨過程Fig.3 Typical Rainstorm Process of Different Grades
2.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)
在龍王港干流、支流、河口及上游水庫等位置選取31個監(jiān)測點,于2018年3月—5月分別進行晴天、雨天水質(zhì)采樣,前綴QH、QG、XYH、XYG的監(jiān)測點分別為晴天河道、晴天管網(wǎng)排口、雨天河道及管網(wǎng)排口水質(zhì)采樣點,對監(jiān)測點水質(zhì)的CODCr、氨氮、TP 3類指標進行檢測。
2.2.3 管網(wǎng)及下墊面概化
管網(wǎng)和下墊面是水環(huán)境模型的重要輸入數(shù)據(jù),需對收集到的管網(wǎng)及下墊面普查數(shù)據(jù)進行梳理概化,保證模型的精度[6]。流域排水系統(tǒng)復雜,存在雨污合流與分流共存、節(jié)點位置偏移、流向反向、管線缺失、管線逆坡或重復等情況,利用AutoCAD軟件進行概化處理后,導入ArcGIS軟件進行拓撲檢查與修正。最終模型輸入排水管道總長為812.6 km,其中污水管為350.7 km,雨水管及合流管為461.9 km。同時,利用ArcGIS工具將下墊面概化為植被、水體、道路、建筑物和其他5大類,以便于MIKE建模和地表徑流污染累積計算。圖4為流域管網(wǎng)及下墊面概化結果。
圖4 管網(wǎng)及下墊面概化Fig.4 Generalization of Pipe Network and Underlying Surface
2.2.4 水位水質(zhì)邊界
流域水文水動力模型的上游邊界選取各個水庫的下泄流量,下游邊界選取湘江的水位。水質(zhì)模型邊界包括開邊界和污染負荷邊界,上游邊界采用各個水庫晴天監(jiān)測的CODCr、氨氮及TP平均值,下游開邊界按湘江Ⅱ類水質(zhì)標準給定,CODCr、氨氮、TP取值為15.0、0.5、0.1 mg/L;污染負荷邊界按點源和面源的污染負荷年均值設置。
模型參數(shù)設置決定模型模擬的準確度,流域水文水動力模型主要涉及的參數(shù)為平均坡面流速、模擬時間步長、管道曼寧系數(shù)、檢查井局部水頭損失,流域水質(zhì)模型主要涉及的參數(shù)為衰減系數(shù)和擴散系數(shù);水環(huán)境容量模型主要涉及參數(shù)為污染因子綜合降解系數(shù),模型參數(shù)設置如表1所示。
表1 模型參數(shù)設置Tab.1 Model Parameter Setting
采用2017年3月26日場次的晴天監(jiān)測點QG1、QG2、QG3進行水量率定,在此基礎上,采用2017年4月22日場次的雨天監(jiān)測點XYG10、XYG11、XYG13及XYG14率定管網(wǎng)水質(zhì)模型。同時,采用梅溪湖水文站流量和水位率定流域水文水動力模型,通過27處河道監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)率定流域水質(zhì)模型。以CODCr為率定因子、QG1、XYG10、QH3為例的模型率定結果如圖5所示。采用納什系數(shù)(NS)和相對誤差(RE)作為水質(zhì)水量模型模擬精度的評價指標,經(jīng)分析,QG1、河道的水量率定NS分別為0.77、0.83,XYG10、QH3的水質(zhì)率定RE分別為9.1%、4.5%,皆滿足NS>0.75、RE<10%的要求,表明模型模擬結果較為準確,與實測數(shù)據(jù)吻合度較高,建立了污染負荷、水動力條件與水質(zhì)之間的響應關系,可滿足污染評估的需求。
圖5 模型率定Fig.5 Model Calibration
基于MIKE URBAN管網(wǎng)水質(zhì)水量模型,根據(jù)水質(zhì)水量調(diào)查結果,選取典型場次的小雨、中雨、大雨及暴雨模擬現(xiàn)狀水平年區(qū)域排口的污染溢流情況,以CODCr、氨氮及TP作為水質(zhì)參數(shù),分析溢流濃度變化及其年負荷分配特性,評估溢流污染對流域水質(zhì)的影響。經(jīng)分析,流域CODCr、氨氮、TP溢流污染負荷總量分別為6 055.1、677.3、81.1 t/a,晴天溢流占54%~65%,主要溢流點為南園路排口和財經(jīng)泵站。35%以上的污染負荷來源于雨季溢流污染,以小雨、中雨為主,主要集中在龍王港中下游及肖河區(qū)域,由于肖河流域內(nèi)管網(wǎng)分流建設較完善、地勢較高且位于截污干管上游,入河負荷較龍王港中下游更低。各排口污染負荷分布不均,南園路排口、咸嘉湖排口為污染負荷較大的2個排口,約占所有排口降雨負荷的53%、21%。
基于區(qū)域土地利用強度和晴雨天水質(zhì)水量調(diào)查,識別和統(tǒng)計各區(qū)污染來源、類型及時空變化特征。點源污染主要包括生活污染、晴天溢流以及雨污混流污染;面源污染主要包括農(nóng)村生活污染、農(nóng)村徑流污染以及畜禽養(yǎng)殖污染;內(nèi)源污染主要為污染物沉積于底泥中重新釋放的污染。據(jù)模型估算,流域CODCr、氨氮、TP污染負荷總量分別為8 293.902、932.752、121.720 t/a,其中晴天溢流及雨污混流溢流貢獻率最高,占流域總負荷的70%~78%,主要影響河段為肖河及龍王港中下游;其次分別是農(nóng)村徑流污染及生活污染,占總負荷20%~28%,主要影響了雷峰河及龍王港上游河段;內(nèi)源污染、畜禽養(yǎng)殖污染占比最低,各河段污染分布如圖6所示。
考慮到污染的產(chǎn)生機制,流域污染負荷隨降雨呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性分布,如圖7所示。雨季污染負荷約占全年的60%,以農(nóng)村和建成區(qū)的徑流污染為主,受降雨強度影響,6月、7月污染負荷最大;晴天溢流、農(nóng)村生活污染、內(nèi)源污染以及畜禽養(yǎng)殖污染則不受降雨影響,全年均勻下河,其中肖河基本無晴天負荷,溢流負荷隨降雨呈顯著變化,龍王港中下游晴天溢流量較大,負荷年內(nèi)變幅不大。
圖7 污染負荷年內(nèi)變化Fig.7 Annual Changes of Pollution Load
經(jīng)模型模擬評估,污染指標為CODCr、氨氮、TP的水環(huán)境容量如表2所示。受到上游來流的影響,區(qū)域水環(huán)境容量與其匯水面積相關,龍王港中下游河道由于具有較大的來流流量及區(qū)間匯流,CODCr、氨氮、TP水環(huán)境容量最大,雷鋒河次之,龍王港上游位居第3,肖河匯水面積小,水環(huán)境容量最小。由于龍王港流域上游為山區(qū)河道,中下游為城市河道,主要來水為本地的降雨徑流,其水量呈明顯的豐水期、枯水期變化特征。6月、7月隨降雨強度增大,水環(huán)境容量達最大,加之流域為季風性氣候,降雨時間分布不均勻,因此,水環(huán)境容量在年內(nèi)有較大的變化,如圖8所示。另外,污染物質(zhì)在水環(huán)境中的自凈能力受到水力停留時間、流域特性等影響,各河道水質(zhì)指標環(huán)境容量存在一定差異,CODCr具有較大的自凈能力,TP自凈能力較差。
表2 水環(huán)境容量計算Tab.2 Calculation of Water Environment Capacity
圖8 水環(huán)境容量年內(nèi)變化Fig.8 Annual Variation of Water Environmental Capacity
隨著流域人口和經(jīng)濟的持續(xù)增長,生活污水、工業(yè)廢水及農(nóng)業(yè)農(nóng)村污水排放量劇增,污染物排放總量超過了龍王港流域水環(huán)境容量,水環(huán)境問題突出。龍王港、雷鋒河上游等未建成區(qū)主要污染來源于農(nóng)村生活垃圾、農(nóng)村徑流、生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水以及農(nóng)藥化肥等面源污染,排放的氮、磷造成水體富營養(yǎng)化;龍王港、雷鋒河、肖河中下游等已建城區(qū)人口密集,由于污水收集和處理設施不完善,雨污分流不徹底,部分污水未經(jīng)處理直排水體,溢流污染嚴重。而流域徑流主要由降雨補給,自然徑流量季節(jié)性強,雨季4月—7月徑流量占全年70%以上,上游水庫共855萬m3的興利庫容在滿足農(nóng)田灌溉后,難以保證枯水季節(jié)最小生態(tài)流量,斷流時有發(fā)生,季節(jié)性缺水問題突出。
如表3和圖9所示,晴天流域內(nèi)除龍王港、雷鋒河上游為Ⅲ~Ⅳ類地表水標準,其他河段水質(zhì)與水環(huán)境功能區(qū)劃要求執(zhí)行的地表Ⅲ類水質(zhì)標準相差甚遠,現(xiàn)狀基本為Ⅴ類或劣Ⅴ類,Ⅴ類及以下水質(zhì)的河段占64.5%,主要為雷鋒河松柏路支流及除上游水庫的全河段、肖河全河段、龍王港干流自馬頭壩河下游至入湘江口的全河段。流域整體水質(zhì)狀況較差,氨氮、TP均有不同程度超標。雨天流域水質(zhì)全面不達標,水質(zhì)峰值明顯,河道水質(zhì)受排口污染溢流影響較大。
表3 流域水環(huán)境現(xiàn)狀(Ⅳ類)Tab.3 Current Situation of Water Environment in the Basin (Class IV)
圖9 水質(zhì)分布現(xiàn)狀Fig.9 Existing Water Quality Distribution
基于流域的水質(zhì)模型、負荷計算模型、環(huán)境容量評估模型,從河道水環(huán)境承載力出發(fā),綜合考慮城市發(fā)展、工程可實施性等因素,確定近期、中期和遠期的水環(huán)境治理目標(表4),以流域統(tǒng)籌、分片治理、分期建設、以效定案的原則,制定綜合治理方案,逐一實施治理。
表4 分期治理目標Tab.4 Treatment Objectives in Phases
針對現(xiàn)狀不同區(qū)域在不同階段存在的水環(huán)境問題,提出流域水環(huán)境綜合治理方案,如表5所示。雷鋒河及龍王港上游現(xiàn)狀主要污染源為農(nóng)村生活污染、農(nóng)村徑流污染,伴隨區(qū)域開發(fā),逐步變成建成區(qū)徑流污染、農(nóng)村生活污染及徑流污染。因而,龍王港上游建成區(qū)以生活截污及徑流控制方案為主,農(nóng)村采用限制性開發(fā),在農(nóng)村區(qū)域污染控制的基礎上,實行新開發(fā)區(qū)域雨污分流。結合城鎮(zhèn)發(fā)展,雷鋒河近期以建成區(qū)生活污水納入市政管網(wǎng)、農(nóng)村生活污染分散收集治理、農(nóng)村徑流污染控制為主;遠期在建成區(qū)面積擴大、完全雨污分流的情況下,利用中期建設工程收集處理初期雨水徑流污染。肖河及龍王港中下游開發(fā)建設空間基本飽和,隨著人口密度不斷增加,以生活污水及建成區(qū)徑流為主的污染負荷增加,在污水處理廠提標擴建的基礎上,分期開展市政管網(wǎng)分流改造和末端調(diào)蓄設施建設,以實現(xiàn)溢流和徑流污染控制。
表5 水環(huán)境治理方案Tab.5 Water Environment Treatment Scheme
上述方案中,近期完善市政管網(wǎng)27.5 km,封堵現(xiàn)狀截污坎、槽,新建截污管網(wǎng)39.5 km,市政雨污錯混接分流及截污改造共824處,增設4處污水提升及分布式污水處理設施,對截流污水及初期雨水進行全處理;晴天利用50萬t/a的雷鋒污水廠尾水(Ⅳ類)對肖河及龍王港中下游分別補水1.00、4.79 m3/s,雨天全部尾水就近直排龍王港。中期完善市政管網(wǎng)達30.0 km,封堵末端截污槽共37處,市政雨污錯接點改造23處,小區(qū)內(nèi)部雨污錯接點共398處,新建山水分離管共29 km、截洪溝共131 km、初雨截流管道共26.6 km,建設調(diào)蓄池共24個,調(diào)蓄規(guī)模為22.6萬m3,配套4處雨水凈化區(qū)建設;同時,完成262個建成及未建成小區(qū)的海綿城市建設,另在龍王港河口處設置泵站,對雷鋒河進行補水,規(guī)模為1.5 m3/s。遠期基于近、中期方案,結合區(qū)域發(fā)展,進一步雨污分流,肖河完成85%,龍王港下游完成80%,雷鋒河及龍王港上游新建成區(qū)100%雨污分流。
規(guī)劃方案實施后,通過模型模擬評估龍王港流域的污染削減和水質(zhì)改善情況,如圖10和圖11所示。結果表明,按多年平均最枯月90%保證率的設計流量條件,基于典型年的降雨條件和邊界條件,近期方案實施后流域年CODCr、氨氮、TP污染分別削減了62.2%(5 162.0 t/a)、78.7%(733.9 t/a)、70.1%(85.5 t/a),龍王港上游水質(zhì)基本達Ⅳ類標準,雷鋒河、肖河及龍王港中下游受氨氮、TP限制性指標影響難以達到Ⅳ類標準;中期方案實施后流域年CODCr、氨氮、TP污染分別削減了78.5%(6 515 t/a)、84.1%(793.8 t/a)、77.6%(94.6 t/a),區(qū)域基本達到Ⅳ類水質(zhì)標準,CODCr、氨氮、TP達標率提高至91.5%、64.1%、82.7%,雷鋒河上游及龍王港上游滿足Ⅲ類水質(zhì)標準;遠期方案實施后流域年CODCr、氨氮、TP污染分別削減了82.0%(6 801 t/a)、92.0%(858.3 t/a)、86.2%(105.1 t/a),CODCr、氨氮、TP的Ⅲ類水質(zhì)達標率為80.8%、64.1%、84.1%,流域基本達到地表水Ⅳ類水質(zhì)標準,龍王港上游達到地表水Ⅲ類水水質(zhì)標準,典型小雨工況下水質(zhì)情況如圖11所示。雷鋒污水廠提標改造是遠期達到Ⅲ類水質(zhì)標準的前提條件??傮w上,流域?qū)嶋H污染削減量高于目標削減量,不同階段區(qū)域污染負荷皆低于對應水環(huán)境容量要求限值,水環(huán)境改善效果逐漸明顯,滿足污染削減和水質(zhì)改善目標,表明龍王港流域采用的綜合水環(huán)境治理思路及技術方案可行。
圖10 方案目標可達性分析Fig.10 Accessibility Analysis of Scheme Objectives
圖11 典型小雨工況下水質(zhì)分布Fig.11 Water Quality Distribution under Typical Light Rain Conditions
本文針對龍王港流域現(xiàn)狀水環(huán)境問題,基于MIKE模型建立全流域動態(tài)水環(huán)境數(shù)學模型,對污染負荷和治理方案進行評估。
(1)根據(jù)收集到的地形及下墊面、水文氣象、排水系統(tǒng)、水工建筑物等基礎數(shù)據(jù),結合污染源調(diào)查及水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),利用MIKE模型對管網(wǎng)、河網(wǎng)搭建一維水文、水動力、水質(zhì)模型,結合污染負荷模型和水環(huán)境容量模型,分析現(xiàn)狀污染負荷和水質(zhì)時空分布及變化規(guī)律。
(2)根據(jù)水環(huán)境功能區(qū)劃要求,結合城市發(fā)展,因地制宜地提出分區(qū)分期水環(huán)境治理方案,近期主要圍繞污染削減和跨流域生態(tài)補水展開,中期以徑流污染控制為治理重點,遠期在近、中期的基礎上,提高補水水質(zhì)標準,進一步控源截污。
(3)基于模型分析,流域現(xiàn)狀全年CODCr、氨氮、TP污染負荷總量分別為8 293.902、932.752、121.720 t/a,以晴天溢流污染及徑流污染為主。綜合方案實施后,CODCr、氨氮、TP污染負荷分別削減了82.0%(6 801 t/a)、92.0%(858.3 t/a)、86.2%(105.1 t/a),水質(zhì)基本達到Ⅲ類地表水標準,水環(huán)境改善效果明顯。