基于TMDL理念的流域排口污染物削減研究

呂馬飛, 朱曉娟, 王婷婷， 張躍

(鎮(zhèn)江市規(guī)劃設(shè)計研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

我國目前多數(shù)城市的老城區(qū)都存在污染物直接下河的現(xiàn)象。近年來，隨著城市的發(fā)展、居民環(huán)境保護(hù)意識的提高以及我國環(huán)保政策要求的提高，許多城市為了改善水環(huán)境質(zhì)量，投入大量資金對原有排水系統(tǒng)進(jìn)行了改造，減少了進(jìn)入水體的污染負(fù)荷。

近些年有很多學(xué)者對合流制溢流污染進(jìn)行了研究，主要集中在合流制溢流污染控制策略與技術(shù)方面[1-2]，而沒有對流域尺度的合流制溢流污染控制進(jìn)行研究。本文基于TMDL(最大日負(fù)荷總量)水環(huán)境治理技術(shù)方法，以鎮(zhèn)江市運(yùn)糧河流域排口污染物治理為例，在全面梳理運(yùn)糧河流域范圍內(nèi)排水的基礎(chǔ)上，將合流制溢流污染控制策略具體落實到排口上，并與近、遠(yuǎn)期城市建設(shè)、老城更新相結(jié)合形成系統(tǒng)性方案，從流域尺度對流域排口污染物削減方法進(jìn)行研究，以期為今后治理工作的實施提供切實可行的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

運(yùn)糧河流域西起馬步橋港，東至金山湖，流域面積71.37 km2。運(yùn)糧河及其御橋港等支流是該流域雨水排放的重要通道。運(yùn)糧河位于鎮(zhèn)江中心城區(qū)西部，西起丹徒區(qū)高資鎮(zhèn)九擺渡江口，向東流經(jīng)七擺渡閘入市區(qū)，再由新河橋入金山湖，全長12.8 km；其中自金山湖口到運(yùn)糧河閘長4.03 km；運(yùn)糧河閘到七擺渡閘長5.79 km。運(yùn)糧河上主要設(shè)有兩個監(jiān)測斷面，即新河橋國控斷面和永慶橋省控斷面。

發(fā)生暴雨時，七擺渡閘在能自排時首先開啟向長江泄洪；當(dāng)七擺渡閘西側(cè)水位超5.7 m時，開啟運(yùn)糧河閘向金山湖泄洪。運(yùn)糧河在非防洪防澇狀況下，控制水體向七擺渡閘方向流動，引金山湖水對運(yùn)糧河進(jìn)行活水保質(zhì)。通過七擺渡閘、運(yùn)糧河閘的聯(lián)合運(yùn)行，維持運(yùn)糧河的生態(tài)流量，控制運(yùn)糧河正常水位不高于4.6 m。

2 水環(huán)境污染控制因子及排口污染負(fù)荷

2.1 水環(huán)境污染控制因子

根據(jù)江蘇省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃，運(yùn)糧河水環(huán)境目標(biāo)為Ⅲ類水。結(jié)合運(yùn)糧河各斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知：各斷面某些月份COD濃度高達(dá)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的3～4倍；各斷面氨氮濃度高達(dá)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的2～3倍。因此，本文以COD為主，同時考慮氨氮作為水環(huán)境容量及排口污染負(fù)荷削減的項目指標(biāo)。

2.2 排口污染負(fù)荷

運(yùn)糧河干流上自西向東分布了20個排口，其中11個為提升泵站的機(jī)排口，9個為重力自排口；還有一條重要的支流——御橋港，現(xiàn)狀水質(zhì)較差，嚴(yán)重影響了干流運(yùn)糧河下段的水質(zhì)。通過對20個排口的實地踏勘和調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，存在雨污合流的排口13個，雨污混接排口2個。運(yùn)糧河干流沿線排口分布如圖1所示。

圖1 運(yùn)糧河干流沿線排口分布圖

2.2.1 污染源

運(yùn)糧河沿河排口污染源主要包括面源污染和點源污染兩部分。其中，面源污染主要源于兩個方面：一是地表徑流帶來的面源污染；二是部分雨污合流排口的污水溢流排放污染和管道沉積物沖刷污染。點源污染主要為排口上游合流制城中村的旱流污水污染，以及部分建成區(qū)未做雨污分流改造和污水截留工程，導(dǎo)致部分城中村的生活污水直接排入運(yùn)糧河及其支流。

2.2.2 產(chǎn)污量計算方法

1)面源污染計算方法。考慮本次研究區(qū)域的下墊面特征及所收集的數(shù)據(jù)資料，采用PLOAD(Pollutant Loads for Watersheds)模型方法計算各流域的面源污染負(fù)荷，具體計算公式如下：

(1)

式中：Ln為非點源污染負(fù)荷,kg；Ai為第i種土地利用類型的匯水面積,km2；Ri為第i種土地利用類型的降雨徑流深,mm；EMCi為第i種土地利用類型的降雨徑流事件污染物平均濃度,mg/L。

其中，降雨徑流深取自SCS(Soil Conservation Service)模型的計算結(jié)果；降雨徑流事件污染物平均濃度即EMC，用來表示在降雨徑流全過程中某污染物排放的平均濃度，是場降雨徑流全過程污染物濃度的加權(quán)平均值。

SCS模型最初是由美國專家提出的關(guān)于徑流估算的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停粡V泛應(yīng)用于小流域降雨徑流量的計算。修正后的鎮(zhèn)江市SCS模型公式為:

Q=(P-0.1S)2/(P+0.9S)，P>0.1S；

(2)

Q=0，P<0.1S；

(3)

S=(25 400/CN)-254。

(4)

式中：Q為直接徑流總深度,mm；P為降雨總量,mm；S為匯水區(qū)最大蓄水量,mm；CN為曲線號碼，表征流域下墊面的產(chǎn)流能力[3]。

CN(Curve Number)是SCS模型中的一個無量綱參數(shù)，用以描述降雨-徑流關(guān)系，是對前期土壤濕潤程度、坡度、土壤類型和土地利用現(xiàn)狀等因素的綜合反映。鎮(zhèn)江市各類型下墊面對應(yīng)的CN值見表1[4]。

表1 鎮(zhèn)江市各類型下墊面對應(yīng)的CN值

鎮(zhèn)江市多年平均降雨量為1 029.1 mm，2 mm以上多年逐月平均次降雨量見表2。鎮(zhèn)江市不同下墊面類型的EMC值見表3[5-7]。

2)點源污染計算方法。污水點源污染負(fù)荷即為旱流污水產(chǎn)污量，通過單位面積污水量和污染物濃度計算得到。根據(jù)已有的運(yùn)糧河沿線旱流排口監(jiān)

測數(shù)據(jù)，旱流污水COD濃度取280 mg/L，氨氮濃度取3.4 mg/L。

表2 鎮(zhèn)江地區(qū)2 mm以上多年逐月平均次降雨量

表3 鎮(zhèn)江市不同類型下墊面EMC值

2.2.3 產(chǎn)污量計算結(jié)果

經(jīng)過各排口產(chǎn)污量計算，污染負(fù)荷權(quán)重占比較大的排口主要集中于合流制排口，其中YL-2(江南泵站排口)、YL-4(新河橋機(jī)排口)、YL-6(中山北路南排口)、YL-7(桃園機(jī)排口)、YL-8(頭擺渡排口)、YL-10(二擺渡排口)、YL-12(御橋港)、YL-13(三擺渡排口)及YL-14(四擺渡排口)污染負(fù)荷占比較大，COD和氨氮污染權(quán)重占比分別達(dá)到78.44%和79.23%。運(yùn)糧河各排口全年污染負(fù)荷計算結(jié)果見表4。

表4 運(yùn)糧河排口全年污染負(fù)荷計算結(jié)果 kg/d

續(xù)表 kg/d

YL-10(二擺渡排口)、YL-13(三擺渡排口)和YL-14(四擺渡排口)污染負(fù)荷較大，但不直接排入運(yùn)糧河，故不需要對這3個排口的污染物進(jìn)行控制。因此，運(yùn)糧河流域關(guān)鍵排口的污染物控制主要集中于YL-2(江南泵站排口)、YL-4(新河橋機(jī)排口)、YL-6(中山北路南排口)、YL-7(桃園機(jī)排口)、YL-8(頭擺渡排口)以及YL-12(御橋港)的污染負(fù)荷。

3 水環(huán)境容量及污染負(fù)荷削減標(biāo)準(zhǔn)

3.1 水環(huán)境容量

根據(jù)運(yùn)糧河的水質(zhì)目標(biāo)及其水系流動、生態(tài)本底情況，主要采用一維模型[8]分析計算運(yùn)糧河的水環(huán)境容量，即評價運(yùn)糧河在水質(zhì)達(dá)標(biāo)的條件下可接納的入河污染物量。

運(yùn)糧河活水保質(zhì)水源為金山湖，根據(jù)《鎮(zhèn)江市海綿城市試點區(qū)域內(nèi)水功能區(qū)監(jiān)測站點水質(zhì)成果》，從2017年6月至2018年12月，金山湖的COD及氨氮濃度均達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，故運(yùn)糧河起始段水質(zhì)條件為：COD濃度20 mg/L，氨氮濃度1.0 mg/L(Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)上限)[9]。

御橋港作為運(yùn)糧河的重要支流，其入河口位于永慶橋省控斷面上游，為使運(yùn)糧河兩個監(jiān)測斷面水質(zhì)均達(dá)到Ⅲ類水，御橋港水質(zhì)至少應(yīng)為Ⅳ類水。

運(yùn)糧河分成金山湖至運(yùn)糧河閘段及運(yùn)糧河閘至七擺渡閘段，按照運(yùn)糧河起始段水質(zhì)為Ⅲ類水、御橋港水質(zhì)為Ⅳ類考慮，為使新河橋國控斷面和永慶橋省控斷面水質(zhì)都達(dá)到Ⅲ類水，計算出運(yùn)糧河水環(huán)境容量(以COD計)為173.18 t/a。

3.2 排口污染物削減標(biāo)準(zhǔn)

御橋港為Ⅳ類水時，運(yùn)糧河干流排污口允許排放量(以COD計)為173.18 t/a，沿線5個重點排口(YL-2、YL-4、YL-6、YL-7和YL-8)現(xiàn)狀全年溢流量為240.08萬m3(根據(jù)2014年6月1日至2015年5月31日的降雨數(shù)據(jù))，COD排放量達(dá)509.91 t/a，氨氮排放量達(dá)9.62 t/a，不考慮其他非重點排口的污染削減，重點排口COD需削減85%，氨氮需削減75%，5個重點排口全年需減少溢流量180萬m3。

4 排口污染物削減方案及達(dá)標(biāo)分析

4.1 排口污染物削減方案

現(xiàn)狀重點排口的污染源主要為初期雨水、少量城中村旱流生活污水以及合流制污水。規(guī)劃方案結(jié)合城中村改造和地塊開發(fā)，完善污水收集系統(tǒng)，提高污水管網(wǎng)收集能力，進(jìn)一步減少污水下河；結(jié)合海綿城市專項規(guī)劃，對排口上游待開放地塊實施初期雨水污染源頭控制，進(jìn)一步減少初期雨水污染。

在YL-2(江南泵站排口)和YL-4(新河橋機(jī)排口)的污染物已通過金山湖多功能大口徑管道進(jìn)行削減；針對御橋港(YL-12)及其支流提出水質(zhì)改善方案的前提下，按照“源頭削減、過程控制、末端治理”的技術(shù)路線，對影響運(yùn)糧河水質(zhì)達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵排口(YL-6(中山北路南排口)、YL-7(桃園機(jī)排口)和YL-8(頭擺渡排口))，提出排口污染物治理規(guī)劃方案。主要措施包括：①結(jié)合近期老小區(qū)改造及街巷、積水區(qū)改造，對YL-7(桃園機(jī)排口)和YL-8(頭擺渡排口)匯水范圍內(nèi)城中村實施雨污分流改造和雨水徑流污染控制，共改造合流制區(qū)域5.83 hm2。②沿運(yùn)糧河路(中山北路至潤州路)實施埋地大口徑管道(φ4 000 mm)2 400 m，調(diào)蓄體積達(dá)30 144 m3；截流沿線YL-6(中山北路南排口)、YL-7(桃園機(jī)排口)、YL-8(頭擺渡排口)及YL-11(御橋村排口)的初期雨水和上游城中村接入的合流制污水，截流污水結(jié)合現(xiàn)狀污水收集系統(tǒng)送至征潤州污水處理廠；截流的初期雨水向西送至御橋港與運(yùn)糧河交叉口西南角的濕地，處理后直接排入運(yùn)糧河。③結(jié)合運(yùn)糧河與揚(yáng)溧高速交叉口北邊揚(yáng)溧高速下的現(xiàn)狀綠地建設(shè)人工濕地，為YL-10(二擺渡排口)、YL-13(三擺渡排口)和YL-14(四擺渡排口)的水質(zhì)提升提供預(yù)留的生態(tài)空間。④結(jié)合運(yùn)糧河和煙墩灣交匯口的西南角現(xiàn)狀綠地建設(shè)人工濕地，為支流煙墩灣(YL-15)水質(zhì)提升預(yù)留生態(tài)空間。

4.2 目標(biāo)可達(dá)性分析

污染物削減量主要包括截留的初期雨水和旱流污水量：按照削減85%徑流污染考慮，確定初期雨水截流深度(mm)，采用2015年場降雨數(shù)據(jù)計算截留的初期雨水量；旱流污水全部截留。由此計算得到排口污染物削減量，結(jié)果見表5。

表5 運(yùn)糧河流域污染負(fù)荷削減量分析表

運(yùn)糧河流域全年COD污染負(fù)荷為4 759.53 t，全年氨氮污染負(fù)荷為89.53 t。采取規(guī)劃措施后，運(yùn)糧河流域全年COD污染負(fù)荷削減量為3 577.62 t，削減率達(dá)75.17%；全年氨氮污染負(fù)荷削減量為67.09 t，削減率達(dá)74.94%。其中，5個重點排口COD全年負(fù)荷為509.91 t，削減量為461.09 t，削減率達(dá)90.4%；氨氮全年污染負(fù)荷為9.62 t，削減量為8.52 t，削減率達(dá)88.5%。

2015年全年總降雨208場，YL-7(桃園機(jī)排口)溢流場次減少為27場，占比為12.98%；YL-8(頭擺渡排口)溢流的場次減少為30場，占比為14.42%。全年減少溢流量181.16萬m3，規(guī)劃方案滿足入河污染物削減要求。運(yùn)糧河干流重點排口年溢流削減情況如圖2所示。

圖2 運(yùn)糧河干流重點排口年溢流削減情況

排口整治后，通過閘站調(diào)控，引金山湖Ⅲ類水維持運(yùn)糧河的生態(tài)基流，確保運(yùn)糧河水質(zhì)長期維持在Ⅲ類水。

5 結(jié)語

本文以鎮(zhèn)江市運(yùn)糧河流域為研究對象，探討出一套應(yīng)用于流域排口污染物削減的研究方法，具體為：①梳理流域排水系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研確定排口性質(zhì)；②計算排口產(chǎn)污量，面源污染采用PLOAD模型計算，點源污染為旱流污水產(chǎn)污量；③根據(jù)流域水質(zhì)目標(biāo)及其水系流動、生態(tài)本底情況，采用一維模型分析計算流域的水環(huán)境容量；④以流域水環(huán)境為控制目標(biāo)，結(jié)合產(chǎn)污量計算結(jié)果對重點排口提出污染物削減標(biāo)準(zhǔn)；⑤制定流域排口污染物削減方案；⑥對排口整治方案進(jìn)行目標(biāo)可達(dá)性分析。