南淝河污染通量解析與治理

張 笛，田 鑫，吳 師

(1.安徽省合肥水文水資源局，安徽 合肥 230041； 2.安徽省水利水電勘測設(shè)計院，安徽 合肥 230088)

針對巢湖藍藻水華暴發(fā)問題，根據(jù)巢湖流域國家生態(tài)文明示范區(qū)建設(shè)與落實“水十條”的治污需求，啟動了“巢湖派河小流域水污染綜合治理與湖體富營養(yǎng)化管控關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用推廣項目”(2017ZX07603)研究，研究污染物綜合減排、水質(zhì)目標(biāo)管理決策和流域綜合管理等關(guān)鍵技術(shù)問題，建立污染減排精準(zhǔn)決策的業(yè)務(wù)平臺，形成流域優(yōu)化調(diào)控和綜合管理的長效運行機制。

巢湖是長江下游重要水系和全國水污染重點防治的“三河三湖”之一，治理好巢湖，對推動長江大保護具有重要意義。2011年巢湖流域行政區(qū)劃調(diào)整以來，按照“實施一批、準(zhǔn)備一批、謀劃一批”的總體要求,環(huán)巢湖生態(tài)保護修復(fù)一期、二期項目建成，三期、四期項目在建，五期、六期項目部分開工建設(shè)，累計投入200多億元。與2011年相比，在流域經(jīng)濟總量翻了一番多、城鎮(zhèn)人口增長近1倍的發(fā)展背景和巨大壓力下，隨著環(huán)巢湖生態(tài)保護修復(fù)工程扎實推進，2018年主要河湖水質(zhì)不僅未惡化，反而總體持續(xù)好轉(zhuǎn)，其中4條入湖重污染河道減少至1.5條，國控斷面考核達標(biāo)比例由27.3%提高至93.3%，藍藻水華藻密度大大減小，出湖入江水質(zhì)穩(wěn)定保持Ⅱ類，生態(tài)環(huán)境部對巢湖考核分值由48分上升至80.2分，這說明巢湖水污染綜合治理取得了階段性明顯進展，但成效仍不穩(wěn)固，其中南淝河水質(zhì)濃度仍居高不下。

作為受人類活動干擾強烈的大型淺水湖泊，巢湖具有重污染水體、半封閉水域、發(fā)展中流域的鮮明特征，其治理與保護是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程和長期的艱巨任務(wù)。近年來巢湖治理雖取得階段性成效，但目前仍存在以下問題：一是受長江洪水頂托，流域洪水出路不暢，城鄉(xiāng)飽受洪患威脅；二是河流多源自江淮分水嶺，河道源短水少，天然基流匱乏；三是區(qū)域快速發(fā)展，城鎮(zhèn)污染和流域面源污染疊加，入湖污染負(fù)荷居高不下；四是因防洪和蓄水形成的半封閉水域，環(huán)湖濕地消失、湖區(qū)流場減弱、自凈能力下降，也更易誘發(fā)藍藻水華暴發(fā)[1-4]。

南淝河是巢湖水系第二大支流，是合肥市的母親河，具有排洪減災(zāi)和舟楫之利，隨著城市擴大和人口增加，也逐步演變?yōu)槌鞘屑{污通道，目前是巢湖流域污染最重、水質(zhì)最差的入湖河道。南淝河水系受天然徑流變化和上游水庫攔蓄影響，河道常年斷流，其水質(zhì)主要由污水處理廠排放尾水、老城區(qū)直排污水等所控制，近10多年來主要控制斷面水質(zhì)長期呈劣Ⅴ類[5]，其COD、氨氮、總氮、總磷的入湖量近年占入湖總量的40%左右。南淝河是巢湖流域治污的重點，也是治理的難點，需要進一步診斷病體、查出病因，以利對癥下藥、精準(zhǔn)施策[6-10]。本文分析南淝河水系干、支流2017年和2018年逐月天然徑流量，根據(jù)污水處理廠實測處理后的退水入河水量、主要污染物入河量，結(jié)合干、支流逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，推算2017年和2018年南淝河干、支流逐月入巢湖污染通量，并進行污染通量解析,旨在為南淝河綜合治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南淝河古稱施水，發(fā)源于江淮分水嶺南麓，主干河道全長70 km，流域面積1 464 km2，源頭建有董鋪、大房郢二大水庫，流經(jīng)蜀山區(qū)、廬陽區(qū)、瑤海區(qū)、新站區(qū)、高新區(qū)、包河區(qū)、肥東縣和長豐縣，域內(nèi)常住人口約209.8萬人，其中城鎮(zhèn)人口152萬人，農(nóng)村人口57.8萬人。南淝河水系呈扇形分布，沿途匯入的主要一級支流有8條，其中左岸有四里河、板橋河、史家河、二十埠河、店埠河、長樂河6條支流，右岸二里河、關(guān)鎮(zhèn)河2條支流(表1)。南淝河上游及其支流上建成的董鋪、大房郢2座大型水庫，眾興、張橋、蔡塘3座中型水庫，大官塘、龍頭堰、梅沖、三十頭、黑洼、老郭沖、程段7座小型水庫[4]，總庫容4.674 9億m3。上述水庫是合肥市供水水源，同時為周邊農(nóng)業(yè)灌溉和電廠等供水。

2 研究區(qū)污染通量解析

不同研究者[11-13]曾根據(jù)污染源調(diào)查和污染物入河系數(shù)概化，多次分析了南淝河污染物入河量，但由于缺乏河道徑流數(shù)據(jù)，入河系數(shù)可靠性較差，其污染物入河量數(shù)據(jù)相差較大。

合肥市1980—2018年降水量、蒸發(fā)量[14]情況見表2。從表2可見，合肥市多年平均降水量 1 028.0 mm，蒸發(fā)量741.1 mm。2017年全市平均降水量1 014.4 mm，屬平水年，較多年平均值減少0.62%；年蒸發(fā)量為691.8 mm，較多年平均值減少6.66%[15]。2018年全市平均降水量1 270.7 mm，屬豐水年份，較多年平均值增加24.5%；年蒸發(fā)量為676.8 mm，較多年平均值減少8.68%[16]。

表1 南淝河及主要支流概況Table 1 General situation of NanfeiRiver and its major tributaries

表2 1980—2018年合肥市年降水量和蒸發(fā)量Table 2 Annual precipitations and evaporationsin Hefei from 1980 to 2018 mm

2.1 河道徑流計算

逐月徑流模擬[2,11-13]是分析干支流污染通量的重要基礎(chǔ)。南淝河流域干支流上先后設(shè)有10個水文(位)站，由于受水庫蓄水、水廠取水、巢湖頂托和跨流域調(diào)水、污水處理廠排水等的復(fù)合影響[6-7,14]，流量實測資料系列短、代表性差，不具備用直接法推算各河流天然徑流量條件。依據(jù)2017年、2018年南淝河主要支流逐旬降水量、區(qū)域蒸發(fā)量及相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，再結(jié)合逐月蓄水、取水等觀測資料，分析了南淝河水系各支流逐月徑流過程，計算結(jié)果見表3，2017年、2018年南淝河入巢湖天然徑流量分別為5.541 4億m3、7.388 4億m3。

表3 2017年和2018年南淝河與主要支流逐月徑流量Table 3 Monthly runoff of Nanfeihe River and major tributaries in 2017 and 2018 萬m3

表4 南淝河流域污水處理廠年污水量與主要污染物入河量Table 4 Annual sewage discharge in sewage treatment of Nanfeihe River Basin and major pollutants into rivers

合肥市主城區(qū)位于南淝河流域，南淝河及其支流已建的污水處理廠15座，截至2018年年底污水處理廠設(shè)計處理規(guī)模達到125.2萬m3/d，2017年污水處理廠處理后的退水量達到3.41億m3，2018年退水量達到4.33億m3；處理后的退水量分別是當(dāng)年地表水入湖量的61.5%和58.7%。在計算南淝河入湖通量時需要將污水處理廠退水量疊加到南淝河及其支流徑流量中一并考慮。各污水處理廠實際處理后的退水量及主要污染因子入河量見表4。

2.2 污染通量計算

結(jié)合前述逐月徑流、污水排放量以及逐月支流入南淝河河口和南淝河入湖前水質(zhì)監(jiān)測資料，推算2017年和2018年逐月入巢湖污染通量見表5。2017年南淝河水系年徑流量8.106 6億m3(其中城鎮(zhèn)污水處理廠退水量3.41億m3)，對應(yīng)的入湖污染通量COD 22 538 t、氨氮4 689 t、總氮6 799 t、總磷 347 t；2018年南淝河水系年徑流量約10.007 7億m3(其中城鎮(zhèn)污水處理廠退水量4.33億m3)，對應(yīng)的入湖污染通量COD 30 063 t、氨氮5 211 t、總氮7 658 t、總磷412 t。

表5 2017年和2018年南淝河流域入河污染負(fù)荷通量年內(nèi)逐月變化情況Table 5 Monthly variation of pollution load flux into the river in Nanfeihe River Basin in 2017 and 2018

2017年和2018年主要支流四里河、板橋河、二十埠河、店埠河污染通量計算結(jié)果見表6。南淝河水系干支流主要污染指標(biāo)污染負(fù)荷通量占比見圖1。南淝河污染通量中，直接入南淝河干流污水和店埠河、二十埠河、板橋河污染通量分別約占40%、30%、20%、10%左右。根據(jù)主要支流入河污染負(fù)荷與流域面積之比，計算其單位面積污染負(fù)荷見圖2。

2.3 污染通量解析

a. 南淝河水系發(fā)源江淮分水嶺缺水地區(qū)，當(dāng)?shù)貜搅飨忍觳蛔?，流域多年平均天然徑流量?.857億m3，干支流上建成的水庫集水面積 597.92 km2(不重復(fù)計算)，占南淝河流域總面積的38.7%，水庫攔蓄的多年平均天然徑流量約為1.77億m3。2017年、2018年南淝河入湖徑流量分別為8.106 6

表6 2017年和2018年南淝河流域干支流入河污染負(fù)荷通量Table 6 Pollution load fluxes of main and tributary rivers in Nanfeihe River Basin in 2017 and 2018

圖1 南淝河水系干支流主要污染負(fù)荷通量占比Fig.1 Proportion of main pollutant flux in mainand tributaries of Nanfeihe River System

圖2 南淝河水系支流單位面積污染負(fù)荷Fig.2 Pollution Load per unit area oftributaries of Nanfeihe River System

億m3、10.007 7億m3，污水處理廠處理后的入河廢污水量分別為3.409 3億m3、4.334 7億m3，天然徑流量4.7億m3、5.68億m3，污水處理廠尾水量占入湖水量42.0%、43.3%。區(qū)域降雨年內(nèi)分布特點是7—9月降水量約占全年的60%以上，枯水季節(jié)南淝河干流及其支流主要為污水處理廠處理后的退水，生態(tài)需水量嚴(yán)重匱乏。

b. 2018年比2017年污水入河量增加27.1%，主要污染指標(biāo)COD、氨氮、總氮、總磷入河污染負(fù)荷分別減少了12.2%、65.9%、13.7%、20.2%，說明現(xiàn)有污水處理廠削減污染負(fù)荷的作用顯著。據(jù)測算，非雨季節(jié)(11月至次年3月)南淝河城區(qū)污水直排量約為10萬m3/d，其對南淝河施口斷面氨氮超標(biāo)貢獻度在60%以上。未來需重點治理歷史遺留的城區(qū)地下暗河污水直排、雨污混排問題。

c. 結(jié)合非降水期間徑流資料，扣除污水處理廠入河水量，二里河、史家河等地下暗河直排入河污水量在10萬t/d左右，其COD、氨氮、總氮、總磷占南淝河入湖污染通量的12%、39%、24%和20%，是加重南淝河水質(zhì)污染的主要因素，對南淝河施口斷面氨氮超標(biāo)貢獻較大，二里河、史家河等地下暗河污染的治理十分緊迫。

d. 豐水年(2018年)較平水年(2017年)入湖水量和COD、氨氮、總氮、總磷分別增加23.5%、33.4%、11.1%、12.6%和18.7%，入湖污染負(fù)荷均有不同程度的增加，其中COD增幅遠大于入湖水量增幅。綜合污水處理廠主要污染指標(biāo)入河負(fù)荷分析，豐水年較平水年入湖污染負(fù)荷增加幅度較計算值更高，一定程度上反映城市建成區(qū)面源污染及部分農(nóng)村污染負(fù)荷等是主要貢獻者，特別是遭遇強降雨期間，會在暴雨期間驅(qū)動大量污染物匯集注入河湖，這也是近年來湖區(qū)氮磷負(fù)荷居高不下的重要原因之一。未來如何削減城市建成區(qū)和農(nóng)村面源污染是改善南淝河及巢湖污染重要問題之一。

e. 汛期(5—9月)入湖污染通量月均值明顯高于非汛期(1—4月、10—12月)，入湖污染通量與天然降水量呈正相關(guān)關(guān)系。未來需全面加強初期雨水的調(diào)蓄與處理，削減污染濃度較高的初期雨水匯入南淝河。

f. 南淝河四大支流中，二十埠河單位面積入河污染負(fù)荷最高，次之為板橋河、店埠河，應(yīng)作為下一步治理重點。

3 南淝河治理思路

a. 解決城區(qū)污水直排和混排歷史遺留問題。經(jīng)過20多年治理，目前城區(qū)污水集中處理率已超過90%，并已按DB 34/2710—2016《巢湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠和工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》排放，但南淝河流域歷史遺留的城區(qū)地下暗河污水直排、雨污混排問題仍未得到根本解決，成為影響斷面水質(zhì)達標(biāo)和河湖水環(huán)境改善的重要因素，所以應(yīng)解決城區(qū)污水直排和混排歷史遺留問題。

b. 重視城市建成區(qū)初期雨水和農(nóng)村面源污染盲點。南淝河董鋪水庫壩下流域面積70%以上為城市建成區(qū)，城市建成區(qū)和部分農(nóng)村面源污染及生活垃圾收集處理[6-10]是南淝河乃至巢湖治理的主要盲點，應(yīng)重視這些盲點。

c. 緩解河道基流匱乏和河渠不暢問題。當(dāng)前要結(jié)合江水西引，今后要依托引江濟淮，加快疏通滁河干渠及板橋河、二十埠河、店埠河通道，相機向南淝河補充生態(tài)水量，以緩解河道基流匱乏和河渠不暢問題。

d. 采取城市重污染河道綜合治理模式。聚焦“源頭減排、河渠減枯、濕地減污、湖區(qū)減負(fù)”[4]，系統(tǒng)做好污染負(fù)荷加減法，有序打好水環(huán)境治理組合拳，重點破解城區(qū)污水直排、城鄉(xiāng)雨污混排和河渠水網(wǎng)不暢、河道基流匱乏以及農(nóng)村治污滯后、面源污染存量較大等問題，結(jié)合南淝河超標(biāo)準(zhǔn)洪水安排和生物多樣性營造，加快建設(shè)南淝河口十八聯(lián)圩濕地，構(gòu)建凈化入湖水質(zhì)的最后一道防線。