生態(tài)清潔小流域污染物總量及水環(huán)境容量研究
——以上海市華漕鎮(zhèn)為例

王 波 杰

(上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200000)

0 引 言

近幾年上海市水環(huán)境治理經(jīng)歷了補短板的兩個階段，一是消除黑臭水體階段，二是整治面廣量大的劣Ⅴ類水體階段。至2019年底劣Ⅴ類河道斷面占比下降至2.5%，全市水環(huán)境治理工作取得了一定的效果。但受各種因素限制，水環(huán)境治理工作仍存在單獨治水多、系統(tǒng)謀劃少，單獨治理多、聯(lián)片治理少，硬質(zhì)工程多、生態(tài)修復少，單項功能治理多、綜合功能提升少等問題。2020年上海市政府貫徹生態(tài)文明和幸福河的理念，以生態(tài)清潔小流域為連片布局，全面推進上海“河湖暢通、生態(tài)健康、清潔美麗、人水和諧”的生態(tài)清潔建設[1]。生態(tài)清潔小流域建設以治水為核心，將小流域水質(zhì)作為核心指標，要從根本上實現(xiàn)小流域水質(zhì)達到生態(tài)清潔小流域考核目標，需要建立污染物排放量和水環(huán)境質(zhì)量之間的定量對應關系[2]。如何科學、合理、精準測算污染物排放量及水環(huán)境容量是實現(xiàn)水質(zhì)穩(wěn)定達標的關鍵[3-4]。

本文以上海市華漕鎮(zhèn)生態(tài)清潔小流域建設為例，在本底條件調(diào)查的基礎上，提出了污染源及水環(huán)境容量測算方法，通過對比分析結(jié)果能夠明確流域主要超標因子，可為華漕鎮(zhèn)小流域建設工作提供參考依據(jù)[4]，對于上海市及其他城市全面開展生態(tài)清潔小流域建設具有重要的指導和借鑒意義。

1 華漕鎮(zhèn)流域水環(huán)境現(xiàn)狀

華漕鎮(zhèn)位于上海市閔行區(qū)北端，蘇州河南岸，東與長寧區(qū)新涇鎮(zhèn)相接，西與青浦區(qū)華新、徐涇鎮(zhèn)相連，南與新虹街道相鄰，北濱蘇州河與嘉定區(qū)安亭、江橋鎮(zhèn)隔江相望，華漕鎮(zhèn)鎮(zhèn)域總面積28.2 km2(見圖1)。

根據(jù)《上海市生態(tài)清潔小流域建設總體方案》[1]建設要求，華漕鎮(zhèn)屬于綠色發(fā)展型生態(tài)清潔小流域。上海市生態(tài)清潔小流域總體示意見圖2，綠色發(fā)展型生態(tài)清潔小流域主要評價指標見表1，地表水Ⅳ類指標見表2。

表1 華漕鎮(zhèn)綠色發(fā)展型生態(tài)清潔小流域主要評價指標Tab.1 Main evaluation indices of in Huacao Town green development ecologically clean small watershed

表2 地表水Ⅳ類指標Tab.2 Class IV indicators of surface water

2 污染源構(gòu)成分析

污染源分析以2019年為基準年，調(diào)查了華漕鎮(zhèn)下墊面、降雨條件、雨污排水系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)種植業(yè)作物、底泥疏浚情況。結(jié)果表明：華漕鎮(zhèn)污染物來源主要包括農(nóng)業(yè)面源污染、城鎮(zhèn)生活污水、地表徑流(主要為放江泵站)、濕沉降。由于華漕鎮(zhèn)河道2018年已經(jīng)過一輪清淤整治，內(nèi)源污染不計入其中，另外華漕鎮(zhèn)內(nèi)污水系統(tǒng)均輸送至虹橋污水廠進行處理，虹橋污水廠出水直排至蘇州河，未排入本流域內(nèi)，污水廠尾水污染也不計入其中。根據(jù)以上污染源類型，結(jié)合各項污染源排污系數(shù)計算原則，農(nóng)業(yè)面源污染排污系數(shù)依據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》(2003)[6]，城鎮(zhèn)生活污水根據(jù)《第一次全國污染源普查-城鎮(zhèn)生活污水排污系數(shù)手冊》(2008)選取，地表徑流污染排污系數(shù)主要依據(jù)《上海市骨干河道一河一策》，濕沉降排污系數(shù)主要依據(jù)《水環(huán)境容量計算理論及應用》(2010)[7]選取，進而可測算出污染源排放總量，其相關污染指標及數(shù)據(jù)見表3。由表3可知：目前華漕鎮(zhèn)污染物排放總量CODCr為1 428.60 t/a，NH3-N為59.09 t/a，TP為11.30 t/a，污染負荷貢獻最大來自地表徑流(主要以放江泵站[8]形式為主)，其次為城鎮(zhèn)生活污水。

表3 華漕鎮(zhèn)各類污染物排放量測算Tab.3 Emission calculation of various pollutants in Huacao Town t/a

3 水環(huán)境容量計算

水環(huán)境容量是指水體環(huán)境在一定功能要求、設計水文條件和水質(zhì)目標下，所允許容納的污染物量[9-10]，即在水環(huán)境功能不受破壞的條件下，水體所能容納的污染物量，也是水污染總量控制的關鍵核心[11]。根據(jù)污染物降解機理，水環(huán)境容量可劃分為稀釋容量和自凈容量兩部分[12]式(1)。稀釋容量是指在給定水域的來水污染物濃度不達標時，依靠稀釋作用達到水質(zhì)目標所能承納的污染物量；自凈容量是指由于沉淀、生化、吸附等物理、化學和生物作用，給定水域達到水質(zhì)目標所能自凈的污染物量。

W水環(huán)境=W稀釋+W自凈

(1)

3.1 計算方法

采用完全混合模型對華漕鎮(zhèn)地表水環(huán)境容量進行估算，水質(zhì)目標按照本次華漕鎮(zhèn)綠色發(fā)展型水質(zhì)達到Ⅳ類標準要求確定，計算公式如下：

W=Q0+(CS-C0)+KVCs

(2)

式中：Q0為周邊流域流入流量，m3/s；Cs為水質(zhì)目標標準，mg/L；C0為入流污染物濃度，mg/L；K為降解系數(shù)，d-1；V為水體容積，m3。

因華漕鎮(zhèn)內(nèi)及周邊河道小流域水質(zhì)指標均以地表水Ⅳ為目標，因此認為來水水質(zhì)即為Ⅳ類，無稀釋容量，華漕鎮(zhèn)水環(huán)境容量主要為自凈容量，則有：

W自凈=KVCs

(3)

3.2 降解系數(shù)K值選擇

對于各項水質(zhì)指標水環(huán)境容量研究，水質(zhì)模型中降解系數(shù)的賦值是關鍵[13]，污染物的生物降解、沉降和其他物理過程，可概括為污染物綜合降解系數(shù)。現(xiàn)行的計算方法主要有資料反推法、類比法、經(jīng)驗估值法、分析借用法、實測法、模型率定法等[14]，現(xiàn)行較為成熟流行的方法為水質(zhì)模型率定法。本次降解系數(shù)的選取采用水質(zhì)模型率定法。用MIKE模型建立上海市淀北片區(qū)(華漕鎮(zhèn)位于淀北片)水質(zhì)模型，根據(jù)2019年現(xiàn)狀水質(zhì)數(shù)據(jù)率定了各污染因子降解系數(shù)，淀北片水質(zhì)綜合降解系數(shù)數(shù)據(jù)率定圖詳見圖3，華漕鎮(zhèn)CODCr降解系數(shù)取0.05，NH3-N降解系數(shù)取0.03，TP降解系數(shù)取0.018。

3.3 水環(huán)境容量與污染總量對比分析

通過水環(huán)境容量及污染總量量化比較分析，華漕鎮(zhèn)流域水環(huán)境剩余余量數(shù)據(jù)見表4。余量為正表示水環(huán)境容量還有富余，余量為負表示水環(huán)境容量不足，無法消納入河污染負荷。表4數(shù)據(jù)結(jié)果表明：COD水環(huán)境余量為84.91 t/a，NH3-N水環(huán)境余量為-13.69 t/a，TP水環(huán)境余量為-5.85 t/a，表明華漕鎮(zhèn)現(xiàn)狀的NH3-N、TP水環(huán)境余量均不足，無法滿足華漕鎮(zhèn)生態(tài)清潔小流域Ⅳ類水目標。

表4 華漕鎮(zhèn)各類污染物水環(huán)境余量測算Tab.4 Water environment allowance of various pollutants in Huacao Town t/a

3.4 現(xiàn)狀水質(zhì)耦合論證

以2019年華漕鎮(zhèn)水質(zhì)現(xiàn)狀指標作為論證支撐數(shù)據(jù)，根據(jù)華漕鎮(zhèn)水務站提供的2019年閔行區(qū)河湖水質(zhì)狀況年報[15]：其中Ⅳ類及以上121個點位，占比75.15%；Ⅴ類點位22個，占比13.66%；劣Ⅴ類點位有18個，占比11.18%。主要超標因子為氨氮、總磷，總磷未達到Ⅳ類有33個，超標率為20.50%，氨氮未達到Ⅳ類有35個，超標率為21.74%。從總體數(shù)據(jù)來看，華漕鎮(zhèn)現(xiàn)狀水質(zhì)氨氮及總磷為主要超標因子，與前文水環(huán)境余量計算結(jié)果基本符合，可認為本次華漕鎮(zhèn)污染源總磷及水環(huán)境容量計算方法基本合理。

4 污染物總量控制措施及目標分析

4.1 污染物總量控制目標與分析

目前，華漕鎮(zhèn)流域影響水質(zhì)的最主要污染因子為氨氮及總磷，需要進行污染物總量控制目標分析，污染物總量控制的基本思路詳見圖4。以環(huán)境質(zhì)量標準為基礎，考慮自然特征，計算出為滿足環(huán)境質(zhì)量標準的污染物總允許排放量，然后計算每個污染源的合理削減率和相應的允許排放量，得出最優(yōu)方案。結(jié)合華漕鎮(zhèn)水環(huán)境質(zhì)量要求標準，對各類污染源提出不同的削減工況組成[16]。

4.2 污染防治措施分析

從污染物排放總量占比數(shù)據(jù)來看，污染防治措施主要從地表徑流控制、生活污水排放控制、水生態(tài)修復治理、農(nóng)業(yè)面源控制4個方面入手，通過減排增容的方式確保流域能夠依靠自凈能力消納流域污染總量[17]。

4.2.1地表徑流控制措施

華漕鎮(zhèn)大部分區(qū)域為強排區(qū)，地表徑流主要依靠強排泵站排入至河道內(nèi)，華漕鎮(zhèn)目前有5個雨水放江泵站存在雨天大量污染入河情況，對整個區(qū)域的水質(zhì)惡化影響明顯。因此，急需對5個放江泵站采取針對性措施，減少污染入河量。放江泵站處理主要采取排口生態(tài)化處理方式，措施主要包括管道內(nèi)底泥處理及高通量生物凈化廊道。高通量生物凈化廊道主要截留放江時沖下來的管道污泥，這樣能有效削減入河污染負荷，同時在凈化設施內(nèi)設置高效微生物載體及微孔曝氣裝置，在放江結(jié)束后快速凈化受到污染的水質(zhì)，并削減設施內(nèi)的底泥。通過排口預處理后，其CODCr排入量能削減60%～70%，NH3-N排入量能削減15%～20%，TP排入量能削減50%～60%。

4.2.2生活污水污染控制

生活污水污染控制主要包括截污納管及初雨治理兩方面。推進小區(qū)末端截留改造，將污染控制在源頭，同時加強市政雨水管網(wǎng)檢測及修復力度，完善雨排放系統(tǒng)。對現(xiàn)狀雨水口進行改造，主要采取帶濾芯的新型雨水口，強化雨水口掛籃攔截垃圾，提升過水能力，改善入河初期雨水水質(zhì)。通過以上措施手段，其生活污水排入量COD減少39.22 t/a，NH3-N減少5.02 t/a，TP減少1.26 t/a。

4.2.3水生態(tài)修復

針對重點區(qū)域(劣Ⅴ類水體)實施人工增氧及微生態(tài)系統(tǒng)修復，快速改善水質(zhì)、增強水體自凈能力。水生態(tài)系統(tǒng)逐漸恢復后，主要依靠水生態(tài)植物系統(tǒng)與微生態(tài)修復搭配，增強水體納污能力和水質(zhì)長效保持。同時結(jié)合活水暢流的方式，提升水動力，增加水環(huán)境容量，通過水生態(tài)修復工程，其COD能降解27.24 t/a，NH3-N降解4.39 t/a，TP降解0.18 t/a。

4.2.4農(nóng)業(yè)面源控制

種植業(yè)面源污染管控策略是以源頭控制、過程阻斷、末端治理為技術(shù)治理路線。源頭控制措施主要是科學調(diào)整農(nóng)作物茬口布局、科學施用農(nóng)藥和化肥、大力發(fā)展高標準節(jié)水灌溉技術(shù)、減少灌溉定額、大力發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟；過程阻斷以工程措施為主，把現(xiàn)狀排水溝改造為生態(tài)攔截溝，攔截降解氮磷等污染物；末端治理是利用周邊現(xiàn)有閑置塘或者洼地，改造成具有凈化效果的人工濕地或者凈化塘，將種植業(yè)較集中區(qū)域進行集中式處理，區(qū)塊尾水集中后進行深度處理，以削減農(nóng)業(yè)面源污染負荷，處理凈化后的水體可就近入河或進行灌溉回用，最小化環(huán)境排放量的同時實現(xiàn)水資源的節(jié)約。農(nóng)業(yè)面源污染治理措施能夠有效削減30%的NH3-N和30%的TP。

4.3 水質(zhì)可達性分析

通過農(nóng)業(yè)面源控制、城鎮(zhèn)生活污水污染控制、地表徑流控制(海綿城市措施、5個雨水放江泵站強化處理)、水生態(tài)修復(水質(zhì)不達標河道)等多項整治措施，各措施污染物去除量詳見表5。根據(jù)表5結(jié)果可知：污染物總計去除量CODCr為181.28 t/a，NH3-N為15.76 t/a，TP為6.10 t/a；整治后，華漕鎮(zhèn)小流域現(xiàn)狀水質(zhì)整體達到Ⅳ類水標準及以上。表5結(jié)果中水環(huán)境容量余量轉(zhuǎn)為正數(shù)，表明華漕鎮(zhèn)小流域區(qū)域水質(zhì)達到目標要求，符合實際情況。

表5 采用控制措施后的華漕鎮(zhèn)水環(huán)境余量Tab.5 Water environment allowance of Huacao Town after adopting the control measures t/a

5 結(jié) 論

本文以上海市華漕鎮(zhèn)生態(tài)清潔小流域建設為例，在現(xiàn)有資料調(diào)查基礎上，根據(jù)水質(zhì)目標、水文水動力條件、污染排放類型及空間布局等因素，提出了污染源及水環(huán)境容量測算方法，根據(jù)測算方法能精準測算流域污染總量及水環(huán)境承載能力。通過兩者量化比較分析，可知2019年華漕鎮(zhèn)生態(tài)清潔小流域水環(huán)境余量CODCr為84.91 t/a，NH3-N為-13.69 t/a，TP為-5.85 t/a，得到流域目標污染因子為氨氮及總磷，地表徑流及生活污水排入量是該流域污染最主要的貢獻來源。研究結(jié)果表明華漕鎮(zhèn)流域整治重點需要從地表徑流控制、生活污水排放控制、水生態(tài)修復治理、農(nóng)業(yè)面源控制入手。本次研究污染源及水環(huán)境容量測算方法能夠為華漕鎮(zhèn)流域水環(huán)境綜合整治提供參考依據(jù)，可以作為上海市生態(tài)清潔小流域污染源及水環(huán)境容量的估算方法，為上海市及其他城市全面開展生態(tài)清潔小流域建設提供重要的指導和借鑒意義。