貴州南明河水環(huán)境綜合整治綜合分析

　　1 引言(Introduction)

　　城市化與工業(yè)化的迅速發(fā)展與基礎設施建設的相對滯后, 導致我國城市水環(huán)境狀況惡化并引發(fā)社會(huì )的強烈關(guān)注(Guo, 2007; 陳豪等, 2014).以貴州省為例, 根據《2015年貴州省環(huán)境狀況公報》, 納入監測的44條河流中劣Ⅴ類(lèi)水質(zhì)斷面占6個(gè);潘真真等(2017)的研究表明, 2010—2014年期間, 貴州省水環(huán)境處于生態(tài)赤字狀態(tài)且生態(tài)壓力較高, 水環(huán)境生態(tài)壓力主要來(lái)源于生活水污染.國務(wù)院于2015年頒發(fā)了《水污染防治行動(dòng)計劃》, 至2017年, 全國已實(shí)現黑臭水體整治794處, 1298處進(jìn)入方案制定和治理階段, 城市水環(huán)境得到顯著(zhù)改善(吳舜澤等, 2015).進(jìn)行城市河道水環(huán)境綜合整治, 達到河道水質(zhì)改善的關(guān)鍵目標和考核指標, 已被證明是實(shí)現城市經(jīng)濟生態(tài)可持續發(fā)展的有效手段.

　　目前, 已有部分研究者對城市河道水環(huán)境綜合整治的過(guò)程進(jìn)行研究(Feng et al., 2014; 連衛中, 2015), 結果表明, 入河污染物總量超過(guò)河道自?xún)裟芰κ窃斐珊拥浪�質(zhì)惡化的主要原因(Yates et al., 2012; Shen et al., 2013), 實(shí)施污染物源頭控制、引水調水、底泥疏浚和生態(tài)修復等是進(jìn)行水環(huán)境綜合整治的主要手段(Gao et al., 2009; 許寬等, 2013).吳劍明等(2016)、孟偉等(2007;2013)、許卓等(2008)研究了市橋河、遼河、國外萊茵河和泰晤士河等水環(huán)境綜合整治的情況, 對國內外重要河道水環(huán)境整治項目的治理思路和采取的工程措施進(jìn)行了分析.

　　現有的研究通常集中于對污染情況和治理措施的定性描述, 而對污染物來(lái)源與負荷的定量識別、采取的工程措施的有效性分析及工程措施與水質(zhì)改善之間關(guān)聯(lián)性的定量系統分析研究較少(徐志平, 2015; 鄧仰杰, 2014).基于此, 本研究以貴州南明河綜合整治工程為例(2012年起先后啟動(dòng)1期和2期工程并完工, 3期工程正在實(shí)施), 在前期對河道污染物種類(lèi)及來(lái)源進(jìn)行定向識別的基礎上, 進(jìn)而采取具有針對性的相應工程措施, 并評估這些措施對污染物削減的貢獻.通過(guò)建立MIKE模型, 進(jìn)一步評估工程措施與河道水質(zhì)改善的關(guān)聯(lián)性, 并預測未來(lái)河道水質(zhì)情況, 以期為國內城市河道水環(huán)境治理提供決策參考.

　　2 材料與方法(Materials and methods)2.1 研究區域概況

　　南明河為長(cháng)江流域烏江的支流, 源于平壩縣與花溪區交界處, 自西南向東北流經(jīng)花溪區、市區、烏當區及龍里、開(kāi)陽(yáng)兩縣邊界, 至龍里兩岔河納獨水河, 主要有6條支流.南明河干流長(cháng)118 km, 干流城區段(三江口至紅巖橋)16 km, 水力資源豐富, 是當地工業(yè)、生活用水和農田灌溉的重要水源, 其主要支流、匯水口及匯水區域圖如圖 1所示.

　　圖 1南明河主要支流、匯水口及匯水區域圖 

　　隨著(zhù)當地工業(yè)化、城市化的快速推進(jìn), 南明河沿河流域人口急劇增加, 污水處理能力和基礎設施建設已不能滿(mǎn)足新增污染物的處理, 導致近年來(lái)南明河呈現出污染加重趨勢.監測顯示, 到2012年5月, 南明河干流沿程的COD、氨氮、TP及SS濃度分別達33.4~91.3、0.83~2.04、0.13~0.57和13.4~58.3 mg·L-1, 河道水質(zhì)整體處于劣Ⅴ類(lèi)水平.

　　因此, 為實(shí)現南明河的水質(zhì)凈化與提升, 當地于2012年啟動(dòng)了南明河綜合整治項目.根據《水污染防治行動(dòng)計劃》“全力保障水生態(tài)環(huán)境安全”的要求及《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》關(guān)于水域功能和標準分類(lèi)的規定, 結合考慮南明河作為當地的母親河及在一定程度上作為非人體接觸的娛樂(lè )用水需要, 確定南明河水環(huán)境綜合整治的目標是最終實(shí)現干流全段的主要水質(zhì)指標(COD、氨氮和TP)達到地表水Ⅳ類(lèi)水質(zhì), 建立完善的綜合生態(tài)水環(huán)境體系, 實(shí)現可持續的生態(tài)河道健康功能.

　　2.2 樣品采集與分析

　　以南明河干流城區段為對象, 對干流以外的支流匯入口、截污溝溢流、污水處理廠(chǎng)排水進(jìn)行水量水質(zhì)測試(取樣時(shí)間為2012年5月, 處于枯水期), 分析南明河外源污染的主要污染物種類(lèi)和排放負荷, 主要包括：花溪河、小黃河、麻堤河、小車(chē)河、市西河、工廠(chǎng)溢流口、污水廠(chǎng)排水、1號排水大溝、2號排水大溝和貫城河排水溝.水樣采集時(shí), 在支流兩岸離岸1 m處及中線(xiàn)位置(取水深0.5 m處水樣各1 L并混合)、截污溝溢流處及污水處理廠(chǎng)排水口(出水混合較均勻, 直接取樣)取樣;每隔4 h進(jìn)行水樣采集并連續采樣6次(持續24 h), 將6組樣品混合后檢測COD、氨氮、TP及SS.參照《水與廢水監測方法》對水樣中的COD、氨氮、TP及SS進(jìn)行檢測(白瑤等, 2011), 各支流及排污溝流量通過(guò)當地監測站提供的斷面水文條件與實(shí)測流速(Area velocity flow Module, ISCO2150, Isco, Inc. US)進(jìn)行測算(沈曄娜等, 2010).

　　采用柱狀取樣器(9 cm×50 cm), 對南明河干流城區段沿程進(jìn)行底泥取樣(共5處)分析.沉積物的前30 cm每5 cm分一層, 30~50 cm每10 cm分一層, 共分為8層, 分別檢測各層含水率、有機質(zhì)含量(OM)、總氮(TN)和總磷(TP).其中, 有機質(zhì)、總氮、總磷含量測定以干基為基礎進(jìn)行分析(王佩等, 2012).對南明河干流城區段進(jìn)行底泥深度分析, 每隔80 m在河道兩岸離岸0.5 m處進(jìn)行河床淤泥深度檢測, 沿程共布點(diǎn)200處.

　　2.3 污染及減排負荷計算

　　根據匯入南明河干流城區段的各支流、截污溝溢流及污水處理廠(chǎng)排水的流量與污染物濃度, 估算入河點(diǎn)源污染量(取樣期間無(wú)降雨徑流, 無(wú)面源污染負荷匯入);通過(guò)南明河干流城區段下游與上游斷面污染物總量之差估算沿程污染總負荷.考慮到南明河沿程均處于劣Ⅴ類(lèi)水體, 自?xún)裟芰Σ幻黠@, 在忽略河道自?xún)裟芰Φ那闆r下, 通過(guò)沿程污染總負荷與入河點(diǎn)源污染量之差, 估算內源污染釋放量(式(1)).

　　式中, Tm為內源污染量(t·d-1), Qx、Qs和Qn分別為南明河干流城區段下游斷面、上游斷面、各支流等點(diǎn)源污染源流量(106 m3·d-1), Cx、Cs和Cn則為分別對應的各污染物濃度(mg·L-1).

　　新建污水處理廠(chǎng)和現有污水廠(chǎng)升級改造對污染物的削減量為：

　　式中, Tr為通過(guò)新建污水廠(chǎng)或污水廠(chǎng)提標改造新增的污染負荷減排量(t·d-1), Qk為污水廠(chǎng)處理水量(106 m3·d-1), Cko為污水廠(chǎng)出水污染物濃度(mg·L-1)(包括COD、氨氮和TP), Cki為新建污水廠(chǎng)的進(jìn)水污染物濃度(mg·L-1)(針對水廠(chǎng)提標改造項目, 則為改造前的出水濃度).

　　2.4 河道水質(zhì)模型建立、率定與預測

　　為評估工程治理措施對南明河水質(zhì)的有效性和改善程度, 并指導南明河治理工程的進(jìn)行, 建立MIKE11模型驗證并預測采取的工程措施對南明河水質(zhì)的影響.模型主要參照以前的研究(熊鴻斌等, 2017; Doulgeris et al., 2012), 并基于地形、水文水質(zhì)等資料, 采用監測所得各進(jìn)水點(diǎn)水量及水質(zhì)條件作為模型邊界條件, 對南明河干流城區段(三江口至下游斷面)進(jìn)行模擬工作.水動(dòng)力水質(zhì)模擬分析在最不利條件下(枯水期)進(jìn)行, 若枯水期滿(mǎn)足水質(zhì)目標(Ⅳ類(lèi)), 則在同樣的污染排放負荷下, 平水期、豐水期的水質(zhì)目標也可滿(mǎn)足.采用2013—2014年水文水質(zhì)監測數據對模擬參數進(jìn)行率定, 并進(jìn)一步通過(guò)2016年9—10月監測數據對模擬參數進(jìn)行校核和修正.

　　3 結果與討論(Results and discussion)3.1 南明河干流水環(huán)境污染關(guān)鍵要素識別

　　以南明河干流城區段為研究對象, 造成南明河道黑臭的污染來(lái)源主要有點(diǎn)源污染、城市面源污染與內源污染(Stahl, 1979; 陳玲等, 2012).對于南明河干流城區段, 匯入的各支流(支流內污染物主要來(lái)源于沿岸生活污水排放)、管網(wǎng)截污溝溢流及污水廠(chǎng)排水等具有固定的排放和匯入點(diǎn), 可視為點(diǎn)源污染.城市面源污染部分主要為通過(guò)地表徑流帶來(lái)的污染負荷, 胡成等(2006)、王軍霞等(2014)的研究表明, 我國城市面源污染約占點(diǎn)源污染負荷的20%.通過(guò)點(diǎn)源污染與城市面源污染負荷的總量可評估進(jìn)入南明河干流城區段的外源污染量.此外, 干流中河道底泥污染物(COD、氨氮和TP等)通過(guò)生物的擾動(dòng)作用、沉積物有機物的礦化作用及底泥再懸浮會(huì )釋放到水相中造成內源污染(丁濤等, 2015; 梁文等, 2011).厘清外源污染和內源污染對河道水質(zhì)變化的貢獻, 識別造成水環(huán)境污染的關(guān)鍵因子, 對有效進(jìn)行河道修復具有重要作用.

　　3.1.1 外源污染

　　以南明河干流城區段為研究對象, 以匯入南明河干流的各支流、截污溝溢流及污水廠(chǎng)排水等共計10處評估點(diǎn)源污染量, 并主要包含花溪河、小黃河、麻堤河、工廠(chǎng)溢流口、污水廠(chǎng)排水、小車(chē)河、市西河、1號排水大溝、2號排水大溝和貫城河排水溝, 各匯入處的水量及相應的污染物濃度如表 1所示.10個(gè)入河點(diǎn)中, COD、氨氮和總磷單項指標為劣Ⅴ類(lèi)的分別達80%、60%和30%.COD和氨氮是南明河的主要入河污染物, 50%的點(diǎn)源污染來(lái)水中COD和氨氮濃度超過(guò)Ⅴ類(lèi)水限值100%, 最高達到了153.4和17.3 mg·L-1(超過(guò)地表Ⅴ類(lèi)水限值284%和765%).同時(shí)考慮各入河點(diǎn)的水質(zhì)及水量的情況下, 花溪河、小黃河、市西河和貫城河排水溝對南明河干流的污染負荷最強, 污染物總量分別占南明河點(diǎn)源污染的87.7%(COD)、82.0%(氨氮)和85.4%(TP).

　　對污染負荷嚴重的花溪河、小黃河、市西河和貫城河排水溝沿線(xiàn)排污口進(jìn)行排查并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)分析, 其主要污染來(lái)自于兩岸生活污水的排放(截污管溢流及部分直排), 這也與南明河入河污染物以COD和氨氮為主的特征相符.生活污水排放入河主要是由于近年來(lái)城市的迅速發(fā)展, 污水量迅速增大, 原有截污管網(wǎng)不能滿(mǎn)足現有污水收集需要, 使得生活污水大量溢流甚至直排造成.生活污水等外源污染入河是造成各支流及排污口COD和氨氮等超標的關(guān)鍵因素, 是造成南明河黑臭污染的主要原因.

　　美國和日本的研究表明(荊紅衛等, 2012), 隨著(zhù)點(diǎn)源污染得到全面控制后, 面源污染將成為影響水環(huán)境水質(zhì)改善的重要因素(劉莊等, 2015), 其對污染負荷的貢獻最高可達總污染負荷的50%~75%;而由于國內水環(huán)境治理仍處于初期, 胡成等(2006)、王軍霞等(2014)的研究表明, 國內城市的面源污染約占點(diǎn)源污染負荷的20%.因此, 本研究中主要通過(guò)點(diǎn)源污染估算面源污染負荷, 計算可知, 面源污染對COD、氨氮和TP的負荷分別約為10910、464和68 t·a-1.

　　3.1.2 內源污染

　　以H點(diǎn)(26.574169°N, 106.713866°E)處所取淤泥為例, 分析河道底泥理化性質(zhì)及其隨底泥深度的變化規律, 其余各處的底泥性質(zhì)具有相似性.結果表明(圖 2), 底泥含水率由表層往下逐漸降低, 上層污泥(0~30 cm)含水率較高(介于55%~70%之間), 下層污泥(30~50 cm)含水率相對降低(介于35%~45%之間).此外, 污泥干基有機物、TN及TP含量隨底泥深度的增加, 總體呈現先增加再減少的趨勢.干基有機物含量總體介于10%~20%之間, 總氮含量介于3500~6000 mg·kg-1之間, 總磷含量介于2000~5000 mg·kg-1之間.

　　圖 2南明河淤泥含水率、有機質(zhì)含量、TN及TP含量隨深度的變化

　　趙興青等(2007)在研究太湖底泥中有機物及營(yíng)養鹽含量隨深度變化時(shí)發(fā)現, 在底泥表層(0~15 cm)有機質(zhì)及營(yíng)養鹽的含量最高, 但變化幅度較大總體呈現波動(dòng)狀態(tài);在15 cm后呈現隨深度增加有機物及營(yíng)養鹽含量逐漸減少的趨勢, 這一結果與本研究相似.底泥表層有機物含量波動(dòng)較大, 可能主要是由于其處于兩相交界面, 生物反應比較活躍(Zhang et al., 2010; Li et al., 2010);此外, 由于是河道環(huán)境, 河道底泥受到河水沖刷帶來(lái)的水力擾動(dòng)較于湖泊更為強烈, 也是導致南明河底泥表層有機物及營(yíng)養鹽含量略為偏低的原因.但總體而言, 南明河淤泥的含水率、干基有機物及營(yíng)養元素含量隨底泥深度呈現逐漸下降的趨勢, 并在40 cm深度(對于H點(diǎn)處淤泥)開(kāi)始迅速降低, 與上層的底泥性狀呈現顯著(zhù)的差別, 說(shuō)明40~50 cm是合適的清淤深度.

　　南明河干流城區段河道內底泥深度沿程變化如圖 3所示, 南明河底泥分布極不均勻, 厚度變化范圍較廣(0~110 cm之間), 多介于0~10 cm之間(約占65%), 污泥厚度分布隨著(zhù)厚度的增加出現頻率降低.底泥厚度最大點(diǎn)一般出現在橡膠壩上游一定距離處.這是由于橡膠壩的存在使得壩前一段距離內(2~4 km)河道水深開(kāi)始明顯增加, 使得流速減緩, 導致懸濁物大量沉降造成.

　　圖 3南明河淤泥深度沿程變化

　　3.1.3 外源及內源污染對南明河污染負荷的貢獻

　　陳玉輝(2013)在研究溫州城市河道時(shí)發(fā)現, 河道處于黑臭情況下, 水域的水質(zhì)變化沒(méi)有明顯的自?xún)籼荻?考慮到南明河沿程均處于劣Ⅴ類(lèi)水體, 自?xún)裟芰Σ幻黠@, 在忽略河道自?xún)裟芰Φ那闆r下, 通過(guò)污染物總量與點(diǎn)源污染量之差, 估算內源污染釋放對COD、氨氮和TP的負荷貢獻分別約為30690、122和120 t·a-1.因此, 合并考慮點(diǎn)源與面源污染量為外源污染的情況下, 考察進(jìn)入南明河的外源及內源污染負荷, 可發(fā)現外源污染是造成南明河水質(zhì)污染的關(guān)鍵因素, 其對南明河中COD、氨氮、總磷的貢獻分別達到了68%、95%和77%(圖 4).此外, 內源污染的治理也具有重要意義, 底泥內源釋放對COD和TP污染的貢獻較為顯著(zhù), 分別占總體污染負荷的32%和23%.

　　圖 4外源與內源污染對南明河污染貢獻比較

　　3.2 南明河水環(huán)境治理措施及效果

　　根據對南明河水環(huán)境污染的來(lái)源識別, 針對性地對外源及內源污染采取措施;工程措施同時(shí)針對干流與支流開(kāi)展, 以削減通過(guò)支流最終匯入干流的污染物.治理過(guò)程中觀(guān)測南明河的長(cháng)期運行效果.

　　3.2.1 整治措施

　　外源污染的截留與治理：對干流及支流生活污水收集系統進(jìn)行改造以完善對污水的截流, 對排水大溝與截污溝連接點(diǎn)進(jìn)行改造共255處;新建6座污水處理廠(chǎng)以處理新截流污水, 出水達到一級A標準, 處理量共19萬(wàn)m3·d-1 (其中2座污水廠(chǎng)位于干流, 處理量共8萬(wàn)m3·d-1, 其余4座水廠(chǎng)均位于支流);同時(shí)對南明河流域現有4座污水處理廠(chǎng)升級改造, 出水由一級B提至一級A標準, 處理量共49萬(wàn)m3·d-1 (其中1座污水廠(chǎng)位于干流, 處理量為16萬(wàn)m3·d-1).此外, 為配合污水廠(chǎng)的建設同步完善相應污水廠(chǎng)的收集管網(wǎng), 主要包括對麻堤河污水廠(chǎng)所處的麻堤河流域(母豬井、王武、珠顯、周家寨排水主干線(xiàn)4條, 麻堤河沿岸截污溝)、青山污水廠(chǎng)的小車(chē)河流域(藍草壩、青山、太慈橋排水主干線(xiàn)3條及小車(chē)河沿岸截污溝)、小關(guān)污水廠(chǎng)等的污水收集系統進(jìn)行完善, 總體實(shí)現南明河干流全線(xiàn)截污、支流的納污系統建設基本完善.

　　內源污染的清淤與長(cháng)效保持：通過(guò)人工配合挖掘機挖掘污泥的方法, 共清淤71.2萬(wàn)m3, 基本解決南明河的內源污染問(wèn)題.將原有橡膠壩改造為翻板壩, 利用水壩蓄積河水并周期性放空的方式, 形成短時(shí)間較大水力擾動(dòng)對河道進(jìn)行沖刷, 達到對河道內源污染控制的長(cháng)效治理.

　　生態(tài)建設恢復自?xún)裟芰Γ簩δ厦骱雍拖嚓P(guān)支流進(jìn)行生態(tài)建設, 包括進(jìn)行河床生態(tài)修復、生態(tài)駁岸修復面積分別約31.2和3.1萬(wàn)m2, 跌水曝氣坎40道, 以重新塑造其多樣生態(tài)群落, 恢復水體自?xún)裟芰?

　　3.2.2 整治措施效果分析

　　通過(guò)截污納管并新建污水處理廠(chǎng)、對現有污水廠(chǎng)提標改造和底泥清淤3項措施, 對COD減排量分別達10125.1、598.6和30690.9 t·a-1, 對氨氮減排701.8、50.3和122.1 t·a-1, 對TP減排81.1、16.5和120.4 t·a-1.由于底泥釋放污染物主要為COD和TP, 清淤對COD和TP減排貢獻顯著(zhù), 占總污染物減排量的74.0%和55.2%.外源污染的減排對各項污染物均存在顯著(zhù)削減, 通過(guò)新建污水廠(chǎng)及污水廠(chǎng)提標改造對COD、氨氮及TP的削減量分別占總污染物減排量的26.0%、86.0%和44.8%.同時(shí), 相較于底泥清淤為一次性工程措施, 截污及污水處理為長(cháng)期運營(yíng)措施, 從而為河道的運營(yíng)實(shí)現持續減排.

　　采取的工程措施(1期和2期工程)共減少南明河COD、氨氮和TP污染負荷的43.1%、30.1%和41.1%(圖 5).經(jīng)過(guò)1期和2期整治后仍進(jìn)入河道的污染物中, 一部分來(lái)源于少量未能截污納管的污水;同時(shí), 經(jīng)截污并處理后達到一級A標準排放的污水仍屬于地表劣Ⅴ類(lèi)水, 且由于南明河自然流量較小(污水廠(chǎng)尾水占總水量的46.3%), 污水廠(chǎng)尾水也是河道污染物的重要來(lái)源.此外, 工程中針對面源污染削減的措施較少, 雨季初期雨水、溢流混合污水對南明河干流水質(zhì)將造成短期的顯著(zhù)污染, 降低其斷面水質(zhì)達標率.荊紅衛等(2012)通過(guò)調研美國水環(huán)境整治項目后指出, 當點(diǎn)源污染得到全面控制后, 面源污染對水環(huán)境污染的貢獻將十分顯著(zhù), 最高可達總污染負荷的50%.因此, 后續可通過(guò)進(jìn)一步完善截污納管與提高污水廠(chǎng)排放標準(如提標至出水主要水質(zhì)指標達到地表水Ⅳ類(lèi))削減點(diǎn)源污染, 并在合適情況下通過(guò)海綿城市建設等措施削減面源污染量, 以繼續減少進(jìn)入南明河的外源污染負荷.

　　圖 5整治措施對外源與內源污染的減排貢獻

　　通過(guò)采取水環(huán)境綜合整治措施(1期和2期工程)并經(jīng)半年時(shí)間運行, 南明河整治段劣Ⅴ類(lèi)的河長(cháng)從整治前的51.0%下降至17.4%, 主要水質(zhì)指標(COD、氨氮和TP)達到地表水Ⅴ類(lèi)的水質(zhì)段由原來(lái)的10.1%提高至24.3%, 主要水質(zhì)指標(COD、氨氮和TP)達到地表水Ⅳ類(lèi)的水質(zhì)段由原來(lái)的8.8%提高至28.2%.重點(diǎn)水質(zhì)斷面包括三江口、河濱公園、政府辦公樓及水文站水質(zhì)斷面的COD、氨氮及TP濃度相比于整治前均顯著(zhù)下降, 達到Ⅳ類(lèi)或Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標準;南明河干流及各支流內沉水植物生長(cháng)良好, 河道生態(tài)功能呈現良性恢復狀況.

　　3.3 南明河水環(huán)境質(zhì)量模擬預測

　　目前, 南明河水環(huán)境整治工程(1期和2期)已經(jīng)基本完成, 南明河水質(zhì)得到顯著(zhù)改善.3期工程正在進(jìn)行中并主要包括繼續完善截污管網(wǎng)(干流及支流新建截污溝約25.5 km), 新建4座污水廠(chǎng)(總處理量12.5萬(wàn)m3·d-1);部分污水廠(chǎng)出水標準進(jìn)一步提升(由一級A提至出水主要水質(zhì)指標(COD、氨氮和TP)達到地表水Ⅳ類(lèi)水標準, 共33萬(wàn)m3·d-1), 強化生態(tài)修復(河床植物覆蓋率達80%)及進(jìn)行海綿城市建設控制城市面源污染.為評估南明河水環(huán)境整治主體工程全部完成時(shí)南明河水環(huán)境狀況, 基于南明河上游匯水區域歷史和現狀的水質(zhì)、水文、地形、生態(tài)、污染源等統計資料, 對完成3期整治后的水質(zhì)狀況進(jìn)行模擬與預測, 以指導工程的進(jìn)一步實(shí)施.

　　3.3.1 模型建立與率定

　　建立MIKE11模型后, 采用2013—2014年水文水質(zhì)監測數據對模擬參數進(jìn)行率定.同時(shí), 1期及2期工程實(shí)施后, 南明河生態(tài)系統得到良好恢復, 形成淺層富氧河流, 因此, 需考慮河道的自?xún)裟芰?進(jìn)一步采用2016年9—10月監測數據對模擬參數進(jìn)行校核和修正, 并確定了模型的主要參數, 包括水動(dòng)力系數和水質(zhì)降解系數.其中, 水動(dòng)力系數河道糙率(n)確定為0.025, 水質(zhì)參數包括COD的降解系數、氨氮的降解系數和TP的降解系數, 并分別確定為0.090、0.085和0.050 d-1.模型模擬顯示, 模擬結果與實(shí)測結果較吻合, 其中, COD、NH3-N及TP模擬值與實(shí)測值相對誤差分別為8.3%、9.5%和8.4%(均小于10.0%), 模型適用于后續工作的模擬與分析.

　　3.3.2 南明河水質(zhì)預測

　　模擬結果顯示(圖 6), 南明河干流城區段下游斷面在3期工程完成后能穩定達到Ⅳ類(lèi)水質(zhì);部分河段能進(jìn)一步達到地表Ⅲ類(lèi)水質(zhì), COD、氨氮和TP單項指標達到地表水Ⅲ類(lèi)水的河段占干流城區段全長(cháng)的76.6%、56.3%和11.1%.

　　圖 6三期整治工程完工及2種調水方案情境下的南明河干流沿程水質(zhì)模擬結果

　　然而, 仍存在部分河段的氨氮或TP不能達到地表Ⅳ類(lèi)水的情況(COD在全河段均能達標).在三江口(上游來(lái)水斷面)、污水廠(chǎng)排水(距上游斷面約4.5 km處)、市西河匯入口(距上游斷面約10.6 km處)等處, 相對于沿程上下游均有污染物顯著(zhù)上升的情況, 并導致部分河段TP和氨氮超標.TP在三江口下游700 m和市西河匯入口下游1300 m范圍內, 氨氮在市西河匯入口下游3900 m內略高于Ⅳ類(lèi)水體指標;其中, TP最高達0.35 mg·L-1 (超標0.05 mg·L-1, 以P計), 氨氮最高達1.81 mg·L-1 (超標0.31 mg·L-1, 以N計).因此, 三江口、污水廠(chǎng)排水和市西河匯入口及相應的下游河段應進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注, 需要通過(guò)污染排查或強化處理措施的方式重點(diǎn)削減這幾處的入河污染負荷.

　　除在三江口、污水廠(chǎng)排水及市西河匯水對南明河造成顯著(zhù)的污染負荷外, 枯水期南明河自然基流較小、河道內主要為污水處理廠(chǎng)尾水也是部分河段較難達到地表Ⅳ類(lèi)水標準的重要原因.南明河在枯水期時(shí)46.3%的流量來(lái)自于污水處理廠(chǎng)尾水(污水廠(chǎng)尾水及自然徑流量分別為80.5和93.3萬(wàn)m3·d-1(王菊等, 1999)), 其中3期工程完工后污水處理廠(chǎng)出水為一級A標準的(屬于地表水劣Ⅴ類(lèi)水)有47.5萬(wàn)m3·d-1, 占總流量的27.3%, 從而降低了河道的環(huán)境容量.

　　為保證南明河主要水質(zhì)指標(COD、氨氮和TP)在干流城區段全長(cháng)范圍內穩定達到地表水Ⅳ類(lèi)標準, 可考慮將全市的污水廠(chǎng)排水標準均提升至出水主要指標達到地表水Ⅳ類(lèi)或從上游鄰近水庫(紅楓湖, 為Ⅱ類(lèi)水體)調水的方式增大枯水期河道基流.由于南明河自然流量較小并主要以污水廠(chǎng)尾水為主, 在污水廠(chǎng)出水主要水質(zhì)標準為地表水Ⅳ類(lèi)的情況下, 若沿河仍存在無(wú)序徑流及少量未能截污納管的點(diǎn)源排放(從而引入污染負荷), 就可能使得干流全段主要水質(zhì)指標達到地表水Ⅳ類(lèi)的目標難以實(shí)現.相比之下充分考慮當地現狀情況, 上游鄰近水庫水量充沛、水質(zhì)較好(地表水Ⅱ類(lèi))且具備調水條件, 同時(shí)由于調水距離較近的原因在經(jīng)濟性上也具有競爭性.因此, 綜合考慮技術(shù)實(shí)現可行性、達標穩定性及經(jīng)濟性, 可考慮通過(guò)一定程度的區域調水方式進(jìn)一步提升河道水質(zhì).經(jīng)計算, 通過(guò)紅楓湖對南明河進(jìn)行生態(tài)補水且補水量達到2.89 m3·s-1時(shí), 在最劣情況下(枯水期)南明河水質(zhì)最差斷面主要水質(zhì)指標(COD、氨氮和TP)可恰好達到地表Ⅳ類(lèi)水標準;進(jìn)一步地, 考慮模擬誤差并在達標保證率高于90%的情況下, 枯水期補水量應達到3.47 m3·s-1.在平水期和豐水期間, 由于河道自然基流增大, 南明河干流水質(zhì)優(yōu)于枯水期模擬結果, 補水量可相應減小.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　由模型模擬可知, 針對南明河的水環(huán)境綜合整治, 通過(guò)截污(沿河完善截污納管)、污水收集與處理(新建污水廠(chǎng)及已有污水廠(chǎng)的提標改造)及清淤(內源污染消除)等措施可以大幅削減入河的有機及氮磷污染物(削減率達到30.1%~43.1%), 從而顯著(zhù)改善河道黑臭情況.消除外源及內源污染對于國內大部分河道的水環(huán)境整治具有適用性, 且對管網(wǎng)、污水廠(chǎng)的長(cháng)效運行維護及清淤后底泥的長(cháng)效控制, 是實(shí)現河道水質(zhì)長(cháng)期保持的關(guān)鍵.同時(shí)對于城市河道而言, 由于沿岸大量人口的用水及排水, 生態(tài)基流一般較小, 且污水廠(chǎng)一級A標準的出水仍然屬于劣Ⅴ類(lèi)水;此外, 當點(diǎn)源等主要污染源得到全面控制、入河污染負荷總體較低的情況下, 面源污染對水環(huán)境污染的貢獻也將可能十分顯著(zhù).因此, 為進(jìn)一步提升河道水質(zhì), 在經(jīng)濟技術(shù)可行情況下可考慮進(jìn)行污水廠(chǎng)出水的進(jìn)一步提標改造(如出水主要指標達到地表水Ⅳ類(lèi))和近距離補水調水, 同時(shí)應通過(guò)海綿城市建設等措施加強對面源污染的控制.

　　4 結論(Conclusions)

　　1) 南明河中污染物以COD和氨氮為主, 外源污染對干流城區段中COD、氨氮及總磷污染負荷的貢獻分別達到68%、95%和77%, 是造成南明河水質(zhì)污染的關(guān)鍵因素.

　　2) 通過(guò)截污納管、污水處理及河底清淤的方式削減外源和內源污染, 可共削減南明河COD、氨氮和TP污染負荷41414.6、874.2和218.0 t·a-1;通過(guò)生態(tài)建設恢復河道自?xún)裟芰Σ⒔?jīng)半年運行后, 南明河劣Ⅴ類(lèi)河道長(cháng)度占比從整治前的51.0%下降至17.4%, 主要水質(zhì)指標達到地表水Ⅴ類(lèi)的水質(zhì)段由原來(lái)的10.1%提高至24.3%.

　　3) MIKE模型預測綜合整治措施全部完工時(shí), 南明河下游水質(zhì)斷面能穩定達到Ⅳ類(lèi)水體, 但在枯水期仍可能存在部分河段TP超標(占河道總長(cháng)12.5%, 超標至多0.05 mg·L-1)、氨氮超標(占河道總長(cháng)24.3%, 超標至多0.31 mg·L-1)的情況.

　　4) 通過(guò)從上游水庫(Ⅱ類(lèi)水)進(jìn)行生態(tài)補水, 可保障南明河水質(zhì)在干流城區段全長(cháng)范圍內、全年度穩定達到地表Ⅳ類(lèi)水, 考慮模擬誤差且保證達標率高于90%的情況下, 枯水期最高補水量應達到3.47 m3·s-1.(環(huán)境科學(xué)學(xué)報 作者：李力)