深圳市河流水污染治理與雨洪利用研究

彭盛華，尹魁浩，梁永賢，林高松，鄧聯木

國家環境保護飲用水水源地管理技術重點實驗室，深圳市環境科學研究院，廣東 深圳 518001

深圳市經過近30年高速發展，社會經濟取得了 舉世矚目的成就，但同時也出現了嚴重的環境問題，尤其是水污染嚴重，近年來所有河流水質均劣于GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類［1］。盡管市委市政府一直對水環境治理問題非常重視，投入巨資治水，組織開展了大量的規劃研究工作，大規模修建了二級污水處理廠和其他污水處理工程，取得了積極成效，但因種種原因，部分河流水污染治理效果依然不明顯，河流黑臭問題仍未根除，近期(2010年)治理目標［2-4］難以達到［5］。因此，水環境治理仍將是深圳市“十二五”環境保護工作的重中之重。

為確保實現深圳市水環境治理目標，特別是省政府為保護東江飲用水源要求的跨界河流交接斷面水質目標，同時實現河流雨洪利用，緩解“水資源難以為繼”問題，必須對河流水污染治理與雨洪利用問題作進一步研究，綜合采取多種措施，不斷提高治污能力與水平。

隨著我國改革開放的不斷深入，內地社會經濟亦呈現出快速發展的趨勢，水資源及水環境問題也日益突出。作為我國改革開放的先鋒城市，深圳市河流水污染治理與雨洪利用問題的研究具有普遍意義。

1 深圳市水資源與水環境特征分析

深圳市是我國改革開放后短短30年從一個邊陲小鎮迅速發展而成的國際化大都市，總人口已超過1000萬人，社會經濟高速發展，為我國首個人均GDP超1萬美元的城市。深圳市雖處在我國水資源豐富的珠江三角洲地區，且降水豐沛(多年年平均降水約1837 mm)，但受地形條件限制，境內無較大河流，只有小河小溪，水資源主要依靠境外東江引入。由于市區面積狹小(1952.84 km2)，地表徑流量嚴重不足，而從東江引入的水量有限，導致深圳市成為我國水資源最匱乏的城市之一，人均水資源擁有量僅344.4 m3，為全國平均值的1/7，珠江三角洲地區的1/12.4，在極度缺水標準線之下。深圳市人口密度超過5000人/km2，遠高于廣東省和全國平均水平，因而城市化進程快速發展，不透水面積急劇增加，加之氣候特征分為明顯的枯季(11—3月)與雨季(4—10月)，枯季時河流天然流量近乎枯竭。

深圳市有小河、小溪160余條，集水面積與徑流量都很小，流域面積大于100 km2的有深圳河、茅洲河、龍崗河、坪山河和觀瀾河5條，其中后3條為跨界河流(稱為“三河”，下同)，屬東江水系，其余河流分屬海灣和珠江口水系，直接入海，多年平均徑流總量1.827×109m3，97%保證率年只有7.67×108m3。全市建有大小水庫174座，總庫容5.79×108m3，總集水面積 569.1 km2，占全市總面積的29.1%，其中18座較大的水庫與東江引水系統相連，形成江庫聯調型供水水源，集水面積279 km2，總庫容3.3722×108m3，調節庫容2.338×108m3，多年平均徑流量2.5264×108m3，97%保證率年只有1.3006×108m3。

一般年份，深圳市70%以上供水靠東江引水，自產水量不到30%。例如，2007年屬中水偏枯年，降雨量1635.41 mm，地表徑流量1.755×109m3，總供水量1.80085×109m3，從東江引水1.326×109m3，占73.63%，自產水量只有 4.7485 ×108m3，占26.37%，其中地下水3.77×107m3，污水回用4.949×107m3，地表徑流量利用率只有22%。

根據《深圳市城市供水規劃》(2006—2020)中的節水方案［6］，遠期2020年總供水量2.612×109m3。按97%保證率年，確保水量有東江引水1.593×109m3，市內蓄水1.97 ×108m3，地下水6.5 ×107m3，海水淡化 6.7 ×107m3，尚缺水 6.9 ×108m3，需通過污水資源化和雨洪利用解決。因此，規劃雨洪利用3.31 ×108m3［7］，其中用于飲用水 2.45 ×108m3(包括恢復原河道提水工程6.3×107m3)，用于城市雜用水8.6×107m3，污水資源化5.28×108m3(包括建筑中水利用2.0×107m3)，才能達到水資源供需平衡。顯然，實現雨洪利用和污水資源化規劃目標是保證深圳市遠期水資源供需平衡，緩解“水資源難以為繼”的前提。污水資源化達到規劃要求的水量和水質(Ⅴ類或優于Ⅴ類)在技術上沒有太大難度，雨洪利用雖然可利用的多年平均量可滿足要求，但需要達到飲用水源水質(優于Ⅲ類)和足夠大的調蓄庫容作多年調節，則難度很大，是關鍵性問題。

截至2006年，深圳市已建成集中污水處理廠處理能力7.869×108t/a，加上人工濕地等其他污水處理工程，污水處理能力達1.053×109t/a，與當年廢污水總排放量基本相當。規劃到2010年建成集中污水處理廠總規模1.540×109t/a，全部達到城鎮污水處理廠一級A標準，同時加速污水管網建設，實施雨污分流和沿河截污，要求城市污水處理率平均達到80%(特區內90%以上，特區外75%以上)。規劃到2020年，污水處理廠總規模將達到2.697×109t/a，約為預測廢污水總排放量的2倍，超出的能力用來處理初雨水和面源污染。上述工程措施對深圳市水污染治理無疑發揮了重要作用，現已基本遏制了水環境繼續惡化的趨勢，河流水質狀況總體上已有所好轉。但由于人口與污染負荷量不斷增長，污水管網建設嚴重滯后，舊城區的雨污分流制改造非常困難，至今污水收集率特區內約50%～60%，特區外僅20%～30%，建成的污水處理廠難以發揮作用，加之因缺水而未安排環境用水，導致河流水污染依然嚴重，尤其在枯季，河流淪為污水溝，必然發生黑臭。顯然，河流水污染治理效果不明顯的主要原因:一是污水收集率太低;二是枯季未能補水增容。

以上分析表明，深圳市水資源問題的解決與水污染治理密切相關，以河流水質達標后實現雨洪利用為前提，而水污染治理達標又取決于能否提高污水收集率，并實現河流枯季補水增容。

2 污染負荷量產生特點分析與預測

深圳市產業結構較為合理，主要為機械、電氣、電子等設備制造業和第三產業，無大型產污企業，污染負荷主要為生活污水。據統計［1］，2007年全市生活污水產生量7.11×108t，工業生產廢水排放量9.204×107t，工業生產廢水只占廢污水總量的11.5%。根據對深圳市“三河”流域所作的詳細調查統計資料［8］，工業用水量雖然占流域總用水量平均為48.6%，但由于企業的員工生活用水和工業生產用水是共管供應的，工業生產用水只占工業用水的22.8%，占流域總用水量的11.1%(表1)。因而，工業生產廢水量平均只占流域總廢污水排放量的9.8%，工業生產污染負荷產生量平均占流域總負荷量:CODCr為 19.6%，NH3-N為 4.7%，TP為7.0%(表2)。如果考慮工業生產廢水經處理后達標排放，則所占比例分別只有:CODCr，3.3%;NH3-N，1.3%;TP，2.0%。

表1 2007年深圳市“三河”流域用水量統計Table 1 Water consumption in Shenzhen's three trans-boundary river basins in 2007

表2 2007年深圳市“三河”流域污染負荷量統計Table 2 Water pollutant loads in Shenzhen's three trans-boundary river basins in 2007

上述2種不同來源的數據基本是一致的，說明深圳市污染負荷產生的特點是主要來自生活污水，工業生產廢水排放量相對很小，僅約占10%，其達標后的排放量平均不到5%。

由于造成深圳市水污染的原因主要是生活污水排放，因此污染負荷量的預測主要取決于城市人口的預測。深圳是一個移民和旅游城市，人口流動性很大，一直沒有權威的人口統計數據。按已辦居住證和現有戶籍人口統計，全市總人口已突破1200萬人，但辦了居住證的不一定常住深圳。相對而言，采用常住人口統計數據比較合理，以往的規劃研究大都以常住人口數為依據。《深圳市城市總體規劃》中考慮深圳市社會經濟發展與人口增長，同時考慮環境制約，預測2020年的常住人口為1100萬人。

雖然深圳市人均水資源擁有量非常低，但各項人均用水指標并不低，均大幅度高出全國平均值，與國外平均值接近。例如，深圳市多年平均人均日用水量約555 L(不包括環境用水)，人均生活日用水量約210 L，人均綜合生活日用水量約244 L。因此，按節約用水要求，深圳市人均用水指標不能再增加，同時，按產業結構調整和節能減排要求，工業生產污染負荷量應基本保持現狀。根據以上條件，預測了2020年深圳全市及“三河”流域的污染負荷量(表3)，表3同時列出了2007年的統計值以作分析對比。

表3 2020年深圳全市及“三河”流域污染物產生量估算結果Table 3 Estimated water pollutant loads in Shenzhen and the three trans-boundary river basins in 2020 104t/a

3 對深圳市水污染治理戰略的進一步思考

深圳市水污染治理已確定的戰略主要有:按流域(或區域)集中處理污水，修建超規模二級污水處理廠(處理能力約為污水產生量的2倍)，加速污水管網建設，實行雨污分流及沿河截污，輔以人工濕地等其他工程措施，實施污水資源化和部分污水經深度處理為再生水后補流河道等［4］。這些工程措施無疑會在水污染治理中發揮重要作用，是治理戰略的核心內容。但通過多年的治理實踐與經驗總結，特別是對治理效果至今不明顯的原因分析，有必要從戰略上對達標方案進行補充和完善。

深圳市水污染源主要是生活污水，對工業污染源可以通過產業結構調整、采用清潔生產工藝等措施大幅度削減污染負荷，但對于生活污染源，由于污染物產生的人均當量基本一定，如果人口數量一定，污染負荷量就難以減少。因此，對生活污染源的治理主要依靠加大污水處理力度，同時還需增加河流的水環境容量。

國內外經驗證明，未完全實施雨污分流的建成區，污染源不可能100%截排，污水收集率95%已基本達到極限，達到90%也要通過艱苦努力，因此，單純依靠污水處理難以治理深圳市河流枯季水污染問題。模型計算結果表明，由于河流枯季天然流量太小，即使只有5%的污染負荷排入，河流水質就不能達標。由此可見，要解決河流枯季污染問題必須實施環境補水，增加水環境容量［9］。

要提高河流水環境容量，環境補水的水質必須優于水質目標值。由于污水深度處理后出水水質可達到優于Ⅴ類，但難以優于Ⅲ類，故“三河”環境補水只能是優于Ⅲ類的水源水，其他河流的環境補水可以采用深度處理后的再生水，也可以在有條件的河段利用珠江口低鹽度海水［10］。各河流所需環境補水量必須通過詳細的模型計算和分析研究來確定。

深圳市降雨豐沛，河流在總體上仍具有一定的徑流量和環境容量，具有雨洪利用和徑流調節的可能條件，關鍵是需要解決調蓄問題。根據深圳市地形地貌特征，有可能修建較大水庫，雖然對攔截地表徑流作用不大，但可用作雨洪調蓄。例如，擬擴建的清林徑水庫集水面積只有28.2 km2，多年平均徑流量約2.679×107m3，但正常庫容規劃達1.7×108m3［11］，而且根據庫容條件，總庫容有可能進一步提高到(4～6)×108m3。如果深圳市再增加(4～6)×108m3調蓄庫容用作雨洪利用，不但可以解決河流的枯季補水，確保遠期水資源供需平衡和水質達標，提升水環境承載力，緩解“水資源和水環境難以為繼”問題，而且還是應對可能發生極端干旱災害的最有力的供水保障措施。

4 河流水質模型應用與驗證

河流水污染治理中水質模型是必不可少的工具，為了使深圳市河流水污染治理規劃方案充分可靠，必須采用能對河流全流域干支流水系作整體模擬計算的水質模型。我國從美國國家環境保護局(US EPA)引進開發的河流綜合水質模型QUAL-Ⅱ(簡稱Q2)，廣泛應用于河流水污染治理、水質規劃、水質預測與管理工作，取得了較好的效果。該模型特別適用于可降解有機污染的中小型樹枝狀河流［12］，一次可模擬計算14條干支流，14組水質組分，90個點源以及面源，可模擬計算河流為達到水質目標所需的污水處理率及應增加的環境用水量，因此，很適合應用于深圳市河流水污染治理。模型方程［13］如下:

模型驗證計算是非常重要的工作，筆者對深圳市“三河”作了詳細的驗證計算。將模擬計算值與常規水質監測值和現場調查監測值對照分析，平均誤差(絕對值)為:龍崗河22.78%，坪山河24.72%，觀瀾河16.68%，3條河流總平均值為21.39%;DO的平均誤差為24.59%，BOD5為6.75%，NH3-N為3.42%，TP為48.22%，CODCr為10.91%;最大誤差出現在龍崗河TP的計算中，達96.8%，最小誤差出現在觀瀾河BOD5的計算中，僅為0.04%。觀瀾河模型驗證計算結果見表4。

表4 觀瀾河模型驗證計算結果摘要Table 4 Abstract of Guanlan river model verification

總體來看，“三河”水質模型驗證計算結果平均計算誤差比較小，符合深圳市河流的實際情況，可以滿足水污染治理的研究、規劃、設計與管理等各方面要求。雖然總磷(TP)的計算誤差偏大，但基本仍可接受，其原因是多方面的，有監測資料的精度問題，有模型計算中底棲源率和水生生物對磷吸收與釋放的取值問題，有總磷的分析方法問題等，有待進一步分析研究。

5 跨界河流水污染治理達標方案模擬計算與分析

應用Q2模型對“三河”水污染治理不同階段與不同水文條件的規劃方案作了詳細計算［14］。現以觀瀾河為例，闡述遠期3個達標方案的模擬計算結果及分析。

觀瀾河是東江一級支流石馬河的上游，在深圳市境內流域面積202 km2(不包括牛湖水等支流)，干流長24.7 km，流域水系呈樹枝狀，一級支流有14條。流域多年平均降雨量1825 mm，最大年2409 mm，最小年僅785 mm，年內雨量85%集中在雨季4—9月，主要為暴雨形式，其中臺風雨量占多年平均雨量的36%。流域多年平均徑流深925 mm，徑流量1.92×108m3，90%保證率年為1.06×108m3，97%保證率年只有8.1×107m3。徑流量年內變化大，枯季多年平均徑流量2.5×107m3，只占全年的7.9%，雨季為1.77×108m3，占全年的92.1%。流域內建有中型水庫1座、小(一)型水庫16座、小(二)型水庫13座，控制集雨面積50.4 km2，占流域面積25.4%，總庫容6.28975×107m3，正常庫容5.13693×107m3。流域位于珠江三角洲沖積平原邊緣的丘陵山區，河道沿山谷平原發育，比降大(干流比降0.21%)，流速快，復氧能力較強，干流河床下切較深，河灘較寬闊，水生植物發達，適宜采用河道渠化與滯留塘技術，而且具有一定的河槽庫容，有利于雨洪利用。

水質模型計算采用最枯月(1月)平均流量作為設計枯水流量(相當于保證率為90%的連續30 d最枯流量，即30Q10)［15］。流域1月平均天然流量為0.716 m3/s，考慮流域因供水基流的增量0.707 m3/s后，設計枯水流量為1.423 m3/s，不同水文條件的天然流量計算結果見表5。

觀瀾河流域為飲用水源保護區，原來在干流建有大和閘引水工程，年引水約2.000×107m3至茜坑水庫作為供水水源，因水質惡化工程現已廢棄。要求水質目標2010年達Ⅳ類，2020年達Ⅲ類，可作為飲用水源。隨著流域社會經濟的發展，自20世紀90年代后水質惡化為劣Ⅴ類，飲用水功能喪失殆盡。雖經多年大力整治，但水質仍為劣Ⅴ類，因此，有調整水環境功能的要求。雖然廣東省環境保護廳已發文將跨界河流的龍崗河和坪山河2020年的水質目標由Ⅲ類調整為Ⅳ類，但對觀瀾河尚未作出調整。

表5 觀瀾河不同水文條件的天然流量計算結果Tabel 5 Natural flows in Guanlan river under different hydrological conditions m3/s

觀瀾河流域內現有污水處理廠3座，其中1座為應急污水處理廠，規模4.0×105t/d，只抽取河水作一級處理，另外2座為二級處理廠，總規模只有1.0×105t/d。規劃到2020年有3座二級污水處理廠，總規模8.2×105t/d，還有人工濕地與快滲系統7處;主要干支流實施沿河截污，待雨污分流后用于截流初雨水。經初步研究，筆者擬采用干流河道渠化和滯留塘技術。

根據常規水質監測資料，觀瀾河基本沒有重金屬與酚、氰等毒性污染物超標現象，而且也無該類污染源的資料，故選擇可降解的有機污染物 DO，BOD5，CODCr，NH3-N，TP 共 5 組水質組分進行模擬計算。模擬計算網絡結構如圖1所示。

5.1 90%污水收集率和處理率方案

計算條件為90%保證率水文年，污水收集與處理率90%，人工濕地與快滲系統全部發揮作用，污水經深度處理后不排入本河流而用于其他Ⅴ類水質目標的河流(如茅州河等)補水，或者經深度處理出水達Ⅲ類后排入河流，假設干流作5級渠化并采用滯留塘技術，河槽庫容約1.200×107m3。模擬計算結果:當枯季補水(水源水)到6.389 m3/s時，交接斷面水質基本達到Ⅲ類，僅TP稍有超標;當汛期天然流量達到10.47 m3/s(相當于汛期多年平均流量)時，交接斷面水質基本接近Ⅱ類，但TP超出Ⅱ類較多(表6)。

5.2 95%污水收集率和處理率方案

計算條件除污水收集率與處理率提高到95%外，其余條件均同5.1節。計算結果:當枯季補水(水源水)到2.542 m3/s時，交接斷面水質達到Ⅲ類，僅TP稍有超標;當汛期天然流量達到6.389 m3/s(即90%保證率年汛期平均流量)時，交接斷面水質基本達到Ⅱ類，但TP超出Ⅱ類較多(表7)。

5.3 初雨水污染治理方案

按現有規劃，觀瀾河流域2020年污水處理廠規模僅8.2×105t/d，而廢污水排放總量6.734×105t/d，對初雨水的處理能力太小。龍崗河規劃污水處理廠規模1.10×106t/d，相對較大，故以龍崗河為例進行初雨水方案模擬計算。計算條件:廢污水排放總量采用6.49×105t/d，90%污水收集率與處理率，對初雨水的處理能力約5.16×105t/d，經水文計算設計一次相當于多年平均初雨水降雨量15.22 mm，歷時14.9 h，流量過程約86 h，平均流量9.67 m3/s，一次污染負荷沖洗量假設為面源的10%。對初雨水進行攔截處理與不做攔截處理2種方案的水質模擬計算結果見表8。

圖1 觀瀾河模擬計算網絡結構圖Fig.1 The schematic diagram of Guanlan river network for simulation

表6 觀瀾河渠化后90%污水收集率與處理率枯季補水方案水質模擬計算結果Table 6 Water quality simulation results for assumed canalization of Guanlan river with 90%rate of sewage collection and treatment，and stream-flow supplement in dry-season

表7 觀瀾河渠化后95%污水收集率與處理率枯季補水方案水質模擬計算結果Tbale 7 Water quality simulation results for assumed canalization of Guanlan river with 95%rate of sewage collection and treatment，and stream-flow supplement in dry-season

表8 龍崗河初雨水污染治理方案水質模擬計算結果Table 8 Water quality simulation results for control of the first flush pollution load from stormwater runoff in Longgang river basin

計算結果表明，利用沿河管道攔截處理初雨水的治理效果是明顯的，但由于“三河”流域規劃可用來處理初雨水的污水廠規模不足(龍崗河計算的初雨水處理率約62%)，初雨水期間水質超標，由Ⅲ類降至Ⅳ～Ⅴ類。

5.4 “三河”模擬計算結果分析

“三河”流域污水收集處理率90%與95% 兩種方案，如果采取干流渠化和枯季補水措施，交接斷面基本能達到Ⅲ類水質目標，汛期水質一般優于Ⅲ類，接近Ⅱ類，可滿足雨洪利用要求。90%污水收集率與處理率比較容易達到，技術上難度不大，但要求枯季補水量較大，90%保證率年總補水量約2.15×109m3，有一定的難度;95%污水收集率與處理率的技術難度大，但要求的補水量較小，90%保證率年總補水量約4544×104m3，一般中水年所需的補水量更小，比較容易實現。因此，對兩種不同治理方案需作進一步技術經濟比較。

初雨水污染對水源地Ⅲ類水質影響比較嚴重，“三河”流域由于規劃的污水處理廠對初雨水處理能力不足，初雨水期間水質明顯下降，不能達標。

6 結論與建議

(1)“三河”流域在現有規劃基礎上，如再采取干流渠化和滯留塘技術、枯季補水、污水處理后不排入河流或經深度處理達Ⅲ類水質后排入河流這幾項措施，截污率90%和95%方案均可滿足交接斷面Ⅲ類水質和汛期雨洪利用目標。前者截污難度較小，但要求補水量較大，在水源水緊缺的情況下不現實;后者截污難度大，但要求補水量很小，容易實現。兩種不同方案需作進一步技術經濟比較。

(2)通過雨洪利用和污水資源化，可以實現規劃的遠期水資源供需平衡。按多年平均，實現雨洪利用3.31×109m3是可行的，但97%保證率年難以達到，因此需要較大調蓄庫容作雨洪利用的多年調節。由于“三河”的水質目標是飲用水源地Ⅲ類水，且干流具有建閘取水條件，因而雨洪利用的主體是“三河”，但其他河流的水質目標為景觀功能Ⅴ類水，而且干流一般受潮汐影響不具備取水條件。

(3)初雨水污染對飲用水源地Ⅲ類水質影響較大，但對景觀功能的Ⅴ類水質影響較小，因初雨水期間水質基本接近Ⅴ類，而且時間很短，采用沿河截污和加大污水處理廠規模來治理初雨水污染是有效的，但按現有規劃，“三河”可用來處理初雨水的污水處理廠規模明顯不足。規劃2020年全市污水處理廠規模約為廢污水產生總量的2倍，但“三河”卻只有1.4倍，因此有必要對污水處理廠的規劃布局進行調整。

(4)全球氣候變暖，極端氣候條件極易出現，我國西南地區突發的極端干旱災害已敲響了警鐘。充分利用適宜的地形條件新建或擴建水庫，增大調蓄庫容，不僅是水污染治理和雨洪利用的需要，也是提高水環境承載力和應對極端干旱災害的需要。積極準備，防患未然，是人居環境建設的頭等大事。

［1］深圳市環境保護局.深圳市環境質量報告書［R］.深圳:深圳市環境保護局，2006-2008.

［2］深圳市人民政府.珠江流域(深圳)水環境綜合整治實施方案［R］.深圳:深圳市人民政府，2003.

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［4］深圳市水務局.深圳市水務發展“十一五”規劃［R］.深圳:深圳市水務局，2006.

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［7］深圳市水務局，深圳市規劃局，深圳市水利規劃設計院.深圳雨洪資源利用規劃研究［R］.深圳:深圳市水務局，2006.

［8］環境保護部華南環境科學研究所，深圳市環境科學研究院.深圳市龍崗河、坪山河、觀瀾河(石馬河)流域水環境綜合整治達標方案［R］.廣州:環境保護部華南環境保護研究所，2009:55-76.

［9］北京大學環境工程研究所，深圳市環境科學研究院，北京大學深圳研究生院.深圳市水環境改善若干關鍵問題及其技術對策研究［R］.深圳:深圳市環境科學研究院，2009.

［10］深圳市環境科學研究院.深圳寶安中心城區河道補水工程水環境影響研究［R］.深圳:深圳市環境科學研究院，2009.

［11］深圳市水利規劃設計院.深圳市清林徑引水調蓄工程規模調整論證報告［R］.深圳:深圳市水利規劃設計院，2006.

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