北運河流域(北京段)主要污染物減排措施效果評估*

王 剛 齊 珺 潘 濤 宋新山 李 夏 張岳鵬(1.北京市環境保護科學研究院，國家城市環境污染控制工程技術研究中心，北京 100037；.東華大學環境科學與工程學院，上海 0160；3.天津大學環境科學與工程學院，天津 30007；.首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 10008)

目前，北京市水污染治理仍處于目標總量控制階段。水污染以耗氧污染為主，水質目標為控制耗氧污染、消除黑臭和改善水質，氨氮、COD為優先控制污染物，也是國家環境保護“十五”、“十一五”和“十二五”計劃中重點確定的主要污染物總量控制因子[1-4]。“十五”以來，北京市對重點污染物實施總量控制，加大對城鎮污水處理廠建設的投資力度，開展河道整治工作，河流水質達標率整體呈現上升趨勢。但在2008年北京奧運以后，隨著城市化進程加快，治理成本和難度增大，水污染減排空間大幅減小，水質達標率徘徊不前，水質改善進入平臺期[5-6]。因此，從流域治理的角度，制定水污染防治措施方案，達到水質改善效果，是當前著重關心的問題[7-9]。河流水質模型可以量化評估不同減排措施方案對于改善水質的效益。由丹麥水力研究所(DHI)研發的MIKE11模型可用于模擬河流、河口、河網系統的水流、水質過程，其應用簡單、模擬準確，尤其適用于多閘壩河流[10]，在水質模擬預測、水污染治理效果評估中有著廣泛的應用[11-14]。

本研究以2010年為基準年，綜合考慮《北京市“十二五”時期水資源保護及利用規劃》(以下簡稱“十二五”規劃)中有關污水處理廠新建或改造升級、規模化養殖場糞污治理等措施，《北京市加快污水處理和再生水利用設施建設三年行動方案(2013—2015)》(以下簡稱“三年行動方案”)，人口增長、經濟社會發展及農業規模和布局情況，設置3套方案，并基于MIKE11模型，評估不同方案對北運河流域(北京段)主要污染物的減排效果，以期為流域水污染綜合治理和水環境管理提供技術支撐。

1 研究區概況

北運河發源于燕山南麓，是北京市五大水系中唯一發源于本市境內的水系，在北京市境內的流域面積為4 249 km2，約占北京市總面積的26%。北運河上游為溫榆河，北運河干流(北京段)始于通州區北關閘，止于通州區楊洼閘，沿途接納藺溝、清河、壩河、小中河、通惠河、涼水河等主要支流(見圖1)，北運河干流(北京段，含溫榆河干流)全長94 km。北運河流域(北京段)聚集了北京市約72%的人口，多年平均水量為8.543億m3。其中，地表徑流量為3.369億m3，地表徑流多被山前水庫攔蓄，經社會水循環過程后，再以城鎮污水處理廠退水的形式進入下游平原河道。北運河是北京市主要的排水河道，2010年北京市出境水量為8.29億m3，其中北運河為7.51億m3，占90%以上。根據最新的環境統計數據測算，北運河(北京段)流域2013年的COD、氨氮排放量分別為10.33萬、1.23萬t，分別占北京市總排放的53.3%、57.4%。同時，平原河段又多受閘壩控制，閘壩阻斷河流水力聯系，水體流動緩慢，產生顯著的水文水環境效應。近10年的監測資料表明，北京市境內的各水系中，北運河流域(北京段)超標河流數量最多，其劣Ⅴ類河流占比超過本流域河流數量的90%。

圖1 北運河流域(北京段)概況Fig.1 The overview of the North Canal River (Beijing section)

2 數據與方法

2.1 數據來源

本研究以2010年為基準年，2015年為規劃水平年。2010年各閘壩日下泄流量、閘壩上下游日水位以及降雨、蒸發等數據均由北京市水文總站提供。各水質監測斷面數據由北京市環境保護監測中心提供。北京市城區入河排污口流量、主要污染物濃度及排污類型等信息來自北京市污普信息數據庫。構建模型所需的北運河干流(北京段，含溫榆河干流)及其支流共11個河流的斷面信息通過實地監測獲取。工業企業、農業(種植業、畜禽養殖業、水產養殖業)和集中處理設施的主要污染物排放數據來源于《北京市環境統計數據手冊(2013年)》，生活源直排量由生活污染物的產生量減去污水處理廠的處理量得到，而生活污染物產生量由產污系數法得到。人口數據來源于《北京市人口統計年鑒(2000—2013年)》，人口增長率根據2000—2013年北京市城鎮和農村人口變化趨勢得到。規劃水平年污水處理廠升級改造、再生水廠建設規劃等信息來自“十二五”規劃和“三年行動方案”。

2.2 MIKE11模型基本原理

分別應用MIKE11模型中的水動力學(HD)模塊、平流—擴散(AD)模塊構建北運河干流(北京段)的水動力模型和水質模型。

MIKE11模型中的HD模塊是基于垂向積分的物質守恒方程和動量守恒方程，即一維Saint-Venant方程組，其模擬結果為河道各個斷面、各個時刻的水位和流量等水文要素信息。

(1)

式中：A為過水斷面面積，m2；t為時間，s；Q為流量，m3/s；x為沿河道水流方向的距離，m；q為單寬旁側入流量，m2/s；g為重力加速度，m/s2；h為水位，m；B為謝才系數，m1/2/s；R為水力半徑，m。

AD模塊根據HD模塊的水動力條件，應用對流擴散方程計算污染物濃度。該模塊的基礎是一維對流—彌散方程，方程的基本假設為：污染物在斷面上完全混合，遵循一級反應動力學，且符合Fick擴散定律(擴散與濃度梯度呈正比)。一維對流—彌散方程如下：

(2)

式中：c為污染物質量濃度，mg/L；D為縱向擴散系數，m2/s；K為線性衰減系數，s-1；cs為污染物源匯的質量濃度，mg/L。

2.3 主控監測斷面及水質目標選擇

主控監測斷面選在北運河干流(北京段)的榆林莊，該斷面有完整的水位、流量和水質監測資料，方便模型的水動力參數率定與水質驗證。同時，榆林莊斷面也是北京市出境水質考核的國家級斷面，具有典型性。

根據2013年監測資料，榆林莊斷面COD、氨氮的年均質量濃度分別為49.4、16.2 mg/L，高于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅴ類標準限值(40、2 mg/L)，尤其是氨氮的削減、控制難度很大，在近期內很難實現總量控制的目標。綜合“十二五”規劃要求和流域實際情況，將“十二五”末(2015年底)榆林莊斷面水質控制目標設定為COD低于40 mg/L、氨氮低于5 mg/L。

3 結果分析

3.1 模型構建

基于MIKE11構建了北運河干流(北京段)的水動力和水質模型，模型以上游流量和下游水位為外邊界條件，同時綜合考慮了10座閘壩、12條溝渠及支流匯入和68個污染源直接匯入等內邊界條件，將農業源概化為隨降雨徑流匯入，農村生活污染源概化為沿河線源匯入。

3.1.1 水動力邊界條件

基于2010年1月1日至12月31日的日流量、水位資料，河道上游采用沙河閘下泄日流量邊界條件，下游采用楊洼閘日水位邊界，各支流采用流量邊界條件。其中，清河采用羊坊閘下泄流量，通惠河采用高碑店湖下泄流量，運潮減河采用北關分洪閘流量，涼水河采用張家灣閘下泄流量，玉帶河采用碧水污水處理廠流量，其他支流根據實測流量估算。另外，根據通州雨量站和楊洼雨量站2010年的降雨數據，通州蒸發站的蒸發數據，以及北關攔河閘和楊洼閘的下泄流量，利用MIKE11自帶的NAM模塊計算北運河干流(北京段)和溫榆河干流的降雨徑流量。

3.1.2 水質邊界條件

北運河干流(北京段)上游有監測數據的支流采用2010年COD、氨氮月平均濃度作為水質邊界條件。其中，清河采用沙子營監測數據，壩河采用沙窩監測數據，小中河采用北關小中河橋監測數據，通惠河采用通惠橋監測數據，涼水河采用張家灣監測數據，藺溝采用后藺溝橋監測數據，其他無監測數據的支流及排水溝采用實測的COD、氨氮濃度作為水質邊界條件。北運河干流(北京段)下游的楊洼閘采用開邊界。根據污染源的空間分布，按照就近原則通過較近的支流匯入干流，污染源的年均濃度則是根據2010年污染源動態更新數據，由COD、氨氮的年排放總量除以排水量計算。

3.2 水動力、水質模擬結果驗證

將模擬時段設置為2010年1月1日至12月31日，時間步長設為2 min。首先將MIKE11設置成自動修正參數模式，利用NAM模塊計算降雨徑流量，然后進行水動力試算。將最后一天試算的水位狀況作為水位初始條件,采用水動力熱啟動選項,再次計算,得到榆林莊斷面的水位變化情況,模擬的水位與榆林莊斷面實測水位基本吻合(見圖2)。在水動力計算的基礎上，模擬水體中COD和氨氮的變化規律，COD、氨氮初始質量濃度設定為研究區全部水質監測斷面2010年12月的均值，分別為54.3、14.5 mg/L。經計算，得到榆林莊斷面COD、氨氮逐日濃度變化曲線，如圖3所示。分別將模擬值與實測值進行對比，結果表明：起初幾個月由于模型初始邊界濃度設置等問題，模型需要一定的預熱期，導致模擬效果較差；其余月份的模擬值與實測值較接近，模擬值與實測值的誤差基本小于15%，且模擬值與實測值的變化趨勢吻合較好，氨氮、COD的模擬值與實測值相比，全年誤差分別為-10.5%、-3.0%。總體模擬效果較好，可以進行情景模擬分析。

圖2 2010年榆林莊斷面模擬水位與實測水位對比Fig.2 Comparison of the simulated and observed water levels of Yulinzhuang section in 2010

圖3 2010年榆林莊斷面COD、氨氮實測值與模擬值對比Fig.3 Comparison of the simulated and observed COD and ammonia nitrogen of Yulinzhuang section in 2010

3.3 減排方案的情景模擬分析

3.3.1 減排方案設置

(1) 方案1：污水處理廠提標改造

假設農業結構不作調整，2015年農業源排放規模維持在2010年水平；工業源排放占比很小，不作為減排重點，考慮到GDP增長的實際情況和“十二五”規劃中北京市工業發展定位，工業源排放維持在2013年水平。新建和升級改造污水處理廠按“十二五”規劃和“三年行動方案”實施，其出水執行《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》(DB 11/890—2012)。城鎮人口和農村人口以2010年人口為基準，分別按2.67%、1.76%的增長率預測2015年人口規模。其中，城鎮人口產生的COD和氨氮大部分被污水處理廠收集、削減后，通過污水處理廠退水的形式，以相對較低的濃度進入河、湖等水體；而農村地區污水處理設施比較落后，農村人口產生的COD、氨氮按直排統計。

方案1主要通過增加污水處理廠的處理能力和提高污水廠退水口的水質標準來減少城鎮生活源的污染物排放。該方案下北運河流域(北京段)2015年工業源氨氮、COD總排放量比2010年有所增加，主要是經濟增長帶來了排放增量。由于污水處理能力及生活污水處理量大大增加，而同時出水濃度限值標準提高，最終通過集中處理設施排放的COD高于2010年的污水處理廠排放量，而氨氮排放下降明顯。同時，污水集中處理率增加使直排量同步減少，總體上生活源排放大幅下降。氨氮、COD總排放量分別減少至1.12萬、11.62萬t，比2010年(氨氮1.96萬t、COD 15.77萬t)分別降低42.9%、26.3%，削減氨氮0.84萬t，COD 4.15萬t。

(2) 方案2：污水處理廠提標改造+提高綜合排放標準

在方案1的基礎上，進一步按照《水污染物綜合排放標準》(DB 11/307—2013)提高存在污染物直排的工業、生活源的排放標準。具體而言，污水未進入污水處理廠而存在直排的工業源以2013年排放為基準，按DB 11/307—2013進行污染物削減，其中氨氮、COD的排放限值分別為1.5、30 mg/L。農村人口產生的氨氮、COD按照DB 11/307—2013，經過生活污水處理站后，分別按照5、40 mg/L的排放限值進入環境，對于城鎮人口在方案1中未能納入城市污水處理管網系統的直排部分，亦按照此標準執行。

方案2在方案1強化污水集中處理措施的基礎上，又依據DB 11/307—2013對直排污水進行有效控制。該方案下北運河流域(北京段)氨氮、COD總排放量分別減少至0.56萬、7.89萬t，比2010年分別削減71.4%、50.0%。方案2在方案1的基礎上又進一步削減氨氮0.56萬t，削減COD 3.73萬t。

(3) 方案3：污水處理廠提標改造+提高綜合排放標準+農業源減排

在方案2的基礎上，進一步實施農業源減排措施。從功能區優化布局的角度，對于《北京城市總體規劃(2004—2020年)》提出的中心城區(壩河流域、清河流域、通惠河流域及涼水河流域的部分地區)農業不保留，中心城區以外區域種植業、水產養殖業保持2013年的規模不變；六環路以內為禁養區，六環路以外規模化養殖場保持2013年規模不變，對養殖專業戶實行限養措施，不得養殖污染較嚴重且本地供應保障要求不高的生豬和肉牛。

方案3在方案2的基礎上，依據北京市畜禽養殖業污染防治規劃和未來農業結構、布局方面的調整思路，在北運河流域(北京段)分區、分類實施農業源減排。在方案3情景下，氨氮、COD總排放量分別降低至0.39萬、5.22萬t，比2010年分別削減80.1%、66.9%。方案3在方案2的基礎上，氨氮、COD分別進一步削減0.17萬、2.67萬t。

不同減排措施下，北運河流域(北京段)的氨氮、COD相對2010年的削減量及削減比例預測如表1所示。從表1可以看出，污水處理廠提標改造對于氨氮、COD的削減效果最顯著，可削減26.3%的COD和42.8%的氨氮；其次是提高綜合排放標準，能削減23.7%的COD和28.6%的氨氮；再次是農業源減排，可削減16.9%的COD和8.7%的氨氮。

3.3.2 不同減排方案模擬結果對比分析

根據近10年以來北京市年降水、徑流資料的排頻計算結果，2010年是枯水年之一，可作為水文條件進行水質模擬分析。保持2010年流量條件不變，基于3種減排方案，模擬預測榆林莊斷面河流水質隨時間的變化，結果見圖4。

在方案1下，榆林莊斷面2015年COD、氨氮的年均值分別為32.3、6.6 mg/L，與2010年的年均值(44.4、16.6 mg/L)相比，分別下降27.2%、60.6%。其中，COD達到水質控制目標(低于40 mg/L)，且全年達標天數為299 d，超標時段主要集中在前汛期6、12月。可見，方案1對于COD減排貢獻很大，但是氨氮離水質控制目標(低于5 mg/L)還有一定差距，全年達標天數僅有67 d，在6月5日達到最大質量濃度(11.2 mg/L)。因此，需要在方案1的基礎上配套其他減排措施。

表1 不同減排措施對北運河流域(北京段)COD和氨氮的減排貢獻Table 1 Forecast of the contribution of COD and ammonia nitrogen emission reduction in North Canal River (Beijing section) under different reduction measures

圖4 不同減排方案下榆林莊斷面COD、氨氮的變化Fig.4 COD and ammonia nitrogen changes of Yulinzhuang section under different emission reduction programs

在方案2下，氨氮年均值降至4.4 mg/L，與2010年相比下降73.5%，達到水質控制目標(低于5 mg/L)，全年達標天數為267 d。COD與氨氮協同減排效應明顯，COD年均值降低至25.4 mg/L，全年達標天數增至347 d，超標時段主要集中在前汛期6月上、中旬。可見，加強對污染物直排的控制對氨氮的減排效果相當顯著。

在方案3下，COD年均值降低至22.6 mg/L，全年達標天數為357 d。氨氮年均值降低至4.0 mg/L，全年達標天數為288 d。可見，農業源減排能進一步削減COD和氨氮。

3.3.3 減排策略展望

僅僅實施污水處理廠提標改造這一措施難以實現榆林莊斷面COD、氨氮同時達到水質控制目標。同時實施污水處理廠提標改造和提高綜合排放標準兩項措施理論上可以實現COD和氨氮同時達標，但需要各項減排措施按設定目標落實到位。目前，城鎮污水處理廠、再生水廠等集中處理設施已按照北京市“十二五”規劃和“三年行動方案”部署逐步完成提標改造，而農村生活源等分散面源污染的治理相對滯后，導致DB 11/307—2013的執行受阻。模型本身存在一定的不確定性，實際減排效果可能達不到預期目標。因此，需要同步實施農業源減排措施，尤其要加強對畜禽養殖業污染的集中治理。

需要指出的是，同時實施污水處理廠提標改造、提高綜合排放標準以及農業源減排3項措施，前汛期6、7月的氨氮濃度仍然可能超標，因此上述措施的實施并不能有效降低前汛期的污染物峰值濃度。這主要是因為北運河作為北京市主要排水河道，清河、壩河、通惠河、涼水河等較大支流均流經城區，前汛期的暴雨徑流對河流水質影響較大，但減排措施側重于農業源、生活源、工業源等，而對城市暴雨徑流污染的影響考慮不夠。因此，還應該結合雨水凈化、雨污分流、雨洪資源利用等措施降低北京市面源污染物的入河量。

4 結 論

(1) 通過污水處理廠提標改造，相比2010年，可削減26.3%的COD和42.8%的氨氮，并實現榆林莊斷面COD和氨氮分別下降27.2%、60.6%，COD達到水質控制目標。

(2) 相對COD而言，氨氮減排難度較大。同時實施污水處理廠提標改造和提高綜合排放標準，榆林莊斷面的氨氮相比2010年下降73.5%，能實現氨氮達標。

(3) 城市面源污染對前汛期河流水質影響較大，在實施污水處理廠提標改造、提高綜合排放標準和農業源減排以外，還應加強對城市暴雨徑流污染的管理，以有效降低前汛期水體污染物峰值濃度。

[1] 王亞煒,杜向群,郁達偉,等.溫榆河氨氮污染控制措施的效果模擬[J].環境科學學報,2013,33(2):479-486.

[2] 郁達偉,于淼,魏源送,等.1980—2010年溫榆河的水環境質量時空演變特征[J].環境科學學報,2012,32(11):2803-2813.

[3] 李延,單保慶,陳靜,等.北運河流域典型河流水體耗氧污染特征分析[J].安全與環境學報,2014,14(5):311-315.

[4] 曾平,趙云,魯欣,等.北京市區人工湖水質時空變化特征及水污染防治對策探討[J].環境污染與防治,2014,36(6):111-115.

[5] 范清,孫長虹.北京市2000年—2012年水環境質量及污染規律研究[J].環境科學與管理,2014,39(7):54-57.

[6] 孫長虹,范清,王永剛,等.北京市城市發展與水環境演化規律研究[J].環境科技,2014,27(4):31-34.

[7] 孫娟,吳悅穎,文宇立,等.北京市“十二五”期間主要水污染物減排對策研究[J].環境污染與防治,2011,33(1):102-104.

[8] 張文靜,陳巖,劉雅玲,等.綜合考慮減排效益的污染物總量分配方法研究[J].環境污染與防治,2015,37(3):107-110.

[9] 白輝,趙翠平,陳巖,等.承德市武烈河水環境容量核算與減排效益評估研究[J].環境污染與防治,2015,37(3):31-34.

[10] 左其亭,李冬鋒.基于模擬-優化的重污染河流閘壩群防污調控研究[J].水利學報,2013,44(8):979-986.

[11] 朱茂森.基于MIKE11的遼河流域一維水質模型[J].水資源保護,2013,29(3):6-9.

[12] 李梓嘉,董增川,樊孔明,等.MIKE11模型在泗洪縣城城區河網引水沖污工程中的應用[J].水電能源科學,2012,30(8):100-103.

[13] TANG Caihong,YI Yujun,YANG Zhifeng,et al. Water pollution risk simulation and prediction in the main canal of the South-to-North Water Transfer Project[J].Journal of Hydrology,2014,519:2111-2120.

[14] 卿曉霞,張會波,周健,等.伏牛溪水污染治理效果的數值模擬研究[J].環境工程學報,2015,9(1):65-72.