南京市鼓樓區入江斷面水質達標方案的研究

劉一童， 逄 勇， 肖 洵

(1.河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098; 2.河海大學 環境學院， 江蘇 南京 210098；)

1 研究背景

2015年，國務院頒布《水污染防治行動計劃》(“水十條”)，要求到2020年黑臭水體在地級及其以上城市建成區控制在10%以內，到2030年總體消除黑臭水體[1]。目前我國城市內河水質現狀不容樂觀，全國2222個水質監測站的統計結果表明，在138個城市內河中，劣Ⅴ類水質比例高達38%，水質改善任務迫在眉睫[2]。根據“水十條”考核要求，各河流和湖泊以考核斷面水質達標為任務，采取相應的整治措施，減少污染物入河量，持續提升水環境質量。

控制斷面水質達標主要以河流水環境容量為基礎，以水環境數學模型為橋梁，以削減污染物入河量為手段。目前，國內外針對控制斷面水質達標進行了一系列的研究，并取得了一定的成果。王燁等[3]基于湟里橋控制斷面水質達標，利用一維穩態水環境數學模型計算湟里河水環境容量，從而提出污染物削減量；朱曉娟[4]在計算出初始水環境容量后，利用基尼系數法對松花江干流水環境容量進行優化分配；周剛等[5]通過二維水環境模型WESC2D，運用粒子群算法，提出了非線性優化的水環境容量計算方法; 董飛等[6]歸納并闡述了目前國內地表水水環境容量的五大計算方法：模型試錯法、公式法、概率稀釋模型法、系統最優化法和確知數學法，闡明了各種方法的適用范圍及優缺點；美國國家環保局在1972年提出的TMDL(Total Maximum Daily Loads)計劃，在滿足水質標準的前提下，把研究區域一天能容納的水環境容量優化分配到各污染源，水環境質量得到好準[7]。前面的研究中多將重點放在水環境數學模型的建立，通過已建立的模型來確定研究區域內污染物的入河量。本文將從較為明確的污染物入河量的基礎上建立污染源-水質的響應關系，計算出研究區域內的水環境容量。

外秦淮河三汊河口斷面和外金川河寶塔橋斷面為江蘇省水質考核斷面，水質目標為Ⅴ類，分別是外秦淮河和金川河的入江口斷面，均位于南京市鼓樓區，目前斷面水質持續超標，不能滿足“水十條”考核要求。本文通過對鼓樓區生活污水有效處理率進行分析的情況下，計算了現狀污染物入河量。利用一維穩態水環境數學模型對污染物入河量進行了驗證，在保證兩個入江口斷面水質達標的情況下，計算出研究區域的水環境容量。

2 數據與方法

2.1 區域概況

南京市鼓樓區位于長江下游南岸，擁有南京主城11 km黃金長江岸線。鼓樓區城市內河水系復雜，河道縱橫交錯，主要可分為秦淮河水系和金川河水系，鼓樓區境內兩大水系流域面積分別約為21.90 km2和31.45 km2。

秦淮河貫穿南京城區，在上坊門和通濟門外分為內秦淮河和外秦淮河，其中內秦淮河由東水關入城，外秦淮河由護城河入城，途經中華門和西水關，最終在三汊河口處入江。鼓樓區境內屬于外秦淮河，自石城橋入境，西北方向匯入長江。金川河位于南京主城西北部，是南京市區第三大河，發源于鼓樓崗和清涼山北麓，與玄武湖相連，支流包括城北護城河、南十里長溝、二仙橋溝和老虎橋溝等，下游在寶塔橋處入江。明城墻將金川河一分為二，城內為內金川河，城外為外金川河。

2.2 數據來源

研究所使用的自來水用水量數據來源于南京市水務集團(圖1)，污水處理廠生活污水處理量及水質資料來自城北污水處理廠和城東污水處理廠的運行參數月報表(2016年1-12月)，水質數據來自于2017年3月7日-3月9日和3月13日-3月15日，分別開展的水質同步監測(圖2)。水質監測因子包括COD、氨氮和總磷。

2.3 有效生活污水處理率分析方法

有效生活污水處理率是評估城市生活污水排放量及收集量的重要指標，指的是生活污水經污水處理廠處理，且達到相應的排放標準的這部分污水量占生活污水總排放量的比例[8]。

本文在借鑒“服務人口覆蓋率估算法[9]”計算城市生活污水處理率的基礎上，簡化其計算方法，通過獲得生活污水處理量和生活污水總排放量的數據資料，估算出該地區有效生活污水處理率。以計算城市污水處理廠的服務范圍內有效生活污水處理率為例，其計算方法為：

有效生活污水處理率=(生活污水處理量/生活污水總排放量)×100%

由于生活污水處理廠處理的污水不僅包括生活污水，還有地下水滲入、雨水混入等[10-11]，造成統計的生活污水處理量比實際偏高。根據《城市排水工程規劃方案(GB 50318-2000)》，生活污水濃度氨氮取值約35～40 mg/L，而地下水、清潔雨水等水體中污染物(如氨氮)濃度較低，會造成污水處理廠的進水水質濃度低于生活污水濃度。本文根據這一原理，采用“濃度折算法”對生活污水處理量進行修正，從而得到實際生活污水處理量。計算方法見公式(1)。

(1)

式中：Q為實際生活污水處理量，t/a；Qo為污水廠進水量，t/a；Co為污水進水濃度，mg/L；Cp為生活污水濃度，mg/L，氨氮可取35～40 mg/L。

生活污水量主要來自于自來水，通過收集到的自來水用水總量，采用《城市排水工程規劃方案(GB50318-2000)》，取生活污水排污系數0.9，計算出生活污水總排放量。污水處理廠服務范圍和行政區劃的邊界通常是不吻合的，而不同污水處理系統服務范圍內有效生活污水處理率也不相等。對于一個行政區劃內有多個污水處理系統的，本文采用“加權平均法”計算行政區劃內的有效生活污水處理率。

圖1 鼓樓區水系概況及用水量空間密度分布圖

即假設同一個污水處理系統范圍內的有效生活污水處理率是均勻相等的，而不同的污水處理廠處理生活污水的權重是不等的，以不同污水處理系統內的生活污水產生量占行政區劃內總污水量的比例來確定權重。則該行政區劃內的有效生活污水處理率計算公式為：

w=piβi

(2)

式中：w為行政區劃污水接管率；pi為各污水處理廠污水接管率；βi為各污水處理廠所占權重，可通過生活污水產生量確定(∑βi=1)。

2.4 水環境容量計算方法

2.4.1 排污口概化 外秦淮河和金川河沿線分布著較多排水泵站，污染源主要通過沿線支流自流或經排水泵站排入外秦淮河和金川河，最終匯入長江。根據排污口概化原則[12]：(1)城東污水處理廠作為較大污染源單獨概化為排口；(2)距離較近且排水量較小的泵站可概化為集中排口；(3)外秦淮河和金川河的較大支流可概化為排污口。

本次共概化排污口7個，概化排口位置分布見圖2。

圖2 水質同步監測斷面及概化排口位置分布圖

2.4.2 水環境數學模型建立 外秦淮河和金川河由西北護城河相連接，但西北護城河與外秦淮河相連處由小桃園泵站控制，小桃園泵站平時不開機，水體交換較少，因此可將外秦淮河和金川河分別作為獨立流域考慮。

考慮到外秦淮河和金川河的寬深比均不大，污染物濃度在橫向上變化較小，污染物在較短河段內能夠在斷面上均勻混合等因素，故本文采用一維穩態水環境數學模型[13]公式(3)～(4)分別對外秦淮河和金川河模擬污染物沿河流縱向的輸移過程。

(3)

(4)

式中：C0為上游來水與污染源或支流稀釋后的混合濃度，mg/L；k為河流中污染物降解系數，d-1；x為相近兩個概化排口的縱向距離，m；u為流速，m/s；C上為上游來水水質，mg/L；Cq為污染源或支流濃度，mg/L；Q上為上游來水流量，m3/s；q為污染源或支流流量，m3/s。

水質降解系數主要參考課題組已建立的秦淮河流域水質模型降解系數率定結果[14]，結合附近水體水質降解系數，確定COD降解系數為0.08～0.12 d-1，氨氮降解系數為0.05～0.09 d-1，總磷降解系數為0.05～0.08 d-1。

水質邊界條件采用同步監測水質實測值；水文條件外秦淮河采用上游武定門閘排水量實測值，金川河采用流域降雨徑流產流量及下游入長江干流閘門處水位值。

2.4.3 水質響應關系建立 根據一維穩態水環境數學模型，建立水質與污染源之間的響應關系，表示為:

C控制斷面=C(C邊界斷面，C1，C2，…，W1，W2，…)

(5)

式中：C為斷面水質濃度，mg/L；W為概化排污口的污染物入河量，t/a。

3 結果與討論

3.1 污染物入河量計算結果

鼓樓區主要位于江心洲污水處理廠和城北污水處理廠兩大污水處理系統內，根據兩個污水處理廠2016年日進出水量及水質資料，利用公式(1)，計算出污水處理廠實際生活污水處理量，如表1所示。根據鼓樓區生活污水產生量及污水處理廠有效生活污水處理率，由公式(2)近似計算出鼓樓區有效生活污水處理率在70%以上。

表1 2016年鼓樓區污水處理廠生活污水處理量

鼓樓區主要污染源為城鎮生活污水及地表徑流，城鎮生活污水主要通過泵站進入河流。無農村生活、工業、農田面源及畜禽養殖等污染源。采用污染物排放量及入河量計算方法[15]計算鼓樓區污染物入河量，本次計算得到鼓樓區污染物COD入河量為21 798 t/a，氨氮入河量為2 508 t/a，總磷入河量為281 t/a。根據收集到的排水達標區建設資料，將污染物優化分配到各污染源，其中污染物入河量外秦淮河流域約占37.6%，金川河流域約占32.6%，城北污水處理廠約占29.9%。各污染源污染物入河量比例見圖3。

圖3 各污染源污染物入河量比例圖

3.2 水環境容量計算結果及水質提升方案分析

3.2.1 水環境容量計算結果 在設計水文條件下，分別滿足三汊河口斷面和寶塔橋斷面水質達標的入外秦淮河和金川河污染源的最大允許排放量，即為基于控制斷面水質達標的水環境容量，現狀污染物入河量及允許排污量計算結果見表2。

根據表2可知，COD、氨氮和總磷水環境容量分別為21 798、733.24、61.30 t/a；氨氮和總磷分別需削減1774.76和219.7 t/a，削減率分別為70.8%和78.2%；COD現狀水質不超標，故不需要削減。

3.2.2 斷面水質提升方案分析 針對三汊河口斷面和寶塔橋斷面水質超標主要來源分析，結合鼓樓區排水達標區建設、黑臭河道整治、引補水、污水處理廠提標改造等規劃，提出三汊河口斷面和寶塔橋斷面水質達標的3種整治方案，見表3。

方案1：(1)理想情況下，鼓樓區污染物入河量削減100%，即不存在污染物入河；(2)上游來水水質得不到改善，維持現狀；(3)城北污水處理廠執行一級B排放標準，維持現狀；三汊河口斷面和寶塔橋斷面不可達標。

方案1計算結果表明上游來水水質對兩個入江口斷面水質影響較大，兩個入江口斷面若要達到考核要求，必須控制上游來水水質。城北污水處理廠尾水排口位于寶塔橋斷面上游100 m處，目前尾水執行一級B排放標準，若污水處理廠不進行提標改造，則寶塔橋斷面很難達標。

方案2：(1)排水達標區建設和黑臭河道整治部分完成的情況下，鼓樓區現狀污染物入河量可削減85%～90%；(2)外秦淮河從秦淮新河引水，經過七橋甕斷面，從三汊河口斷面入江[14]，當引水量達到25 m3/s時，三汊河口斷面可達標；金川河補水水源主要來自于玄武湖12×104t/d，化纖廠8×104t/d、小桃園泵站從秦淮河引水30×104t/d及部分城北污水處理廠中水回用。(3)城北污水處理廠執行一級A排放標準；三汊河口斷面和寶塔橋斷面可達標。

表2 現狀污染物入河量及允許排污量計算結果表 t/a

表3 斷面水質提升方案分析

方案3：(1)排水達標區建設和黑臭河道整治全部完成的情況下，鼓樓區現狀污染物入河量可削減90%以上；(2)控制上游來水水質達到Ⅴ類水；(3)城北污水處理廠提標改造，尾水執行準Ⅳ類排放標準；三汊河口斷面和寶塔橋斷面可達標。

3.2.3 合理性分析 水環境容量受水文、氣象、水質、降解系數以及污染物負荷等多種因素的影響，水環境容量的確定方法目前國內外還沒有統一的標準，水文、水質等基礎資料的匱乏使合理確定水環境容量更為困難[16-18]。

畢良芹等[19]將落蓬灣斷面水質超標率和污染物削減率進行對比分析，得出兩者的差距在40%以內，得出胥河水環境容量較為合理；韓梓流等[20]得出京杭運河水質超標率與污染物削減率差距小于30%；解學慧等[21]分析出二干河污染物COD負荷超標34%，與水質超標率相差14%；張琳等[22]計算出深圳市觀瀾河年污染負荷量超水環境容量10.5倍，造成水質長期超標；張萌等[23]分析仙女湖總磷水質超標0.12倍，污染負荷超水環境容量72.66%。總體來說，前面的研究多通過分析污染物削減率與水質超標率或水質超標倍數之間的關系，核算水環境容量是否合理。

鼓樓區現狀污染負荷氨氮和總磷超標，COD達標，不需要削減。將兩個入江口斷面水質超標率與現狀污染物削減率進行對比分析，如圖4所示。

圖4 現狀鼓樓區污染物削減率與水質超標率對比

從圖4可知，現狀氨氮和總磷的污染物削減率與水質超標率二者的差距均較小，在30%以內，表明上述方法計算出的鼓樓區水環境容量是基本合理的。

4 結 論

(1)計算得到江心洲污水處理廠和城北污水處理廠的有效生活污水處理率分別為74%和67%，鼓樓區有效生活污水處理率達到70%以上。

(2)在確保三汊河口和寶塔橋兩個入江口斷面水質達標的情況下，鼓樓區水環境容量COD為21798 t/a，氨氮為733.24 t/a，總磷為61.30 t/a。

(3)在排水達標區和黑臭河道整治的基礎上，采取適當的引補水措施，可保障入江口斷面水質達標。