基于氨氮的金川河水質達標方案分析

朱國忠，李 郁，喻 石

（1.南京水利科學研究院；2.南京瑞迪建設科技有限公司，南京 210029）

近年來，隨著我國經濟的快速發展，城市排污規模不斷增大。而當前的環境設施已經無法滿足排污治污的需要，大量污染物入河。消除劣V類入江支流是南京市水環境治理攻堅戰中的一場硬仗。金川河斜穿南京市主城北部，流域主要覆蓋老城區，人口密集、情況復雜，治理難度最大。金川河寶塔橋斷面為省水質考核斷面，對這一典型位置開展流域水質達標分析有助于弄清污染來源，為開展水環境提升工程、改善區域生態環境奠定基礎。

1 研究區概況

1.1 地理概況

金川河發源于南京市的鼓樓崗和清涼山北麓，并與玄武湖相通，下游經寶塔橋入長江。金川河全長37.78 km，流域面積為59.32 km2。內金川河分為主流、東支、中支、西支及老主流。外金川河水系由西北護城河、城北護城河以及內金川河在金川門匯合而成，通過外金川河入江，沿途南十里長溝、張王廟溝、大廟溝、二仙溝直接或通過閘門接入城北護城河及外金川河。此外，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，因此可將兩者分割考慮[1]。

1.2 水質概況

金川河各條支流2018年1-5月月均氨氮水質監測結果如圖1所示。根據南京市環保部門提供的內金川河水系和外金川河水系2018年1-5月水質監測數據進行水環境質量評價，結果如下：溶解氧均達到地表水環境質量Ⅴ類標準，部分月份達到Ⅳ類標準；透明度月均值保持在30～60 cm；pH值均處于6～9，滿足地表水環境質量Ⅴ類標準要求；各斷面的氨氮均超過地表水環境質量Ⅴ類標準限值，為劣Ⅴ類，統計期間內金川河東支、中支及內金川河老主流、外金川河水質氨氮月均值的平均值在4.0～6.8 mg/L，內金川河西支、金川河主流、城北護城河水質次之，氨氮月均值的平均值在3.0～4.0 mg/L。

圖1 各條支流2018年1-5月月均氨氮水質監測結果

從檢測結果看，內金川河東支、中支、西支、老主流、金川河主流、外金川河、南十里長溝主流、城北護城河、西北護城河水質為劣Ⅴ類，張王廟溝、南十里長溝一支水質未能穩定達到Ⅴ類。各河道水質主要超標因子是氨氮。

2 污染因子計算方法

2.1 水質因子選取

允許排放量是對排污口所規定的污染物最大排放量，是落實污染物總量控制的重要手段[2]。氨氮是水體主要的耗氧污染物，氨氮中的非離子氨是引起水生生物毒害的主要因子，氨氮濃度過高可造成水體富營養化[3]。氨氮是控制水體含氮有機物污染和保護水生態系統的一個關鍵指標，同時氨氮也是減排的約束性指標[4]。根據此原理分析寶塔橋斷面水質狀況，水質因子選取污染較為嚴重的NH3-N進行研究，水質目標分析以此為主要計算指標。

2.2 項目邊界條件

為確保寶塔橋斷面水質達標，金川河流域內各支流水質完成治理目標，本次研究范圍以外匯入的水體水質須達到V類及以上水質標準，且不劣于現狀水質。

2.3 污染負荷分析

入河污染源主要包括點源、內源和面源三大類。

2.3.1 點源污染負荷

點源污染包括37個排口、方家營塘雨污水泵站及1座污水處理廠。

（1）排口。根據鼓樓區管線圖，結合排口溯源資料，確定排口上游服務范圍，根據服務范圍內人口總量以及南京市人均用水定額（《城市給水工程規劃規范》（GB 50282—2016）），確定服務范圍內綜合用水量。污水量采用用水量的90%，總變化系數根據污水量取2.0～2.3（《室外排水設計規范》（GB 50014—2006）），考慮到本工程雨污水管網系統錯接、混接現象較多，未納入污水管網系數取0.2（經驗數值，如鹽城采用0.25，淮安采用0.15），得到排口外排污水量。

（2）泵站。方家營泵站將方家營塘中的雨污水向外抽排至外金川河，約為8 000 m3/d。

（3）污水處理廠。城北污水處理廠設計規模為30萬m3/d，實際已超負荷運行。出水水質經過提標改造，NH3-N濃度可達地表水V類水質標準。由于城北污水處理廠目前出水水質不穩定，并且并對寶塔橋斷面水質影響較大，因此本次分析不考慮城北污水處理廠，只要求其尾水出水水質不劣于現狀出水水質。

2.3.2 內源污染負荷

內源污染為底泥中污染物釋放引起的二次污染，底泥與上覆水之間不停地進行著物質交換，其對生態系統的危害以有機物和重金屬為主，溶解于水中的污染物濃度在很大程度上要受到底泥的影響。在動水條件下，水體中淤污泥顆粒以懸浮釋放為主，淤污泥中蓄積污染物的動態釋放速率與流速基本呈指數增長關系，釋放速率可以表示為：

式中，R為釋放速率，mg/（m2·d）；U為流速，m/s；α為流速修正系數，取值范圍為0.003～0.006；a、b均為參數。

含有豐富氮、磷的淤泥成為水體潛在性內源性污染源，將促進水體富營養化。流域內河流流經城市，河道形狀大多為矩形河槽，且下游均建設有閘控制水位，河道流速相差不大，本次內源污染負荷估算中NH3-N釋放速率均取值132.76 mg/（m2·d）。以氨氮為特征指標，估算河道內源污染負荷結果，如表1所示。

表1 內源污染產生量估算

2.3.3 面源污染負荷

面源污染產生路徑的實質是污染物從土相向水相遷移轉化的過程[5]。面源污染主要包含城市面源污染及農田面源污染，根據實際調查，金川河周邊并無農田用地，該部分污染量僅考慮城市面源污染，即降雨徑流污染。

2.4 水質響應關系建立

綜合上述各污染來源，建立控制斷面水質與上游來水的水質響應關系，表示為：

式中，C支流1為支流來水污染負荷；W為排口污染負荷；D為底泥污染負荷。

計算時，應遵循從上游到下游、從支流到主流的順序進行，先建立上游、支流的水質響應關系，再建立下游、主流的水質響應關系。

3 污染負荷量計算

城北護城河來水主要包括南十里長溝、張王廟溝及玄武湖補水，玄武湖補水流量按照設計補水規模進行計算，補水水質取多次監測的平均值。南十里長溝、張王廟溝匯入流量根據該支流來水流量及沿程污染源匯入流量得出，匯口處NH3-N濃度采用鼓樓區水務局2018年1-5月份監測數據并取平均值計算。其間匯入點源污染主要考慮中央門橋排口及未知污染源，河道內源污染考慮底泥釋放面積60 900 m2。計算時將入河污染源負荷分為源項及沿程污染負荷，源項為上游來水及河道補水量，沿程污染負荷包括排口、未知污染源及底泥污染釋放量（見表1），按照上述計算邊界條件，推算城北護城河污染負荷量結果，如表2所示。同理可得，其他各河道污染負荷量結果如表3至表9所示。

表2 城北護城河污染負荷量

表3 內金川河西支污染負荷量

表4 內金川河老主流污染負荷量

表5 西北護城河污染負荷量

表6 內金川河東支污染負荷量

表7 內金川河中支污染負荷量

表8 內金川河主流污染負荷量

表9 外金川河主流污染負荷量

根據上述計算統計，流域污染負荷總量約為1 437.22 kg/d。其中，城北護城河污染負荷量為519 kg/d，占污染物總量的36%；西北護城河污染負荷量為342.23 kg/d，占污染物總量的24%；內金川河主流污染負荷量為218.7 kg/d，占污染物總量的15%；外金川河污染負荷量為358.38 kg/d，占污染物總量的25%，如圖2所示。

圖2 污染負荷總量分布

在各河道污染負荷總量分析的基礎上，去除各河道上游來水污染負荷的影響，可得沿程污染負荷入河量，具體數據如表10、圖3所示。

表10 沿程污染負荷入河量

圖3 沿程污染負荷分布

4 水質達標分析

4.1 水環境容量及水質提升方案分析

根據上述計算結果分析，寶塔橋斷面流量3 494.63 L/s，按《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）對Ⅴ類水的規定限值，該斷面允許污染負荷量為603 kg/d，即金川河流域河道污染負荷超標量約834 kg/d。實施控源截污工程，可削減污染負荷約430 kg/d；實施底泥清淤工程，可削減污染負荷約17 kg/d；實施生態修復工程，可削減污染負荷約48 kg/d。生態補水5.5萬m3/d，在保障生態基流的同時，可增容110 kg/d，尚余229 kg/d的污染負荷需要削減，原因是城北護城河、南十里長溝等支流水質尚不能滿足V類水質標準，需盡快組織治理。

4.2 合理性分析

本次水質目標可達性分析僅考慮晴天條件、無面源污染匯入時的水質目標可達性。對于城北污水處理廠尾水，由于其水質尚不穩定，且水量較大，位置處于寶塔橋斷面上游，對寶塔橋斷面水質達標影響較大，本次分析未將其納入。為保證寶塔橋斷面水質穩定達標，需保證其尾水出水水質不劣于現狀出水水質。總體而言，文中計算較為綜合地考慮了區域水功能區允許污染負荷容量和控制斷面水質要求，得到的污染負荷計算結果較為合理。

5 結語

在研究河流內部污染負荷排放總量滿足允許污染負荷控制要求的基礎上，本文結合水質響應關系計算得到各河段、排污口和底泥主要污染物排放量，為合理制定水質提升工程方案、制定污染物削減量計劃提供了參考，計算結果較為合理。若保證寶塔橋斷面水質達標，需對城北護城河、南十里長溝等支流進行治理，對其進行合理的排污量削減，強化整個區域的統籌管理，完善制度、增強執法力度，使全流域污染負荷不超標。