TMDL計劃在茅洲河水環境綜合治理中的應用

韓鎧御 王正發 陳華瑜

(中電建生態環境集團有限公司，廣東 深圳 518105)

茅洲河位于珠江三角洲東南部，跨越深圳、東莞兩市，發源于深圳市境內的羊臺山北麓，由南向北，最終匯入伶仃洋，總流域面積388.23km2，干流全長約41.61km，感潮河段長約13km。茅洲河流域水環境治理是深圳市黑臭水體治理工作的重中之重，中央、省、市都對茅洲河水環境治理提出了明確要求：2019年底前，全面消除黑臭水體，2020年國控斷面水質達到地表Ⅴ類水標準[1]。為準確判斷茅洲河水體污染源頭，對河流水污染治理提出精細化控制建議，科學合理地制定茅洲河流域水環境綜合治理措施，非常有必要開展茅洲河最大日負荷總量(TMDL)計劃研究。

TMDL是指在滿足水質目標的條件下，水體能夠接受的某種污染物的最大日負荷總量[2]。該研究的目的之一就是將可分配的污染負荷分配到各個污染源(包括點源和非點源)，同時要考慮安全臨界值和季節性變化，從而采取適當的污染控制措施來保證目標水體達到相應的水質標準，是國際上最具有代表性的流域負荷總量控制技術體系。TMDL計劃由美國國家環境保護局于1972年在《清潔水法》中提出，對美國各個州的水域水體的水質標準和相應的TMDL計劃的制定和實施都作了具體的規定。TMDL計劃的執行過程包括：識別水質受限制的水體，按優先順序確定水質指標，最大日負荷總量的確定及分配，執行控制措施，評價水質控制措施[3-5]。目前，美國很多州都對其行政區域內的水質受限水體制定并實施了TMDL計劃，這對其受限水體的水質改善發揮了明顯作用。

1 茅洲河TMDL計劃

1.1 水質受限水體的識別

水質受限水體是指即使實施了一定的水污染控制措施后，仍無法滿足水質目標的水體[6]。根據水質監測資料，茅洲河流域污染嚴重，干流、支流水質均為劣Ⅴ類，主要超標因子有氨氮、總磷、溶解氧、化學需氧量、五日生化需氧量、陰離子表面活性劑、高錳酸鹽指數、氟化物和石油類等。其中氨氮、總磷、化學需氧量等指標超標最為嚴重，2015年底，茅洲河共和村斷面(國家考核斷面)化學需氧量、氨氮和總磷濃度分別為65.53mg/L、21.52mg/L和4.49mg/L，分別超標10.76倍、11.23倍和1.64倍。

茅洲河流域干支流水體治理前(以2015年為基準)被認定是水質受限水體，主要原因是化學需氧量、氨氮、總磷等指標嚴重超標。

1.2 確定水質目標

根據茅洲河治理分階段水質目標要求，并考慮茅洲河流域資料條件，確定茅洲河流域TMDL方案研究受限水體水質指標為化學需氧量、氨氮、總磷，具體數值目標見表1。

表1 茅洲河流域TMDL方案水質數值目標 單位：mg/L

1.3 水文分析

TMDL計劃中需要建立模型，模擬出河道每日流量。本研究對水文分析進行簡化，根據《廣東省水文圖集》，查得茅洲河干流多年平均徑流深850mm，不含石巖水庫的集雨面積為344km2，從而估算出茅洲河每日平均總水量80.11萬m3。

1.4 污染源調查和污染負荷計算

1.4.1 點源污染

點源污染來自生活污染源和工業污染源。根據《第一次全國污染源普查城鎮生活源產排污系數手冊》，查得深圳市、東莞市生活源污水污染物人均產生系數，按照流域內的人口數量核算其生活污染排放量[7]；根據茅洲河流域工業廢水排放情況，結合工業企業水質監測結果，對流域內工業源進行核算[8]，得到2015年茅洲河流域點源污染物日負荷量，見表2。

表2 茅洲河流域點源污染物日負荷量 單位：t/d

1.4.2 面源污染

面污染源主要受降雨徑流條件和地表污染物積聚數量的影響。前者取決于降雨量、降雨強度、地表透水性，后者取決于土地使用功能、土地利用類型等人類活動強度和方式[9]。面源污染量通常采用經驗公式估算：

W=∑AiBi

(1)

式中：W為面源污染負荷總量，t/a；Ai為第i種土地利用類型的面積，km2；Bi為第i種土地利用類型污染物輸出速率，t/(km2·a)。

根據文獻資料[10-12]給出的不同土地利用類型情況，得到各類地表類型輸出污染物的速率參數，見表3。

表3 不同土地利用類型污染物面積輸出速率 單位：t/(km2·a)

結合茅洲河流域土地利用類型資料，根據以上方法計算2015年茅洲河流域面源污染年負荷量，見表4。

表4 茅洲河流域面源污染日負荷量匯總 單位：t/d

1.4.3 內源污染

根據茅洲河環保清淤量，研究得到茅洲河內源污染物釋放規律，測算出茅洲河流域底泥每年釋放氮59.94t，底泥中有機質、氮、磷平均含量分別為33371.00mg/kg、1871.20mg/kg、1256.55mg/kg，從而可估算得到2015年茅洲河內源污染負荷量，即化學需氧量為1122.98t，氨氮為59.94t，總磷為42.28t。

1.4.4 污染負荷總量

根據以上分析，匯總得到茅洲河流域2015年污染物日負荷量，見表5。

表5 茅洲河流域2015年污染物日負荷量 單位：t/d

1.5 最大日負荷總量計算和分配

由于茅洲河長期處于重度黑臭狀態，河道自凈能力可以忽略不計。因此根據階段性水質目標和水文分析結果，計算得到茅洲河最大日負荷總量，見表6。

表6 茅洲河最大日負荷總量 單位：t/d

為在規定時間達到水質目標，需要將污染負荷在點源、面源和內源之間進行分配，從而提出合理的綜合治理措施。污染負荷計算公式如下：

TMDL=∑WLAi+∑LAi+P+MOS

(2)

式中：TMDL為最大日負荷總量，t/d；WLA為允許的點源污染日負荷量，t/d；LA為允許的面源污染日負荷量，t/d；P為允許的內源污染日負荷量，t/d；MOS為安全臨界值，t/d。MOS用于表征污染負荷與收納水體水質之間的不確定關系，根據美國國家環境保護局的推薦值，取TMDL的10%。點源、面源、內源污染負荷削減量根據2015年污染負荷比例進行分配，結果見表7。

表7 茅洲河污染負荷削減目標分配 單位：t/d

2 污染治理措施和實施效果評估

2.1 治理措施

根據茅洲河TMDL削減目標，要實現水質目標，最重要的是削減點源污染。考慮到階段性水質目標的考核要求，茅洲河治理分階段采取了多種治理措施：2016—2017年綜合整治階段，實施了沿河截污工程和雨污分流工程等，主要是通過織網成片建立污水干管系統，同時建設沿河截污管作為臨時兜底措施；2018年實施了正本清源工程，實現小區污水收集進入污水系統；2019—2020年實施了全面消黑工程，通過河道暗涵和小微水體清淤、排水口整治、老舊管網清淤和改造、遺漏正本清源小區補充完善等措施查漏補缺，實現全面雨污分流。

面源污染削減也是實現水質目標所不可缺少的。考慮到面源污染的特點，主要采取對面源污染產生的源頭進行控制和管理的方法，包括初期降雨徑流污染控制、農業面源污染控制、畜禽養殖面源污染控制、垃圾處理處置、重點面源污染整治等措施。

內源污染占污染負荷總量的比例較低，但由于茅洲河長期處于黑臭狀態，河道底泥中有機質、營養鹽、重金屬污染嚴重[13]，在一定情況下可能會釋放出來造成二次污染，影響河道水質，因此有必要開展底泥環保清淤和處理處置工作。茅洲河綜合治理措施見表8。

表8 茅洲河綜合治理措施

2.2 基于消除黑臭水體目標的實施效果評估

為驗證2017年底是否達到消除黑臭的水質目標，選取2018年全年月平均最大日負荷量和實際日負荷量進行分析。2018年TMDL與考核斷面實際平均日負荷對比見圖1。2018年各月的考核斷面實際平均日負荷均小于基于消除黑臭水體目標的最大日負荷(TMDL)，由此證明茅洲河經過2016—2018年的綜合整治，旱、雨季均能夠控制污染負荷總量不超標，實現了消除黑臭水體的目標。

圖1 2018年TMDL與考核斷面實際平均日負荷對比

2.3 基于地表Ⅴ類水目標的實施效果評估

為驗證2020年底是否能達到消除黑臭的水質目標，選取2020年全年月平均最大日負荷和實際日負荷進行分析。2020年TMDL與考核斷面實際平均日負荷對比見圖2。由此證明，2020年各月的化學需氧量、氨氮、總磷等考核斷面實際平均日負荷均小于基于消除黑臭水體目標的最大日負荷總量(TMDL)，旱、雨季均能夠控制污染負荷總量不超標，實現了地表Ⅴ類水的水質目標。

圖2 2020年TMDL與考核斷面實際平均日負荷對比

3 結 語

本研究根據TMDL的相關方法和流程，基于水質受限水體識別、確定水質目標、水文分析、污染源調查和污染負荷計算，制定了茅洲河TMDL計劃。并根據茅洲河TMDL目標，提出了污染負荷削減目標，從而確定了茅洲河綜合治理措施，包括點源、面源和內源污染的削減措施。最后，根據水質和流量監測結果，計算了2015—2020年實際污染負荷量，并與TMDL進行對比，化學需氧量、氨氮、總磷等考核斷面實際平均日負荷均小于TMDL，證明采取的治理措施行之有效。