城市內(nèi)河入河污染物定量控制策略探討

欒敬帥

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司,上海 200092)

自2015年《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(簡(jiǎn)稱《計(jì)劃》)印發(fā)以來(lái),全國(guó)各地“十三五”期間在《城市黑臭水體整治工作指南》和《城市黑臭水體治理攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》的指導(dǎo)下,進(jìn)行了一系列黑臭水體治理工作,治理方案通常在目標(biāo)污染總量控制的指導(dǎo)下制定[1],即通過(guò)物探、調(diào)查等手段發(fā)現(xiàn)所有污染直排點(diǎn),分階段制定污染總量削減計(jì)劃,采取污水直排口整治、污水處理廠提標(biāo)擴(kuò)建、河道底泥疏浚等措施,效果立竿見(jiàn)影。至2020年底,全國(guó)地級(jí)及以上城市2 914個(gè)黑臭水體消除比例達(dá)到98.2%,超額達(dá)成《計(jì)劃》工作目標(biāo)。

黨的十九屆五中全會(huì)將“生態(tài)文明建設(shè)實(shí)現(xiàn)新進(jìn)步”作為“十四五”時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展主要目標(biāo)之一,牢固樹(shù)立“兩山”理念,全國(guó)多地圍繞“十四五”時(shí)期水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)一步提升做出規(guī)劃,例如江蘇省“十四五水利發(fā)展規(guī)劃”提出“聚力打造幸福河湖”;浙江省“水生態(tài)環(huán)境保護(hù)十四五規(guī)劃”提出“推動(dòng)美麗河湖迭代升級(jí)”。在黑臭水體治理階段,污染總量控制目標(biāo)法指導(dǎo)下的治理方案較少關(guān)注到河道水環(huán)境容量的時(shí)空變化特征[2],部分地區(qū)已治理河道也不可避免地出現(xiàn)水質(zhì)不穩(wěn)定或雨季河道反黑反臭的現(xiàn)象。新時(shí)期水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量全面提升的目標(biāo)下,大量城市內(nèi)河以地表水Ⅲ類或Ⅳ類為控制和考核目標(biāo),河道水質(zhì)進(jìn)一步提升和穩(wěn)定也將成為新的挑戰(zhàn),水環(huán)境治理工作需由目標(biāo)總量控制向容量總量控制轉(zhuǎn)變[3],即從水環(huán)境質(zhì)量要求出發(fā),根據(jù)水環(huán)境容量反推允許排污量,優(yōu)化分配污染負(fù)荷削減目標(biāo)。

為探索以河道水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)為目標(biāo)的水環(huán)境治理方案制定方法,本文以相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),以容量總量控制法為指導(dǎo),以海綿城市建設(shè)理念為根本,注重系統(tǒng)方案頂層設(shè)計(jì)[4],就入河污染物定量控制策略進(jìn)行探討,以期為城市水環(huán)境綜合治理提供參考。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 研究區(qū)域概況

本文以南方某入江一級(jí)支流Q河為研究對(duì)象,選取斷面A和斷面B之間的河段為研究區(qū)間,斷面A位于上游,為國(guó)考斷面,斷面B位于入江口,為省考斷面,兩斷面水質(zhì)考核目標(biāo)均為地表Ⅲ類水。研究區(qū)間河段總長(zhǎng)約為17.0 km,共有5條主要城市內(nèi)河匯入,各內(nèi)河的流域范圍劃分如圖1的單元1～5所示,各單元的流域面積如表1所示。

表1 5條城市內(nèi)河流域面積統(tǒng)計(jì)

圖1 研究區(qū)域河道平面位置

1.2 河道水質(zhì)情況分析

水環(huán)境綜合治理以河道水質(zhì)達(dá)標(biāo)為目的,因此,在進(jìn)行現(xiàn)狀分析時(shí)應(yīng)以河道的收水范圍作為分析單元,流域單元?jiǎng)澐謶?yīng)綜合行政區(qū)劃、河道等級(jí)、河道連通情況等因素進(jìn)行。

1.2.1 干流水質(zhì)分析

斷面A與斷面B的流量如表2所示,2020年1月—12月的化學(xué)需氧量、氨氮和總磷3種污染物濃度月均值逐月變化如圖2所示。斷面A全年3種污染物濃度均未超出地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn),斷面B氨氮在7月和12月分別超出地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)約50%和75%,其余2種污染物均達(dá)到地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

表2 斷面A和B流量 (單位:m3/s)

圖2 2020年1月—12月斷面A和B 3種污染物濃度月均值變化

1.2.2 內(nèi)河水質(zhì)分析

選取氨氮濃度作為代表性分析指標(biāo),以地表水Ⅲ類為考核標(biāo)準(zhǔn),對(duì)2020年全年斷面A與斷面B之間匯入的5條城市內(nèi)河河道水質(zhì)變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如下,可以發(fā)現(xiàn)7月5條城市內(nèi)河氨氮濃度均為全年峰值(圖3)。

圖3 典型片區(qū)2020年1月—12月河道氨氮水質(zhì)指標(biāo)變化

1.2.3 干流與內(nèi)河水質(zhì)變化關(guān)聯(lián)性分析

經(jīng)過(guò)以上對(duì)Q河干流斷面和城市內(nèi)河的水質(zhì)分析,發(fā)現(xiàn)斷面B的氨氮濃度在7月出現(xiàn)嚴(yán)重超標(biāo)時(shí),其上游匯入的城市內(nèi)河的氨氮也基本處于全年峰值,二者水質(zhì)變化趨勢(shì)類似,說(shuō)明斷面B的水質(zhì)變化與城市內(nèi)河水質(zhì)變化關(guān)聯(lián)性較強(qiáng),斷面B的水質(zhì)達(dá)標(biāo)需將城市內(nèi)河的水質(zhì)提升作為重點(diǎn)。

1.3 污染源解析

上述城市內(nèi)河的水質(zhì)表現(xiàn)為旱季相對(duì)較好,雨季超標(biāo)嚴(yán)重,該現(xiàn)象基本表明河道污染主要來(lái)自岸上雨天面源污染輸入,排水系統(tǒng)應(yīng)作為重點(diǎn)分析對(duì)象。

1.3.1 雨水、污水系統(tǒng)分析

研究范圍內(nèi)規(guī)劃排水體制為雨污分流制,原合流制區(qū)域近年來(lái)也基本完成雨污分流改造。從改造效果來(lái)看,流域內(nèi)雨、污水管網(wǎng)之間存在較多的混接,為避免旱天污水下河,部分沿河雨水排口處設(shè)置有截流設(shè)施和截流管道。以城市內(nèi)河4為例,單元4范圍內(nèi)現(xiàn)狀共有69處雨水排口截流設(shè)施,對(duì)應(yīng)的服務(wù)范圍面積約為13 km2,約占單元4總面積的43%,旱天截流水量約為9.9萬(wàn)m3/d,約占單元4旱天總污水量的19%。

經(jīng)調(diào)研各流域單元內(nèi)污水轉(zhuǎn)輸泵站后,發(fā)現(xiàn)污水轉(zhuǎn)輸泵站的設(shè)計(jì)規(guī)模為對(duì)應(yīng)污水分區(qū)的規(guī)劃旱天污水量,旱天由雨水排口截流設(shè)施截流的污水量可順利通過(guò)污水泵站轉(zhuǎn)輸至污水廠。在雨天,除個(gè)別實(shí)際運(yùn)行水量未達(dá)設(shè)計(jì)規(guī)模的污水泵站外,其余污水泵站在正常運(yùn)行工況下,幾乎無(wú)能力轉(zhuǎn)輸截流水量,導(dǎo)致雨水排口處截流設(shè)施失效,大量由雨污混接點(diǎn)進(jìn)入雨水管網(wǎng)的污水隨雨水溢流排入河道。

1.3.2 污染源分類

研究范圍內(nèi)旱天無(wú)污水直排現(xiàn)象,且無(wú)污水處理廠、凈水站等尾水排口,并且研究范圍屬于主城區(qū),無(wú)基本農(nóng)田或養(yǎng)殖業(yè),因此,無(wú)農(nóng)業(yè)面源和點(diǎn)源污染輸入,入河污染物主要由城市面源和內(nèi)源污染構(gòu)成。結(jié)合以上對(duì)研究范圍內(nèi)排水系統(tǒng)分析,根據(jù)污染強(qiáng)度的不同,城市面源污染又可分為無(wú)雨污錯(cuò)接區(qū)域的面源污染和存在雨污錯(cuò)接區(qū)域的面源污染。

1.4 污染物貢獻(xiàn)比例分析

1.4.1 計(jì)算方法

斷面B的污染由各城市內(nèi)河流域的城市面源污染和內(nèi)源污染貢獻(xiàn),因此各城市內(nèi)河流域?qū)嗝鍮的污染貢獻(xiàn)可通過(guò)式(1)計(jì)算。

(1)

其中:CRi——城市內(nèi)河i對(duì)斷面B的污染貢獻(xiàn);

P1NP-i——城市內(nèi)河i的雨污混接區(qū)域月面源污染總量,kg/月;

P2NP-i——城市內(nèi)河i的雨污分流區(qū)域月面源污染總量,kg/月;

PI-i——城市內(nèi)河i的月內(nèi)源污染總量,kg/月。

城市內(nèi)河i流域內(nèi)各類污染物占流域內(nèi)污染總量的比值可通過(guò)式(2)～式(4)計(jì)算。

(2)

(3)

(4)

其中:PNP-i——城市內(nèi)河i的月面源污染總量,kg/月;

R1i——城市內(nèi)河i的雨污混接區(qū)域月面源污染占總污染量的比例;

R2i——城市內(nèi)河i的雨污分流區(qū)域月面源污染占總污染量的比例;

R3i——城市內(nèi)河i的月內(nèi)源污染占總污染量的比例。

城市面源污染可通過(guò)雨水徑流量及雨水徑流濃度計(jì)算,如式(5)。

PNP=0.01×A×ψ×F×C

(5)

其中:PNP——月面源污染總量,kg/月;

A——排水分區(qū)面積,hm2;

ψ——綜合徑流系數(shù);

F——月度降雨量,mm/月;

C——雨水徑流污染濃度,mg/L。

內(nèi)源污染通過(guò)底泥量和底泥污染釋放強(qiáng)度計(jì)算,如式(6)。

PI=M×S÷12

(6)

其中:PI——月內(nèi)源污染總量,kg/月;

M——河道底泥總量,kg;

S——底泥污染釋放強(qiáng)度,kg/(m3·a)。

1.4.2 指標(biāo)取值

經(jīng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),該片區(qū)完全分流的雨水排口和雨污混接溢流排口均無(wú)明顯初期效應(yīng),因此城市面源污染物總量測(cè)算按照“次降雨徑流平均濃度( event mean concentration,EMC)”進(jìn)行測(cè)算。完全分流區(qū)域雨水徑流污染EMC值依據(jù)服務(wù)范圍內(nèi)下墊面類型占比和不同下墊面雨水出流水質(zhì)濃度[5-6]進(jìn)行加權(quán),并結(jié)合部分排口實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果確定取值;雨污混接區(qū)域雨水徑流污染EMC值依據(jù)國(guó)內(nèi)城市研究成果[7]、服務(wù)范圍內(nèi)雨污分流已改造比例和部分排口實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果確定取值。內(nèi)源污染主要來(lái)源為河道底泥,底泥污染釋放強(qiáng)度以相關(guān)研究結(jié)果均值確定。各類雨水徑流EMC取值如表3所示。

表3 雨水徑流污染EMC取值與底泥污染釋放強(qiáng)度

1.4.3 計(jì)算結(jié)果

綜上,研究范圍內(nèi)入河污染物主要為城市面源和內(nèi)源污染,現(xiàn)狀各城市內(nèi)河流域單元內(nèi)雨污混接面積比例越高,該流域?qū)嗝鍮的污染物貢獻(xiàn)比例越高,5個(gè)流域單元的污染物貢獻(xiàn)比例計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 典型片區(qū)污染物貢獻(xiàn)比例(以氨氮計(jì))

2 入河污染物定量控制測(cè)算

美國(guó)環(huán)保局于1972年《清潔水法》中提出TMDL(Total Maximum Daily Loads)計(jì)劃,即在滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的條件下,水體能夠接受的某種污染物的最大日負(fù)荷量。該計(jì)劃的目標(biāo)之一就是將可分配的污染負(fù)荷分配到各個(gè)污染源(包括點(diǎn)源和非點(diǎn)源),同時(shí)要考慮安全臨界值和季節(jié)性變化,從而采取適當(dāng)?shù)奈廴究刂拼胧﹣?lái)保證目標(biāo)水體達(dá)到相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

借鑒TMDL理念,以兩個(gè)考核斷面或行政區(qū)界為邊界,可將河道的某個(gè)區(qū)間劃為一個(gè)相對(duì)的封閉系統(tǒng)。下游斷面的允許最大污染物通量與上游斷面輸入污染物通量的差值,并考慮疊加一定的自然降解作用,即為該封閉系統(tǒng)的最大允許污染物排放量。河道流量分為枯水月、平水月和豐水月流量,按照水文站多年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行取值,計(jì)算如式(7)。

PA=2 592×Q×C-QU×CU

(7)

其中:PA——研究河道斷面最大允許污染物通量,kg/月;

Q——研究河道斷面流量,m3/s;

C——研究河道斷面最大允許污染物質(zhì)量濃度,mg/L;

QU——上游斷面流量,m3/s;

CU——上游河道斷面污染物質(zhì)量濃度,mg/L。

斷面A至斷面B全年每月最大允許污染物凈增量與實(shí)際污染物凈增量如圖4所示,7月和12月超標(biāo)百分比分別約為28%和43%,即斷面A和斷面B區(qū)間內(nèi)總?cè)牒游廴疚锵鳒p率應(yīng)分別達(dá)到28%和43%。

圖4 最大允許污染物凈增量與實(shí)際污染物凈增量逐月變化(以氨氮計(jì))

根據(jù)不同流域單元的污染貢獻(xiàn)比例和污染物來(lái)源占比情況,以區(qū)間最高削減率為目標(biāo),可針對(duì)不同污染物來(lái)源制定相應(yīng)削減率,以達(dá)到削減斷面B污染物總量的目的,各城市內(nèi)河對(duì)斷面B的污染貢獻(xiàn)削減比例可通過(guò)式(8)計(jì)算。

∑CR′i=CR1×R1+CR2×R2+…+CRi×Ri

(8)

其中:CR′i——城市內(nèi)河i削減的污染貢獻(xiàn);

Ri——城市內(nèi)河i流域內(nèi)污染物總體削減率。

其中,城市內(nèi)河i流域內(nèi)污染物總體削減率計(jì)算如式(9)。

Ri=R1i×D1i+R2i×D2i+R3i×D3i

(9)

其中:D1i——城市內(nèi)河i流域內(nèi)雨污混接區(qū)域面源污染的削減率;

D2i——城市內(nèi)河i流域內(nèi)雨污分流區(qū)域面源污染的削減率;

D3i——城市內(nèi)河i流域內(nèi)內(nèi)源污染的削減率。

雨污混接區(qū)域雨水徑流污染EMC相對(duì)完全分流區(qū)域雨水EMC更高且面積占比較高,因此,可將控制雨污混接區(qū)域雨水徑流污染放在首位,以期獲得更高的治理效益。

如上述典型片區(qū)短期內(nèi)雨污混接范圍面源污染物削減率為76%,完全分流服務(wù)范圍內(nèi)暫不做強(qiáng)制控制要求。經(jīng)計(jì)算,分別對(duì)5條城市內(nèi)河流域內(nèi)雨污混接范圍面源污染進(jìn)行削減后,可將對(duì)斷面B的總污染貢獻(xiàn)削減43.97%,高于最大月超標(biāo)量43%,即該控制策略可行(表5)。

表5 典型片區(qū)入河污染物控制策略(以氨氮計(jì))

3 治理措施

3.1 控制雨量目標(biāo)計(jì)算

面源污染工程措施通常以雨水徑流總量控制率作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),因此需將污染物削減率轉(zhuǎn)化為需控制的降雨量。相關(guān)研究[8-9]表明,面源污染主要來(lái)源包括地表徑流、旱流污水和管道沉積物,不同地區(qū)的研究結(jié)果中三者的貢獻(xiàn)比例存在差異,主要因?yàn)椴煌貐^(qū)的下墊面組成、雨污混接比例和排水管道管養(yǎng)水平等邊界條件存在差異。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,在綜合了雨污混接率和管網(wǎng)清疏水平的影響下,研究范圍內(nèi)完全分流的雨水排口和雨污混接溢流排口均無(wú)明顯初期效應(yīng),因此,污染物目標(biāo)削減率可直接轉(zhuǎn)換為雨水目標(biāo)年徑流總量控制率,進(jìn)而得到需控制的降雨量。

3.2 體系構(gòu)建

在面源污染控制體系中,污染控制所需控制的雨量由源頭低影響開(kāi)發(fā)、過(guò)程截流與系統(tǒng)調(diào)蓄和末端處理3個(gè)環(huán)節(jié)共同消納。

《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》中將我國(guó)大陸地區(qū)大致分為5個(gè)區(qū),并給出了各區(qū)年徑流總量控制率的范圍值。水環(huán)境綜合治理應(yīng)與源頭海綿城市改造相結(jié)合,并依據(jù)各城市、行政區(qū)的海綿城市規(guī)劃和城市建設(shè)現(xiàn)狀、以雨水匯水分區(qū)為單元、遵循實(shí)事求是的原則進(jìn)行近遠(yuǎn)期的源頭可改造比例評(píng)估,即可得出源頭低影響開(kāi)發(fā)可控制的雨量。

經(jīng)源頭控制后,仍需控制的雨水量采用過(guò)程截流與系統(tǒng)調(diào)蓄措施補(bǔ)足。截流通常在較短時(shí)間內(nèi)完成,特點(diǎn)為時(shí)間短流量大,而現(xiàn)狀污水泵站和管網(wǎng)輸送能力通常按照分流制污水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),因此需對(duì)現(xiàn)狀污水泵站和管網(wǎng)的輸送能力進(jìn)行全面評(píng)估,按需擴(kuò)建現(xiàn)有污水管網(wǎng)或新建截流管道,補(bǔ)足截流能力。調(diào)蓄設(shè)施的設(shè)置采用“分散為主、集中為輔”的原則。從項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,老城區(qū)、主城區(qū)通常分散式調(diào)蓄設(shè)施的選址難度較大,而集中調(diào)蓄需配套建設(shè)大口徑轉(zhuǎn)輸管道,此時(shí)線性調(diào)蓄具有一定的優(yōu)勢(shì)。

《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014—2021)提出污水系統(tǒng)的雨季設(shè)計(jì)流量概念,污水系統(tǒng)應(yīng)充分考慮污水處理設(shè)施的韌性,具備接納合流制截流污水和分流制截流初期雨水的能力[10]。雨后調(diào)蓄系統(tǒng)的放空時(shí)間直接影響末端處理規(guī)模,通常調(diào)蓄池建議放空時(shí)間為12～48 h。調(diào)蓄池放空時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響調(diào)蓄池的利用率[11],在雨季尤為明顯,不同地區(qū)可通過(guò)多年降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果結(jié)合城市經(jīng)濟(jì)水平確定。

4 結(jié)論與建議

(1)本文以城市內(nèi)河斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)為目標(biāo),以污染物控制為出發(fā)點(diǎn),以內(nèi)河流域?yàn)榉治鰡卧?經(jīng)對(duì)現(xiàn)狀河道水質(zhì)情況進(jìn)行分析和污染物來(lái)源占比進(jìn)行分解,確定總體污染物削減目標(biāo)和雨水年徑流總量控制率。

(2)面源污染控制體系應(yīng)由源頭低影響開(kāi)發(fā)、過(guò)程截流與系統(tǒng)調(diào)蓄、末端處理構(gòu)成。

(3)本文根據(jù)城市內(nèi)河河道流量、河道本底水質(zhì)、降雨量和入河污染物濃度等有限基礎(chǔ)數(shù)據(jù),借鑒TMDL理念,以相關(guān)項(xiàng)目為例定量計(jì)算不同污染源的削減比例,進(jìn)而制定系統(tǒng)化治理措施。計(jì)算過(guò)程和系統(tǒng)化理念可為其他城市水環(huán)境治理方案制定提供參考和借鑒。

(4)為提高計(jì)算過(guò)程的準(zhǔn)確性和針對(duì)性,建議該類項(xiàng)目前期應(yīng)進(jìn)行一定周期的水量水質(zhì)檢測(cè)工作,或相關(guān)部門在必要點(diǎn)位增設(shè)在線監(jiān)測(cè)儀表以獲得高質(zhì)量連續(xù)數(shù)據(jù)。