北运河流域(北京段)主要污染物减排措施效果评估*

王 刚 齐 珺 潘 涛 宋新山 李 夏 张岳鹏(1.北京市环境保护科学研究院，国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 100037；.东华大学环境科学与工程学院，上海 0160；3.天津大学环境科学与工程学院，天津 30007；.首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 10008)

目前，北京市水污染治理仍处于目标总量控制阶段。水污染以耗氧污染为主，水质目标为控制耗氧污染、消除黑臭和改善水质，氨氮、COD为优先控制污染物，也是国家环境保护“十五”、“十一五”和“十二五”计划中重点确定的主要污染物总量控制因子[1-4]。“十五”以来，北京市对重点污染物实施总量控制，加大对城镇污水处理厂建设的投资力度，开展河道整治工作，河流水质达标率整体呈现上升趋势。但在2008年北京奥运以后，随着城市化进程加快，治理成本和难度增大，水污染减排空间大幅减小，水质达标率徘徊不前，水质改善进入平台期[5-6]。因此，从流域治理的角度，制定水污染防治措施方案，达到水质改善效果，是当前着重关心的问题[7-9]。河流水质模型可以量化评估不同减排措施方案对于改善水质的效益。由丹麦水力研究所(DHI)研发的MIKE11模型可用于模拟河流、河口、河网系统的水流、水质过程，其应用简单、模拟准确，尤其适用于多闸坝河流[10]，在水质模拟预测、水污染治理效果评估中有着广泛的应用[11-14]。

本研究以2010年为基准年，综合考虑《北京市“十二五”时期水资源保护及利用规划》(以下简称“十二五”规划)中有关污水处理厂新建或改造升级、规模化养殖场粪污治理等措施，《北京市加快污水处理和再生水利用设施建设三年行动方案(2013—2015)》(以下简称“三年行动方案”)，人口增长、经济社会发展及农业规模和布局情况，设置3套方案，并基于MIKE11模型，评估不同方案对北运河流域(北京段)主要污染物的减排效果，以期为流域水污染综合治理和水环境管理提供技术支撑。

1 研究区概况

北运河发源于燕山南麓，是北京市五大水系中唯一发源于本市境内的水系，在北京市境内的流域面积为4 249 km2，约占北京市总面积的26%。北运河上游为温榆河，北运河干流(北京段)始于通州区北关闸，止于通州区杨洼闸，沿途接纳蔺沟、清河、坝河、小中河、通惠河、凉水河等主要支流(见图1)，北运河干流(北京段，含温榆河干流)全长94 km。北运河流域(北京段)聚集了北京市约72%的人口，多年平均水量为8.543亿m3。其中，地表径流量为3.369亿m3，地表径流多被山前水库拦蓄，经社会水循环过程后，再以城镇污水处理厂退水的形式进入下游平原河道。北运河是北京市主要的排水河道，2010年北京市出境水量为8.29亿m3，其中北运河为7.51亿m3，占90%以上。根据最新的环境统计数据测算，北运河(北京段)流域2013年的COD、氨氮排放量分别为10.33万、1.23万t，分别占北京市总排放的53.3%、57.4%。同时，平原河段又多受闸坝控制，闸坝阻断河流水力联系，水体流动缓慢，产生显著的水文水环境效应。近10年的监测资料表明，北京市境内的各水系中，北运河流域(北京段)超标河流数量最多，其劣Ⅴ类河流占比超过本流域河流数量的90%。

图1 北运河流域(北京段)概况Fig.1 The overview of the North Canal River (Beijing section)

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究以2010年为基准年，2015年为规划水平年。2010年各闸坝日下泄流量、闸坝上下游日水位以及降雨、蒸发等数据均由北京市水文总站提供。各水质监测断面数据由北京市环境保护监测中心提供。北京市城区入河排污口流量、主要污染物浓度及排污类型等信息来自北京市污普信息数据库。构建模型所需的北运河干流(北京段，含温榆河干流)及其支流共11个河流的断面信息通过实地监测获取。工业企业、农业(种植业、畜禽养殖业、水产养殖业)和集中处理设施的主要污染物排放数据来源于《北京市环境统计数据手册(2013年)》，生活源直排量由生活污染物的产生量减去污水处理厂的处理量得到，而生活污染物产生量由产污系数法得到。人口数据来源于《北京市人口统计年鉴(2000—2013年)》，人口增长率根据2000—2013年北京市城镇和农村人口变化趋势得到。规划水平年污水处理厂升级改造、再生水厂建设规划等信息来自“十二五”规划和“三年行动方案”。

2.2 MIKE11模型基本原理

分别应用MIKE11模型中的水动力学(HD)模块、平流—扩散(AD)模块构建北运河干流(北京段)的水动力模型和水质模型。

MIKE11模型中的HD模块是基于垂向积分的物质守恒方程和动量守恒方程，即一维Saint-Venant方程组，其模拟结果为河道各个断面、各个时刻的水位和流量等水文要素信息。

(1)

式中：A为过水断面面积，m2；t为时间，s；Q为流量，m3/s；x为沿河道水流方向的距离，m；q为单宽旁侧入流量，m2/s；g为重力加速度，m/s2；h为水位，m；B为谢才系数，m1/2/s；R为水力半径，m。

AD模块根据HD模块的水动力条件，应用对流扩散方程计算污染物浓度。该模块的基础是一维对流—弥散方程，方程的基本假设为：污染物在断面上完全混合，遵循一级反应动力学，且符合Fick扩散定律(扩散与浓度梯度呈正比)。一维对流—弥散方程如下：

(2)

式中：c为污染物质量浓度，mg/L；D为纵向扩散系数，m2/s；K为线性衰减系数，s-1；cs为污染物源汇的质量浓度，mg/L。

2.3 主控监测断面及水质目标选择

主控监测断面选在北运河干流(北京段)的榆林庄，该断面有完整的水位、流量和水质监测资料，方便模型的水动力参数率定与水质验证。同时，榆林庄断面也是北京市出境水质考核的国家级断面，具有典型性。

根据2013年监测资料，榆林庄断面COD、氨氮的年均质量浓度分别为49.4、16.2 mg/L，高于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅴ类标准限值(40、2 mg/L)，尤其是氨氮的削减、控制难度很大，在近期内很难实现总量控制的目标。综合“十二五”规划要求和流域实际情况，将“十二五”末(2015年底)榆林庄断面水质控制目标设定为COD低于40 mg/L、氨氮低于5 mg/L。

3 结果分析

3.1 模型构建

基于MIKE11构建了北运河干流(北京段)的水动力和水质模型，模型以上游流量和下游水位为外边界条件，同时综合考虑了10座闸坝、12条沟渠及支流汇入和68个污染源直接汇入等内边界条件，将农业源概化为随降雨径流汇入，农村生活污染源概化为沿河线源汇入。

3.1.1 水动力边界条件

基于2010年1月1日至12月31日的日流量、水位资料，河道上游采用沙河闸下泄日流量边界条件，下游采用杨洼闸日水位边界，各支流采用流量边界条件。其中，清河采用羊坊闸下泄流量，通惠河采用高碑店湖下泄流量，运潮减河采用北关分洪闸流量，凉水河采用张家湾闸下泄流量，玉带河采用碧水污水处理厂流量，其他支流根据实测流量估算。另外，根据通州雨量站和杨洼雨量站2010年的降雨数据，通州蒸发站的蒸发数据，以及北关拦河闸和杨洼闸的下泄流量，利用MIKE11自带的NAM模块计算北运河干流(北京段)和温榆河干流的降雨径流量。

3.1.2 水质边界条件

北运河干流(北京段)上游有监测数据的支流采用2010年COD、氨氮月平均浓度作为水质边界条件。其中，清河采用沙子营监测数据，坝河采用沙窝监测数据，小中河采用北关小中河桥监测数据，通惠河采用通惠桥监测数据，凉水河采用张家湾监测数据，蔺沟采用后蔺沟桥监测数据，其他无监测数据的支流及排水沟采用实测的COD、氨氮浓度作为水质边界条件。北运河干流(北京段)下游的杨洼闸采用开边界。根据污染源的空间分布，按照就近原则通过较近的支流汇入干流，污染源的年均浓度则是根据2010年污染源动态更新数据，由COD、氨氮的年排放总量除以排水量计算。

3.2 水动力、水质模拟结果验证

将模拟时段设置为2010年1月1日至12月31日，时间步长设为2 min。首先将MIKE11设置成自动修正参数模式，利用NAM模块计算降雨径流量，然后进行水动力试算。将最后一天试算的水位状况作为水位初始条件,采用水动力热启动选项,再次计算,得到榆林庄断面的水位变化情况,模拟的水位与榆林庄断面实测水位基本吻合(见图2)。在水动力计算的基础上，模拟水体中COD和氨氮的变化规律，COD、氨氮初始质量浓度设定为研究区全部水质监测断面2010年12月的均值，分别为54.3、14.5 mg/L。经计算，得到榆林庄断面COD、氨氮逐日浓度变化曲线，如图3所示。分别将模拟值与实测值进行对比，结果表明：起初几个月由于模型初始边界浓度设置等问题，模型需要一定的预热期，导致模拟效果较差；其余月份的模拟值与实测值较接近，模拟值与实测值的误差基本小于15%，且模拟值与实测值的变化趋势吻合较好，氨氮、COD的模拟值与实测值相比，全年误差分别为-10.5%、-3.0%。总体模拟效果较好，可以进行情景模拟分析。

图2 2010年榆林庄断面模拟水位与实测水位对比Fig.2 Comparison of the simulated and observed water levels of Yulinzhuang section in 2010

图3 2010年榆林庄断面COD、氨氮实测值与模拟值对比Fig.3 Comparison of the simulated and observed COD and ammonia nitrogen of Yulinzhuang section in 2010

3.3 减排方案的情景模拟分析

3.3.1 减排方案设置

(1) 方案1：污水处理厂提标改造

假设农业结构不作调整，2015年农业源排放规模维持在2010年水平；工业源排放占比很小，不作为减排重点，考虑到GDP增长的实际情况和“十二五”规划中北京市工业发展定位，工业源排放维持在2013年水平。新建和升级改造污水处理厂按“十二五”规划和“三年行动方案”实施，其出水执行《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB 11/890—2012)。城镇人口和农村人口以2010年人口为基准，分别按2.67%、1.76%的增长率预测2015年人口规模。其中，城镇人口产生的COD和氨氮大部分被污水处理厂收集、削减后，通过污水处理厂退水的形式，以相对较低的浓度进入河、湖等水体；而农村地区污水处理设施比较落后，农村人口产生的COD、氨氮按直排统计。

方案1主要通过增加污水处理厂的处理能力和提高污水厂退水口的水质标准来减少城镇生活源的污染物排放。该方案下北运河流域(北京段)2015年工业源氨氮、COD总排放量比2010年有所增加，主要是经济增长带来了排放增量。由于污水处理能力及生活污水处理量大大增加，而同时出水浓度限值标准提高，最终通过集中处理设施排放的COD高于2010年的污水处理厂排放量，而氨氮排放下降明显。同时，污水集中处理率增加使直排量同步减少，总体上生活源排放大幅下降。氨氮、COD总排放量分别减少至1.12万、11.62万t，比2010年(氨氮1.96万t、COD 15.77万t)分别降低42.9%、26.3%，削减氨氮0.84万t，COD 4.15万t。

(2) 方案2：污水处理厂提标改造+提高综合排放标准

在方案1的基础上，进一步按照《水污染物综合排放标准》(DB 11/307—2013)提高存在污染物直排的工业、生活源的排放标准。具体而言，污水未进入污水处理厂而存在直排的工业源以2013年排放为基准，按DB 11/307—2013进行污染物削减，其中氨氮、COD的排放限值分别为1.5、30 mg/L。农村人口产生的氨氮、COD按照DB 11/307—2013，经过生活污水处理站后，分别按照5、40 mg/L的排放限值进入环境，对于城镇人口在方案1中未能纳入城市污水处理管网系统的直排部分，亦按照此标准执行。

方案2在方案1强化污水集中处理措施的基础上，又依据DB 11/307—2013对直排污水进行有效控制。该方案下北运河流域(北京段)氨氮、COD总排放量分别减少至0.56万、7.89万t，比2010年分别削减71.4%、50.0%。方案2在方案1的基础上又进一步削减氨氮0.56万t，削减COD 3.73万t。

(3) 方案3：污水处理厂提标改造+提高综合排放标准+农业源减排

在方案2的基础上，进一步实施农业源减排措施。从功能区优化布局的角度，对于《北京城市总体规划(2004—2020年)》提出的中心城区(坝河流域、清河流域、通惠河流域及凉水河流域的部分地区)农业不保留，中心城区以外区域种植业、水产养殖业保持2013年的规模不变；六环路以内为禁养区，六环路以外规模化养殖场保持2013年规模不变，对养殖专业户实行限养措施，不得养殖污染较严重且本地供应保障要求不高的生猪和肉牛。

方案3在方案2的基础上，依据北京市畜禽养殖业污染防治规划和未来农业结构、布局方面的调整思路，在北运河流域(北京段)分区、分类实施农业源减排。在方案3情景下，氨氮、COD总排放量分别降低至0.39万、5.22万t，比2010年分别削减80.1%、66.9%。方案3在方案2的基础上，氨氮、COD分别进一步削减0.17万、2.67万t。

不同减排措施下，北运河流域(北京段)的氨氮、COD相对2010年的削减量及削减比例预测如表1所示。从表1可以看出，污水处理厂提标改造对于氨氮、COD的削减效果最显著，可削减26.3%的COD和42.8%的氨氮；其次是提高综合排放标准，能削减23.7%的COD和28.6%的氨氮；再次是农业源减排，可削减16.9%的COD和8.7%的氨氮。

3.3.2 不同减排方案模拟结果对比分析

根据近10年以来北京市年降水、径流资料的排频计算结果，2010年是枯水年之一，可作为水文条件进行水质模拟分析。保持2010年流量条件不变，基于3种减排方案，模拟预测榆林庄断面河流水质随时间的变化，结果见图4。

在方案1下，榆林庄断面2015年COD、氨氮的年均值分别为32.3、6.6 mg/L，与2010年的年均值(44.4、16.6 mg/L)相比，分别下降27.2%、60.6%。其中，COD达到水质控制目标(低于40 mg/L)，且全年达标天数为299 d，超标时段主要集中在前汛期6、12月。可见，方案1对于COD减排贡献很大，但是氨氮离水质控制目标(低于5 mg/L)还有一定差距，全年达标天数仅有67 d，在6月5日达到最大质量浓度(11.2 mg/L)。因此，需要在方案1的基础上配套其他减排措施。

表1 不同减排措施对北运河流域(北京段)COD和氨氮的减排贡献Table 1 Forecast of the contribution of COD and ammonia nitrogen emission reduction in North Canal River (Beijing section) under different reduction measures

图4 不同减排方案下榆林庄断面COD、氨氮的变化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，与2010年相比下降73.5%，达到水质控制目标(低于5 mg/L)，全年达标天数为267 d。COD与氨氮协同减排效应明显，COD年均值降低至25.4 mg/L，全年达标天数增至347 d，超标时段主要集中在前汛期6月上、中旬。可见，加强对污染物直排的控制对氨氮的减排效果相当显著。

在方案3下，COD年均值降低至22.6 mg/L，全年达标天数为357 d。氨氮年均值降低至4.0 mg/L，全年达标天数为288 d。可见，农业源减排能进一步削减COD和氨氮。

3.3.3 减排策略展望

仅仅实施污水处理厂提标改造这一措施难以实现榆林庄断面COD、氨氮同时达到水质控制目标。同时实施污水处理厂提标改造和提高综合排放标准两项措施理论上可以实现COD和氨氮同时达标，但需要各项减排措施按设定目标落实到位。目前，城镇污水处理厂、再生水厂等集中处理设施已按照北京市“十二五”规划和“三年行动方案”部署逐步完成提标改造，而农村生活源等分散面源污染的治理相对滞后，导致DB 11/307—2013的执行受阻。模型本身存在一定的不确定性，实际减排效果可能达不到预期目标。因此，需要同步实施农业源减排措施，尤其要加强对畜禽养殖业污染的集中治理。

需要指出的是，同时实施污水处理厂提标改造、提高综合排放标准以及农业源减排3项措施，前汛期6、7月的氨氮浓度仍然可能超标，因此上述措施的实施并不能有效降低前汛期的污染物峰值浓度。这主要是因为北运河作为北京市主要排水河道，清河、坝河、通惠河、凉水河等较大支流均流经城区，前汛期的暴雨径流对河流水质影响较大，但减排措施侧重于农业源、生活源、工业源等，而对城市暴雨径流污染的影响考虑不够。因此，还应该结合雨水净化、雨污分流、雨洪资源利用等措施降低北京市面源污染物的入河量。

4 结 论

(1) 通过污水处理厂提标改造，相比2010年，可削减26.3%的COD和42.8%的氨氮，并实现榆林庄断面COD和氨氮分别下降27.2%、60.6%，COD达到水质控制目标。

(2) 相对COD而言，氨氮减排难度较大。同时实施污水处理厂提标改造和提高综合排放标准，榆林庄断面的氨氮相比2010年下降73.5%，能实现氨氮达标。

(3) 城市面源污染对前汛期河流水质影响较大，在实施污水处理厂提标改造、提高综合排放标准和农业源减排以外，还应加强对城市暴雨径流污染的管理，以有效降低前汛期水体污染物峰值浓度。

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