南京市鼓楼区入江断面水质达标方案的研究

2018-07-21刘一童

水资源与水工程学报 2018年3期

刘一童，逄勇，肖洵

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏南京 210098; 2.河海大学环境学院，江苏南京 210098；)

1 研究背景

2015年，国务院颁布《水污染防治行动计划》(“水十条”)，要求到2020年黑臭水体在地级及其以上城市建成区控制在10%以内，到2030年总体消除黑臭水体[1]。目前我国城市内河水质现状不容乐观，全国2222个水质监测站的统计结果表明，在138个城市内河中，劣Ⅴ类水质比例高达38%，水质改善任务迫在眉睫[2]。根据“水十条”考核要求，各河流和湖泊以考核断面水质达标为任务，采取相应的整治措施，减少污染物入河量，持续提升水环境质量。

控制断面水质达标主要以河流水环境容量为基础，以水环境数学模型为桥梁，以削减污染物入河量为手段。目前，国内外针对控制断面水质达标进行了一系列的研究，并取得了一定的成果。王烨等[3]基于湟里桥控制断面水质达标，利用一维稳态水环境数学模型计算湟里河水环境容量，从而提出污染物削减量；朱晓娟[4]在计算出初始水环境容量后，利用基尼系数法对松花江干流水环境容量进行优化分配；周刚等[5]通过二维水环境模型WESC2D，运用粒子群算法，提出了非线性优化的水环境容量计算方法; 董飞等[6]归纳并阐述了目前国内地表水水环境容量的五大计算方法：模型试错法、公式法、概率稀释模型法、系统最优化法和确知数学法，阐明了各种方法的适用范围及优缺点；美国国家环保局在1972年提出的TMDL(Total Maximum Daily Loads)计划，在满足水质标准的前提下，把研究区域一天能容纳的水环境容量优化分配到各污染源，水环境质量得到好准[7]。前面的研究中多将重点放在水环境数学模型的建立，通过已建立的模型来确定研究区域内污染物的入河量。本文将从较为明确的污染物入河量的基础上建立污染源-水质的响应关系，计算出研究区域内的水环境容量。

外秦淮河三汊河口断面和外金川河宝塔桥断面为江苏省水质考核断面，水质目标为Ⅴ类，分别是外秦淮河和金川河的入江口断面，均位于南京市鼓楼区，目前断面水质持续超标，不能满足“水十条”考核要求。本文通过对鼓楼区生活污水有效处理率进行分析的情况下，计算了现状污染物入河量。利用一维稳态水环境数学模型对污染物入河量进行了验证，在保证两个入江口断面水质达标的情况下，计算出研究区域的水环境容量。

2 数据与方法

2.1 区域概况

南京市鼓楼区位于长江下游南岸，拥有南京主城11 km黄金长江岸线。鼓楼区城市内河水系复杂，河道纵横交错，主要可分为秦淮河水系和金川河水系，鼓楼区境内两大水系流域面积分别约为21.90 km2和31.45 km2。

秦淮河贯穿南京城区，在上坊门和通济门外分为内秦淮河和外秦淮河，其中内秦淮河由东水关入城，外秦淮河由护城河入城，途经中华门和西水关，最终在三汊河口处入江。鼓楼区境内属于外秦淮河，自石城桥入境，西北方向汇入长江。金川河位于南京主城西北部，是南京市区第三大河，发源于鼓楼岗和清凉山北麓，与玄武湖相连，支流包括城北护城河、南十里长沟、二仙桥沟和老虎桥沟等，下游在宝塔桥处入江。明城墙将金川河一分为二，城内为内金川河，城外为外金川河。

2.2 数据来源

研究所使用的自来水用水量数据来源于南京市水务集团(图1)，污水处理厂生活污水处理量及水质资料来自城北污水处理厂和城东污水处理厂的运行参数月报表(2016年1-12月)，水质数据来自于2017年3月7日-3月9日和3月13日-3月15日，分别开展的水质同步监测(图2)。水质监测因子包括COD、氨氮和总磷。

2.3 有效生活污水处理率分析方法

有效生活污水处理率是评估城市生活污水排放量及收集量的重要指标，指的是生活污水经污水处理厂处理，且达到相应的排放标准的这部分污水量占生活污水总排放量的比例[8]。

本文在借鉴“服务人口覆盖率估算法[9]”计算城市生活污水处理率的基础上，简化其计算方法，通过获得生活污水处理量和生活污水总排放量的数据资料，估算出该地区有效生活污水处理率。以计算城市污水处理厂的服务范围内有效生活污水处理率为例，其计算方法为：

有效生活污水处理率=(生活污水处理量/生活污水总排放量)×100%

由于生活污水处理厂处理的污水不仅包括生活污水，还有地下水渗入、雨水混入等[10-11]，造成统计的生活污水处理量比实际偏高。根据《城市排水工程规划方案(GB 50318-2000)》，生活污水浓度氨氮取值约35～40 mg/L，而地下水、清洁雨水等水体中污染物(如氨氮)浓度较低，会造成污水处理厂的进水水质浓度低于生活污水浓度。本文根据这一原理，采用“浓度折算法”对生活污水处理量进行修正，从而得到实际生活污水处理量。计算方法见公式(1)。

(1)

式中：Q为实际生活污水处理量，t/a；Qo为污水厂进水量，t/a；Co为污水进水浓度，mg/L；Cp为生活污水浓度，mg/L，氨氮可取35～40 mg/L。

生活污水量主要来自于自来水，通过收集到的自来水用水总量，采用《城市排水工程规划方案(GB50318-2000)》，取生活污水排污系数0.9，计算出生活污水总排放量。污水处理厂服务范围和行政区划的边界通常是不吻合的，而不同污水处理系统服务范围内有效生活污水处理率也不相等。对于一个行政区划内有多个污水处理系统的，本文采用“加权平均法”计算行政区划内的有效生活污水处理率。

图1 鼓楼区水系概况及用水量空间密度分布图

即假设同一个污水处理系统范围内的有效生活污水处理率是均匀相等的，而不同的污水处理厂处理生活污水的权重是不等的，以不同污水处理系统内的生活污水产生量占行政区划内总污水量的比例来确定权重。则该行政区划内的有效生活污水处理率计算公式为：

w=piβi

(2)

式中：w为行政区划污水接管率；pi为各污水处理厂污水接管率；βi为各污水处理厂所占权重，可通过生活污水产生量确定(∑βi=1)。

2.4 水环境容量计算方法

2.4.1 排污口概化外秦淮河和金川河沿线分布着较多排水泵站，污染源主要通过沿线支流自流或经排水泵站排入外秦淮河和金川河，最终汇入长江。根据排污口概化原则[12]：(1)城东污水处理厂作为较大污染源单独概化为排口；(2)距离较近且排水量较小的泵站可概化为集中排口；(3)外秦淮河和金川河的较大支流可概化为排污口。

本次共概化排污口7个，概化排口位置分布见图2。

图2 水质同步监测断面及概化排口位置分布图

2.4.2 水环境数学模型建立外秦淮河和金川河由西北护城河相连接，但西北护城河与外秦淮河相连处由小桃园泵站控制，小桃园泵站平时不开机，水体交换较少，因此可将外秦淮河和金川河分别作为独立流域考虑。

考虑到外秦淮河和金川河的宽深比均不大，污染物浓度在横向上变化较小，污染物在较短河段内能够在断面上均匀混合等因素，故本文采用一维稳态水环境数学模型[13]公式(3)～(4)分别对外秦淮河和金川河模拟污染物沿河流纵向的输移过程。

(3)

(4)

式中：C0为上游来水与污染源或支流稀释后的混合浓度，mg/L；k为河流中污染物降解系数，d-1；x为相近两个概化排口的纵向距离，m；u为流速，m/s；C上为上游来水水质，mg/L；Cq为污染源或支流浓度，mg/L；Q上为上游来水流量，m3/s；q为污染源或支流流量，m3/s。

水质降解系数主要参考课题组已建立的秦淮河流域水质模型降解系数率定结果[14]，结合附近水体水质降解系数，确定COD降解系数为0.08～0.12 d-1，氨氮降解系数为0.05～0.09 d-1，总磷降解系数为0.05～0.08 d-1。

水质边界条件采用同步监测水质实测值；水文条件外秦淮河采用上游武定门闸排水量实测值，金川河采用流域降雨径流产流量及下游入长江干流闸门处水位值。

2.4.3 水质响应关系建立根据一维稳态水环境数学模型，建立水质与污染源之间的响应关系，表示为:

C控制断面=C(C边界断面，C1，C2，…，W1，W2，…)

(5)

式中：C为断面水质浓度，mg/L；W为概化排污口的污染物入河量，t/a。

3 结果与讨论

3.1 污染物入河量计算结果

鼓楼区主要位于江心洲污水处理厂和城北污水处理厂两大污水处理系统内，根据两个污水处理厂2016年日进出水量及水质资料，利用公式(1)，计算出污水处理厂实际生活污水处理量，如表1所示。根据鼓楼区生活污水产生量及污水处理厂有效生活污水处理率，由公式(2)近似计算出鼓楼区有效生活污水处理率在70%以上。

表1 2016年鼓楼区污水处理厂生活污水处理量

鼓楼区主要污染源为城镇生活污水及地表径流，城镇生活污水主要通过泵站进入河流。无农村生活、工业、农田面源及畜禽养殖等污染源。采用污染物排放量及入河量计算方法[15]计算鼓楼区污染物入河量，本次计算得到鼓楼区污染物COD入河量为21 798 t/a，氨氮入河量为2 508 t/a，总磷入河量为281 t/a。根据收集到的排水达标区建设资料，将污染物优化分配到各污染源，其中污染物入河量外秦淮河流域约占37.6%，金川河流域约占32.6%，城北污水处理厂约占29.9%。各污染源污染物入河量比例见图3。

图3 各污染源污染物入河量比例图

3.2 水环境容量计算结果及水质提升方案分析

3.2.1 水环境容量计算结果在设计水文条件下，分别满足三汊河口断面和宝塔桥断面水质达标的入外秦淮河和金川河污染源的最大允许排放量，即为基于控制断面水质达标的水环境容量，现状污染物入河量及允许排污量计算结果见表2。

根据表2可知，COD、氨氮和总磷水环境容量分别为21 798、733.24、61.30 t/a；氨氮和总磷分别需削减1774.76和219.7 t/a，削减率分别为70.8%和78.2%；COD现状水质不超标，故不需要削减。

3.2.2 断面水质提升方案分析针对三汊河口断面和宝塔桥断面水质超标主要来源分析，结合鼓楼区排水达标区建设、黑臭河道整治、引补水、污水处理厂提标改造等规划，提出三汊河口断面和宝塔桥断面水质达标的3种整治方案，见表3。

方案1：(1)理想情况下，鼓楼区污染物入河量削减100%，即不存在污染物入河；(2)上游来水水质得不到改善，维持现状；(3)城北污水处理厂执行一级B排放标准，维持现状；三汊河口断面和宝塔桥断面不可达标。

方案1计算结果表明上游来水水质对两个入江口断面水质影响较大，两个入江口断面若要达到考核要求，必须控制上游来水水质。城北污水处理厂尾水排口位于宝塔桥断面上游100 m处，目前尾水执行一级B排放标准，若污水处理厂不进行提标改造，则宝塔桥断面很难达标。

方案2：(1)排水达标区建设和黑臭河道整治部分完成的情况下，鼓楼区现状污染物入河量可削减85%～90%；(2)外秦淮河从秦淮新河引水，经过七桥瓮断面，从三汊河口断面入江[14]，当引水量达到25 m3/s时，三汊河口断面可达标；金川河补水水源主要来自于玄武湖12×104t/d，化纤厂8×104t/d、小桃园泵站从秦淮河引水30×104t/d及部分城北污水处理厂中水回用。(3)城北污水处理厂执行一级A排放标准；三汊河口断面和宝塔桥断面可达标。

表2 现状污染物入河量及允许排污量计算结果表 t/a

表3 断面水质提升方案分析

方案3：(1)排水达标区建设和黑臭河道整治全部完成的情况下，鼓楼区现状污染物入河量可削减90%以上；(2)控制上游来水水质达到Ⅴ类水；(3)城北污水处理厂提标改造，尾水执行准Ⅳ类排放标准；三汊河口断面和宝塔桥断面可达标。

3.2.3 合理性分析水环境容量受水文、气象、水质、降解系数以及污染物负荷等多种因素的影响，水环境容量的确定方法目前国内外还没有统一的标准，水文、水质等基础资料的匮乏使合理确定水环境容量更为困难[16-18]。

毕良芹等[19]将落蓬湾断面水质超标率和污染物削减率进行对比分析，得出两者的差距在40%以内，得出胥河水环境容量较为合理；韩梓流等[20]得出京杭运河水质超标率与污染物削减率差距小于30%；解学慧等[21]分析出二干河污染物COD负荷超标34%，与水质超标率相差14%；张琳等[22]计算出深圳市观澜河年污染负荷量超水环境容量10.5倍，造成水质长期超标；张萌等[23]分析仙女湖总磷水质超标0.12倍，污染负荷超水环境容量72.66%。总体来说，前面的研究多通过分析污染物削减率与水质超标率或水质超标倍数之间的关系，核算水环境容量是否合理。

鼓楼区现状污染负荷氨氮和总磷超标，COD达标，不需要削减。将两个入江口断面水质超标率与现状污染物削减率进行对比分析，如图4所示。