基于TMDL理念的流域排口污染物削减研究

吕马飞, 朱晓娟, 王婷婷， 张跃

(镇江市规划设计研究院，江苏 镇江 212000)

我国目前多数城市的老城区都存在污染物直接下河的现象。近年来，随着城市的发展、居民环境保护意识的提高以及我国环保政策要求的提高，许多城市为了改善水环境质量，投入大量资金对原有排水系统进行了改造，减少了进入水体的污染负荷。

近些年有很多学者对合流制溢流污染进行了研究，主要集中在合流制溢流污染控制策略与技术方面[1-2]，而没有对流域尺度的合流制溢流污染控制进行研究。本文基于TMDL(最大日负荷总量)水环境治理技术方法，以镇江市运粮河流域排口污染物治理为例，在全面梳理运粮河流域范围内排水的基础上，将合流制溢流污染控制策略具体落实到排口上，并与近、远期城市建设、老城更新相结合形成系统性方案，从流域尺度对流域排口污染物削减方法进行研究，以期为今后治理工作的实施提供切实可行的技术支撑。

1 研究区域概况

运粮河流域西起马步桥港，东至金山湖，流域面积71.37 km2。运粮河及其御桥港等支流是该流域雨水排放的重要通道。运粮河位于镇江中心城区西部，西起丹徒区高资镇九摆渡江口，向东流经七摆渡闸入市区，再由新河桥入金山湖，全长12.8 km；其中自金山湖口到运粮河闸长4.03 km；运粮河闸到七摆渡闸长5.79 km。运粮河上主要设有两个监测断面，即新河桥国控断面和永庆桥省控断面。

发生暴雨时，七摆渡闸在能自排时首先开启向长江泄洪；当七摆渡闸西侧水位超5.7 m时，开启运粮河闸向金山湖泄洪。运粮河在非防洪防涝状况下，控制水体向七摆渡闸方向流动，引金山湖水对运粮河进行活水保质。通过七摆渡闸、运粮河闸的联合运行，维持运粮河的生态流量，控制运粮河正常水位不高于4.6 m。

2 水环境污染控制因子及排口污染负荷

2.1 水环境污染控制因子

根据江苏省地表水(环境)功能区划，运粮河水环境目标为Ⅲ类水。结合运粮河各断面水质监测数据分析可知：各断面某些月份COD浓度高达Ⅲ类水标准的3～4倍；各断面氨氮浓度高达Ⅲ类水标准的2～3倍。因此，本文以COD为主，同时考虑氨氮作为水环境容量及排口污染负荷削减的项目指标。

2.2 排口污染负荷

运粮河干流上自西向东分布了20个排口，其中11个为提升泵站的机排口，9个为重力自排口；还有一条重要的支流——御桥港，现状水质较差，严重影响了干流运粮河下段的水质。通过对20个排口的实地踏勘和调查分析发现，存在雨污合流的排口13个，雨污混接排口2个。运粮河干流沿线排口分布如图1所示。

图1 运粮河干流沿线排口分布图

2.2.1 污染源

运粮河沿河排口污染源主要包括面源污染和点源污染两部分。其中，面源污染主要源于两个方面：一是地表径流带来的面源污染；二是部分雨污合流排口的污水溢流排放污染和管道沉积物冲刷污染。点源污染主要为排口上游合流制城中村的旱流污水污染，以及部分建成区未做雨污分流改造和污水截留工程，导致部分城中村的生活污水直接排入运粮河及其支流。

2.2.2 产污量计算方法

1)面源污染计算方法。考虑本次研究区域的下垫面特征及所收集的数据资料，采用PLOAD(Pollutant Loads for Watersheds)模型方法计算各流域的面源污染负荷，具体计算公式如下：

(1)

式中：Ln为非点源污染负荷,kg；Ai为第i种土地利用类型的汇水面积,km2；Ri为第i种土地利用类型的降雨径流深,mm；EMCi为第i种土地利用类型的降雨径流事件污染物平均浓度,mg/L。

其中，降雨径流深取自SCS(Soil Conservation Service)模型的计算结果；降雨径流事件污染物平均浓度即EMC，用来表示在降雨径流全过程中某污染物排放的平均浓度，是场降雨径流全过程污染物浓度的加权平均值。

SCS模型最初是由美国专家提出的关于径流估算的经验模型，被广泛应用于小流域降雨径流量的计算。修正后的镇江市SCS模型公式为:

Q=(P-0.1S)2/(P+0.9S)，P>0.1S；

(2)

Q=0，P<0.1S；

(3)

S=(25 400/CN)-254。

(4)

式中：Q为直接径流总深度,mm；P为降雨总量,mm；S为汇水区最大蓄水量,mm；CN为曲线号码，表征流域下垫面的产流能力[3]。

CN(Curve Number)是SCS模型中的一个无量纲参数，用以描述降雨-径流关系，是对前期土壤湿润程度、坡度、土壤类型和土地利用现状等因素的综合反映。镇江市各类型下垫面对应的CN值见表1[4]。

表1 镇江市各类型下垫面对应的CN值

镇江市多年平均降雨量为1 029.1 mm，2 mm以上多年逐月平均次降雨量见表2。镇江市不同下垫面类型的EMC值见表3[5-7]。

2)点源污染计算方法。污水点源污染负荷即为旱流污水产污量，通过单位面积污水量和污染物浓度计算得到。根据已有的运粮河沿线旱流排口监

测数据，旱流污水COD浓度取280 mg/L，氨氮浓度取3.4 mg/L。

表2 镇江地区2 mm以上多年逐月平均次降雨量

表3 镇江市不同类型下垫面EMC值

2.2.3 产污量计算结果

经过各排口产污量计算，污染负荷权重占比较大的排口主要集中于合流制排口，其中YL-2(江南泵站排口)、YL-4(新河桥机排口)、YL-6(中山北路南排口)、YL-7(桃园机排口)、YL-8(头摆渡排口)、YL-10(二摆渡排口)、YL-12(御桥港)、YL-13(三摆渡排口)及YL-14(四摆渡排口)污染负荷占比较大，COD和氨氮污染权重占比分别达到78.44%和79.23%。运粮河各排口全年污染负荷计算结果见表4。

表4 运粮河排口全年污染负荷计算结果 kg/d

续表 kg/d

YL-10(二摆渡排口)、YL-13(三摆渡排口)和YL-14(四摆渡排口)污染负荷较大，但不直接排入运粮河，故不需要对这3个排口的污染物进行控制。因此，运粮河流域关键排口的污染物控制主要集中于YL-2(江南泵站排口)、YL-4(新河桥机排口)、YL-6(中山北路南排口)、YL-7(桃园机排口)、YL-8(头摆渡排口)以及YL-12(御桥港)的污染负荷。

3 水环境容量及污染负荷削减标准

3.1 水环境容量

根据运粮河的水质目标及其水系流动、生态本底情况，主要采用一维模型[8]分析计算运粮河的水环境容量，即评价运粮河在水质达标的条件下可接纳的入河污染物量。

运粮河活水保质水源为金山湖，根据《镇江市海绵城市试点区域内水功能区监测站点水质成果》，从2017年6月至2018年12月，金山湖的COD及氨氮浓度均达到Ⅲ类水标准，故运粮河起始段水质条件为：COD浓度20 mg/L，氨氮浓度1.0 mg/L(Ⅲ类水标准上限)[9]。

御桥港作为运粮河的重要支流，其入河口位于永庆桥省控断面上游，为使运粮河两个监测断面水质均达到Ⅲ类水，御桥港水质至少应为Ⅳ类水。

运粮河分成金山湖至运粮河闸段及运粮河闸至七摆渡闸段，按照运粮河起始段水质为Ⅲ类水、御桥港水质为Ⅳ类考虑，为使新河桥国控断面和永庆桥省控断面水质都达到Ⅲ类水，计算出运粮河水环境容量(以COD计)为173.18 t/a。

3.2 排口污染物削减标准

御桥港为Ⅳ类水时，运粮河干流排污口允许排放量(以COD计)为173.18 t/a，沿线5个重点排口(YL-2、YL-4、YL-6、YL-7和YL-8)现状全年溢流量为240.08万m3(根据2014年6月1日至2015年5月31日的降雨数据)，COD排放量达509.91 t/a，氨氮排放量达9.62 t/a，不考虑其他非重点排口的污染削减，重点排口COD需削减85%，氨氮需削减75%，5个重点排口全年需减少溢流量180万m3。

4 排口污染物削减方案及达标分析

4.1 排口污染物削减方案

现状重点排口的污染源主要为初期雨水、少量城中村旱流生活污水以及合流制污水。规划方案结合城中村改造和地块开发，完善污水收集系统，提高污水管网收集能力，进一步减少污水下河；结合海绵城市专项规划，对排口上游待开放地块实施初期雨水污染源头控制，进一步减少初期雨水污染。

在YL-2(江南泵站排口)和YL-4(新河桥机排口)的污染物已通过金山湖多功能大口径管道进行削减；针对御桥港(YL-12)及其支流提出水质改善方案的前提下，按照“源头削减、过程控制、末端治理”的技术路线，对影响运粮河水质达标的关键排口(YL-6(中山北路南排口)、YL-7(桃园机排口)和YL-8(头摆渡排口))，提出排口污染物治理规划方案。主要措施包括：①结合近期老小区改造及街巷、积水区改造，对YL-7(桃园机排口)和YL-8(头摆渡排口)汇水范围内城中村实施雨污分流改造和雨水径流污染控制，共改造合流制区域5.83 hm2。②沿运粮河路(中山北路至润州路)实施埋地大口径管道(φ4 000 mm)2 400 m，调蓄体积达30 144 m3；截流沿线YL-6(中山北路南排口)、YL-7(桃园机排口)、YL-8(头摆渡排口)及YL-11(御桥村排口)的初期雨水和上游城中村接入的合流制污水，截流污水结合现状污水收集系统送至征润州污水处理厂；截流的初期雨水向西送至御桥港与运粮河交叉口西南角的湿地，处理后直接排入运粮河。③结合运粮河与扬溧高速交叉口北边扬溧高速下的现状绿地建设人工湿地，为YL-10(二摆渡排口)、YL-13(三摆渡排口)和YL-14(四摆渡排口)的水质提升提供预留的生态空间。④结合运粮河和烟墩湾交汇口的西南角现状绿地建设人工湿地，为支流烟墩湾(YL-15)水质提升预留生态空间。

4.2 目标可达性分析

污染物削减量主要包括截留的初期雨水和旱流污水量：按照削减85%径流污染考虑，确定初期雨水截流深度(mm)，采用2015年场降雨数据计算截留的初期雨水量；旱流污水全部截留。由此计算得到排口污染物削减量，结果见表5。

表5 运粮河流域污染负荷削减量分析表

运粮河流域全年COD污染负荷为4 759.53 t，全年氨氮污染负荷为89.53 t。采取规划措施后，运粮河流域全年COD污染负荷削减量为3 577.62 t，削减率达75.17%；全年氨氮污染负荷削减量为67.09 t，削减率达74.94%。其中，5个重点排口COD全年负荷为509.91 t，削减量为461.09 t，削减率达90.4%；氨氮全年污染负荷为9.62 t，削减量为8.52 t，削减率达88.5%。

2015年全年总降雨208场，YL-7(桃园机排口)溢流场次减少为27场，占比为12.98%；YL-8(头摆渡排口)溢流的场次减少为30场，占比为14.42%。全年减少溢流量181.16万m3，规划方案满足入河污染物削减要求。运粮河干流重点排口年溢流削减情况如图2所示。

图2 运粮河干流重点排口年溢流削减情况

排口整治后，通过闸站调控，引金山湖Ⅲ类水维持运粮河的生态基流，确保运粮河水质长期维持在Ⅲ类水。

5 结语

本文以镇江市运粮河流域为研究对象，探讨出一套应用于流域排口污染物削减的研究方法，具体为：①梳理流域排水系统，结合现场调研确定排口性质；②计算排口产污量，面源污染采用PLOAD模型计算，点源污染为旱流污水产污量；③根据流域水质目标及其水系流动、生态本底情况，采用一维模型分析计算流域的水环境容量；④以流域水环境为控制目标，结合产污量计算结果对重点排口提出污染物削减标准；⑤制定流域排口污染物削减方案；⑥对排口整治方案进行目标可达性分析。