京杭运河(苏州段)污染负荷核算及源解析

王晋虎，古向前，周 曼

(清华苏州环境创新研究院，江苏 苏州 215000)

京杭运河(苏州段)是京杭大运河“黄金水道”的重要组成部分，是太湖流域腹地和下游地区重要的洪涝调节和转承河道。京杭运河(苏州段)从北往南穿城而过，全长约80 km，上游为无锡市，由北至南依次流经苏州市相城区、高新区、吴中区，最后经吴江市进入浙江嘉兴境内，区域水网纵横、河港交织，具有航运、防洪、排涝、灌溉、文化、景观、旅游等多种功能，是太湖地区(苏州市区段)工业废水和生活污水主要的排放通道，也是苏州市城区水环境安全关系最为密切的三大排污通道之一[1]。

目前，京杭运河(苏州段)总体水质在Ⅳ—Ⅴ类，主要超标因素是氨氮和总磷。按照国家“水十条”要求，京杭运河水质必须稳定在Ⅳ类水标准，按照江苏省对苏州市断面考核要求，京杭运河的省考断面水质需满足Ⅲ类水质要求，“降氮控磷”是运河苏州段水质提升的主要目标[2]。为准确查找污染源头，实施运河沿线各项水污染防治工作，需进行京杭运河(苏州段)污染源解析研究，形成精细的控制单元，从而为削减氨氮和总磷的总量提供数据支撑，为各项水污染防治提供技术支持和科学指导。

1 研究区概况

京杭运河(苏州段)望亭入境至运河干流省考断面瓜泾口北区域之内是京杭运河(苏州段)城区人口密布、工业发达、大量生活污水或工业废水直接或间接排入运河的区域，是京杭运河(苏州段)整治工作的重点区域，故此研究重点分析区域为京杭运河望亭入境至运河干流省考断面瓜泾口北以北全长37 km区域[3]。此区域涉及相城区、高新区、姑苏区、吴中区、吴江区，5个区沿运河沿线及水系直接相关运河的共涉及20个街道，故将这20个街道作为水污染源解析的重点控制单元进行分析。

2 污染源负荷核算方法

研究以流域污染负荷核算为重点，对运河(苏州段)两岸涉及的5个区20个街道污染源进行系统的、高精度的分析，明确排污单元，核算污染贡献，根据各区及各街道水污染源解析结果，形成重点整治内容的各控制单元。流域污染负荷的核算方法及模型主要分为机理模型和经验模型2种，目前采用的是经验模型，其中最重要的是输出系数法模型。此研究中，工业企业、污水处理厂尾水污染排放主要来源于第2次污染源普查资料；生活源、地表径流、内源(底泥释放)等其他污染源，主要应用输出系数法及其改进模型的核算思路，建立核算体系、应用科学方法、确定合理系数进行计算[4]。

2.1 点源污染源负荷核算

点源污染源包括工业企业排污和集中式污水处理厂排污，集中式污水处理厂污染是指进入污水处理厂的工业废水和生活污水处理后直接排往运河及相关水体，工业企业污染是指京杭运河(苏州段)流域内5个区工业废水在企业内部处理(或未经处理)后，直接排放进入流域内的水体。

通过调研及分析二污普查数据，研究区域内与运河水系排污相关企业共7 596家企业，有7 153家企业排水进入污水处理厂，443家企业直接排放至运河相关水系。通过分析核算，京杭运河(苏州段)周边污水处理厂及企业直排的氨氮、总磷的排放量分别为2 386.19、50.64 t，各种污染物排放量均为吴中区最多，高新区、姑苏区、相城区、吴江区次之。

2.2 面源污染源负荷核算

根据调研，京杭运河(苏州段)瓜泾口以北的沿线区域，目前城镇化率已实现100%，不存在规模农业种植，根据调研也不存在养殖产业，故研究的面源污染主要包括未收集的生活污水、城镇地表径流2个方面。2个类型在污染物排放上采用相似的方法进行核算，均由经处理部分污染物排放和未处理部分污染物排放2个部分组成[5]。

2.2.1 未收集的生活污水

城镇生活污染的水污染物产生量(ULa)、入河量(ULb)的计算公式：

(1)

2.2.2 城镇地表径流

城镇生活污染的水污染物产生量(URa)、入河量(URb)的计算方程如下：

(2)

式中，URa为城镇地表径流水污染物产生量；UAi为第i种城镇用地类型的面积；DP为城镇地区的年径流量；Ui为第i种城镇用地类型径流污染物的平均浓度；URb为城镇地表径流水污染物；aUR为城镇地表径流水污染物的入河系数(无量纲)。

DP根据调研及文献取年降雨量的50%；aUR根据调研及文献取30%。

2.3 河道内源污染

为了对底泥释放量进行粗略计算，由室内模拟试验的研究结果，计算出单位表面积底泥的每日释放通量。

对整个河道底泥的每日释放通量可通过2种方法来计算，即体积法和表面积法。但考虑到河道底泥的相对静态非剧烈扰动特征，即参与释放的并非河道所有层面的底泥，最终确定以表面积法对河道底泥的释放量进行计算。计算公式：

W底泥=S×R×t×10-6

(3)

式中，W底泥为按表面积法计算得到的释放量；S为河道底泥表面积；R为底泥释放速率，根据清淤情况由试验得到释放速率；t为释放时间。

2.4 船舶污染源污染

江苏省交通运输环境保护工程技术研究中心殷承启于2019年开展过“江苏省内河船舶废水污染现状及影响研究”，通过在江苏省内河船闸、港口对内河船舶废水污染防治现状进行调研，并计算江苏省内河船舶废水污染物排放量，分析内河船舶废水污染物排放对江苏省、太湖流域以及京杭运河苏北段等敏感区域的影响程度。本研究中京杭运河(苏州段)船舶废水污染物排放量借鉴上述项目研究结果，苏南运河全长213 km，京杭运河苏州段(无锡至瓜泾口段)长度37.7 km，按等比例折算[6]。

3 流域污染源解析结果

3.1 流域各版块污染负荷结果

通过核算，区域内污染负荷分别为氨氮600.56 t、总磷88.43 t。各控制单元污染负荷情况见表1。

表1 京杭运河(苏州段)流域总污染负荷Tab.1 Total pollution load of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section)

3.2 流域污染负荷结构分析

京杭运河(苏州段)流域各板块中，吴中区由于涉及镇及街道较多，区域较大，工业企业及径流污染量较大，故吴中区NH3-N和TP指标中排放均为最多，其次为高新区及姑苏区。

分析京杭运河(苏州段)流域各污染源负荷可知，京杭运河作为苏州市三大纳污通道之一，流域各污染物中均以点源污染占比较高，NH3-N为48.86%、TP为54.67%；其次为未收集的生活污染，NH3-N为41.80%、TP为33.90%。NH3-N和TP指标中，未收集的生活污染占比较高，说明这两项指标受区域内雨污分流不彻底导致的生活污水外排影响较大，主要原因为运河周边分布有92条内河，内河沿线城镇人口密集，生活污水产生量大，区域内雨污分流不彻底，生活污水排河污染较重，故运河流域雨污分流整改是降低运河NH3-N和TP指标的关键所在[7]。流域内各区及各污染物排放情况如图1所示。

图1 京杭运河(苏州段)流域各水污染物排放情况Fig.1 Discharge of water pollutants in Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section)

3.3 排放强度及主要管控源分析

由上分析可知，京杭运河(苏州段)流域NH3-N、TP两项水污染物，吴中区排放占比均最高，这与吴中区与运河水系相关的区域的面积较大有关，流域内吴中区面积 247.14 km2，占总面积的41.27%。因此，有必要对污染来源进行细化分析，根据各乡镇的污染排放总量、单位面积排放强度以及污染负荷结构分析，提出京杭运河(苏州段)流域污染源的重点控制对象。由于污染物NH3-N和TP的分布趋势相近，研究以NH3-N的排放总量及强度来解析各污染源状况。NH3-N排放总量及排放强度分布如图2所示。

图2 京杭运河(苏州段)各板块NH3-N排放总量及排放强度Fig.2 Total emissions and emission intensity of NH3-N in each section of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section)

京杭运河(苏州段)流域分乡镇NH3-N负荷和单位面积排放强度如图3和图4所示。

图3 京杭运河(苏州段)流域分乡镇NH3-N负荷Fig.3 Watershed of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section) by township NH3-N load

图4 京杭运河(苏州段)流域分乡镇NH3-N单位面积排放强度Fig.4 Watershed of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section) by township NH3-N emission intensity per unit area

京杭运河(苏州段)流域统计的20个街道(镇)中，排名前10个乡镇贡献了85%以上的NH3-N，分别为吴门桥街道、郭巷街道、城南街道、枫桥街道、狮山横塘街道、木渎镇、浒墅关镇、双塔街道、胥口镇、望亭镇。对京杭运河(苏州段)流域NH3-N的污染排放控制应首先控制这10个乡镇。其中，吴门桥街道、双塔街道、城南街道、狮山横塘街道、沧浪街道单位面积排放强度高于流域平均水平。

10个街道(镇)的污染负荷结构如图5所示。整体来说，木渎镇、胥口镇由于区域面积较大，人口基数较大，未收集的生活污水量较大，故NH3-N贡献率未收集的生活污染占比较高，其余街道(镇)均以点源污染占比较高；点源污染中望亭镇、吴门桥街道、双塔街道、城南街道由于辖区内有综合污水处理厂，故点源污染中NH3-N贡献率主要来源为污水处理厂尾水，狮山横塘街道、枫桥街道、郭巷街道、浒墅关镇点源污染中NH3-N贡献率主要来源为企业排污；城区街道来看，双塔街道、枫桥街道、郭巷街道、狮山横塘街道的未收集生活污染比例比较高，为NH3-N控制、控源截污的主要区域。

图5 京杭运河(苏州段)流域分乡镇NH3-N污染负荷结构Fig.5 NH3-N pollution load structure of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section) by township

4 结语

(1)研究统筹了运河水系水质水文情况，以流域污染负荷核算为重点，对各板块污染源进行系统的、高精度的分析，形成重点整治内容的各控制单元。研究中，工业企业、污水处理厂尾水污染排放负荷主要来源于第2次污染源普查资料；生活源、地表径流、内源(底泥释放)等其他污染源，主要应用输出系数法及其改进模型的核算思路计算。

(2)京杭运河(苏州段)流域各板块负荷中，吴中区由于涉及镇及街道较多、区域较广、工业企业及径流污染量较大，故吴中区排放均为最多，其次为高新区及姑苏区；流域各污染物中均以点源污染占比较高，其次为未收集的生活污染。未收集的生活污染占比较高，说明区域水质受区域内雨污分流不彻底导致的生活污水外排影响较大，故运河流域雨污分流整改是降低运河污染指标的关键。

(3)京杭运河(苏州段)流域统计的20个街道(镇)中，排名前10个乡镇贡献了85%以上的NH3-N，对京杭运河(苏州段)流域NH3-N的污染排放控制应首先控制这10个乡镇。其中，吴门桥街道、双塔街道、城南街道、狮山横塘街道、沧浪街道单位面积排放强度高于流域平均水平。

(4)10个重点街道中，除木渎镇、胥口镇污染贡献率中未收集的生活污染占比较高，其余街道(镇)均以点源污染占比较高；点源污染中望亭镇、吴门桥街道、双塔街道、城南街道 点源污染贡献率主要来源为污水处理厂尾水，狮山横塘街道、枫桥街道、郭巷街道、浒墅关镇点源污染贡献率主要来源为企业排污；城区街道来看，双塔街道、枫桥街道、郭巷街道、狮山横塘街道的未收集生活污染比例比较高，为污染物控制、控源截污的主要区域。