基于最大日负荷量的潜江市河渠水网黑臭水体治理研究

陈阔，冯健，赵进勇，彭文启，付意成

(1.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046；2.中国水利水电科学研究院 水生态环境所，北京 100038)

2015年国务院印发的《水污染防治行动计划》(以下简称“水十条”)明确提出，“到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内”与“到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除”的控制目标。“水十条”旨在解决水体污染的关键问题，并规定地方人民政府需定期向公众公布城市黑臭水体名称和治理进展情况，整治黑臭水体已经成为地方政府改善城市生态环境的重要工作内容。由于以前对于潜江市黑臭水体的研究只是面向其污染控制技术和方法，少有对治理方案和策略进行研究。目前，亟须按照新时期治水理念，遵循流域内水文水动力、水环境与水生态的基本规律，将源头控制、过程阻控和末端治理3个重要环节进行联系，统筹流域山、水、林、田、湖、草等生态要素，考虑河湖水系高度耦合的特点，探索形成全覆盖、全过程、全要素及问题可定位、定时识别，措施可落地有效、效果可定量预测的城乡河湖水环境治理“三全三可”策略[1]。文中基于最大日负荷量(Total Maximum Daily Load，TMDL)的水环境治理方法，在潜江市城区范围内监测潜江市黑臭水体水质，制定潜江市黑臭水体清单，在黑臭水体所对应的陆域范围内系统调查污染源，核算污染物总量，并计算黑臭水体的纳污能力，从而确定需要削减的污染物量，针对每条河的实际情况和污染物削减量确定针对性的污染治理方案和措施，预估所需的工程措施、工程量和实施周期，提出后续监测评估方案、组织实施和保障等内容，编制完成黑臭水体整治方案[2]。

TMDL是指在满足水体水质标准的条件下，水体每日能够接受的某种污染物(本文主要研究化学需氧量(COD)和氨氮(NH3-N))的最大量，TMDL包括点源和面源的污染负荷，可通过控制污染物的排放措施使目标水体达到一定的水质标准[3]。

1 研究区水系

潜江市位于东经112.483°～113.017°、北纬30.067°～30.650°，地处湖北省中南部，江汉平原腹地，东通武汉，南连监利，西邻荆州，北接荆门，是武汉“8+1”城市圈成员之一。全市南北长64.4 km、东西宽51.3 km，呈不规则的长方形，国土面积为2 004 km2。受人类活动的影响，人工地形、台地、堤坝、湖垸广布，沟渠纵横。

潜江市曾是湖北省有名的水网湖区，该市水域总面积为197 km2，河渠面积为166 km2，湖泊面积为31 km2。

城区位于潜江市汉南片区，排水水系属通南水系。通南水系以城南河为主排水河，共有排水支流349条，总长度751.26 km，城区内主要引、排水河渠分布如图1所示。

城区及周边现状水系呈“四纵八横”格局，百里长渠、城南河、县河和城东河纵贯南北，罗潭河、莫解渠、一支渠、二支渠、三支渠、四支渠、五支渠和六支渠横穿东西，主要河渠基本情况见表1。城区内的主要水源是由百里长渠渠首的谢湾闸引汉江之水和东荆河倒虹管通过兴隆河引汉江水。众多河渠中百里长渠和县河为主要灌溉河渠，城南河和城东河为主要排水河道。

2 黑臭水体监测评价标准和方法

根据水体的各项特征指标，将黑臭水体划分为“轻度黑臭”和“重度黑臭”两个级别，具体见表2，该划分标准为黑臭水体整治计划的制定和整治效果的评估提供了参考依据。黑臭水体分级的评价指标包括透明度、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)和氨氮(NH3-N)，相关指标及测定方法见表3[4-5]。

表2 城市黑臭水体污染程度分级标准

表3 水质指标测定方法

某监测点的4项理化指标中，有1项指标超过60%的检测数据达到“重度黑臭”级别或2项及以上指标超过30%的检测数据达到“重度黑臭”级别，该监测点水质被认定为“重度黑臭”，否则被认定为“轻度黑臭”。

若有连续3个以上监测点水质被认定为“重度黑臭”，即认定这3个检测点中首尾监测点之间区域的水体为“重度黑臭”；整个水体有超过60%的监测点被认定为“重度黑臭”，则整个区域的水体应认定为“重度黑臭”[6]。

3 潜江市城区黑臭水体评价结果

于6月16日、6月21日、7月15日对表1中潜江市城区的13个水体进行了3次监测，按照《城市黑臭水体整治工作指南》中的布点要求，在监测河段沿水体间距200～600 m进行布点，监测结果中黑臭水体名单见表4。表4中确定的潜江市城区黑臭水体共有5条河流和1个湖泊，分别是一支渠、二支渠、三支渠、五支渠、城南河，总河长共18.4 km。其中，重度黑臭的河流为一支渠、三支渠、城南河，总河长11.6 km；轻度黑臭的河流为二支渠和五支渠，总河长为6.8 km；南门河1—3号湖水体为轻度黑臭，面积0.08 km2。

表4 潜江市城区黑臭水体清单

4 水环境容量计算及分析

4.1 计算方法

根据《水域纳污能力计算规程》(GB 25173—2010)(以下简称计算规程)中相关规定，经现场调研与资料梳理，计算城区渠网化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)纳污能力模型均采用均匀水质混合模型，具体如下：

(1)

式中：V(t)为湖泊在t时刻的水量，m3；dC/dt为湖泊水质参数污染物的变化率；C为湖泊污染物的平均质量浓度，mg/L；Q(t)为湖泊在t时刻的入流水量，m3；q(t)为湖泊在t时刻的出流水量，m3；Cin(t)为湖泊在t时刻污染物的入流质量浓度，mg/L；Cout(t)为湖泊在t时刻污染物的出流质量浓度，mg/L；Sc(t)为其他未计入的外部源和泄漏源(如内源)质量，mg；K为污染物综合衰减系数，12/年。

公式(1)可视为完全混合反应器的水体质量平衡基本方程，将该方程应用于有机物的分析，可以推导出有机物的容量模型。当不考虑外部源及泄漏源，湖泊中的污染物只发生衰减反应且符合一级反应动力学时，水体质量平衡基本方程可表达为：

(2)

式中Cin和Cout分别为污染物的入流和出流质量浓度，mg/L。

假设河流处于稳态条件下，从上述方程中可得到平衡状态下的污染物浓度计算式，如下所示：

(3)

如果水质保护的目标浓度为Cs，则水体的纳污能力为：

M=qCs+KCsV。

(4)

式中：M为最大允许纳污量(纳污能力)，g/年；q为湖泊出流水量，m3/年；Cs为污染物的最大允许负荷量，mg/L；V为湖泊计算体积，m3。

4.2 水量计算结果分析

纳污能力的计算需要相应河湖的设计流量，所以，根据潜江市2005—2015年的年降水量数据，计算得到年排频曲线，如图2所示。

图2 潜江市2005—2015年降水量的年排频曲线

根据城区规划中纳污能力计算中的设计条件以及计算规程中对设计条件的要求，设计中需要选取90%保证率的年降水量作为设计流量的计算参数，该值为867 mm。

径流总量采用公式(5)进行计算：

(5)

Ia=0.2S；

(6)

(7)

Q=0，P≤0.2S；

(8)

(9)

式中：V为径流总量，m3；F为汇水面积，km2；P为降水强度，mm；Ia为降水量初损，mm；S为最大可能降水量损失，mm；Q为径流量，m3；fCN为径流因子。

设计流量下的计算结果见表5，由于各支渠对应的产流面积较小，所以表5中对应的设计流量都较小。

表5 城镇及农村产水量情况

4.3 水环境污染物削减量分析

计算纳污能力所需的河湖参数包括河流的长度、河流的宽度、河流的高度、河湖的容积及根据要求所定的污染物的目标质量浓度、相应的设计流量和根据经验所确定的污染物综合衰减系数[7]。计算城区水系纳污能力涉及的参数主要是污染物综合衰减系数，计算规程中确定污染物综合衰减系数值的方法有分析借用、实测以及经验公式计算等方法，由于城区无实测资料，因此，采用分析借用方法确定污染物综合衰减系数[8]。据统计，国内外水域70%化学需氧量(COD)综合衰减系数为0.15～0.25，73%氨氮(NH3-N)综合衰减系数小于0.3[9-10]。在南水北调中线工程的可行性研究专题八《环境影响评价》中，对长江水资源保护研究得出，汉江中下游的化学需氧量(COD)取值范围为0.20～0.41。2009年，黄石理工学院环境科学与工程学院在湖北省水利厅重点资助科研项目研究中心，分析确定磁湖总氮(TN)和总磷(TP)综合衰减系数均为0.241[11]。结合湖北省部分水域纳污能力分析结果，综合确定文中所研究水体的化学需氧量(COD)综合衰减系数为0.18，氨氮(NH3-N)综合衰减系数为0.25[12]。

根据城区河湖纳污能力模型，以及工程总体水质规划目标(Ⅴ类水质标准)，计算得现状年研究区的水体纳污能力，详细情况见表6。

表6 城区重要水体污染物削减量 t/年

对潜江市城区水系分别进行了点源污染和面源污染调查，点源污染核算以排水管网布设、管网污废水收集范围、排污口设置为主要依据，分析污染来源及去向，并结合实地沿河调查结果，确定各河段点源污染入河量；面源污染主要计算城镇径流面源污染、农田地表径流面源污染、畜禽养殖面源污染和农村生活面源污染[13-14]。计算方法分别如下：

采用单位负荷法计算城镇径流面源污染，具体计算公式如下：

L=RCA×10-6。

(10)

式中：L为年污染负荷量，kg/年；R为年径流量，mm；C为径流污染物平均质量浓度，mg/L；A为集水区面积，m2。年径流量R按照R=PRV计算，P为年降水量，mm；RV为径流系数。

采用源强系数法[15]计算农田径流面源污染，具体计算公式如下：

(11)

式中：L为农田地表径流的污染物排放量，t/年；Ei为标准农田地表径流源强系数，t/(亩·年)；αi为农田的坡度修正值；Si、Pi、Ci和Fi分别为土壤类型、降水量、作物类型和化肥施用量的修正值，无量纲；i为各类农田作物类型；Ai为农作物的种植面积。

畜禽养殖污染负荷的化学需氧量和氨氮产生量计算公式如下：

(12)

式中：L为畜禽养殖每年污染产生量，t/年；Si为第i种类型畜禽养殖量，头/只；Ti为第i种畜禽饲养周期，年；Pi为排泄物中污染物的含量，kg/t；Ei为每头(只)畜禽每日排泄物的产生量，kg/d。

农村生活面源污染计算公式如下：

L=EP。

(13)

式中：L为农村生活中污染物化学需氧量/氨氮的产生量，t/年；E为单位农村人口污染物化学需氧量/氨氮的产生系数，g/(人·d)；P为农村人口数，人。

由纳污能力的定义可知，一旦水体接纳污染物量超过纳污能力限值，水体水质将超过目标要求，如果要净化水体使水体中污染物浓度达到目标限值，必须削减入河污染物量，使削减后的入河污染物量小于河流的纳污能力[16]。现状污染物量减去纳污能力，即为污染物削减量。通过规划计算潜江市黑臭水体的入河污染负荷量和每条黑臭水体的纳污能力，两者的差值即为需采取措施削减的污染物量，据此制定黑臭水体治理的措施及规模。经计算，城区各条河流污染物削减量见表6。

5 黑臭水体治理方案与策略

经过对黑臭水体治理方法与水质长效改善技术进行梳理，发现黑臭水体整治措施包括控源截污、内源治理、生态修复、清水补给等，而且最优方案往往来自物理、化学和生物技术的结合。基于对潜江市城区黑臭水体的评价结果、水环境容量及污染物削减量的分析，遵循“适用性、综合性、经济性、长效性、安全性”原则，结合多种措施对黑臭水体进行治理，详细措施见表7。

表7 城区黑臭水体治理措施 t/年

6 结语

在潜江市处理黑臭水体的技术方法的基础上，基于TMDL的水环境治理方法，以潜江市城区河渠水网为研究对象，对城区内一、二、三、五支渠和城南河、南门河公园湖进行了水环境容量分析，计算出对应水体的TMDL与污染物目标削减量。一支渠的污染物削减措施为沿河截污纳管、超磁设备处理径流面源污染及非工程管控；二、三支渠的污染物削减措施为沿河截污纳管、岸边带截留径流面源污染及非工程管控；五支渠的污染物削减措施为建造生态沟渠—生态塘—人工湿地；城南河的污染物削减措施为沿河截污纳污管理、岸边带截留径流面源污染、消除工业点源污染、污水处理厂提标改造、人工湿地深度净化。经规划处理后，潜江市城区河渠水网中污染物已全部达到目标削减量，也实现了在TMDL范围内最大程度排放污染物。