海绵城市建设规划中水环境容量研究

庞洁 李特

摘 要：水环境功能区水质改善与达标是建设海绵城市的一项重要目标，其核心手段是将污染物总量控制在水环境容量允许的范围之内。本文以迁安市海绵城市建设为例，将水污染负荷削减至水环境容量之内作为基本要求，计算出试点面源污染削减率的目标，制定有针对性的海绵城市建设规划措施，以实现各分区污染物减排和水质达标的目的。

关键词：海绵城市;水环境容量;负荷削减;水质

中图分类号：X824文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）10-0114-03

Study on Water Environmental Capacity of Sponge City Construction Plan

PANG Jie LI Te

（Yangling Vocational and Technical College，Yangling Shaanxi 712100）

Abstract： The improvement and standard of water quality in the water environment functional area is an important goal of building sponge city. The core means is to control the total amount of pollutants within the allowable range of water environment capacity. Taking the sponge city construction of Qian'an city as an example， the paper took the water pollution load reduction to the water environment capacity as the basic requirement， calculated the target of the pilot non-point pollution reduction rate， and formulated the targeted sponge city construction planning measures to achieve the goal of pollutant emission reduction and water quality standard in each district.

Keywords： sponge city;water environment capacity;load reduction;water quality

海绵城市建设是城市发展理念和建设方式转型的新途径之一。2013年12月，习近平总书记在中央城镇化工作会议上指出：“建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市。”海绵城市，指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。海绵城市建设遵循生态优先等原则，将自然途径与人工措施相结合，在保障城市排水防涝安全的前提下，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护。环境功能区水质达标是海绵城市建设的重要目的之一，控制入河污染物总量在水环境容量允许的范围之内是实现水质达标的重要手段。水环境容量是在给定水域范围和水文条件、规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间内该水域最大允许纳污量[1]。污染物总量小于水环境容量限值是水环境质量是否达标的关键指标。

随着水环境污染日益加重和城市蓄水量不断增加，水质污染及水资源紧缺成为制约城市发展的重要因素，对水环境容量和污染物削减的研究是水环境保护的热点问题。目前，相关研究主要集中在水环境容量测算分析方法上。韩龙喜等通过建立河网水量水质模型，完成南通河网水环境容量的计算及该区域水质模拟[2];彭嘉玉等基于动态水文条件水质模型模拟，提出了河流水环境容量的非线性优化算法[3];韩娇基于同沙水库南部进水、北部出水两个主要监测断面水质分析了同沙水库的水质现状及入库污染负荷现状[4]。本文在前人研究的基础上，以迁安市三里河流域为例，探讨海绵城市建设规划中的水环境容量。

1 三里河水体现状分析

迁安市主要位于滦河与三里河之间，三里河流域面积为48.42 km2，多年平均径流量为 0.12亿m3，多年平均流量为0.38 m3/s。河道排洪能力不足，合流制加剧内涝，三里河多处跨河路桥存在水没桥洞的问题，严重阻碍行洪排水;设计洪水时，滦河水位较高造成三里河涝水不能顺畅排出。三里河水环境存在的问题具体如下。

第一，河流水体污染严重，丧失使用功能。为全面了解三里河水环境质量情况，在三里河设置人工采样点。通过水质监测整体反映出三里河上、中、下游均為劣Ⅴ类水，主要超标污染物为氨氮类。究其原因，部分地区没有实现雨污分流，合流制管道溢流，造成雨季大量污染物入河;未有效控制区域内的面源污染，部分沿河城市污水直接入河，导致面源的影响逐年加大，水质进一步恶化;内源污染严重，河底淤积了大量沉积物，且其营养盐浓度较高。

第二，河流水动力不足，不利于防洪排涝。现有原始河道部分段流速较小，水动力严重不足，污染物质量浓度不能随水体的流动而稀释，氨氮类污染物易引起水体富营养化，对削减水污染目标不利。部分河道的河底高程过高造成过水断面不足，河道防洪排涝能力较差。

2 水环境容量和面源污染负荷

2.1 水环境容量

三里河中下游为自然河道，沿途村庄生活垃圾沿河堆放，河道变窄且拥堵，水生态系统脆弱。部分沿河城市污水直接入河，导致水质进一步恶化，合流制管道溢流，造成雨季大量污染物入河;工农业污染严重，沿岸有养殖场、农田、工厂、垃圾堆放场等，污水直接入河加剧河流水体污染;内源污染严重，河底淤积了大量沉积物，且其营养盐浓度较高，这些是三里河的主要污染源。

2.2 水环境容量和面源污染负荷计算

2.2.1 内河纳污能力计算模型。纳污能力由自净容量和稀释容量两部分组成，纳污能力的计算公式[5]为：

[W=Q0Cs-C0+KVCs+qCs]                      （1）

式中：[W]表示内河纳污能力值，103 mg/s;[Q0]表示进口断面入流流量，m3/s;[C0]表示进口断面水质浓度，mg/L;[q]表示旁侧入流流量，m3/s;[Cs]表示水体水质标准浓度，mg/L;[V]表示水体体积，m3;[K]表示水质降解指数，s-1。

2.2.2 污染物负荷计算。污染源负荷计算选用输出系数法[5]，如式（2）所示：

[Lj=EjAαj]                               （2）

式中：[Lj]为污染物[j]在流域内总负荷量，kg/a;[Ej]为排污系数，kg/（km2·a）;[A]为土地面积，km2;[αj]为污染物入河系数。

2.2.3 面源分区削减率计算方法。以水环境容量为基础，考虑面源污染负荷及水环境容量的面源污染排放限额，确定需要削减的污染负荷和目标削减率：

[P面源削减=P面源负荷-P容量]                   （3）

式中：[P面源削减]表示满足水环境限额条件下，需要削减的面源污染负荷，t/a;[P面源负荷]表示各分区面源污染量，t/a;[P容量]表示扣除点源后的剩余水环境容量，t/a。

[f=P面源削减/P面源负荷]                          （4）

式中：[f]表示面源污染削减率，%。

3 环境治理方案

通过系统的海绵城市工程体系建设，解决城区内涝、水环境等核心问题，实现“小雨不积水、大雨不内涝、水体不黑臭、热岛有缓解”的海绵城市建设目标和“水清、岸绿、景美”的河道整治目标。三里河作为迁安市的主要排涝河道，下游水质超标、景观效果不佳等问题严重制约了城市水系统的健康发展。通过对水环境容量的计算及污染物负荷的测算，设定削减工程实施后水污染削减目标。削减措施如图1所示。

三里河流域水环境容量有限，削减任务目标很重。本研究在计算水环境容量的基础上，以河道化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、氨氮为指标，分析河道污染物负荷情况，得出污染物削减目标。通过一系列措施，解决河道流水不畅、水体富营养化等问题，有效实现削减目标。

3.1 三里河生态需水量及水环境容量分析

鉴于三里河与海绵城市试点区的位置关系，为全面测算河道水质情况，将河流划分为源头—试点区段、试点区段、试点区—B河段三个河段，如图2所示。由于三里河枯水期少有污水和雨水径流入河，故削减分析中仅基于丰水期环境容量进行计算。分别计算各河段丰水期的水环境容量，结果见表1，为污染负荷削减工程的确定提供基础。

3.2 源头—试点区段污染负荷及削减量

经计算，源头—试点区段流入流域的污染物COD为52.35 t/a、氨氮为6.56 t/a。与表1对比可知，COD未超负荷，而氨氮超负荷，需要削减。按照控制断面达标确定本段河道外源需削减污染物目标：氨氮削减量为3.68 t/a，削减率为56%。

3.3 试点区段污染负荷及削减分析

经计算，试点区段流入流域的污染物COD为40.21 t/a、氨氮为1.16 t/a。与表1对比可知，氨氮污染负荷并未超过环境容量，不用削减，COD指标超标。本段河道外源需削减污染物目标：COD削减量为14.02 t/a。分析本区域的污染负荷数据可知，城市面源污染是主要污染源，约占总污染负荷的98%（COD），是该区域需要重点控制的污染源。基于片区现状，初步确定了面源污染控制工程和溢流污染控制工程的削减目标，其中，城市面源污染COD削减率为35%，溢流污染COD削减率为10%。

3.4 试点区—B河区段污染负荷及削减分析

试点区—B河区段污染物COD为239.98 t/a、氨氮为16.95 t/a。与表1对比，按照控制断面达标法确定本段河道外源需要削减污染物目标：COD削减量为135.64 t/a，氨氮削减量为10.52 t/a。本河段应重点控制的污染源为农村污染以及河道内源，氨氮削减率目标分别为57%、62%，其余通过控制城市面源污染和合流制溢流实现污染物的削减目标，优先进行溢流污染控制，削减目标为83%，最后考虑进行城市源头污染控制，削减目标为48%。

3.5 河流污染负荷削减汇总

通过对各区域分段的分析可知，雨污分流后三里河流域入河的污染物COD為332.54 t/a、氨氮为25.27 t/a，对比河道水环境容量，需要削减污染物的量为：COD 140.94 t/a，氨氮 14.74 t/a。由此可知，流域内的污染源主要包括城市面源污染、溢流污染、农村污染以及河道内源污染，其中，农村污染负荷占比较大，约占污染物总量的72%（氨氮）。

根据上述分段污染源解析和削减分析，源头—试点区段应将氨氮作为重点控制污染物，对农村污染进行控制，污染物削减目标为：氨氮56%;试点区段”COD超标严重，应以COD作为重点控制污染物，其中，城市面源削减目标为35%，溢流污染削减目标为10%;试点区—B河区段，COD和氨氮均超标，农村污染削减目标为62%，河道内源削减目标为70%，溢流污染削减目标为83%，城市面源控制目标为50%。

4 水质保障方案

为实现上述削减目标，本文从该市实际情况出发，提出相应的工程和非工程措施，主要包括农村污水和垃圾收集处理工程、农田面源污染处理工程以及畜禽养殖污染控制管理。考虑采用透水铺装、植被过滤带、植草沟、入渗沟、砂滤池和生物滞留池等源头控制措施进行削减。在本流域开展低影响开发建设，提高生态廊道对雨水的收集调蓄净化能力。通过绿地改造，削减经雨水径流进入本研究河流从B河引水处的污染负荷。

同时，从多角度着手，提升水质净化能力。通过新建污水处理厂和改造现行污水处理厂，提高整个城市的污水处理能力。完善城市供水系统，从根本上保障居民饮用水源。为提升海绵城市建设、监管、评估能力，建设海绵城市一体化监测平台，实现海绵城市建设的达标性和有效性，对海绵城市的建设效果进行大数据监测。

5 结语

水环境功能区水质目标的实现是海绵城市建设的重要目的之一，控制入河污染物总量在水环境容量允许的范围内是实现水质达标的重要手段。将点源和面源污染物削减至水环境容量之内是海绵城市的基本建设要求，同时能通过削减量准确确定削减率目标取值的科学性。因地制宜地结合各分区的特点制定有针对性的海绵城市建设规划措施，可以实现各分区污染物减排和水质达标的目的。

参考文献：

[1]中国环境规划院.全国水环境容量核定技术指南[R].2003：5.

[2]孙卫红，韩龙喜.基于水量水质模型的高邮湖控制断面污染源解析[J].环境保护科学，2019（5）：52-57.

[3]彭嘉玉，雷坤，乔飞，等.基于不同设计水文条件的铁岭水环境容量核算[J].环境工程技术学报，2017（4）：470-476.

[4]韩娇.同沙水库水环境容量分析[J].河南科技，2013（7）：180-181.

[5]戴忱，陈凌.宜兴市基于水环境容量的海绵城市建设规划[J].中国给水排水，2018（18）：6-11.