高明区明城镇水环境综合整治可达性分析

赵晓晨 傅致远 黄宇铭

（珠江水资源保护科学研究所，广东 广州 510611）

随着经济社会的发展和城市化进程的加快，区域内的人口不断增长，入河排污量急剧增加，导致区域与水资源、水生态、水环境和水文化保护之间的矛盾日益凸显[1]，如何在经济社会增长的同时持续保障水质达标已成为迫切需要研究的问题[2]。针对小城镇水环境现状问题，国家和地方的治理力度逐渐增大，随着“水十条”“河长制”等政策的颁布实施，水环境治理进入了快速发展的阶段[3]。关于水环境治理研究，国内外学者均提出了自己的观点，国外学者Kooijman[4]认为，公众参与在环境治理中起到了良好的带动作用，对于小城镇应当采用多元化的治理体系;德国学者Jens Newig 也同样认为多层次多元化主体参与的水环境治理往往比政府的单一治理效果更佳[5]；国内学者夏青[6]认为小城镇的污染原因归根到底是由于处理能力与受污染的速度不匹配，导致小城镇缺乏有针对性的环境治理保护措施；郑玄提出应该加大对企业技术和手段两方面的投入来帮助其实现低碳减排，进一步缓解经济增长和自然环境之间的矛盾[7]。在未来一段时间内小城镇将承担起我国城市化的重任，水环境的治理将成为小城镇可持续发展的重要环节[8]。目前，国内外的研究侧重于学术层面，对于小城镇治水难的根源缺乏深入的剖析，与大城市的治水相比，适宜于小城镇的水环境治理技术体系更值得我们深入分析。基于此，本文结合污染源调查情况，以佛山市高明区明城镇为例，从污染源总量削减、截污引污治污、提高污染源自行治理效率、外源污染控制等角度出发，提出水环境综合治理方案，为后续开展相关水环境保护工作提供技术支撑，为实现人们对优质水资源、健康水生态、宜居水环境的需求提供保障[9]。

1 研究区域概况与问题解析

1.1 研究区域概况及水环境现状分析

明城镇是佛山市高明区中心腹地，总面积186.50km2，下辖1 个居委会、13 个村委会、150 个自然村，常住人口3.7 万。明城镇大部分为低山丘陵台地，其次为冲积平原。夏季主导风向为南风，冬季主导风向为北风。高明河（沧江河）发源于境内西部合水镇的老香山托盘顶，干流流经合水、更楼、新圩、明城、人和、西安、三洲及荷城，于海口塔侧石岩头注入西江，全长82.4km，流域总面积为1033.00km2，在高明境内流域面积为878.21km2，其中高明河（明城段）长度为21.3km，包括陶筑围主涌、崇步围主涌、歌乐涌和罗格坑4 条主干内河涌，以及崇步围支渠1 条支涌。

图1 项目研究范围、水系分布及现状监测点位示意图

明城镇的常规监测断面为高明河（沧江河）峰江碑至新圩交界段断面（2016 年执行地表水V 类标准，2017—2020 年度执行地表水Ⅲ类标准）和歌乐涌断面（2016 年7 月开始监测，执行氨氮浓度不超过6.0mg/L，总磷浓度不超过0.6mg/L，其余指标达地表水V 类标准；2020 年度执行地表水V 类标准）。根据本地区地表水常规断面的监测结果可知，高明河（沧江河）峰江碑至新圩交界段断面2016—2020 年5 月水质逐年好转，但整体水质较差。其中，2016 年水质目标为Ⅴ类，现状水质全年在Ⅴ类上下浮动，年达标率为80%；从2017 年起水质目标上升为Ⅲ类，但现状水质恶化，2017—2018 年水质基本为劣Ⅴ类，个别月份能达到Ⅳ类，年达标率为0%；2019—2020 年现状水质明显改善，现状水质在Ⅳ类波动，2019 年全年达标率为8%，2020 年1—5 月达标率为20%。歌乐涌断面2016 年7 月至2020 年5月水质逐年好转。其中，2016 年7 月至2017 年水质基本为劣Ⅴ类，年达标率为44%；2018 年现状水质在Ⅴ类上下浮动，年达标率达92%；2019—2020 年5 月水质均优于Ⅴ类，稳定达标。

本研究为了进一步调查地表水水质现状情况，于2019 年对高明河干流及其主要支流汇流口进行水质现状补充监测，其中丰水期采样时间为2019 年7 月，枯水期采样时间为2019 年11 月。根据监测结果分析可知，高明河明城镇段干流点位水质均集中在Ⅳ～Ⅴ类，水质较差，均未达到水质目标。从评估时段来看，高明河明城镇段支流大多数点位枯水期监测水质优于丰水期，丰水期水质主要污染因子为总磷，枯水期水质主要污染因子为五日生化需氧量和总磷。根据河流实际流向，概化高明河明城镇段干流及其支流，根据监测点位水质结果沿河道进行插值，结果见图2～图3。

图2 高明河及其支流丰水期地表水水质概化图

图3 高明河及其支流地表水枯水期水质概化图

1.2 水环境问题解析

基于项目现场调查与监测工作，明城镇在水源补给、纳污能力和面源治理等方面都存在不同程度的问题。

1.2.1 河涌水源自然补给不足

根据现场调查及相关文献，高明河流域内已建电站有13 个，目前仅有2 个正常运行，分别为石坎水电站和峰江水电站，峰江水电站位于明城镇西郊高明河中游河段，开发方式为河床式，对厂坝间河道减脱水的影响是客观存在的，目前未核定生态流量[10]。另外，高明区明城镇大部分地区是丘陵和山区，区域储水能力较差，大部分河涌缺乏干净的活水补给，扩散条件较差，污染物无法稀释清除，水生态环境较差[11]。

1.2.2 河涌纳污能力有限

高明河水污染的污染源主要类型为生活污水、工业废水以及农业污水[12]。近年来，随着现代化工农业生产的迅猛发展、人口的增多，生活污水和工业污水不断排入，而河涌自身的调蓄作用弱、污染水体交换扩散能力差、纳污能力小，导致高明河明城镇部分河涌已受到一定程度的污染。

1.2.3 农业面源污染已成为主要影响因素

农业面源污染已上升为制约水环境持续改善的主要因素。根据水质现状评价结果可知，高明河明城段枯水期水质优于丰水期，结合污染源调查结果，其主要因素为农业面源污染，而农业面源污染治理受到政策、技术、经济等因素影响，仍存在诸多短板[13]。

2 水环境污染源调查及压力分析

2.1 区域水污染源现状调查

截至2019 年底，明城镇正在运营的污水处理厂仅有明城镇第一污水处理厂，服务范围主要为明城镇中心旧城区和明北工业区。明城镇内主要的入河排污口共有7 个，纳污水体为高明河、罗格坑主涌和内河涌，规模以上入河排污口为高明区明城镇污水处理厂混合废水入河排污口。

2.2 污染源调查与核算

2.2.1 境内污染源调查

明城镇境内的污染源类型主要包括工业污染源、生活污染源、农业污染源（包括农田径流污染、畜禽养殖污染以及水产养殖污染）和林业污染源4 类。污染源的计算均基于污染源普查数据，采用产排污系数法进行分析计算[14]。其中，农田径流污染主要根据《全国水环境容量核定技术指南》[15]中的“标准农田”的单位面积源强系数，乘以实际农田面积及修正系数分析得到；畜禽养殖污染根据《排污许可证申请与核发技术规范 畜禽养殖行业》（HJ 1029—2019）中的产污系数法，结合2019 年《佛山市年鉴》数据核算污染物排放量；水产养殖污染根据《第一次全国污染源普查水产养殖业污染源产排污系数手册》，结合年鉴数据进行污染物排放量计算。将上述工业污染源、生活污染源、农业污染源、林业污染源进行汇总，结果见表1。

表1 明城镇各类污染源污染物入河量汇总

经计算分析，各污染源污染物入河量贡献比例差别较大，明城镇主要受农业污染影响，其次是林地污染、生活污染，而工业污染对水体污染影响较小。因此本次治理方案需要综合考虑区域实际情况，提出有针对性的治理办法。

2.2.2 入境污染源调查

明城镇主要入境河流为高明河，入境污染量由高明河上游来水（入明城镇前）水质决定。根据水功能区水质目标，高明河明城镇上游河段水质目标为Ⅲ类，通过监测断面W1 和W10 共同监测上游来水水质，其中W10 断面为更合镇入明城镇控制断面。监测结果显示，W1 断面和W10 断面丰水期水质分别为Ⅴ类和劣Ⅴ类，枯水期分别为Ⅳ类和Ⅴ类，均未达到水质目标要求。将W10 断面丰水期及枯水期现状监测中污染物浓度最高的结果作为控制断面水质现状，将水功能区水质目标对应的污染物浓度限值作为控制断面水质目标，分别计算上游现状水质污染源入河量以及目标水质污染源通量，计算公式为

式中：Q（t）为瞬时流量，m3/s；C（t）为瞬时浓度，mg/L；T为估算时段。

由计算结果（见表2）可知，上游入境总磷污染严重，入境总磷超标入河量为23.81 t/a，与明城镇内部总磷入河量基本持平，其他污染源均未超标。

表2 明城镇上游各类污染源超标量 单位：t/a

由计算结果可知，上游入境总磷污染较大，与明城镇内部总磷入河量基本持平，其他污染源均未超标。

2.3 压力来源及污染类型

根据高明区明城镇2019 年水质现状评价结果、污染源核算结果和村落的分布比例，以及通过叠加土地利用现状图，分析研究范围内典型断面水质压力来源和污染类型，具体见表3。由表3 可知，高明区明城镇主要的污染因子为总磷和化学需氧量，主要的污染类型为农业面源污染和生活污染。

表3 高明区明城镇典型断面主要的污染因子及污染类型汇总情况

3 污染物削减方案

本方案以高明河流域明城镇计算单元断面水质达标为约束条件，运用高明河流域一维数学模型，针对流域各计算单元的主要水污染物的排放量，根据流域水环境控制要求，将主要污染物排放量分配到各个计算单元的排放口，从而提出削减方案。

3.1 计算单元划分及方法

根据《水体达标方案编制技术指南》中的计算单元细化分解技术，计算单元和计算断面主要根据街道行政区划和内河涌流域分布进行划分。由于明城镇所处区域主要为平原河网地区，地势过于平坦，直接使用DEM 提取出的径流方向常与实际不相符，导致提取出来的汇水区边界与实际有较大差异。因此，本次研究结合遥感影像数据，提取河涌水系、道路等可能影响地表径流途径方向的地物要素，叠加到DEM 信息中，从而提高DEM 精度[16]。具体计算单元示意图见图4。

图4 计算单元示意图

3.2 计算方法

本研究河流在计算其纳污能力时，设计水文条件均采用P=90%最枯月流量。本次污染物入河量的计算主要考虑工业点源污染、生活污水及农业污染。从污染源总量削减的角度出发，为明城镇各河段核算污染物入河量，针对不同的污染物削减方案，提出污染物入河削减量。本计算参考《水域纳污能力计算规程》（GB /T 25173—2010）附录A.1 河流纳污能力计算模型中的A.1.2 河流一维模型。

具体的计算公式如下：

式中：Cx为流经x距离后的污染物浓度，mg/L；x为沿河段的纵向距离，m；u为设计流量下河道断面的平均流速，m/s；K为污染物综合衰减系数，1/s；C0为初始断面的污染物浓度，mg/L。

相应的水域纳污能力按下式计算：

式中：M为水域纳污能力，g/s；Cs为水质目标浓度值，mg/L；Q为初始断面的入河流量，m3/s；QP为废污水排放流量，m3/s。

当入河排污口位于计算河段的中部时（即x=L/2时），水功能区下断面的污染物浓度及其相应的水域纳污能力分别按下式计算：

式中：m为污染物入河速率，g/s；Cx-L为水功能区下断面污染物浓度，mg/L；L为计算河段长度，m。

3.3 设计条件及设计参数

由于本次所计算的河流均无水文站及实测的水文资料，拟采用水文比拟法推求各河段的P=90%最枯月流量。高明河全长82.4km，流域总面积1033km2，根据《高明河水污染控制与水源保护规划》得出90%保证率下年降水量为1261.7mm，由径流系数计算得到高明河90%保证率下最枯月平均流量为6.147m3/s。本次所计算河段的P=90%最枯月流量以高明河最下游断面作为水文参证断面，采用水文比拟法进行估算。具体的估算方法采用控制的集雨面积和降雨量进行比拟修正，计算得到的设计流量见表4。参考相应研究成果[17-19]，本研究选用的综合衰减系数分别取化学需氧量为0.15（1/d），氨氮为0.10（1/d），总磷为0.10（1/d）。

表4 计算断面设计水文条件参数

根据水环境现状调查结果，识别本项目主要控制污染物为化学需氧量、氨氮、总磷。因此本次污染物入河量的计算主要考虑工业点源污染、生活污水、农业污染和林业污染。根据计算单元分区情况，将污染物入河量以行政村（社区）口径进行统计，将统计结果按照村镇地理位置纳入各个计算单元，其中，化学需氧量的入河总量为1251.61t/a，氨氮的入河总量为210.39t/a，总磷的入河总量为25.84t/a，具体见表5。

表5 污染物计算单元统计情况 单位：t/a

3.4 削减方案

本次削减方案以明城镇水质达标控制断面水质目标达到Ⅲ类为目标，基于各片区的水质目标，确定片区1 的水质目标为Ⅲ类，片区2、片区3、片区4 的水质目标为Ⅱ类，由此可得到4 个片区的化学需氧量、氨氮、总磷的削减量分别为314.11t/a、128.67t/a、10.33t/a。 片区1 的化学需氧量、氨氮、总磷的削减量均为0t/a，片区2 的化学需氧量、氨氮、总磷的削减量分别为94.79t/a、35.22t/a、2.16t/a，片区3 的化学需氧量、氨氮、总磷的削减量分别为202.64/a、76.10t/a、6.96t/a，片区4 的化学需氧量、氨氮、总磷的削减量分别为16.68t/a、17.35/a、1.21t/a。基于水质目标控制入河量，计算的化学需氧量、氨氮、总磷的削减量，具体见表6。

表6 COD、氨氮、总磷的目标控制入河量、现状入河量、入河削减量 单位：t/a

4 水环境综合治理方案

基于上述削减方案，本文针对高明河明城段提出水环境综合治理方案，包括污染治理方案、生态修复方案和河道整治工程方案。

4.1 污染治理方案

截至2019 年底，明城镇污水管网建设相对滞后，仅城镇中心旧城区和明北工业区部分排水主干管已基本建成，城区西部、东北部、城南新区以及工业聚集区（贝斯特工业区）污水管网尚未覆盖。本次污染治理方案主要以提高污水厂处理率和完善污水收集系统为主。根据现状污水收集系统的运行与城市建设情况，该区污染治理方案主要包括：新建管网工程约26 km，进一步完善污水管网工程，实现排水的雨污分流；对32 个未开展分散式生活污水处理的自然村进一步完善农村污水收集及农村养殖污水收集处理设施等。

4.2 生态修复方案

生态修复工程应在污染治理工程之后进行，根据活水流场分析和河道周边环境分析，采用综合措施优化水体基础生境，构建生态系统，改善水质。镇区内水系经整治后，大部分河段为生态驳岸，基本满足两岸雨水滞留要求，仅局部河段存在雨水直排现象。综合现状，明城镇内生态修复主要以引水活化、抛撒有益菌种、曝气增氧等措施为主，恢复河道自净能力，达到水质提升、改善环境的目的。根据现场调查，可选择明城镇高明河的太平圩岛进行试点研究。

4.3 河道整治工程方案

开展辖区内河涌基本情况摸底调查，建立内河涌档案，以水质达标和恢复水体生态自净能力为目标，制定各内河涌“一河一策”整治方案。制定内河涌污染整治计划，滚动实施内河涌整治。建立内河涌整治水质目标和建设任务双目标考核制度，考核结果纳入镇街环境保护责任考核。根据明城镇现状资料，本次河道整治以河道清淤和日常保洁为主。高明河为明城镇主要防洪、排涝渠道，因此不建议采用排干式清淤，宜采用泵吸式水下清淤方式，该方式具有施工简单、适用小型河道施工等特点；各主涌、支涌以及各自然村的排水渠根据整治河段现状特征，非汛期宜采用排干式清淤方式。

5 方案目标可达性分析

5.1 污染物削减量估算

5.1.1 污染治理工程污染物削减量

本方案通过污染治理工程减少污染物排放量，按污染治理效率统计污染物削减量。其中采取新建和完善污水管网使污水最终进入污水处理厂的，其污染物排放量纳入污水处理厂排放量中，削减量按100%估算；对于采取污水处理设施进行处理后排放的，削减量按设备处理效率进行估算。计算污染物产生削减量后，再根据入河系数估算污染物入河削减量，估算结果见表7。

表7 污染治理工程污染物削减量

5.1.2 生态修复污染物削减量

目前我国学者研究了生态修复工程实施前后河流水质变化情况，明确了生态修复工程实施后河流水中的氨氮等污染物浓度会逐渐下降，但其削减量受各生态系统特点影响难以定量。考虑到生态修复在实施时序上位于污染治理工程之后，处于本次实施方案措施的中后期，因此暂不考虑生态修复的削减量，主要考虑污染治理实施工程的污染物削减量。

5.1.3 农田污染源削减量

根据国内相关研究，在保证现有产量的基础上，我国目前普遍过度使用农肥，通过创新施肥方法、运筹施肥时间、调整耕作制度等政策引导和管理措施手段，实现化肥减量，能从源头上减少农田污染物产生量的20%；在采取生态拦截措施后，对于农田径流排水中的氮磷去除率分别可达48%～60%和40%～60%[20-21]。由于农田源头削减是一个长期过程，方案在近期主要考虑生态拦截，远期则考虑源头减量和生态拦截共同作用下的污染物削减。各片区农业面源污染物削减量见表8。

表8 农业面源污染物削减量

5.1.4 水产养殖污染源削减量

根据国内相关研究[22]，采用微电解水质调控、循环水、生物技术应用等生态健康养殖技术，定期使用微生物水质改良剂等措施后，对污染物中化学需氧量、氨氮、总氮和总磷的去除率可分别达到40.0%～73.0%、51.2%～73.0%、21.9%～54.0%和30.0%～60.0%。各片区水产养殖污染物削减量见表9。

5.1.5 林业污染源削减量

根据当地《关于进一步优化森林树种结构工作方案》《桉树林采伐更新管理办法》《清退耕地种植桉树行动方案》等工作要求，对水库集水区范围内桉树缩减比例由2008 年《佛山市高明区桉树种植暂行规定》（明府字〔2008〕56 号）规定的20%提高到100%。明城镇每年缩减桉树种植面积约0.2 万亩，预计10 年内可缩减2.0 万亩。各片区林业污染物削减量见表10。

表10 林业污染物削减量

5.2 方案目标可达性分析

根据上述提出的各片区污染物削减方案，在本次方案提出的各项措施实施后，本次目标均可达，具体分析结果见表11。

表11 明城镇水环境治理目标可达性分析 单位：t/a

5.3 明城镇控制断面水质可达性分析

明城镇主要入境污染量由高明河上游来水（入明城镇前）水质决定，入境污染物由高明河上游来水流入明城镇片区2 计算单元。由上游污染源超标量和污染物削减量可知，上游W10 断面化学需氧量、氨氮均达标，超标量为0，说明上游高明河来水进入明城镇片区2 计算单元的化学需氧量、氨氮入河量不需要进行削减即可满足明城镇水环境容量的要求；上游入境总磷污染严重，入境总磷超标入河量为23.81t/a，占明城镇片区2 计算单元总磷削减量的1104%，说明上游高明河来水的总磷入河量需要进行削减，总磷入河削减量为23.81t/a，削减后才能满足明城镇水环境容量的要求。

6 结 语

本文以问题为导向，将佛山市高明区明城镇作为研究对象，结合现状污染调查和现状水环境监测工作，有针对性地提出总量控制和污染物削减要求，并分析其可达性。本次整治以高明区明城镇主要地表河流为主，整治目标为高明河（沧江河）峰江碑至新圩交界段达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中规定的III 类水质标准。针对确定的整治范围和整治目标，本方案在收集相关政策、规划，现状污染调查以及现状水环境监测的基础上，提出了各片区总量控制和污染物削减要求。为达到整治目标，本方案通过截污治污、完善污水管网、河道整治、实施生态修复措施、控制农业林业面源污染等方式逐步改善整治河道水质，并对整治目标可达性进行分析。方案实施后，入河量均小于允许入河量，整治目标可达。

本次方案仅对研究范围内主要污染物排放情况进行了初步调查和估算，由于明城镇控制断面位于更合镇和明城镇交界处下游约1km 处，而明城镇的主要入境污染量由高明河上游来水（入明城镇前）水质决定，上游入境总磷污染较严重，建议后续对上游污染源现状进行排查。