基于氨氮的金川河水质达标方案分析

朱国忠，李 郁，喻 石

（1.南京水利科学研究院；2.南京瑞迪建设科技有限公司，南京 210029）

近年来，随着我国经济的快速发展，城市排污规模不断增大。而当前的环境设施已经无法满足排污治污的需要，大量污染物入河。消除劣V类入江支流是南京市水环境治理攻坚战中的一场硬仗。金川河斜穿南京市主城北部，流域主要覆盖老城区，人口密集、情况复杂，治理难度最大。金川河宝塔桥断面为省水质考核断面，对这一典型位置开展流域水质达标分析有助于弄清污染来源，为开展水环境提升工程、改善区域生态环境奠定基础。

1 研究区概况

1.1 地理概况

金川河发源于南京市的鼓楼岗和清凉山北麓，并与玄武湖相通，下游经宝塔桥入长江。金川河全长37.78 km，流域面积为59.32 km2。内金川河分为主流、东支、中支、西支及老主流。外金川河水系由西北护城河、城北护城河以及内金川河在金川门汇合而成，通过外金川河入江，沿途南十里长沟、张王庙沟、大庙沟、二仙沟直接或通过闸门接入城北护城河及外金川河。此外，外秦淮河和金川河由西北护城河相连接，但西北护城河与外秦淮河相连处由小桃园泵站控制，小桃园泵站平时不开机，水体交换较少，因此可将两者分割考虑[1]。

1.2 水质概况

金川河各条支流2018年1-5月月均氨氮水质监测结果如图1所示。根据南京市环保部门提供的内金川河水系和外金川河水系2018年1-5月水质监测数据进行水环境质量评价，结果如下：溶解氧均达到地表水环境质量Ⅴ类标准，部分月份达到Ⅳ类标准；透明度月均值保持在30～60 cm；pH值均处于6～9，满足地表水环境质量Ⅴ类标准要求；各断面的氨氮均超过地表水环境质量Ⅴ类标准限值，为劣Ⅴ类，统计期间内金川河东支、中支及内金川河老主流、外金川河水质氨氮月均值的平均值在4.0～6.8 mg/L，内金川河西支、金川河主流、城北护城河水质次之，氨氮月均值的平均值在3.0～4.0 mg/L。

图1 各条支流2018年1-5月月均氨氮水质监测结果

从检测结果看，内金川河东支、中支、西支、老主流、金川河主流、外金川河、南十里长沟主流、城北护城河、西北护城河水质为劣Ⅴ类，张王庙沟、南十里长沟一支水质未能稳定达到Ⅴ类。各河道水质主要超标因子是氨氮。

2 污染因子计算方法

2.1 水质因子选取

允许排放量是对排污口所规定的污染物最大排放量，是落实污染物总量控制的重要手段[2]。氨氮是水体主要的耗氧污染物，氨氮中的非离子氨是引起水生生物毒害的主要因子，氨氮浓度过高可造成水体富营养化[3]。氨氮是控制水体含氮有机物污染和保护水生态系统的一个关键指标，同时氨氮也是减排的约束性指标[4]。根据此原理分析宝塔桥断面水质状况，水质因子选取污染较为严重的NH3-N进行研究，水质目标分析以此为主要计算指标。

2.2 项目边界条件

为确保宝塔桥断面水质达标，金川河流域内各支流水质完成治理目标，本次研究范围以外汇入的水体水质须达到V类及以上水质标准，且不劣于现状水质。

2.3 污染负荷分析

入河污染源主要包括点源、内源和面源三大类。

2.3.1 点源污染负荷

点源污染包括37个排口、方家营塘雨污水泵站及1座污水处理厂。

（1）排口。根据鼓楼区管线图，结合排口溯源资料，确定排口上游服务范围，根据服务范围内人口总量以及南京市人均用水定额（《城市给水工程规划规范》（GB 50282—2016）），确定服务范围内综合用水量。污水量采用用水量的90%，总变化系数根据污水量取2.0～2.3（《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）），考虑到本工程雨污水管网系统错接、混接现象较多，未纳入污水管网系数取0.2（经验数值，如盐城采用0.25，淮安采用0.15），得到排口外排污水量。

（2）泵站。方家营泵站将方家营塘中的雨污水向外抽排至外金川河，约为8 000 m3/d。

（3）污水处理厂。城北污水处理厂设计规模为30万m3/d，实际已超负荷运行。出水水质经过提标改造，NH3-N浓度可达地表水V类水质标准。由于城北污水处理厂目前出水水质不稳定，并且并对宝塔桥断面水质影响较大，因此本次分析不考虑城北污水处理厂，只要求其尾水出水水质不劣于现状出水水质。

2.3.2 内源污染负荷

内源污染为底泥中污染物释放引起的二次污染，底泥与上覆水之间不停地进行着物质交换，其对生态系统的危害以有机物和重金属为主，溶解于水中的污染物浓度在很大程度上要受到底泥的影响。在动水条件下，水体中淤污泥颗粒以悬浮释放为主，淤污泥中蓄积污染物的动态释放速率与流速基本呈指数增长关系，释放速率可以表示为：

式中，R为释放速率，mg/（m2·d）；U为流速，m/s；α为流速修正系数，取值范围为0.003～0.006；a、b均为参数。

含有丰富氮、磷的淤泥成为水体潜在性内源性污染源，将促进水体富营养化。流域内河流流经城市，河道形状大多为矩形河槽，且下游均建设有闸控制水位，河道流速相差不大，本次内源污染负荷估算中NH3-N释放速率均取值132.76 mg/（m2·d）。以氨氮为特征指标，估算河道内源污染负荷结果，如表1所示。

表1 内源污染产生量估算

2.3.3 面源污染负荷

面源污染产生路径的实质是污染物从土相向水相迁移转化的过程[5]。面源污染主要包含城市面源污染及农田面源污染，根据实际调查，金川河周边并无农田用地，该部分污染量仅考虑城市面源污染，即降雨径流污染。

2.4 水质响应关系建立

综合上述各污染来源，建立控制断面水质与上游来水的水质响应关系，表示为：

式中，C支流1为支流来水污染负荷；W为排口污染负荷；D为底泥污染负荷。

计算时，应遵循从上游到下游、从支流到主流的顺序进行，先建立上游、支流的水质响应关系，再建立下游、主流的水质响应关系。

3 污染负荷量计算

城北护城河来水主要包括南十里长沟、张王庙沟及玄武湖补水，玄武湖补水流量按照设计补水规模进行计算，补水水质取多次监测的平均值。南十里长沟、张王庙沟汇入流量根据该支流来水流量及沿程污染源汇入流量得出，汇口处NH3-N浓度采用鼓楼区水务局2018年1-5月份监测数据并取平均值计算。其间汇入点源污染主要考虑中央门桥排口及未知污染源，河道内源污染考虑底泥释放面积60 900 m2。计算时将入河污染源负荷分为源项及沿程污染负荷，源项为上游来水及河道补水量，沿程污染负荷包括排口、未知污染源及底泥污染释放量（见表1），按照上述计算边界条件，推算城北护城河污染负荷量结果，如表2所示。同理可得，其他各河道污染负荷量结果如表3至表9所示。

表2 城北护城河污染负荷量

表3 内金川河西支污染负荷量

表4 内金川河老主流污染负荷量

表5 西北护城河污染负荷量

表6 内金川河东支污染负荷量

表7 内金川河中支污染负荷量

表8 内金川河主流污染负荷量

表9 外金川河主流污染负荷量

根据上述计算统计，流域污染负荷总量约为1 437.22 kg/d。其中，城北护城河污染负荷量为519 kg/d，占污染物总量的36%；西北护城河污染负荷量为342.23 kg/d，占污染物总量的24%；内金川河主流污染负荷量为218.7 kg/d，占污染物总量的15%；外金川河污染负荷量为358.38 kg/d，占污染物总量的25%，如图2所示。

图2 污染负荷总量分布

在各河道污染负荷总量分析的基础上，去除各河道上游来水污染负荷的影响，可得沿程污染负荷入河量，具体数据如表10、图3所示。

表10 沿程污染负荷入河量

图3 沿程污染负荷分布

4 水质达标分析

4.1 水环境容量及水质提升方案分析

根据上述计算结果分析，宝塔桥断面流量3 494.63 L/s，按《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）对Ⅴ类水的规定限值，该断面允许污染负荷量为603 kg/d，即金川河流域河道污染负荷超标量约834 kg/d。实施控源截污工程，可削减污染负荷约430 kg/d；实施底泥清淤工程，可削减污染负荷约17 kg/d；实施生态修复工程，可削减污染负荷约48 kg/d。生态补水5.5万m3/d，在保障生态基流的同时，可增容110 kg/d，尚余229 kg/d的污染负荷需要削减，原因是城北护城河、南十里长沟等支流水质尚不能满足V类水质标准，需尽快组织治理。

4.2 合理性分析

本次水质目标可达性分析仅考虑晴天条件、无面源污染汇入时的水质目标可达性。对于城北污水处理厂尾水，由于其水质尚不稳定，且水量较大，位置处于宝塔桥断面上游，对宝塔桥断面水质达标影响较大，本次分析未将其纳入。为保证宝塔桥断面水质稳定达标，需保证其尾水出水水质不劣于现状出水水质。总体而言，文中计算较为综合地考虑了区域水功能区允许污染负荷容量和控制断面水质要求，得到的污染负荷计算结果较为合理。

5 结语

在研究河流内部污染负荷排放总量满足允许污染负荷控制要求的基础上，本文结合水质响应关系计算得到各河段、排污口和底泥主要污染物排放量，为合理制定水质提升工程方案、制定污染物削减量计划提供了参考，计算结果较为合理。若保证宝塔桥断面水质达标，需对城北护城河、南十里长沟等支流进行治理，对其进行合理的排污量削减，强化整个区域的统筹管理，完善制度、增强执法力度，使全流域污染负荷不超标。