城市河道断面水质达标正反馈整治模式研究

汪天祥 ，肖许沐 ，闫 超 ，谢海旗 ，彭 湘 ，施 晔

（1.中水珠江规划勘测设计有限公司，510610，广州；2.大连理工大学水环境研究所，116024，大连）

一、城市河道特征

城市河道在形态、下垫面、功能等方面具有自然—人工双重特征，在开展水质达标整治工作时，应系统考虑这些特征。①在自然形态上，基于防洪和经济考虑城市河道通常建有高窄型的堤防，压迫了原有的漫滩地，直接改变了天然河道的行洪过程，硬化的河底使得径流与污染迁移过程进一步加快；同时，岸线内违建、跨河与河内建筑物、沿河垃圾堆放等行为也缩小了天然河道的水力断面，改变了水力与污染蓄积过程。②在河道控制流域下垫面方面，差异也非常突出，天然河道以植被、土体为主，截流、截污能力相对较高，相应的污染源主要来自降雨驱动的流域面源污染；大量的建成区使得天然下垫面被硬化屋顶、路面代替，迫使径流过程加快，污染冲刷能力加强，纵向的污染迁移和垂向的污染沉降关系都发生变化。③在河道功能性方面，自然河道通常作为径流通道存在，城市河道通常在不同的河段具有供水、航道、景观、人文、发电综合功能。综上，受到人类活动影响，城市河道具有弯延伸展性降低、下垫面硬化、空间功能异质性的特征，在进行水质达标整治时应充分考虑这些因素影响。

二、城市河道断面水质达标整治思路

城市河道断面水质超标原因是控制流域内的入河污染物超过了水体的环境容量，本质上是源头产污系统、过程集污系统、末端治污系统三者间的系统失衡导致。因此水质达标整治的思路首先是明确污染来源与水系关系，划定控制流域—子流域—小河道的三级整治片区；然后以水质目标为导向，核算各级片区对应水质目标的环境容量，进而确定各片区入河污染通量；其后，以污染通量为抓手，系统分析已有建设与管理工程基础，对三大系统进行统筹规划，从而将工程规划与水质目标实现有机结合，实现工程进度与水质改善同步，形成水质导向性的正反馈整治模式。

三、污染源与水系关系分析

河道断面水质状态是由控制流域内的点源、面源、内源污染物经各级河道汇入断面以及水体自身的理化生反应决定的。

点源污染主要包括生活废水、工业企业生产废水、散乱污企业废水等，这部分污染源通常由排污口或混排口直接进入河道，是影响城市河道水质的关键；面源污染主要包括农业污染、养殖污染、分散流域内的垃圾、初期雨水等，其分布广、随机性高是整治工作中的难点；内源污染通常是指在河底经长期污染蓄积形成的污染物，研究表明这部分污染物会在杜绝污染直排后仍然对河道水质产生持续性影响，其处理费用高，还涉及防洪安全，在进行水环境整治时需系统考虑。

实际上各级河道就是各类污染源污染物的迁移通道，从源头到支流、干流逐级汇合至目标断面。进行水质达标整治工作时，需系统梳理水系关系，明确各类污染物的迁移过程。值得注意的是，在城市河道中可能存在引、蓄、调水等改变径流过程的工程设施，其污染迁移过程也相应发生变化。因此，需明确水系关系以及干支流上的污染来源与污染量，从而划分控制流域—子流域—小河道的三级整治片区，以便于规划针对性方案，实现整治一片见效一片的目的，为片区式推进水质整治工作提供基础。

四、分级片区允许污染通量确定

通常河道水质目标由行政主管部门根据河道功能与实际情况科学确定，断面水质目标确定后，进一步确定各子流域、2级以上河道的控制水质目标。水质目标确定后，乘以其径流量即可获得各级片区的总污染通量。将其核减掉水质本底值占用的污染通量后，即为允许污染通量，也就是该片区的最大允许排污量。

Q本底污染通量可参考水污染之前历史水质资料或邻近流域的历史水质资料乘以设计流量确定。设计流量参考 《全国水环境容量核定技术指南》（2003），采用近 10 年最枯月/季确定；对于存在将河道作为污水通道，且建有闸门或泵站在雨天强排污水至下级河道的情况，建议考虑丰、平、枯等不同频次下的多种设计流量工况。

各级河道目标水质确定可根据实际情况采用河道控制断面或根据水环境容量进行反算获得。直接采用控制河道断面目标水质作为各级河道控制水质，优点是从源头支流汇入处就保障了水质状态，缺点是工程费用相应提高；采用水环境容量进行反算各级河道目标水质，充分考虑了流域水系结构关系与污染迁移空间过程，但所需资料较多。

由于水动力、水质等多参数分析多级河道的目标水质非常困难，因此采用一种简化的分级河道目标水质确定方法，即根据水环境容量反算各级河道目标水质。

①确定河道控制断面与控制流域内入境河道的目标水质（C入，C控）与流量（q入，q控）。②确定除干流外的各级河道的径流量 （1 级支流q1-1，q1-2，......，q1-n；2 级支流q2-1，q2-2，......，q2-n）， 其流量若无实测信息可以采用流域所占面积比例进行估算。③将直排干流的污染排放口 （此排放口为广义排放口，即垃圾堆、农田等也视为一个排放口），拟合为一条虚拟的1级支流，其空间位置由通量重心法确定，汇入口水质C虚1-0由加权平均法确定，流量q1-0为所有污染排放口排放量相加。④确定流量后，概化各级河道为单一点源输入，即计算某个1级河道时，将这个河道视作干流一个排放口，类似地，计算某个2级河道时，将其作为1级河道的排放口。⑤根据实际情况采用零维或一维模型分别、分级计算各级河道的水环境容量。计算1级河道时无需考虑2级河道影响，将其并入1级河道作为一个总汇口；计算2级河道时以1级河道作为干流。计算方法见《全国水环境容量核定技术指南》（2003），并拟合各级河道汇入口允许的断面水质。值得注意的是，因为这个断面水质是单独计算各级河道的，没有考虑各级河道相互影响，此时各级河道断面水质为虚拟的目标水质，与各级河道的流量相乘，即获得各级河道虚拟允许通量，将其与总虚拟允许通量相除即获得各级河道污染通量的权重。最后用权重乘以实际的允许通量 （公式1），即可获得各级河道的目标水质、允许污染通量、削减污染通量。

五、正反馈式整治方案规划

1.源头产污系统与末端治污系统初判

在确定各级河道的允许污染通量后，进一步核算各级河道的实际排污通量与削减量，以污染通量削减量为抓手，从源头、3级河道、2级河道、1级河道、干流片区，分级、分片区规划建设与管理工程。片区的建设与管理工程规划需以允许污染通量为导向，从源头产污系统、过程集污系统、末端治污系统三个方面规划污染通量削减方案，从而将工程规划与污染通量削减相结合，一个片区、一个单项工程整治完就能够削减设计的污染通量，形成正反馈整治模式，从而避免了盲目上工程、能削减多少是多少的负反馈整治模式。片区理想的状态是源头产污系统的污水全部都经过管网收集进入污水厂、分散式、一体化等污水处理系统，处理达标后进行排放。

此外，需要从总体上评估产污系统的排污量与现有污染治理系统的处理能力是否匹配，如果不匹配应考虑增扩容、新建一体化、分散式等工程措施。同时，由于一级A排放标准氨氮为5 mg/L，总磷为0.5 mg/L，对于目标水质高的河道，其处理后的污水仍然是河道的污染源，甚至有可能超过允许污染通量，因此还需要分析理想状态下，污水都进行处理并按照现有一级A或一级B标准排放，是否满足片区的允许排污量，从而评估、规划污水处理单元提标工程或者处理尾水跨片区调度工程。在初步确定污染末端治理单元规模、标准后，进一步在分析已有建设与管理工程的基础上，规划源头产污单元、污染过程收集单元的整治方案。

2.源头产污系统整治方案

源头产污系统可以划分为点源、面源、内源三大类。

点源污染主要包括生活污水、工业企业污水、废水，主要问题是污水直排、污水错接雨水管、废水错接雨污水管。对于生活污水、工业企业污水直排问题，应在市政道路上新建污水管，并结合用排水情况、路由情况、经济情况、时间情况考虑对用水单元规划地块总口截污或者雨污分流方案，以避免污水直排。对于污水错接雨水管问题需进行整改，将其接入污水管。在生活污水管理方面需强化引导洗涤废水不要导入雨水管、推广节水用具使用等，从源头减少污染排放。在企业排水管理方面，要做好“一厂三口”管理方案，即厂内生活污水进入污水管、生产废水处理达标后根据审批情况确定进入污水管或者直排河道，厂内雨水管严禁接入污水、废水；对于散乱污企业则需要通过强化管理避免污水排放。通过对企业的用水、用电情况进行系统分析，筛选出重点工业企业，核算其污染通量，采用巡查、在线监测等方式进行重点监管。

面源污染主要包括初期雨水、农田污染、养殖污染、河道垃圾、垃圾填埋场等。其中初期雨水问题是水质达标整治工作难点，一般将5～10 mm初期雨水作为径流污染源，取值过大则相应工程费用增加，取值过小则污染处理效果降低，通常采用人工湿地、初期雨水截流装置进行整治。日本有将地下人防工程作为初期雨水的成功案例，我国广州市也开展了部分试点，系统结合城市规划进行整治是今后的整治方向之一。农田污染、养殖污染、河道垃圾等主要通过强化管理推广测土施肥、严控用地规划、产业转型、河长制保洁等措施进行整治。垃圾填埋场需要规划渗漏液整治、填埋等综合整治方案。

内源污染即河道底泥污染，常用的整治方式是清淤和原位修复。清淤可以彻底消除内源污染，但费用较高；原位修复费用较低但容易造成二次污染。实际上底泥具有污染源—污染汇集双重属性，在上覆水体污染浓度低的时候会成为污染释放源；在上覆水体污染浓度高的时候反而会吸附水体中的污染物，成为污染汇集的载体。因此，还需返回到污染通量，进行一定的模拟实验，评估判断其对河道污染通量的贡献，从而制定相应整治方案。

3.过程集污系统整治方案

过程集污系统是产污单元和治污单元的连接环节，也就是通过管网系统将源头污水输送至污水厂或一体化、分散式等水处理系统，从而实现污染通量的削减。主要存在的问题是污水漏接、外水混入，具体表现为市政道路上的管网覆盖不全、雨污水错混接、管网淤积破损、小河道或暗涵作为污水通道。对于管网覆盖不全问题，需要进行管网摸查并对已有工程现状与规划、用排水现状、远期用排水规划进行系统分析，确定新建管网工程规模；个别管网实在难以覆盖的，统筹考虑采用分散式或一体化进行集中处理。对于雨污水错混接、管网淤积破损等问题需结合管网摸查、探测、检测工作，逐个制定修复方案，减少外水渗入。对于小河道与暗渠作为收集系统组成的情况，需结合管网摸查成果从源头即开始实施整治工程，相关工程措施在源头产污系统整治中进行规划。

值得注意的是，沿河两岸的排口尽管从感官上看是直排污染的污染源，实际上是管网的末端出口，是管网系统组成，相应的整治工程也应在污染过程收集系统中进行规划。在管网摸查时需同步进行排口的溯源工作，并将两部分成果进行整合。源头地块截污和雨污分流整治后，排口没有污染物排放的可以进行封口；其中有一类溢流式截流井在雨季时容易倒灌，使河水进入污水管，需统筹规划，并考虑设计限流器、拍门等控制外水进入。此外，在管理方面可建立一体化管网管理系统，监测管网运行状态，提升管网运维水平。

4.末端治污系统整治方案

在初步规划污染末端治污系统的规模、处理标准后，反过来还需结合源头产污系统、过程集污系统的建设与管理规划，将整个流域的一体化、分散式、污水厂等处理措施进行复核，优化确定末端治污系统的规模与处理标准。同时，在管理方面需强化对处理系统的进出水质、进水负荷进行监管，以保障按照设计工况运行。重复上述过程即可确定各个片区的整治方案。

5.片区式分阶段实施计划与效果评估

确定各片区建设与管理工程后，根据各片区的削减污染通量，确定出污染贡献大的片区优先整治，在片区内部再根据各单项或组合工程削减污染通量确定优先实施的工程，从而确定重点片区、重点产污单元、重点集污单元。进一步结合实际的河道水质达标期限倒排各片区、各项工程时间节点，实现工程编号管理并明确责任主体。在具体实施上各项建设与管理工程以小流域片区为单元推进，在通水工程方面以污水处理单元为系统推进。

为促进实施计划有效推进，同时注重工程进度与效果评估，将片区建设与管理工程进度、通水工程进度、各级河道的水质、污水厂（一体化、分散式等）进水浓度与负荷进行科学评估，及时发现存在问题，优化整治方案。

以污染通量为抓手，强化效果评估，有序推进各片区的建设与管理工程，从而实现工程与水质效果改善同步，形成正反馈整治模式。

六、结 论

城市河道整治是一项系统工程，与其控制的整个流域有关，城市河道断面水质超标问题的关键在于源头产污系统、过程集污系统、末端治污系统的失衡。需要以水质目标为导向、污染通量为抓手，因地制宜规划三大系统在控制流域—子流域—小河道三级片区上的建设与管理工程及实施计划，并强化进度与效果评估，从而将工程规划与水质改善目标有机结合，形式正反馈整治模式。