基于北京清河流域水质提升的入河排污口排放要求确定策略研究*

覃 露 叶维丽 韩 旭# 郭送军 陈荣志 张 帆

(1.广西大学资源环境与材料学院，广西 南宁 530004； 2.生态环境部环境规划院京津冀区域环境联合研究中心，北京 100012； 3.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049；4.北京市水科学技术研究院，北京 100048)

入河排污口是连通岸上和水里、陆地和海洋的关键环节。2018年国家机构改革将入河排污口设置管理职责划入生态环境部后，为“受纳水体—排污口—排污通道—排污单位”全链条管控体系的建立提供了条件[1]，也为中国在流域断面汇水单元层面开展基于水质目标的入河排污口排放限值研究提供了基础[2-3]。通过对入河排污口排放浓度及排放总量限值进行管控，有利于研究最大日负荷总量(TMDL)制度在中国小流域实施的可行性，探讨在中国实施基于流域水质目标的入河排污口排放标准与排污许可的路径。

中国的水污染物排放标准体系分为国家和地方两级标准体系[4]。近年来，许多地方积极制定地方流域型排放标准，目前全国已有31个流域制定了地方流域型排放标准。流域型排放标准以流域水质改善需求为依据确定排放标准，通常仅对污染源提出排放浓度限值要求，未直接与入河排污口管理关联[5-6]。本研究认为，入河排污口是污染源与流域水质联结的节点，流域型排放标准应当以入河排污口为节点实现水质与污染物排放响应。

确定了入河排污口排放标准并不能完全管控入河排污口污染物排放总量，还需要根据入河排污口距离考核断面位置、排放水量确定入河排污口排放总量限值，落实于污染源许可排放量，作为约束污染源排放的依据[7-8]。排污口排污许可证申请与核发技术规范基本上是以行业排放水平为依据核定许可排放量，未考虑与水质衔接。固定源污染排放与流域水质改善需求的衔接，应通过理顺入河排污口与排污单位出厂界排污口关系，落实排污单位执行流域排放标准、“一企一策”的排放管控要求与水功能区的限制排放总量要求的连结，且通过考虑断面水质目标及流域排放标准的排污许可证“2.0版本”予以完善[9-10]。

本研究以北京清河流域大有庄北里至火沙路河段为例，开展流域的水质目标与排放限值模拟，从而确定基于流域水质目标的研究河段入河排污口排放要求确定策略，包括排放限值要求及排放方式管控。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

清河位于北京北部，发源于西山碧云寺，流经海淀区、朝阳区和昌平区，于顺义区汇入温榆河。流域全长28.69 km，流域面积174.8 km2，年平均降水量约672 mm，全年80%～90%的降水量集中在6—9月。清河是北京北部雨水和污水的主要受纳水体，长期以来直接受纳肖家河、清河等污水处理厂出水补给，基本丧失水生态功能[11-12]。作为城市重要的景观河道，清河在北京城市发展总体布局上具有重要战略地位。清河上游经过商业区和居民区，下游经过郊区及待开发区域，主要受人为活动影响。流域污水直排导致水体常年处于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)劣Ⅴ类，近几年水环境状况虽有所改善，但为保持流域生态系统健康、适应城市发展需要，对流域入河排污口排放要求的管理研究仍十分必要。

1.2 数据来源及分析

对研究河段入河排污口进行实地摸排，确定了4个污水处理厂入河排污口(编号N3、N6、S14、S16)；6个生活污染源入河排污口(编号N2、N5、S2、S3、N7、N9)；12个其他污染源入河排污口(编号S1、N1、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S11、S15、N10、N11)；设计了5个河道断面(编号Q1～Q5)，其中上游入水、下游出水断面分别为Q1、Q5。

研究河段采样点水质采样与水量监测同步开展，采样周期为15 d，采样时间为2019年3—10月，采样次数共12次。12次采样中，某些采样点的COD、氨氮、TN和TP超过GB 3838—2002 Ⅴ类标准(限值分别为40、2.0、2.0、0.4 mg/L)，其余指标均满足Ⅳ类标准(限值分别为30、1.5、1.5、0.3 mg/L)，为重点关注流域水质污染状况，本研究将讨论指标确定为COD、氨氮、TN和TP。由表1可见，根据GB 3838—2002，27个采样点中，COD平均值有8个采样点符合Ⅲ类标准(限值20 mg/L)；氨氮平均值有18个采样点符合Ⅲ类标准(限值1.0 mg/L)；TN平均值均不符合Ⅴ类标准；TP平均值有12个采样点符合Ⅲ类标准(限值0.2 mg/L)。

1.3 研究方法

1.3.1 模型选择

采取流域水动力模型对入河排污口—水质响应关系进行模拟。在流域污染源模拟层面，SWAT、QUAL2K、WASP、WARMF和MIKE11等相对成熟的水质模型较常用[13]。MIKE11模型适用于各时刻河道断面的水位和流量均较稳定的河流，在一维水模拟领域具有很好的模拟效果[14]。张美英[15]在浑河流域采用该模型对流域水量水质进行了模拟；熊鸿斌等[16]在十五里河流域采用该模型对流域水质改善方案进行了模拟。研究河段为城市景观河道，流域稳定性较好，故选用MIKE11模型进行流域入河排污口排放要求确定策略研究。

1.3.2 模型构建

水动力模型的外边界条件包括研究河段上下游边界，雨污水排放口及污水处理厂退水口均概化为内边界条件。水质模型中所有的外边界条件、入河排污口和污水处理厂退水口内边界条件采用人工实测数据，雨水排放口内边界水质条件采用潘国庆等[17]对中国北方典型城市纯雨水、屋面径流、小区路面径流及城市街道径流的经验数据，即COD、氨氮、TN、TP分别为30、1.25、2.5、0.1 mg/L。

表1 研究河段采样点各指标实测平均值

1.3.3 参数率定

使用Q5断面2019年3—10月入河排污口及断面实测数据对水动力模型参数率定，研究河段基本糙率采用经验值0.031。经率定验证后，COD、氨氮、TN和TP的纳什效率系数(NSE)分别为86.05%、86.32%、60.98%、83.10%，模型拟合效果较好。

2 结果与分析

2.1 模拟情景

2018年，入河排污口设置管理职责转隶后，国家开始了入河排污口清理整治。根据生态环境部的清理整治要求，城镇污水收集管网覆盖范围内的排污口，其排放污水能被污水集中处理设施有效处理的均应予以封堵，截污纳管后由集中处理设施进行处理。2019年，北京开展水环境防治工作，提出入河排污口整治试点，对入河排污口进行封堵处理及严格要求。基于对入河排污口的清理整治要求，研究分3个情景对研究河段入河排污口排放要求进行模拟：

(1) 情景1：截污纳管，将Q1、Q5断面之间城镇污水收集管网覆盖范围内的生活源入河排污口进行封堵，生活污染源入河排污口污水通过截污纳管由污水处理厂进行集中处理后排放。分析加强研究河段入河排污口管控后，入河排污口对河段水质的污染影响。

(2) 情景2：基于研究河段排放目标的排放要求，对研究河段污染物排放量较大的入河排污口各研究指标进行提标改造。目前，研究河段执行GB 3838—2002 Ⅳ类标准，排入Ⅳ、Ⅴ类水体的城镇污水处理厂执行北京《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB11/890—2012)B标准。Q5断面基本满足GB 3838—2002 Ⅳ类标准，但不满足Ⅲ类标准。分析对污水处理厂入河排污口各指标提标改造至GB 3838—2002 Ⅲ类标准后，研究河段能否满足Ⅲ类水质目标。

(3) 情景3：研究河段为典型的北方缺水型河流，干旱少雨，水资源匮乏，河流闸坝众多，水流缓滞，主要以上游污水及雨期雨水补给为主[18-19]。该情景通过分雨期和非雨期提出入河排污口排放浓度管控要求，研究降雨对研究河段水质的污染影响。

2.2 模拟方案

为加强入河排污口治理工程建设，对3个情景进行组合分析，分析不同的入河排污口管控方案是否能满足研究河段水质目标，以及管控方案实施后研究河段水质的变化情况并提出相关建议。

(1) 方案1：截污纳管方案。单纯实施情景1，分析对研究河段城镇污水收集管网覆盖范围内的生活污染源入河排污口进行封堵和截污纳管后，其余入河排污口对河段水质目标影响。

(2) 方案2：截污减排方案。在方案1执行后，研究河段未符合执行标准的情况下，同时实施情景1+情景2。在方案1的基础上，进一步对研究河段污水处理厂入河排污口提出更严格的排放要求。研究分析截污减排方案对研究河段污染物削减及水质目标达标情况。

(3) 方案3：基于研究河段特征，考虑雨期的截污纳管及截污减排方案。同时实施情景1+情景2+情景3，分别讨论雨期和非雨期情况下，截污纳管及截污减排方案对研究河段水体的污染影响。

2.3 策略分析

对研究河段入河排污口方案1、方案2模拟后，Q5断面的COD、氨氮、TN和TP模拟值变化趋势见图1。方案1模拟后，Q5断面各指标模拟值与原始模拟值趋势对比无明显变化，大致满足GB 3838—2002 Ⅳ类标准，均未满足Ⅲ类标准。生活污染源入河排污口经截污纳管进入污水处理厂处理，由于生活污染源入河排污口产生的污染负荷低，经截污纳管后，Q5断面各指标浓度无明显变化。由此可知，对河段污染负荷低的入河排污口进行截污纳管，对河段水质状况影响不大。

方案2模拟后，研究河段水质状况明显改善，Q5断面的COD、氨氮、TN和TP模拟值比方案1低，分别降低49.08%、61.27%、65.80%、63.86%。除TN外，其余指标基本满足Ⅲ类标准。原始及方案1模拟后，各指标均在8月15日出现一突变点，经方案2模拟后，该突变点消失。在原始及方案1模拟时，8月为汛期，入河排污口排放水量较其他月份大，水体污染负荷随之增大，由此该月指标浓度模拟值变大，产生突变点[20]；方案2模拟时，生活污染源入河排污口关停，污水处理厂入河排污口提升至Ⅲ类标准，Q5断面污染负荷减小，突变点消失。

Q1断面、Q5断面、污水处理厂入河排污口以及生活污染源入河排污口在原始、方案1和方案2模拟下，各指标的排放总量见表2和表3。与方案1相比，方案2下Q5断面COD、氨氮、TN和TP排放总量分别削减了541.95、46.13、216.79、8.30 t/a，入河排污口截污减排对研究河段水质具有明显的污染物削减效果。根据前期调研，在实际生活中仅通过污水处理厂提标改造而达到研究河段水质目标的做法无法实现，且不具备经济技术可行性，应该通过生态手段如人工湿地建设等，整体降低研究河段污染物浓度以满足河段水质目标[21]。

由图2可知，方案1下，Q5断面COD、氨氮和TP在雨期、非雨期大部分时间均能满足GB 3838—2002 Ⅳ类标准；方案2下，各指标污染浓度均在Ⅲ类标准限值处波动。在相同方案下，雨期各指标排放浓度高于非雨期，原因是雨期降雨量增多，带来更多的面源污染入河，从而加剧出水断面污染物浓度。因此，做好雨期入河排污口的管控，应科学控制入河排污口污染。结合研究流域污染现状及特点，可执行以下管控措施：(1)对城市排水管网进行雨污分流，通过雨水管网对雨水进行科学管理，将雨期面源污染的管控集中于污染的源和汇[22]。(2)雨期时，应加强雨污管道的维护，加密入河排污口监测频次。(3)雨期和非雨期对入河排污口执行不同的排放限值要求。雨期时，各污水处理厂入河排污口应执行DB11/890—2012 A标准，其他入河排污口各指标保持满足GB 3838—2002 Ⅳ类标准；非雨期时，各污水处理厂入河排污口保持执行DB11/890—2012 B标准，其他入河排污口各指标保持满足GB 3838—2002 Ⅳ类标准。

图1 研究河段治理方案实施后各指标的质量浓度模拟值Fig.1 Simulated values of mass concentration of various indicators after the implementation of river reach control plan

表2 断面及污水处理厂入河排污口各指标排放总量

表3 生活污染源入河排污口各指标排放总量1)

图2 雨期、非雨期Q5断面不同方案各指标质量浓度模拟值Fig.2 Simulated values of the mass concentration of each indicator in different schemes in Q5 section during rainy and non-rainy periods

3 结 语

(1) 基于MIKE11模型建立了清河的水动力水质耦合模型，模拟分析不同情景组合方案的水质改善结果。结果表明，Q5断面COD、氨氮和TP基本能达到GB 3838—2002 Ⅳ类标准，若需进一步提升到Ⅲ类，入河排污口需制定更严格的指标浓度限值，才能基本满足断面目标要求。清河中的TN污染较严重，经管控方案模拟后，污染物排放量明显降低，但Q5断面仍未满足GB 3838—2002 Ⅲ类标准。原因为断面水质考核通常不评价TN，因此对河流入河排污口的TN污染削减通常被忽视。

(2) 当河段入河排污口污染负荷较低时，截污纳管方案对河段水质影响不明显；基于河段污染负荷低的入河排污口进行截污纳管的基础上，对污染负荷高的入河排污口进行提标改造，对河段水质有显著影响。与方案1相比，方案2下Q5断面COD、氨氮、TN和TP排放总量分别削减了541.95、46.13、216.79、8.30 t/a。实际生活中，入河排污口提标至水质目标无法实现，且不具备经济技术可行性，应当考虑通过生态手段如人工湿地建设等提升流域水质。

(3) 对于上游来水补给不足、主要依赖雨水补给的河流而言，雨期雨水汇入河段后，各污染物达标情况反而恶化，原因是雨期雨水将会带来更多的面源污染入河。应通过对城市排水管网进行雨污分流；雨期加强雨污管道的维护，加密入河排污口监测频次；对雨期及非雨期入河排污口执行不同的排放限值要求等措施，削减雨期入河排污口对流域水质的污染影响。