TMDL计划在茅洲河水环境综合治理中的应用

韩铠御 王正发 陈华瑜

(中电建生态环境集团有限公司，广东 深圳 518105)

茅洲河位于珠江三角洲东南部，跨越深圳、东莞两市，发源于深圳市境内的羊台山北麓，由南向北，最终汇入伶仃洋，总流域面积388.23km2，干流全长约41.61km，感潮河段长约13km。茅洲河流域水环境治理是深圳市黑臭水体治理工作的重中之重，中央、省、市都对茅洲河水环境治理提出了明确要求：2019年底前，全面消除黑臭水体，2020年国控断面水质达到地表Ⅴ类水标准[1]。为准确判断茅洲河水体污染源头，对河流水污染治理提出精细化控制建议，科学合理地制定茅洲河流域水环境综合治理措施，非常有必要开展茅洲河最大日负荷总量(TMDL)计划研究。

TMDL是指在满足水质目标的条件下，水体能够接受的某种污染物的最大日负荷总量[2]。该研究的目的之一就是将可分配的污染负荷分配到各个污染源(包括点源和非点源)，同时要考虑安全临界值和季节性变化，从而采取适当的污染控制措施来保证目标水体达到相应的水质标准，是国际上最具有代表性的流域负荷总量控制技术体系。TMDL计划由美国国家环境保护局于1972年在《清洁水法》中提出，对美国各个州的水域水体的水质标准和相应的TMDL计划的制定和实施都作了具体的规定。TMDL计划的执行过程包括：识别水质受限制的水体，按优先顺序确定水质指标，最大日负荷总量的确定及分配，执行控制措施，评价水质控制措施[3-5]。目前，美国很多州都对其行政区域内的水质受限水体制定并实施了TMDL计划，这对其受限水体的水质改善发挥了明显作用。

1 茅洲河TMDL计划

1.1 水质受限水体的识别

水质受限水体是指即使实施了一定的水污染控制措施后，仍无法满足水质目标的水体[6]。根据水质监测资料，茅洲河流域污染严重，干流、支流水质均为劣Ⅴ类，主要超标因子有氨氮、总磷、溶解氧、化学需氧量、五日生化需氧量、阴离子表面活性剂、高锰酸盐指数、氟化物和石油类等。其中氨氮、总磷、化学需氧量等指标超标最为严重，2015年底，茅洲河共和村断面(国家考核断面)化学需氧量、氨氮和总磷浓度分别为65.53mg/L、21.52mg/L和4.49mg/L，分别超标10.76倍、11.23倍和1.64倍。

茅洲河流域干支流水体治理前(以2015年为基准)被认定是水质受限水体，主要原因是化学需氧量、氨氮、总磷等指标严重超标。

1.2 确定水质目标

根据茅洲河治理分阶段水质目标要求，并考虑茅洲河流域资料条件，确定茅洲河流域TMDL方案研究受限水体水质指标为化学需氧量、氨氮、总磷，具体数值目标见表1。

表1 茅洲河流域TMDL方案水质数值目标 单位：mg/L

1.3 水文分析

TMDL计划中需要建立模型，模拟出河道每日流量。本研究对水文分析进行简化，根据《广东省水文图集》，查得茅洲河干流多年平均径流深850mm，不含石岩水库的集雨面积为344km2，从而估算出茅洲河每日平均总水量80.11万m3。

1.4 污染源调查和污染负荷计算

1.4.1 点源污染

点源污染来自生活污染源和工业污染源。根据《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》，查得深圳市、东莞市生活源污水污染物人均产生系数，按照流域内的人口数量核算其生活污染排放量[7]；根据茅洲河流域工业废水排放情况，结合工业企业水质监测结果，对流域内工业源进行核算[8]，得到2015年茅洲河流域点源污染物日负荷量，见表2。

表2 茅洲河流域点源污染物日负荷量 单位：t/d

1.4.2 面源污染

面污染源主要受降雨径流条件和地表污染物积聚数量的影响。前者取决于降雨量、降雨强度、地表透水性，后者取决于土地使用功能、土地利用类型等人类活动强度和方式[9]。面源污染量通常采用经验公式估算：

W=∑AiBi

(1)

式中：W为面源污染负荷总量，t/a；Ai为第i种土地利用类型的面积，km2；Bi为第i种土地利用类型污染物输出速率，t/(km2·a)。

根据文献资料[10-12]给出的不同土地利用类型情况，得到各类地表类型输出污染物的速率参数，见表3。

表3 不同土地利用类型污染物面积输出速率 单位：t/(km2·a)

结合茅洲河流域土地利用类型资料，根据以上方法计算2015年茅洲河流域面源污染年负荷量，见表4。

表4 茅洲河流域面源污染日负荷量汇总 单位：t/d

1.4.3 内源污染

根据茅洲河环保清淤量，研究得到茅洲河内源污染物释放规律，测算出茅洲河流域底泥每年释放氮59.94t，底泥中有机质、氮、磷平均含量分别为33371.00mg/kg、1871.20mg/kg、1256.55mg/kg，从而可估算得到2015年茅洲河内源污染负荷量，即化学需氧量为1122.98t，氨氮为59.94t，总磷为42.28t。

1.4.4 污染负荷总量

根据以上分析，汇总得到茅洲河流域2015年污染物日负荷量，见表5。

表5 茅洲河流域2015年污染物日负荷量 单位：t/d

1.5 最大日负荷总量计算和分配

由于茅洲河长期处于重度黑臭状态，河道自净能力可以忽略不计。因此根据阶段性水质目标和水文分析结果，计算得到茅洲河最大日负荷总量，见表6。

表6 茅洲河最大日负荷总量 单位：t/d

为在规定时间达到水质目标，需要将污染负荷在点源、面源和内源之间进行分配，从而提出合理的综合治理措施。污染负荷计算公式如下：

TMDL=∑WLAi+∑LAi+P+MOS

(2)

式中：TMDL为最大日负荷总量，t/d；WLA为允许的点源污染日负荷量，t/d；LA为允许的面源污染日负荷量，t/d；P为允许的内源污染日负荷量，t/d；MOS为安全临界值，t/d。MOS用于表征污染负荷与收纳水体水质之间的不确定关系，根据美国国家环境保护局的推荐值，取TMDL的10%。点源、面源、内源污染负荷削减量根据2015年污染负荷比例进行分配，结果见表7。

表7 茅洲河污染负荷削减目标分配 单位：t/d

2 污染治理措施和实施效果评估

2.1 治理措施

根据茅洲河TMDL削减目标，要实现水质目标，最重要的是削减点源污染。考虑到阶段性水质目标的考核要求，茅洲河治理分阶段采取了多种治理措施：2016—2017年综合整治阶段，实施了沿河截污工程和雨污分流工程等，主要是通过织网成片建立污水干管系统，同时建设沿河截污管作为临时兜底措施；2018年实施了正本清源工程，实现小区污水收集进入污水系统；2019—2020年实施了全面消黑工程，通过河道暗涵和小微水体清淤、排水口整治、老旧管网清淤和改造、遗漏正本清源小区补充完善等措施查漏补缺，实现全面雨污分流。

面源污染削减也是实现水质目标所不可缺少的。考虑到面源污染的特点，主要采取对面源污染产生的源头进行控制和管理的方法，包括初期降雨径流污染控制、农业面源污染控制、畜禽养殖面源污染控制、垃圾处理处置、重点面源污染整治等措施。

内源污染占污染负荷总量的比例较低，但由于茅洲河长期处于黑臭状态，河道底泥中有机质、营养盐、重金属污染严重[13]，在一定情况下可能会释放出来造成二次污染，影响河道水质，因此有必要开展底泥环保清淤和处理处置工作。茅洲河综合治理措施见表8。

表8 茅洲河综合治理措施

2.2 基于消除黑臭水体目标的实施效果评估

为验证2017年底是否达到消除黑臭的水质目标，选取2018年全年月平均最大日负荷量和实际日负荷量进行分析。2018年TMDL与考核断面实际平均日负荷对比见图1。2018年各月的考核断面实际平均日负荷均小于基于消除黑臭水体目标的最大日负荷(TMDL)，由此证明茅洲河经过2016—2018年的综合整治，旱、雨季均能够控制污染负荷总量不超标，实现了消除黑臭水体的目标。

图1 2018年TMDL与考核断面实际平均日负荷对比

2.3 基于地表Ⅴ类水目标的实施效果评估

为验证2020年底是否能达到消除黑臭的水质目标，选取2020年全年月平均最大日负荷和实际日负荷进行分析。2020年TMDL与考核断面实际平均日负荷对比见图2。由此证明，2020年各月的化学需氧量、氨氮、总磷等考核断面实际平均日负荷均小于基于消除黑臭水体目标的最大日负荷总量(TMDL)，旱、雨季均能够控制污染负荷总量不超标，实现了地表Ⅴ类水的水质目标。

图2 2020年TMDL与考核断面实际平均日负荷对比

3 结 语

本研究根据TMDL的相关方法和流程，基于水质受限水体识别、确定水质目标、水文分析、污染源调查和污染负荷计算，制定了茅洲河TMDL计划。并根据茅洲河TMDL目标，提出了污染负荷削减目标，从而确定了茅洲河综合治理措施，包括点源、面源和内源污染的削减措施。最后，根据水质和流量监测结果，计算了2015—2020年实际污染负荷量，并与TMDL进行对比，化学需氧量、氨氮、总磷等考核断面实际平均日负荷均小于TMDL，证明采取的治理措施行之有效。