城市内河入河污染物定量控制策略探讨

栾敬帅

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司,上海 200092)

自2015年《水污染防治行动计划》(简称《计划》)印发以来,全国各地“十三五”期间在《城市黑臭水体整治工作指南》和《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》的指导下,进行了一系列黑臭水体治理工作,治理方案通常在目标污染总量控制的指导下制定[1],即通过物探、调查等手段发现所有污染直排点,分阶段制定污染总量削减计划,采取污水直排口整治、污水处理厂提标扩建、河道底泥疏浚等措施,效果立竿见影。至2020年底,全国地级及以上城市2 914个黑臭水体消除比例达到98.2%,超额达成《计划》工作目标。

党的十九届五中全会将“生态文明建设实现新进步”作为“十四五”时期经济社会发展主要目标之一,牢固树立“两山”理念,全国多地围绕“十四五”时期水生态环境质量进一步提升做出规划,例如江苏省“十四五水利发展规划”提出“聚力打造幸福河湖”;浙江省“水生态环境保护十四五规划”提出“推动美丽河湖迭代升级”。在黑臭水体治理阶段,污染总量控制目标法指导下的治理方案较少关注到河道水环境容量的时空变化特征[2],部分地区已治理河道也不可避免地出现水质不稳定或雨季河道反黑反臭的现象。新时期水生态环境质量全面提升的目标下,大量城市内河以地表水Ⅲ类或Ⅳ类为控制和考核目标,河道水质进一步提升和稳定也将成为新的挑战,水环境治理工作需由目标总量控制向容量总量控制转变[3],即从水环境质量要求出发,根据水环境容量反推允许排污量,优化分配污染负荷削减目标。

为探索以河道水质稳定达标为目标的水环境治理方案制定方法,本文以相关项目经验为基础,以容量总量控制法为指导,以海绵城市建设理念为根本,注重系统方案顶层设计[4],就入河污染物定量控制策略进行探讨,以期为城市水环境综合治理提供参考。

1 现状分析

1.1 研究区域概况

本文以南方某入江一级支流Q河为研究对象,选取断面A和断面B之间的河段为研究区间,断面A位于上游,为国考断面,断面B位于入江口,为省考断面,两断面水质考核目标均为地表Ⅲ类水。研究区间河段总长约为17.0 km,共有5条主要城市内河汇入,各内河的流域范围划分如图1的单元1～5所示,各单元的流域面积如表1所示。

表1 5条城市内河流域面积统计

图1 研究区域河道平面位置

1.2 河道水质情况分析

水环境综合治理以河道水质达标为目的,因此,在进行现状分析时应以河道的收水范围作为分析单元,流域单元划分应综合行政区划、河道等级、河道连通情况等因素进行。

1.2.1 干流水质分析

断面A与断面B的流量如表2所示,2020年1月—12月的化学需氧量、氨氮和总磷3种污染物浓度月均值逐月变化如图2所示。断面A全年3种污染物浓度均未超出地表Ⅲ类水标准,断面B氨氮在7月和12月分别超出地表Ⅲ类水标准约50%和75%,其余2种污染物均达到地表Ⅲ类水标准。

表2 断面A和B流量 (单位:m3/s)

图2 2020年1月—12月断面A和B 3种污染物浓度月均值变化

1.2.2 内河水质分析

选取氨氮浓度作为代表性分析指标,以地表水Ⅲ类为考核标准,对2020年全年断面A与断面B之间汇入的5条城市内河河道水质变化情况进行统计如下,可以发现7月5条城市内河氨氮浓度均为全年峰值(图3)。

图3 典型片区2020年1月—12月河道氨氮水质指标变化

1.2.3 干流与内河水质变化关联性分析

经过以上对Q河干流断面和城市内河的水质分析,发现断面B的氨氮浓度在7月出现严重超标时,其上游汇入的城市内河的氨氮也基本处于全年峰值,二者水质变化趋势类似,说明断面B的水质变化与城市内河水质变化关联性较强,断面B的水质达标需将城市内河的水质提升作为重点。

1.3 污染源解析

上述城市内河的水质表现为旱季相对较好,雨季超标严重,该现象基本表明河道污染主要来自岸上雨天面源污染输入,排水系统应作为重点分析对象。

1.3.1 雨水、污水系统分析

研究范围内规划排水体制为雨污分流制,原合流制区域近年来也基本完成雨污分流改造。从改造效果来看,流域内雨、污水管网之间存在较多的混接,为避免旱天污水下河,部分沿河雨水排口处设置有截流设施和截流管道。以城市内河4为例,单元4范围内现状共有69处雨水排口截流设施,对应的服务范围面积约为13 km2,约占单元4总面积的43%,旱天截流水量约为9.9万m3/d,约占单元4旱天总污水量的19%。

经调研各流域单元内污水转输泵站后,发现污水转输泵站的设计规模为对应污水分区的规划旱天污水量,旱天由雨水排口截流设施截流的污水量可顺利通过污水泵站转输至污水厂。在雨天,除个别实际运行水量未达设计规模的污水泵站外,其余污水泵站在正常运行工况下,几乎无能力转输截流水量,导致雨水排口处截流设施失效,大量由雨污混接点进入雨水管网的污水随雨水溢流排入河道。

1.3.2 污染源分类

研究范围内旱天无污水直排现象,且无污水处理厂、净水站等尾水排口,并且研究范围属于主城区,无基本农田或养殖业,因此,无农业面源和点源污染输入,入河污染物主要由城市面源和内源污染构成。结合以上对研究范围内排水系统分析,根据污染强度的不同,城市面源污染又可分为无雨污错接区域的面源污染和存在雨污错接区域的面源污染。

1.4 污染物贡献比例分析

1.4.1 计算方法

断面B的污染由各城市内河流域的城市面源污染和内源污染贡献,因此各城市内河流域对断面B的污染贡献可通过式(1)计算。

(1)

其中:CRi——城市内河i对断面B的污染贡献;

P1NP-i——城市内河i的雨污混接区域月面源污染总量,kg/月;

P2NP-i——城市内河i的雨污分流区域月面源污染总量,kg/月;

PI-i——城市内河i的月内源污染总量,kg/月。

城市内河i流域内各类污染物占流域内污染总量的比值可通过式(2)～式(4)计算。

(2)

(3)

(4)

其中:PNP-i——城市内河i的月面源污染总量,kg/月;

R1i——城市内河i的雨污混接区域月面源污染占总污染量的比例;

R2i——城市内河i的雨污分流区域月面源污染占总污染量的比例;

R3i——城市内河i的月内源污染占总污染量的比例。

城市面源污染可通过雨水径流量及雨水径流浓度计算,如式(5)。

PNP=0.01×A×ψ×F×C

(5)

其中:PNP——月面源污染总量,kg/月;

A——排水分区面积,hm2;

ψ——综合径流系数;

F——月度降雨量,mm/月;

C——雨水径流污染浓度,mg/L。

内源污染通过底泥量和底泥污染释放强度计算,如式(6)。

PI=M×S÷12

(6)

其中:PI——月内源污染总量,kg/月;

M——河道底泥总量,kg;

S——底泥污染释放强度,kg/(m3·a)。

1.4.2 指标取值

经实际监测结果发现,该片区完全分流的雨水排口和雨污混接溢流排口均无明显初期效应,因此城市面源污染物总量测算按照“次降雨径流平均浓度( event mean concentration,EMC)”进行测算。完全分流区域雨水径流污染EMC值依据服务范围内下垫面类型占比和不同下垫面雨水出流水质浓度[5-6]进行加权,并结合部分排口实际监测结果确定取值;雨污混接区域雨水径流污染EMC值依据国内城市研究成果[7]、服务范围内雨污分流已改造比例和部分排口实际监测结果确定取值。内源污染主要来源为河道底泥,底泥污染释放强度以相关研究结果均值确定。各类雨水径流EMC取值如表3所示。

表3 雨水径流污染EMC取值与底泥污染释放强度

1.4.3 计算结果

综上,研究范围内入河污染物主要为城市面源和内源污染,现状各城市内河流域单元内雨污混接面积比例越高,该流域对断面B的污染物贡献比例越高,5个流域单元的污染物贡献比例计算结果如表4所示。

表4 典型片区污染物贡献比例(以氨氮计)

2 入河污染物定量控制测算

美国环保局于1972年《清洁水法》中提出TMDL(Total Maximum Daily Loads)计划,即在满足水质标准的条件下,水体能够接受的某种污染物的最大日负荷量。该计划的目标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。

借鉴TMDL理念,以两个考核断面或行政区界为边界,可将河道的某个区间划为一个相对的封闭系统。下游断面的允许最大污染物通量与上游断面输入污染物通量的差值,并考虑叠加一定的自然降解作用,即为该封闭系统的最大允许污染物排放量。河道流量分为枯水月、平水月和丰水月流量,按照水文站多年监测数据进行取值,计算如式(7)。

PA=2 592×Q×C-QU×CU

(7)

其中:PA——研究河道断面最大允许污染物通量,kg/月;

Q——研究河道断面流量,m3/s;

C——研究河道断面最大允许污染物质量浓度,mg/L;

QU——上游断面流量,m3/s;

CU——上游河道断面污染物质量浓度,mg/L。

断面A至断面B全年每月最大允许污染物净增量与实际污染物净增量如图4所示,7月和12月超标百分比分别约为28%和43%,即断面A和断面B区间内总入河污染物削减率应分别达到28%和43%。

图4 最大允许污染物净增量与实际污染物净增量逐月变化(以氨氮计)

根据不同流域单元的污染贡献比例和污染物来源占比情况,以区间最高削减率为目标,可针对不同污染物来源制定相应削减率,以达到削减断面B污染物总量的目的,各城市内河对断面B的污染贡献削减比例可通过式(8)计算。

∑CR′i=CR1×R1+CR2×R2+…+CRi×Ri

(8)

其中:CR′i——城市内河i削减的污染贡献;

Ri——城市内河i流域内污染物总体削减率。

其中,城市内河i流域内污染物总体削减率计算如式(9)。

Ri=R1i×D1i+R2i×D2i+R3i×D3i

(9)

其中:D1i——城市内河i流域内雨污混接区域面源污染的削减率;

D2i——城市内河i流域内雨污分流区域面源污染的削减率;

D3i——城市内河i流域内内源污染的削减率。

雨污混接区域雨水径流污染EMC相对完全分流区域雨水EMC更高且面积占比较高,因此,可将控制雨污混接区域雨水径流污染放在首位,以期获得更高的治理效益。

如上述典型片区短期内雨污混接范围面源污染物削减率为76%,完全分流服务范围内暂不做强制控制要求。经计算,分别对5条城市内河流域内雨污混接范围面源污染进行削减后,可将对断面B的总污染贡献削减43.97%,高于最大月超标量43%,即该控制策略可行(表5)。

表5 典型片区入河污染物控制策略(以氨氮计)

3 治理措施

3.1 控制雨量目标计算

面源污染工程措施通常以雨水径流总量控制率作为设计标准,因此需将污染物削减率转化为需控制的降雨量。相关研究[8-9]表明,面源污染主要来源包括地表径流、旱流污水和管道沉积物,不同地区的研究结果中三者的贡献比例存在差异,主要因为不同地区的下垫面组成、雨污混接比例和排水管道管养水平等边界条件存在差异。根据实际监测结果分析,在综合了雨污混接率和管网清疏水平的影响下,研究范围内完全分流的雨水排口和雨污混接溢流排口均无明显初期效应,因此,污染物目标削减率可直接转换为雨水目标年径流总量控制率,进而得到需控制的降雨量。

3.2 体系构建

在面源污染控制体系中,污染控制所需控制的雨量由源头低影响开发、过程截流与系统调蓄和末端处理3个环节共同消纳。

《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》中将我国大陆地区大致分为5个区,并给出了各区年径流总量控制率的范围值。水环境综合治理应与源头海绵城市改造相结合,并依据各城市、行政区的海绵城市规划和城市建设现状、以雨水汇水分区为单元、遵循实事求是的原则进行近远期的源头可改造比例评估,即可得出源头低影响开发可控制的雨量。

经源头控制后,仍需控制的雨水量采用过程截流与系统调蓄措施补足。截流通常在较短时间内完成,特点为时间短流量大,而现状污水泵站和管网输送能力通常按照分流制污水系统标准设计,因此需对现状污水泵站和管网的输送能力进行全面评估,按需扩建现有污水管网或新建截流管道,补足截流能力。调蓄设施的设置采用“分散为主、集中为辅”的原则。从项目经验来看,老城区、主城区通常分散式调蓄设施的选址难度较大,而集中调蓄需配套建设大口径转输管道,此时线性调蓄具有一定的优势。

《室外排水设计标准》(GB 50014—2021)提出污水系统的雨季设计流量概念,污水系统应充分考虑污水处理设施的韧性,具备接纳合流制截流污水和分流制截流初期雨水的能力[10]。雨后调蓄系统的放空时间直接影响末端处理规模,通常调蓄池建议放空时间为12～48 h。调蓄池放空时间的长短直接影响调蓄池的利用率[11],在雨季尤为明显,不同地区可通过多年降雨数据统计结果结合城市经济水平确定。

4 结论与建议

(1)本文以城市内河断面水质达标为目标,以污染物控制为出发点,以内河流域为分析单元,经对现状河道水质情况进行分析和污染物来源占比进行分解,确定总体污染物削减目标和雨水年径流总量控制率。

(2)面源污染控制体系应由源头低影响开发、过程截流与系统调蓄、末端处理构成。

(3)本文根据城市内河河道流量、河道本底水质、降雨量和入河污染物浓度等有限基础数据,借鉴TMDL理念,以相关项目为例定量计算不同污染源的削减比例,进而制定系统化治理措施。计算过程和系统化理念可为其他城市水环境治理方案制定提供参考和借鉴。

(4)为提高计算过程的准确性和针对性,建议该类项目前期应进行一定周期的水量水质检测工作,或相关部门在必要点位增设在线监测仪表以获得高质量连续数据。