1 引言(Introduction)

　　城市化與工業(yè)化的迅速發(fā)展與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的相對(duì)滯后, 導(dǎo)致我國(guó)城市水環(huán)境狀況惡化并引發(fā)社會(huì)的強(qiáng)烈關(guān)注(Guo, 2007; 陳豪等, 2014).以貴州省為例, 根據(jù)《2015年貴州省環(huán)境狀況公報(bào)》, 納入監(jiān)測(cè)的44條河流中劣Ⅴ類水質(zhì)斷面占6個(gè);潘真真等(2017)的研究表明, 2010—2014年期間, 貴州省水環(huán)境處于生態(tài)赤字狀態(tài)且生態(tài)壓力較高, 水環(huán)境生態(tài)壓力主要來源于生活水污染.國(guó)務(wù)院于2015年頒發(fā)了《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》, 至2017年, 全國(guó)已實(shí)現(xiàn)黑臭水體整治794處, 1298處進(jìn)入方案制定和治理階段, 城市水環(huán)境得到顯著改善(吳舜澤等, 2015).進(jìn)行城市河道水環(huán)境綜合整治, 達(dá)到河道水質(zhì)改善的關(guān)鍵目標(biāo)和考核指標(biāo), 已被證明是實(shí)現(xiàn)城市經(jīng)濟(jì)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的有效手段.

　　目前, 已有部分研究者對(duì)城市河道水環(huán)境綜合整治的過程進(jìn)行研究(Feng et al., 2014; 連衛(wèi)中, 2015), 結(jié)果表明, 入河污染物總量超過河道自凈能力是造成河道水質(zhì)惡化的主要原因(Yates et al., 2012; Shen et al., 2013), 實(shí)施污染物源頭控制、引水調(diào)水、底泥疏浚和生態(tài)修復(fù)等是進(jìn)行水環(huán)境綜合整治的主要手段(Gao et al., 2009; 許寬等, 2013).吳劍明等(2016)、孟偉等(2007;2013)、許卓等(2008)研究了市橋河、遼河、國(guó)外萊茵河和泰晤士河等水環(huán)境綜合整治的情況, 對(duì)國(guó)內(nèi)外重要河道水環(huán)境整治項(xiàng)目的治理思路和采取的工程措施進(jìn)行了分析.

　　現(xiàn)有的研究通常集中于對(duì)污染情況和治理措施的定性描述, 而對(duì)污染物來源與負(fù)荷的定量識(shí)別、采取的工程措施的有效性分析及工程措施與水質(zhì)改善之間關(guān)聯(lián)性的定量系統(tǒng)分析研究較少(徐志平, 2015; 鄧仰杰, 2014).基于此, 本研究以貴州南明河綜合整治工程為例(2012年起先后啟動(dòng)1期和2期工程并完工, 3期工程正在實(shí)施), 在前期對(duì)河道污染物種類及來源進(jìn)行定向識(shí)別的基礎(chǔ)上, 進(jìn)而采取具有針對(duì)性的相應(yīng)工程措施, 并評(píng)估這些措施對(duì)污染物削減的貢獻(xiàn).通過建立MIKE模型, 進(jìn)一步評(píng)估工程措施與河道水質(zhì)改善的關(guān)聯(lián)性, 并預(yù)測(cè)未來河道水質(zhì)情況, 以期為國(guó)內(nèi)城市河道水環(huán)境治理提供決策參考.

　　2 材料與方法(Materials and methods)2.1 研究區(qū)域概況

　　南明河為長(zhǎng)江流域?yàn)踅�的支�? 源于平壩縣與花溪區(qū)交界處, 自西南向東北流經(jīng)花溪區(qū)、市區(qū)、烏當(dāng)區(qū)及龍里、開陽(yáng)兩縣邊界, 至龍里兩岔河納獨(dú)水河, 主要有6條支流.南明河干流長(zhǎng)118 km, 干流城區(qū)段(三江口至紅巖橋)16 km, 水力資源豐富, 是當(dāng)?shù)毓�業(yè)、生活用水和農(nóng)田灌溉的重要水源, 其主要支流、匯水口及匯水區(qū)域圖如圖 1所示.

　　圖 1南明河主要支流、匯水口及匯水區(qū)域圖 

　　隨著當(dāng)?shù)毓�業(yè)化、城市化的快速推進(jìn), 南明河沿河流域人口急劇增加, 污水處理能力和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已不能滿足新增污染物的處理, 導(dǎo)致近年來南明河呈現(xiàn)出污染加重趨勢(shì).監(jiān)測(cè)顯示, 到2012年5月, 南明河干流沿程的COD、氨氮、TP及SS濃度分別達(dá)33.4~91.3、0.83~2.04、0.13~0.57和13.4~58.3 mg·L-1, 河道水質(zhì)整體處于劣Ⅴ類水平.

　　因此, 為實(shí)現(xiàn)南明河的水質(zhì)凈化與提升, 當(dāng)?shù)赜?012年啟動(dòng)了南明河綜合整治項(xiàng)目.根據(jù)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》“全力保障水生態(tài)環(huán)境安全”的要求及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于水域功能和標(biāo)準(zhǔn)分類的規(guī)定, 結(jié)合考慮南明河作為當(dāng)?shù)氐哪赣H河及在一定程度上作為非人體接觸的娛樂用水需要, 確定南明河水環(huán)境綜合整治的目標(biāo)是最終實(shí)現(xiàn)干流全段的主要水質(zhì)指標(biāo)(COD、氨氮和TP)達(dá)到地表水Ⅳ類水質(zhì), 建立完善的綜合生態(tài)水環(huán)境體系, 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的生態(tài)河道健康功能.

　　2.2 樣品采集與分析

　　以南明河干流城區(qū)段為對(duì)象, 對(duì)干流以外的支流匯入口、截污溝溢流、污水處理廠排水進(jìn)行水量水質(zhì)測(cè)試(取樣時(shí)間為2012年5月, 處于枯水期), 分析南明河外源污染的主要污染物種類和排放負(fù)荷, 主要包括：花溪河、小黃河、麻堤河、小車河、市西河、工廠溢流口、污水廠排水、1號(hào)排水大溝、2號(hào)排水大溝和貫城河排水溝.水樣采集時(shí), 在支流兩岸離岸1 m處及中線位置(取水深0.5 m處水樣各1 L并混合)、截污溝溢流處及污水處理廠排水口(出水混合較均勻, 直接取樣)取樣;每隔4 h進(jìn)行水樣采集并連續(xù)采樣6次(持續(xù)24 h), 將6組樣品混合后檢測(cè)COD、氨氮、TP及SS.參照《水與廢水監(jiān)測(cè)方法》對(duì)水樣中的COD、氨氮、TP及SS進(jìn)行檢測(cè)(白瑤等, 2011), 各支流及排污溝流量通過當(dāng)?shù)乇O(jiān)測(cè)站提供的斷面水文條件與實(shí)測(cè)流速(Area velocity flow Module, ISCO2150, Isco, Inc. US)進(jìn)行測(cè)算(沈曄娜等, 2010).

　　采用柱狀取樣器(9 cm×50 cm), 對(duì)南明河干流城區(qū)段沿程進(jìn)行底泥取樣(共5處)分析.沉積物的前30 cm每5 cm分一層, 30~50 cm每10 cm分一層, 共分為8層, 分別檢測(cè)各層含水率、有機(jī)質(zhì)含量(OM)、總氮(TN)和總磷(TP).其中, 有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷含量測(cè)定以干基為基礎(chǔ)進(jìn)行分析(王佩等, 2012).對(duì)南明河干流城區(qū)段進(jìn)行底泥深度分析, 每隔80 m在河道兩岸離岸0.5 m處進(jìn)行河床淤泥深度檢測(cè), 沿程共布點(diǎn)200處.

　　2.3 污染及減排負(fù)荷計(jì)算

　　根據(jù)匯入南明河干流城區(qū)段的各支流、截污溝溢流及污水處理廠排水的流量與污染物濃度, 估算入河點(diǎn)源污染量(取樣期間無降雨徑流, 無面源污染負(fù)荷匯入);通過南明河干流城區(qū)段下游與上游斷面污染物總量之差估算沿程污染總負(fù)荷.考慮到南明河沿程均處于劣Ⅴ類水體, 自凈能力不明顯, 在忽略河道自凈能力的情況下, 通過沿程污染總負(fù)荷與入河點(diǎn)源污染量之差, 估算內(nèi)源污染釋放量(式(1)).

　　式中, Tm為內(nèi)源污染量(t·d-1), Qx、Qs和Qn分別為南明河干流城區(qū)段下游斷面、上游斷面、各支流等點(diǎn)源污染源流量(106 m3·d-1), Cx、Cs和Cn則為分別對(duì)應(yīng)的各污染物濃度(mg·L-1).

　　新建污水處理廠和現(xiàn)有污水廠升級(jí)改造對(duì)污染物的削減量為：

　　式中, Tr為通過新建污水廠或污水廠提標(biāo)改造新增的污染負(fù)荷減排量(t·d-1), Qk為污水廠處理水量(106 m3·d-1), Cko為污水廠出水污染物濃度(mg·L-1)(包括COD、氨氮和TP), Cki為新建污水廠的進(jìn)水污染物濃度(mg·L-1)(針對(duì)水廠提標(biāo)改造項(xiàng)目, 則為改造前的出水濃度).

　　2.4 河道水質(zhì)模型建立、率定與預(yù)測(cè)

　　為評(píng)估工程治理措施對(duì)南明河水質(zhì)的有效性和改善程度, 并指導(dǎo)南明河治理工程的進(jìn)行, 建立MIKE11模型驗(yàn)證并預(yù)測(cè)采取的工程措施對(duì)南明河水質(zhì)的影響.模型主要參照以前的研究(熊鴻斌等, 2017; Doulgeris et al., 2012), 并基于地形、水文水質(zhì)等資料, 采用監(jiān)測(cè)所得各進(jìn)水點(diǎn)水量及水質(zhì)條件作為模型邊界條件, 對(duì)南明河干流城區(qū)段(三江口至下游斷面)進(jìn)行模擬工作.水動(dòng)力水質(zhì)模擬分析在最不利條件下(枯水期)進(jìn)行, 若枯水期滿足水質(zhì)目標(biāo)(Ⅳ類), 則在同樣的污染排放負(fù)荷下, 平水期、豐水期的水質(zhì)目標(biāo)也可滿足.采用2013—2014年水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行率定, 并進(jìn)一步通過2016年9—10月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行校核和修正.

　　3 結(jié)果與討論(Results and discussion)3.1 南明河干流水環(huán)境污染關(guān)鍵要素識(shí)別

　　以南明河干流城區(qū)段為研究對(duì)象, 造成南明河道黑臭的污染來源主要有點(diǎn)源污染、城市面源污染與內(nèi)源污染(Stahl, 1979; 陳玲等, 2012).對(duì)于南明河干流城區(qū)段, 匯入的各支流(支流內(nèi)污染物主要來源于沿岸生活污水排放)、管網(wǎng)截污溝溢流及污水廠排水等具有固定的排放和匯入點(diǎn), 可視為點(diǎn)源污染.城市面源污染部分主要為通過地表徑流帶來的污染負(fù)荷, 胡成等(2006)、王軍霞等(2014)的研究表明, 我國(guó)城市面源污染約占點(diǎn)源污染負(fù)荷的20%.通過點(diǎn)源污染與城市面源污染負(fù)荷的總量可評(píng)估進(jìn)入南明河干流城區(qū)段的外源污染量.此外, 干流中河道底泥污染物(COD、氨氮和TP等)通過生物的擾動(dòng)作用、沉積物有機(jī)物的礦化作用及底泥再懸浮會(huì)釋放到水相中造成內(nèi)源污染(丁濤等, 2015; 梁文等, 2011).厘清外源污染和內(nèi)源污染對(duì)河道水質(zhì)變化的貢獻(xiàn), 識(shí)別造成水環(huán)境污染的關(guān)鍵因子, 對(duì)有效進(jìn)行河道修復(fù)具有重要作用.

　　3.1.1 外源污染

　　以南明河干流城區(qū)段為研究對(duì)象, 以匯入南明河干流的各支流、截污溝溢流及污水廠排水等共計(jì)10處評(píng)估點(diǎn)源污染量, 并主要包含花溪河、小黃河、麻堤河、工廠溢流口、污水廠排水、小車河、市西河、1號(hào)排水大溝、2號(hào)排水大溝和貫城河排水溝, 各匯入處的水量及相應(yīng)的污染物濃度如表 1所示.10個(gè)入河點(diǎn)中, COD、氨氮和總磷單項(xiàng)指標(biāo)為劣Ⅴ類的分別達(dá)80%、60%和30%.COD和氨氮是南明河的主要入河污染物, 50%的點(diǎn)源污染來水中COD和氨氮濃度超過Ⅴ類水限值100%, 最高達(dá)到了153.4和17.3 mg·L-1(超過地表Ⅴ類水限值284%和765%).同時(shí)考慮各入河點(diǎn)的水質(zhì)及水量的情況下, 花溪河、小黃河、市西河和貫城河排水溝對(duì)南明河干流的污染負(fù)荷最強(qiáng), 污染物總量分別占南明河點(diǎn)源污染的87.7%(COD)、82.0%(氨氮)和85.4%(TP).

　　對(duì)污染負(fù)荷嚴(yán)重的花溪河、小黃河、市西河和貫城河排水溝沿線排污口進(jìn)行排查并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)分析, 其主要污染來自于兩岸生活污水的排放(截污管溢流及部分直排), 這也與南明河入河污染物以COD和氨氮為主的特征相符.生活污水排放入河主要是由于近年來城市的迅速發(fā)展, 污水量迅速增大, 原有截污管網(wǎng)不能滿足現(xiàn)有污水收集需要, 使得生活污水大量溢流甚至直排造成.生活污水等外源污染入河是造成各支流及排污口COD和氨氮等超標(biāo)的關(guān)鍵因素, 是造成南明河黑臭污染的主要原因.

　　美國(guó)和日本的研究表明(荊紅衛(wèi)等, 2012), 隨著點(diǎn)源污染得到全面控制后, 面源污染將成為影響水環(huán)境水質(zhì)改善的重要因素(劉莊等, 2015), 其對(duì)污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)最高可達(dá)總污染負(fù)荷的50%~75%;而由于國(guó)內(nèi)水環(huán)境治理仍處于初期, 胡成等(2006)、王軍霞等(2014)的研究表明, 國(guó)內(nèi)城市的面源污染約占點(diǎn)源污染負(fù)荷的20%.因此, 本研究中主要通過點(diǎn)源污染估算面源污染負(fù)荷, 計(jì)算可知, 面源污染對(duì)COD、氨氮和TP的負(fù)荷分別約為10910、464和68 t·a-1.

　　3.1.2 內(nèi)源污染

　　以H點(diǎn)(26.574169°N, 106.713866°E)處所取淤泥為例, 分析河道底泥理化性質(zhì)及其隨底泥深度的變化規(guī)律, 其余各處的底泥性質(zhì)具有相似性.結(jié)果表明(圖 2), 底泥含水率由表層往下逐漸降低, 上層污泥(0~30 cm)含水率較高(介于55%~70%之間), 下層污泥(30~50 cm)含水率相對(duì)降低(介于35%~45%之間).此外, 污泥干基有機(jī)物、TN及TP含量隨底泥深度的增加, 總體呈現(xiàn)先增加再減少的趨勢(shì).干基有機(jī)物含量總體介于10%~20%之間, 總氮含量介于3500~6000 mg·kg-1之間, 總磷含量介于2000~5000 mg·kg-1之間.

　　圖 2南明河淤泥含水率、有機(jī)質(zhì)含量、TN及TP含量隨深度的變化

　　趙興青等(2007)在研究太湖底泥中有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)鹽含量隨深度變化時(shí)發(fā)現(xiàn), 在底泥表層(0~15 cm)有機(jī)質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)鹽的含量最高, 但變化幅度較大總體呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài);在15 cm后呈現(xiàn)隨深度增加有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)鹽含量逐漸減少的趨勢(shì), 這一結(jié)果與本研究相似.底泥表層有機(jī)物含量波動(dòng)較大, 可能主要是由于其處于兩相交界面, 生物反應(yīng)比較活躍(Zhang et al., 2010; Li et al., 2010);此外, 由于是河道環(huán)境, 河道底泥受到河水沖刷帶來的水力擾動(dòng)較于湖泊更為強(qiáng)烈, 也是導(dǎo)致南明河底泥表層有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)鹽含量略為偏低的原因.但總體而言, 南明河淤泥的含水率、干基有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)元素含量隨底泥深度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì), 并在40 cm深度(對(duì)于H點(diǎn)處淤泥)開始迅速降低, 與上層的底泥性狀呈現(xiàn)顯著的差別, 說明40~50 cm是合適的清淤深度.

　　南明河干流城區(qū)段河道內(nèi)底泥深度沿程變化如圖 3所示, 南明河底泥分布極不均勻, 厚度變化范圍較廣(0~110 cm之間), 多介于0~10 cm之間(約占65%), 污泥厚度分布隨著厚度的增加出現(xiàn)頻率降低.底泥厚度最大點(diǎn)一般出現(xiàn)在橡膠壩上游一定距離處.這是由于橡膠壩的存在使得壩前一段距離內(nèi)(2~4 km)河道水深開始明顯增加, 使得流速減緩, 導(dǎo)致懸濁物大量沉降造成.

　　圖 3南明河淤泥深度沿程變化

　　3.1.3 外源及內(nèi)源污染對(duì)南明河污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)

　　陳玉輝(2013)在研究溫州城市河道時(shí)發(fā)現(xiàn), 河道處于黑臭情況下, 水域的水質(zhì)變化沒有明顯的自凈梯度.考慮到南明河沿程均處于劣Ⅴ類水體, 自凈能力不明顯, 在忽略河道自凈能力的情況下, 通過污染物總量與點(diǎn)源污染量之差, 估算內(nèi)源污染釋放對(duì)COD、氨氮和TP的負(fù)荷貢獻(xiàn)分別約為30690、122和120 t·a-1.因此, 合并考慮點(diǎn)源與面源污染量為外源污染的情況下, 考察進(jìn)入南明河的外源及內(nèi)源污染負(fù)荷, 可發(fā)現(xiàn)外源污染是造成南明河水質(zhì)污染的關(guān)鍵因素, 其對(duì)南明河中COD、氨氮、總磷的貢獻(xiàn)分別達(dá)到了68%、95%和77%(圖 4).此外, 內(nèi)源污染的治理也具有重要意義, 底泥內(nèi)源釋放對(duì)COD和TP污染的貢獻(xiàn)較為顯著, 分別占總體污染負(fù)荷的32%和23%.

　　圖 4外源與內(nèi)源污染對(duì)南明河污染貢獻(xiàn)比較

　　3.2 南明河水環(huán)境治理措施及效果

　　根據(jù)對(duì)南明河水環(huán)境污染的來源識(shí)別, 針對(duì)性地對(duì)外源及內(nèi)源污染采取措施;工程措施同時(shí)針對(duì)干流與支流開展, 以削減通過支流最終匯入干流的污染物.治理過程中觀測(cè)南明河的長(zhǎng)期運(yùn)行效果.

　　3.2.1 整治措施

　　外源污染的截留與治理：對(duì)干流及支流生活污水收集系統(tǒng)進(jìn)行改造以完善對(duì)污水的截流, 對(duì)排水大溝與截污溝連接點(diǎn)進(jìn)行改造共255處;新建6座污水處理廠以處理新截流污水, 出水達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn), 處理量共19萬m3·d-1 (其中2座污水廠位于干流, 處理量共8萬m3·d-1, 其余4座水廠均位于支流);同時(shí)對(duì)南明河流域現(xiàn)有4座污水處理廠升級(jí)改造, 出水由一級(jí)B提至一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn), 處理量共49萬m3·d-1 (其中1座污水廠位于干流, 處理量為16萬m3·d-1).此外, 為配合污水廠的建設(shè)同步完善相應(yīng)污水廠的收集管網(wǎng), 主要包括對(duì)麻堤河污水廠所處的麻堤河流域(母豬井、王武、珠顯、周家寨排水主干線4條, 麻堤河沿岸截污溝)、青山污水廠的小車河流域(藍(lán)草壩、青山、太慈橋排水主干線3條及小車河沿岸截污溝)、小關(guān)污水廠等的污水收集系統(tǒng)進(jìn)行完善, 總體實(shí)現(xiàn)南明河干流全線截污、支流的納污系統(tǒng)建設(shè)基本完善.

　　內(nèi)源污染的清淤與長(zhǎng)效保持：通過人工配合挖掘機(jī)挖掘污泥的方法, 共清淤71.2萬m3, 基本解決南明河的內(nèi)源污染問題.將原有橡膠壩改造為翻板壩, 利用水壩蓄積河水并周期性放空的方式, 形成短時(shí)間較大水力擾動(dòng)對(duì)河道進(jìn)行沖刷, 達(dá)到對(duì)河道內(nèi)源污染控制的長(zhǎng)效治理.

　　生態(tài)建設(shè)恢復(fù)自凈能力：對(duì)南明河和相關(guān)支流進(jìn)行生態(tài)建設(shè), 包括進(jìn)行河床生態(tài)修復(fù)、生態(tài)駁岸修復(fù)面積分別約31.2和3.1萬m2, 跌水曝氣坎40道, 以重新塑造其多樣生態(tài)群落, 恢復(fù)水體自凈能力.

　　3.2.2 整治措施效果分析

　　通過截污納管并新建污水處理廠、對(duì)現(xiàn)有污水廠提標(biāo)改造和底泥清淤3項(xiàng)措施, 對(duì)COD減排量分別達(dá)10125.1、598.6和30690.9 t·a-1, 對(duì)氨氮減排701.8、50.3和122.1 t·a-1, 對(duì)TP減排81.1、16.5和120.4 t·a-1.由于底泥釋放污染物主要為COD和TP, 清淤對(duì)COD和TP減排貢獻(xiàn)顯著, 占總污染物減排量的74.0%和55.2%.外源污染的減排對(duì)各項(xiàng)污染物均存在顯著削減, 通過新建污水廠及污水廠提標(biāo)改造對(duì)COD、氨氮及TP的削減量分別占總污染物減排量的26.0%、86.0%和44.8%.同時(shí), 相較于底泥清淤為一次性工程措施, 截污及污水處理為長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)措施, 從而為河道的運(yùn)營(yíng)實(shí)現(xiàn)持續(xù)減排.

　　采取的工程措施(1期和2期工程)共減少南明河COD、氨氮和TP污染負(fù)荷的43.1%、30.1%和41.1%(圖 5).經(jīng)過1期和2期整治后仍進(jìn)入河道的污染物中, 一部分來源于少量未能截污納管的污水;同時(shí), 經(jīng)截污并處理后達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)排放的污水仍屬于地表劣Ⅴ類水, 且由于南明河自然流量較小(污水廠尾水占總水量的46.3%), 污水廠尾水也是河道污染物的重要來源.此外, 工程中針對(duì)面源污染削減的措施較少, 雨季初期雨水、溢流混合污水對(duì)南明河干流水質(zhì)將造成短期的顯著污染, 降低其斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率.荊紅衛(wèi)等(2012)通過調(diào)研美國(guó)水環(huán)境整治項(xiàng)目后指出, 當(dāng)點(diǎn)源污染得到全面控制后, 面源污染對(duì)水環(huán)境污染的貢獻(xiàn)將十分顯著, 最高可達(dá)總污染負(fù)荷的50%.因此, 后續(xù)可通過進(jìn)一步完善截污納管與提高污水廠排放標(biāo)準(zhǔn)(如提標(biāo)至出水主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅳ類)削減點(diǎn)源污染, 并在合適情況下通過海綿城市建設(shè)等措施削減面源污染量, 以繼續(xù)減少進(jìn)入南明河的外源污染負(fù)荷.

　　圖 5整治措施對(duì)外源與內(nèi)源污染的減排貢獻(xiàn)

　　通過采取水環(huán)境綜合整治措施(1期和2期工程)并經(jīng)半年時(shí)間運(yùn)行, 南明河整治段劣Ⅴ類的河長(zhǎng)從整治前的51.0%下降至17.4%, 主要水質(zhì)指標(biāo)(COD、氨氮和TP)達(dá)到地表水Ⅴ類的水質(zhì)段由原來的10.1%提高至24.3%, 主要水質(zhì)指標(biāo)(COD、氨氮和TP)達(dá)到地表水Ⅳ類的水質(zhì)段由原來的8.8%提高至28.2%.重點(diǎn)水質(zhì)斷面包括三江口、河濱公園、政府辦公樓及水文站水質(zhì)斷面的COD、氨氮及TP濃度相比于整治前均顯著下降, 達(dá)到Ⅳ類或Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);南明河干流及各支流內(nèi)沉水植物生長(zhǎng)良好, 河道生態(tài)功能呈現(xiàn)良性恢復(fù)狀況.

　　3.3 南明河水環(huán)境質(zhì)量模擬預(yù)測(cè)

　　目前, 南明河水環(huán)境整治工程(1期和2期)已經(jīng)基本完成, 南明河水質(zhì)得到顯著改善.3期工程正在進(jìn)行中并主要包括繼續(xù)完善截污管網(wǎng)(干流及支流新建截污溝約25.5 km), 新建4座污水廠(總處理量12.5萬m3·d-1);部分污水廠出水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提升(由一級(jí)A提至出水主要水質(zhì)指標(biāo)(COD、氨氮和TP)達(dá)到地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn), 共33萬m3·d-1), 強(qiáng)化生態(tài)修復(fù)(河床植物覆蓋率達(dá)80%)及進(jìn)行海綿城市建設(shè)控制城市面源污染.為評(píng)估南明河水環(huán)境整治主體工程全部完成時(shí)南明河水環(huán)境狀況, 基于南明河上游匯水區(qū)域歷史和現(xiàn)狀的水質(zhì)、水文、地形、生態(tài)、污染源等統(tǒng)計(jì)資料, 對(duì)完成3期整治后的水質(zhì)狀況進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè), 以指導(dǎo)工程的進(jìn)一步實(shí)施.

　　3.3.1 模型建立與率定

　　建立MIKE11模型后, 采用2013—2014年水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行率定.同時(shí), 1期及2期工程實(shí)施后, 南明河生態(tài)系統(tǒng)得到良好恢復(fù), 形成淺層富氧河流, 因此, 需考慮河道的自凈能力.進(jìn)一步采用2016年9—10月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行校核和修正, 并確定了模型的主要參數(shù), 包括水動(dòng)力系數(shù)和水質(zhì)降解系數(shù).其中, 水動(dòng)力系數(shù)河道糙率(n)確定為0.025, 水質(zhì)參數(shù)包括COD的降解系數(shù)、氨氮的降解系數(shù)和TP的降解系數(shù), 并分別確定為0.090、0.085和0.050 d-1.模型模擬顯示, 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較吻合, 其中, COD、NH3-N及TP模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差分別為8.3%、9.5%和8.4%(均小于10.0%), 模型適用于后續(xù)工作的模擬與分析.

　　3.3.2 南明河水質(zhì)預(yù)測(cè)

　　模擬結(jié)果顯示(圖 6), 南明河干流城區(qū)段下游斷面在3期工程完成后能穩(wěn)定達(dá)到Ⅳ類水質(zhì);部分河段能進(jìn)一步達(dá)到地表Ⅲ類水質(zhì), COD、氨氮和TP單項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅲ類水的河段占干流城區(qū)段全長(zhǎng)的76.6%、56.3%和11.1%.

　　圖 6三期整治工程完工及2種調(diào)水方案情境下的南明河干流沿程水質(zhì)模擬結(jié)果

　　然而, 仍存在部分河段的氨氮或TP不能達(dá)到地表Ⅳ類水的情況(COD在全河段均能達(dá)標(biāo)).在三江口(上游來水?dāng)嗝?、污水廠排水(距上游斷面約4.5 km處)、市西河匯入口(距上游斷面約10.6 km處)等處, 相對(duì)于沿程上下游均有污染物顯著上升的情況, 并導(dǎo)致部分河段TP和氨氮超標(biāo).TP在三江口下游700 m和市西河匯入口下游1300 m范圍內(nèi), 氨氮在市西河匯入口下游3900 m內(nèi)略高于Ⅳ類水體指標(biāo);其中, TP最高達(dá)0.35 mg·L-1 (超標(biāo)0.05 mg·L-1, 以P計(jì)), 氨氮最高達(dá)1.81 mg·L-1 (超標(biāo)0.31 mg·L-1, 以N計(jì)).因此, 三江口、污水廠排水和市西河匯入口及相應(yīng)的下游河段應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注, 需要通過污染排查或強(qiáng)化處理措施的方式重點(diǎn)削減這幾處的入河污染負(fù)荷.

　　除在三江口、污水廠排水及市西河匯水對(duì)南明河造成顯著的污染負(fù)荷外, 枯水期南明河自然基流較小、河道內(nèi)主要為污水處理廠尾水也是部分河段較難達(dá)到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的重要原因.南明河在枯水期時(shí)46.3%的流量來自于污水處理廠尾水(污水廠尾水及自然徑流量分別為80.5和93.3萬m3·d-1(王菊等, 1999)), 其中3期工程完工后污水處理廠出水為一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的(屬于地表水劣Ⅴ類水)有47.5萬m3·d-1, 占總流量的27.3%, 從而降低了河道的環(huán)境容量.

　　為保證南明河主要水質(zhì)指標(biāo)(COD、氨氮和TP)在干流城區(qū)段全長(zhǎng)范圍內(nèi)穩(wěn)定達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn), 可考慮將全市的污水廠排水標(biāo)準(zhǔn)均提升至出水主要指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅳ類或從上游鄰近水庫(kù)(紅楓湖, 為Ⅱ類水體)調(diào)水的方式增大枯水期河道基流.由于南明河自然流量較小并主要以污水廠尾水為主, 在污水廠出水主要水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為地表水Ⅳ類的情況下, 若沿河仍存在無序徑流及少量未能截污納管的點(diǎn)源排放(從而引入污染負(fù)荷), 就可能使得干流全段主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅳ類的目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn).相比之下充分考慮當(dāng)?shù)噩F(xiàn)狀情況, 上游鄰近水庫(kù)水量充沛、水質(zhì)較好(地表水Ⅱ類)且具備調(diào)水條件, 同時(shí)由于調(diào)水距離較近的原因在經(jīng)濟(jì)性上也具有競(jìng)爭(zhēng)性.因此, 綜合考慮技術(shù)實(shí)現(xiàn)可行性、達(dá)標(biāo)穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性, 可考慮通過一定程度的區(qū)域調(diào)水方式進(jìn)一步提升河道水質(zhì).經(jīng)計(jì)算, 通過紅楓湖對(duì)南明河進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水且補(bǔ)水量達(dá)到2.89 m3·s-1時(shí), 在最劣情況下(枯水期)南明河水質(zhì)最差斷面主要水質(zhì)指標(biāo)(COD、氨氮和TP)可恰好達(dá)到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn);進(jìn)一步地, 考慮模擬誤差并在達(dá)標(biāo)保證率高于90%的情況下, 枯水期補(bǔ)水量應(yīng)達(dá)到3.47 m3·s-1.在平水期和豐水期間, 由于河道自然基流增大, 南明河干流水質(zhì)優(yōu)于枯水期模擬結(jié)果, 補(bǔ)水量可相應(yīng)減小.具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　由模型模擬可知, 針對(duì)南明河的水環(huán)境綜合整治, 通過截污(沿河完善截污納管)、污水收集與處理(新建污水廠及已有污水廠的提標(biāo)改造)及清淤(內(nèi)源污染消除)等措施可以大幅削減入河的有機(jī)及氮磷污染物(削減率達(dá)到30.1%~43.1%), 從而顯著改善河道黑臭情況.消除外源及內(nèi)源污染對(duì)于國(guó)內(nèi)大部分河道的水環(huán)境整治具有適用性, 且對(duì)管網(wǎng)、污水廠的長(zhǎng)效運(yùn)行維護(hù)及清淤后底泥的長(zhǎng)效控制, 是實(shí)現(xiàn)河道水質(zhì)長(zhǎng)期保持的關(guān)鍵.同時(shí)對(duì)于城市河道而言, 由于沿岸大量人口的用水及排水, 生態(tài)基流一般較小, 且污水廠一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的出水仍然屬于劣Ⅴ類水;此外, 當(dāng)點(diǎn)源等主要污染源得到全面控制、入河污染負(fù)荷總體較低的情況下, 面源污染對(duì)水環(huán)境污染的貢獻(xiàn)也將可能十分顯著.因此, 為進(jìn)一步提升河道水質(zhì), 在經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行情況下可考慮進(jìn)行污水廠出水的進(jìn)一步提標(biāo)改造(如出水主要指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅳ類)和近距離補(bǔ)水調(diào)水, 同時(shí)應(yīng)通過海綿城市建設(shè)等措施加強(qiáng)對(duì)面源污染的控制.

　　4 結(jié)論(Conclusions)

　　1) 南明河中污染物以COD和氨氮為主, 外源污染對(duì)干流城區(qū)段中COD、氨氮及總磷污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)分別達(dá)到68%、95%和77%, 是造成南明河水質(zhì)污染的關(guān)鍵因素.

　　2) 通過截污納管、污水處理及河底清淤的方式削減外源和內(nèi)源污染, 可共削減南明河COD、氨氮和TP污染負(fù)荷41414.6、874.2和218.0 t·a-1;通過生態(tài)建設(shè)恢復(fù)河道自凈能力并經(jīng)半年運(yùn)行后, 南明河劣Ⅴ類河道長(zhǎng)度占比從整治前的51.0%下降至17.4%, 主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅴ類的水質(zhì)段由原來的10.1%提高至24.3%.

　　3) MIKE模型預(yù)測(cè)綜合整治措施全部完工時(shí), 南明河下游水質(zhì)斷面能穩(wěn)定達(dá)到Ⅳ類水體, 但在枯水期仍可能存在部分河段TP超標(biāo)(占河道總長(zhǎng)12.5%, 超標(biāo)至多0.05 mg·L-1)、氨氮超標(biāo)(占河道總長(zhǎng)24.3%, 超標(biāo)至多0.31 mg·L-1)的情況.

　　4) 通過從上游水庫(kù)(Ⅱ類水)進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水, 可保障南明河水質(zhì)在干流城區(qū)段全長(zhǎng)范圍內(nèi)、全年度穩(wěn)定達(dá)到地表Ⅳ類水, 考慮模擬誤差且保證達(dá)標(biāo)率高于90%的情況下, 枯水期最高補(bǔ)水量應(yīng)達(dá)到3.47 m3·s-1.(環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào) 作者：李力)