基于TMDL理念的流域排口污染物削減研究

呂馬飛, 朱曉娟, 王婷婷， 張躍

(鎮江市規劃設計研究院，江蘇 鎮江 212000)

我國目前多數城市的老城區都存在污染物直接下河的現象。近年來，隨著城市的發展、居民環境保護意識的提高以及我國環保政策要求的提高，許多城市為了改善水環境質量，投入大量資金對原有排水系統進行了改造，減少了進入水體的污染負荷。

近些年有很多學者對合流制溢流污染進行了研究，主要集中在合流制溢流污染控制策略與技術方面[1-2]，而沒有對流域尺度的合流制溢流污染控制進行研究。本文基于TMDL(最大日負荷總量)水環境治理技術方法，以鎮江市運糧河流域排口污染物治理為例，在全面梳理運糧河流域范圍內排水的基礎上，將合流制溢流污染控制策略具體落實到排口上，并與近、遠期城市建設、老城更新相結合形成系統性方案，從流域尺度對流域排口污染物削減方法進行研究，以期為今后治理工作的實施提供切實可行的技術支撐。

1 研究區域概況

運糧河流域西起馬步橋港，東至金山湖，流域面積71.37 km2。運糧河及其御橋港等支流是該流域雨水排放的重要通道。運糧河位于鎮江中心城區西部，西起丹徒區高資鎮九擺渡江口，向東流經七擺渡閘入市區，再由新河橋入金山湖，全長12.8 km；其中自金山湖口到運糧河閘長4.03 km；運糧河閘到七擺渡閘長5.79 km。運糧河上主要設有兩個監測斷面，即新河橋國控斷面和永慶橋省控斷面。

發生暴雨時，七擺渡閘在能自排時首先開啟向長江泄洪；當七擺渡閘西側水位超5.7 m時，開啟運糧河閘向金山湖泄洪。運糧河在非防洪防澇狀況下，控制水體向七擺渡閘方向流動，引金山湖水對運糧河進行活水保質。通過七擺渡閘、運糧河閘的聯合運行，維持運糧河的生態流量，控制運糧河正常水位不高于4.6 m。

2 水環境污染控制因子及排口污染負荷

2.1 水環境污染控制因子

根據江蘇省地表水(環境)功能區劃，運糧河水環境目標為Ⅲ類水。結合運糧河各斷面水質監測數據分析可知：各斷面某些月份COD濃度高達Ⅲ類水標準的3～4倍；各斷面氨氮濃度高達Ⅲ類水標準的2～3倍。因此，本文以COD為主，同時考慮氨氮作為水環境容量及排口污染負荷削減的項目指標。

2.2 排口污染負荷

運糧河干流上自西向東分布了20個排口，其中11個為提升泵站的機排口，9個為重力自排口；還有一條重要的支流——御橋港，現狀水質較差，嚴重影響了干流運糧河下段的水質。通過對20個排口的實地踏勘和調查分析發現，存在雨污合流的排口13個，雨污混接排口2個。運糧河干流沿線排口分布如圖1所示。

圖1 運糧河干流沿線排口分布圖

2.2.1 污染源

運糧河沿河排口污染源主要包括面源污染和點源污染兩部分。其中，面源污染主要源于兩個方面：一是地表徑流帶來的面源污染；二是部分雨污合流排口的污水溢流排放污染和管道沉積物沖刷污染。點源污染主要為排口上游合流制城中村的旱流污水污染，以及部分建成區未做雨污分流改造和污水截留工程，導致部分城中村的生活污水直接排入運糧河及其支流。

2.2.2 產污量計算方法

1)面源污染計算方法?？紤]本次研究區域的下墊面特征及所收集的數據資料，采用PLOAD(Pollutant Loads for Watersheds)模型方法計算各流域的面源污染負荷，具體計算公式如下：

(1)

式中：Ln為非點源污染負荷,kg；Ai為第i種土地利用類型的匯水面積,km2；Ri為第i種土地利用類型的降雨徑流深,mm；EMCi為第i種土地利用類型的降雨徑流事件污染物平均濃度,mg/L。

其中，降雨徑流深取自SCS(Soil Conservation Service)模型的計算結果；降雨徑流事件污染物平均濃度即EMC，用來表示在降雨徑流全過程中某污染物排放的平均濃度，是場降雨徑流全過程污染物濃度的加權平均值。

SCS模型最初是由美國專家提出的關于徑流估算的經驗模型，被廣泛應用于小流域降雨徑流量的計算。修正后的鎮江市SCS模型公式為:

Q=(P-0.1S)2/(P+0.9S)，P>0.1S；

(2)

Q=0，P<0.1S；

(3)

S=(25 400/CN)-254。

(4)

式中：Q為直接徑流總深度,mm；P為降雨總量,mm；S為匯水區最大蓄水量,mm；CN為曲線號碼，表征流域下墊面的產流能力[3]。

CN(Curve Number)是SCS模型中的一個無量綱參數，用以描述降雨-徑流關系，是對前期土壤濕潤程度、坡度、土壤類型和土地利用現狀等因素的綜合反映。鎮江市各類型下墊面對應的CN值見表1[4]。

表1 鎮江市各類型下墊面對應的CN值

鎮江市多年平均降雨量為1 029.1 mm，2 mm以上多年逐月平均次降雨量見表2。鎮江市不同下墊面類型的EMC值見表3[5-7]。

2)點源污染計算方法。污水點源污染負荷即為旱流污水產污量，通過單位面積污水量和污染物濃度計算得到。根據已有的運糧河沿線旱流排口監

測數據，旱流污水COD濃度取280 mg/L，氨氮濃度取3.4 mg/L。

表2 鎮江地區2 mm以上多年逐月平均次降雨量

表3 鎮江市不同類型下墊面EMC值

2.2.3 產污量計算結果

經過各排口產污量計算，污染負荷權重占比較大的排口主要集中于合流制排口，其中YL-2(江南泵站排口)、YL-4(新河橋機排口)、YL-6(中山北路南排口)、YL-7(桃園機排口)、YL-8(頭擺渡排口)、YL-10(二擺渡排口)、YL-12(御橋港)、YL-13(三擺渡排口)及YL-14(四擺渡排口)污染負荷占比較大，COD和氨氮污染權重占比分別達到78.44%和79.23%。運糧河各排口全年污染負荷計算結果見表4。

表4 運糧河排口全年污染負荷計算結果 kg/d

續表 kg/d

YL-10(二擺渡排口)、YL-13(三擺渡排口)和YL-14(四擺渡排口)污染負荷較大，但不直接排入運糧河，故不需要對這3個排口的污染物進行控制。因此，運糧河流域關鍵排口的污染物控制主要集中于YL-2(江南泵站排口)、YL-4(新河橋機排口)、YL-6(中山北路南排口)、YL-7(桃園機排口)、YL-8(頭擺渡排口)以及YL-12(御橋港)的污染負荷。

3 水環境容量及污染負荷削減標準

3.1 水環境容量

根據運糧河的水質目標及其水系流動、生態本底情況，主要采用一維模型[8]分析計算運糧河的水環境容量，即評價運糧河在水質達標的條件下可接納的入河污染物量。

運糧河活水保質水源為金山湖，根據《鎮江市海綿城市試點區域內水功能區監測站點水質成果》，從2017年6月至2018年12月，金山湖的COD及氨氮濃度均達到Ⅲ類水標準，故運糧河起始段水質條件為：COD濃度20 mg/L，氨氮濃度1.0 mg/L(Ⅲ類水標準上限)[9]。

御橋港作為運糧河的重要支流，其入河口位于永慶橋省控斷面上游，為使運糧河兩個監測斷面水質均達到Ⅲ類水，御橋港水質至少應為Ⅳ類水。

運糧河分成金山湖至運糧河閘段及運糧河閘至七擺渡閘段，按照運糧河起始段水質為Ⅲ類水、御橋港水質為Ⅳ類考慮，為使新河橋國控斷面和永慶橋省控斷面水質都達到Ⅲ類水，計算出運糧河水環境容量(以COD計)為173.18 t/a。

3.2 排口污染物削減標準

御橋港為Ⅳ類水時，運糧河干流排污口允許排放量(以COD計)為173.18 t/a，沿線5個重點排口(YL-2、YL-4、YL-6、YL-7和YL-8)現狀全年溢流量為240.08萬m3(根據2014年6月1日至2015年5月31日的降雨數據)，COD排放量達509.91 t/a，氨氮排放量達9.62 t/a，不考慮其他非重點排口的污染削減，重點排口COD需削減85%，氨氮需削減75%，5個重點排口全年需減少溢流量180萬m3。

4 排口污染物削減方案及達標分析

4.1 排口污染物削減方案

現狀重點排口的污染源主要為初期雨水、少量城中村旱流生活污水以及合流制污水。規劃方案結合城中村改造和地塊開發，完善污水收集系統，提高污水管網收集能力，進一步減少污水下河；結合海綿城市專項規劃，對排口上游待開放地塊實施初期雨水污染源頭控制，進一步減少初期雨水污染。

在YL-2(江南泵站排口)和YL-4(新河橋機排口)的污染物已通過金山湖多功能大口徑管道進行削減；針對御橋港(YL-12)及其支流提出水質改善方案的前提下，按照“源頭削減、過程控制、末端治理”的技術路線，對影響運糧河水質達標的關鍵排口(YL-6(中山北路南排口)、YL-7(桃園機排口)和YL-8(頭擺渡排口))，提出排口污染物治理規劃方案。主要措施包括：①結合近期老小區改造及街巷、積水區改造，對YL-7(桃園機排口)和YL-8(頭擺渡排口)匯水范圍內城中村實施雨污分流改造和雨水徑流污染控制，共改造合流制區域5.83 hm2。②沿運糧河路(中山北路至潤州路)實施埋地大口徑管道(φ4 000 mm)2 400 m，調蓄體積達30 144 m3；截流沿線YL-6(中山北路南排口)、YL-7(桃園機排口)、YL-8(頭擺渡排口)及YL-11(御橋村排口)的初期雨水和上游城中村接入的合流制污水，截流污水結合現狀污水收集系統送至征潤州污水處理廠；截流的初期雨水向西送至御橋港與運糧河交叉口西南角的濕地，處理后直接排入運糧河。③結合運糧河與揚溧高速交叉口北邊揚溧高速下的現狀綠地建設人工濕地，為YL-10(二擺渡排口)、YL-13(三擺渡排口)和YL-14(四擺渡排口)的水質提升提供預留的生態空間。④結合運糧河和煙墩灣交匯口的西南角現狀綠地建設人工濕地，為支流煙墩灣(YL-15)水質提升預留生態空間。

4.2 目標可達性分析

污染物削減量主要包括截留的初期雨水和旱流污水量：按照削減85%徑流污染考慮，確定初期雨水截流深度(mm)，采用2015年場降雨數據計算截留的初期雨水量；旱流污水全部截留。由此計算得到排口污染物削減量，結果見表5。

表5 運糧河流域污染負荷削減量分析表

運糧河流域全年COD污染負荷為4 759.53 t，全年氨氮污染負荷為89.53 t。采取規劃措施后，運糧河流域全年COD污染負荷削減量為3 577.62 t，削減率達75.17%；全年氨氮污染負荷削減量為67.09 t，削減率達74.94%。其中，5個重點排口COD全年負荷為509.91 t，削減量為461.09 t，削減率達90.4%；氨氮全年污染負荷為9.62 t，削減量為8.52 t，削減率達88.5%。

2015年全年總降雨208場，YL-7(桃園機排口)溢流場次減少為27場，占比為12.98%；YL-8(頭擺渡排口)溢流的場次減少為30場，占比為14.42%。全年減少溢流量181.16萬m3，規劃方案滿足入河污染物削減要求。運糧河干流重點排口年溢流削減情況如圖2所示。

圖2 運糧河干流重點排口年溢流削減情況

排口整治后，通過閘站調控，引金山湖Ⅲ類水維持運糧河的生態基流，確保運糧河水質長期維持在Ⅲ類水。

5 結語

本文以鎮江市運糧河流域為研究對象，探討出一套應用于流域排口污染物削減的研究方法，具體為：①梳理流域排水系統，結合現場調研確定排口性質；②計算排口產污量，面源污染采用PLOAD模型計算，點源污染為旱流污水產污量；③根據流域水質目標及其水系流動、生態本底情況，采用一維模型分析計算流域的水環境容量；④以流域水環境為控制目標，結合產污量計算結果對重點排口提出污染物削減標準；⑤制定流域排口污染物削減方案；⑥對排口整治方案進行目標可達性分析。