貴州南明河水環(huán)境綜合整治綜合分析

城市化與工業(yè)化的迅速發(fā)展與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的相對滯后, 導(dǎo)致我國城市水環(huán)境狀況惡化并引發(fā)社會的強烈關(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》, 納入監(jiān)測的44條河流中劣Ⅴ類水質(zhì)斷面占6個;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.2015年頒發(fā)了《水污染防治行動計劃》, 至2017年, 全國已實現(xiàn)黑臭水體整治794處, 1298處進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).進行城市河道水環(huán)境綜合整治, 達到河道水質(zhì)改善的關(guān)鍵目標和考核指標, 已被證明是實現(xiàn)城市經(jīng)濟生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的有效手段.

　　目前, 已有部分研究者對城市河道水環(huán)境綜合整治的過程進行研究(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、國外萊茵河和泰晤士河等水環(huán)境綜合整治的情況, 對國內(nèi)外重要河道水環(huán)境整治項目的治理思路和采取的工程措施進行了分析.

　　現(xiàn)有的研究通常集中于對污染情況和治理措施的定性描述, 而對污染物來源與負荷的定量識別、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1期和2期工程并完工, 3期工程正在實施), 在前期對河道污染物種類及來源進行定向識別的基礎(chǔ)上, 進而采取具有針對性的相應(yīng)工程措施, 并評估這些措施對污染物削減的貢獻.通過建立MIKE模型, 進一步評估工程措施與河道水質(zhì)改善的關(guān)聯(lián)性, 并預(yù)測未來河道水質(zhì)情況, 以期為國內(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

　　南明河為長江流域烏江的支流, 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)、烏當區(qū)及龍里、開陽兩縣邊界, 至龍里兩岔河納獨水河, 主要有6條支流.南明河干流長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?shù)毓I(yè)、生活用水和農(nóng)田灌溉的重要水源。

　貴州南明河水環(huán)境綜合整治綜合分析

　隨著當?shù)毓I(yè)化、城市化的快速推進, 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.監(jiān)測顯示, 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, 為實現(xiàn)南明河的水質(zhì)凈化與提升, 當?shù)赜?012年啟動了南明河綜合整治項目.根據(jù)《水污染防治行動計劃》“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)量標準》關(guān)于水域功能和標準分類的規(guī)定, 結(jié)合考慮南明河作為當?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)境綜合整治的目標是終實現(xiàn)干流全段的主要水質(zhì)指標(COD、氨氮和TP)達到地表水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)段為對象, 對干流以外的支流匯入口、截污溝溢流、污水處理廠排水進行水量水質(zhì)測試(取樣時間為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號排水大溝、2號排水大溝和貫城河排水溝.水樣采集時, 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COD、氨氮、TP及SS.參照《水與廢水監(jiān)測方法》對水樣中的COD、氨氮、TP及SS進行檢測(白瑤等, 2011), 各支流及排污溝流量通過當?shù)乇O(jiān)測站提供的斷面水文條件與實測流速(Area velocity flow Module, ISCO2150, Isco, Inc. US)進行測算(沈曄娜等, 2010).

　　采用柱狀取樣器(9 cm×50 cm), 對南明河干流城區(qū)段沿程進行底泥取樣(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, 分別檢測各層含水率、有機質(zhì)含量(OM)、總氮(TN)和總磷(TP).其中, 有機質(zhì)、總氮、總磷含量測定以干基為基礎(chǔ)進行分析(王佩等, 2012).對南明河干流城區(qū)段進行底泥深度分析, 每隔80 m在河道兩岸離岸0.5 m處進行河床淤泥深度檢測, 沿程共布點200處.

　　2.3 污染及減排負荷計算

　　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, 估算入河點源污染量(取樣期間無降雨徑流, 無面源污染負荷匯入);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, 通過沿程污染總負荷與入河點源污染量之差, 估算內(nèi)源污染釋放量(式(1)).

(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、各支流等點源污染源流量(106 m3·d-1), Cx、Cs和Cn則為分別對應(yīng)的各污染物濃度(mg·L-1).

(2)

　　式中, Tr為通過新建污水廠或污水廠提標改造新增的污染負荷減排量(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為新建污水廠的進水污染物濃度(mg·L-1)(針對水廠提標改造項目, 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

　　為評估工程治理措施對南明河水質(zhì)的有效性和改善程度, 并指導(dǎo)南明河治理工程的進行, 建立MIKE11模型驗證并預(yù)測采取的工程措施對南明河水質(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)測所得各進水點水量及水質(zhì)條件作為模型邊界條件, 對南明河干流城區(qū)段(三江口至下游斷面)進行模擬工作.水動力水質(zhì)模擬分析在不利條件下(枯水期)進行, 若枯水期滿足水質(zhì)目標(Ⅳ類), 則在同樣的污染排放負荷下, 平水期、豐水期的水質(zhì)目標也可滿足.采用2013—2014年水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對模擬參數(shù)進行率定, 并進一步通過2016年9—10月監(jiān)測數(shù)據(jù)對模擬參數(shù)進行校核和修正.

　　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)鍵要素識別

　　以南明河干流城區(qū)段為研究對象, 造成南明河道黑臭的污染來源主要有點源污染、城市面源污染與內(nèi)源污染(Stahl, 1979; 陳玲等, 2012).對于南明河干流城區(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, 可視為點源污染.城市面源污染部分主要為通過地表徑流帶來的污染負荷, 胡成等(2006)、王軍霞等(2014)的研究表明, 我國城市面源污染約占點源污染負荷的20%.通過點源污染與城市面源污染負荷的總量可評估進入南明河干流城區(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)通過生物的擾動作用、沉積物有機物的礦化作用及底泥再懸浮會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)源污染對河道水質(zhì)變化的貢獻, 識別造成水環(huán)境污染的關(guān)鍵因子, 對有效進行河道修復(fù)具有重要作用.

貴州南明河水環(huán)境綜合整治綜合分析

　　以南明河干流城區(qū)段為研究對象, 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10處評估點源污染量, 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號排水大溝、2號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個入河點中, COD、氨氮和總磷單項指標為劣Ⅴ類的分別達80%、60%和30%.COD和氨氮是南明河的主要入河污染物, 50%的點源污染來水中COD和氨氮濃度超過Ⅴ類水限值, 達到了153.4和17.3 mg·L-1(超過地表Ⅴ類水限值284%和765%).同時考慮各入河點的水質(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南明河干流的污染負荷強, 污染物總量分別占南明河點源污染的87.7%(COD)、82.0%(氨氮)和85.4%(TP).

　　對污染負荷嚴重的花溪河、小黃河、市西河和貫城河排水溝沿線排污口進行排查并進行產(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和氨氮等超標的關(guān)鍵因素, 是造成南明河黑臭污染的主要原因.

　　美國和日本的研究表明(荊紅衛(wèi)等, 2012), 隨著點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), 其對污染負荷的貢獻可達總污染負荷的50%~75%;而由于國內(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, 國內(nèi)城市的面源污染約占點源污染負荷的20%.因此, 本研究中主要通過點源污染估算面源污染負荷, 計算可知, 面源污染對COD、氨氮和TP的負荷分別約為10910、464和68 t·a-1.

　　3.1.2 內(nèi)源污染

　　以H點(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)含水率相對降低(介于35%~45%之間).此外, 污泥干基有機物、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.干基有機物含量總體介于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.

　　趙興青等(2007)在研究太湖底泥中有機物及營養(yǎng)鹽含量隨深度變化時發(fā)現(xiàn), 在底泥表層(0~15 cm)有機質(zhì)及營養(yǎng)鹽的含量高, 但變化幅度較大總體呈現(xiàn)波動狀態(tài);在15 cm后呈現(xiàn)隨深度增加有機物及營養(yǎng)鹽含量逐漸減少的趨勢, 這一結(jié)果與本研究相似.底泥表層有機物含量波動較大, 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較于湖泊更為強烈, 也是導(dǎo)致南明河底泥表層有機物及營養(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、干基有機物及營養(yǎng)元素含量隨底泥深度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢, 并在40 cm深度(對于H點處淤泥)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.底泥厚度大點一般出現(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.