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(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(lèi)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(lái)源于生活水污染.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(guò)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(guò)河道自?xún)裟芰κ窃斐珊拥浪|(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(lái)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(lèi)及來(lái)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(guò)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(lái)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闹Я? 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(kāi)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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(dāng)?shù)毓I(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(mǎn)足新增污染物的處理, 導(dǎo)致近年來(lái)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(lèi)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(lèi)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(lè)用水需要, 確定南明河水環(huán)境綜合整治的目標(biāo)是終實(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(lèi)水質(zhì), 建立*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(lèi)和排放負(fù)荷, 主要包括：花溪河、小黃河、麻堤河、小車(chē)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(xiàn)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(guò)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(wú)降雨徑流, 無(wú)面源污染負(fù)荷匯入);通過(guò)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(lèi)水體, 自?xún)裟芰Σ幻黠@, 在忽略河道自?xún)裟芰Φ那闆r下, 通過(guò)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)).

(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).

(2)

　　式中, Tr為通過(guò)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)模擬分析在不利條件下(枯水期)進(jìn)行, 若枯水期滿(mǎn)足水質(zhì)目標(biāo)(Ⅳ類(lèi)), 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(mǎn)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)地表徑流帶來(lái)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(guò)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(guò)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.

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(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(chē)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(lèi)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(lái)水中COD和氨氮濃度超過(guò)Ⅴ類(lèi)水限值, 達(dá)到了153.4和17.3 mg·L-1(超過(guò)地表Ⅴ類(lèi)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(xiàn)排污口進(jìn)行排查并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)分析, 其主要污染來(lái)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(lái)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(mǎn)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)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(guò)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.

　　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(lái)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(kāi)始迅速降低, 與上層的底泥性狀呈現(xiàn)顯著的差別, 說(shuō)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(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(kāi)始明顯增加, 使得流速減緩, 導(dǎo)致懸濁物大量沉降造成.