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.國務(wù)院于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(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(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(jìn)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(fù)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(jìn)行定向識別的基礎(chǔ)上, 進(jìn)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(xiàn).通過建立MIKE模型, 進(jìn)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(dāng)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(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.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(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, 為實現(xiàn)南明河的水質(zhì)凈化與提升, 當(dāng)?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(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(jìn)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(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(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(jìn)行檢測(白瑤等, 2011), 各支流及排污溝流量通過當(dāng)?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(jìn)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(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(jìn)行分析(王佩等, 2012).對南明河干流城區(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, 沿程共布點200處.

　　2.3 污染及減排負(fù)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(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).

　　新建污水處理廠和現(xiàn)有污水廠升級改造對污染物的削減量為：

　　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)(針對水廠提標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行模擬工作.水動力水質(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)測數(shù)據(jù)對模擬參數(shù)進(jìn)行率定, 并進(jìn)一步通過2016年9—10月監(jiān)測數(shù)據(jù)對模擬參數(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(fù)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(fù)荷的20%.通過點源污染與城市面源污染負(fù)荷的總量可評估進(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(xiàn), 識別造成水環(huán)境污染的關(guān)鍵因子, 對有效進(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(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(fù)荷最強, 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(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(fù)荷的貢獻(xiàn)最高可達(dá)總污染負(fù)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(fù)荷的20%.因此, 本研究中主要通過點源污染估算面源污染負(fù)荷, 計算可知, 面源污染對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(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.

　　圖 2南明河淤泥含水率、有機質(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)鹽的含量最高, 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.底泥厚度最大點一般出現(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.

　　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源污染量之差, 估算內(nèi)源污染釋放對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)對南明河水環(huán)境污染的來源識別, 針對性地對外源及內(nèi)源污染采取措施;工程措施同時針對干流與支流開展, 以削減通過支流最終匯入干流的污染物.治理過程中觀測南明河的長期運行效果.

　　3.2.1 整治措施

　　外源污染的截留與治理：對干流及支流生活污水收集系統(tǒng)進(jìn)行改造以完善對污水的截流, 對排水大溝與截污溝連接點進(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);同時對南明河流域現(xiàn)有4座污水處理廠升級改造, 出水由一級B提至一級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)源污染的清淤與長效保持：通過人工配合挖掘機挖掘污泥的方法, 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, 形成短時間較大水力擾動對河道進(jìn)行沖刷, 達(dá)到對河道內(nèi)源污染控制的長效治理.

　　生態(tài)建設(shè)恢復(fù)自凈能力：對南明河和相關(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、對現(xiàn)有污水廠提標(biāo)改造和底泥清淤3項措施, 對COD減排量分別達(dá)10125.1、598.6和30690.9 t·a-1, 對氨氮減排701.8、50.3和122.1 t·a-1, 對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%.外源污染的減排對各項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, 相較于底泥清淤為一次性工程措施, 截污及污水處理為長期運營措施, 從而為河道的運營實現(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, 經(jīng)截污并處理后達(dá)到一級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, 工程中針對面源污染削減的措施較少, 雨季初期雨水、溢流混合污水對南明河干流水質(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)研美國水環(huán)境整治項目后指出, 當(dāng)點源污染得到全面控制后, 面源污染對水環(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)半年時間運行, 南明河整治段劣Ⅴ類的河長從整治前的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

　　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.為評估南明河水環(huán)境整治主體工程全部完成時南明河水環(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)計資料, 對完成3期整治后的水質(zhì)狀況進(jìn)行模擬與預(yù)測, 以指導(dǎo)工程的進(jìn)一步實施.

　　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)測數(shù)據(jù)對模擬參數(shù)進(jìn)行率定.同時, 1期及2期工程實施后, 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)測數(shù)據(jù)對模擬參數(shù)進(jìn)行校核和修正, 并確定了模型的主要參數(shù), 包括水動力系數(shù)和水質(zhì)降解系數(shù).其中, 水動力系數(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)果與實測結(jié)果較吻合, 其中, COD、NH3-N及TP模擬值與實測值相對誤差分別為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

　　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單項指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅲ類水的河段占干流城區(qū)段全長的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), 氨氮最高達(dá)1.81 mg·L-1 (超標(biāo)0.31 mg·L-1, 以N計).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)行重點關(guān)注, 需要通過污染排查或強化處理措施的方式重點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(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, 上游鄰近水庫水量充沛、水質(zhì)較好(地表水Ⅱ類)且具備調(diào)水條件, 同時由于調(diào)水距離較近的原因在經(jīng)濟性上也具有競爭性.因此, 綜合考慮技術(shù)實現(xiàn)可行性、達(dá)標(biāo)穩(wěn)定性及經(jīng)濟性, 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)計算, 通過紅楓湖對南明河進(jìn)行生態(tài)補水且補水量達(dá)到2.89 m3·s-1時, 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, 補水量可相應(yīng)減小.具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　由模型模擬可知, 針對南明河的水環(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)源污染對于國內(nèi)大部分河道的水環(huán)境整治具有適用性, 且對管網(wǎng)、污水廠的長效運行維護(hù)及清淤后底泥的長效控制, 是實現(xiàn)河道水質(zhì)長期保持的關(guān)鍵.同時對于城市河道而言, 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A標(biāo)準(zhǔn)的出水仍然屬于劣Ⅴ類水;此外, 當(dāng)點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)和近距離補水調(diào)水, 同時應(yīng)通過海綿城市建設(shè)等措施加強對面源污染的控制.

　　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)半年運行后, 南明河劣Ⅴ類河道長度占比從整治前的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)測綜合整治措施全部完工時, 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12.5%, 超標(biāo)至多0.05 mg·L-1)、氨氮超標(biāo)(占河道總長24.3%, 超標(biāo)至多0.31 mg·L-1)的情況.

　　4) 通過從上游水庫(Ⅱ類水)進(jìn)行生態(tài)補水, 可保障南明河水質(zhì)在干流城區(qū)段全長范圍內(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, 枯水期最高補水量應(yīng)達(dá)到3.47 m3·s-1.(環(huán)境科學(xué)學(xué)報 作者：李力)