京杭運河(蘇州段)污染負荷核算及源解析

王晉虎，古向前，周 曼

(清華蘇州環境創新研究院，江蘇 蘇州 215000)

京杭運河(蘇州段)是京杭大運河“黃金水道”的重要組成部分，是太湖流域腹地和下游地區重要的洪澇調節和轉承河道。京杭運河(蘇州段)從北往南穿城而過，全長約80 km，上游為無錫市，由北至南依次流經蘇州市相城區、高新區、吳中區，最后經吳江市進入浙江嘉興境內，區域水網縱橫、河港交織，具有航運、防洪、排澇、灌溉、文化、景觀、旅游等多種功能，是太湖地區(蘇州市區段)工業廢水和生活污水主要的排放通道，也是蘇州市城區水環境安全關系最為密切的三大排污通道之一[1]。

目前，京杭運河(蘇州段)總體水質在Ⅳ—Ⅴ類，主要超標因素是氨氮和總磷。按照國家“水十條”要求，京杭運河水質必須穩定在Ⅳ類水標準，按照江蘇省對蘇州市斷面考核要求，京杭運河的省考斷面水質需滿足Ⅲ類水質要求，“降氮控磷”是運河蘇州段水質提升的主要目標[2]。為準確查找污染源頭，實施運河沿線各項水污染防治工作，需進行京杭運河(蘇州段)污染源解析研究，形成精細的控制單元，從而為削減氨氮和總磷的總量提供數據支撐，為各項水污染防治提供技術支持和科學指導。

1 研究區概況

京杭運河(蘇州段)望亭入境至運河干流省考斷面瓜涇口北區域之內是京杭運河(蘇州段)城區人口密布、工業發達、大量生活污水或工業廢水直接或間接排入運河的區域，是京杭運河(蘇州段)整治工作的重點區域，故此研究重點分析區域為京杭運河望亭入境至運河干流省考斷面瓜涇口北以北全長37 km區域[3]。此區域涉及相城區、高新區、姑蘇區、吳中區、吳江區，5個區沿運河沿線及水系直接相關運河的共涉及20個街道，故將這20個街道作為水污染源解析的重點控制單元進行分析。

2 污染源負荷核算方法

研究以流域污染負荷核算為重點，對運河(蘇州段)兩岸涉及的5個區20個街道污染源進行系統的、高精度的分析，明確排污單元，核算污染貢獻，根據各區及各街道水污染源解析結果，形成重點整治內容的各控制單元。流域污染負荷的核算方法及模型主要分為機理模型和經驗模型2種，目前采用的是經驗模型，其中最重要的是輸出系數法模型。此研究中，工業企業、污水處理廠尾水污染排放主要來源于第2次污染源普查資料；生活源、地表徑流、內源(底泥釋放)等其他污染源，主要應用輸出系數法及其改進模型的核算思路，建立核算體系、應用科學方法、確定合理系數進行計算[4]。

2.1 點源污染源負荷核算

點源污染源包括工業企業排污和集中式污水處理廠排污，集中式污水處理廠污染是指進入污水處理廠的工業廢水和生活污水處理后直接排往運河及相關水體，工業企業污染是指京杭運河(蘇州段)流域內5個區工業廢水在企業內部處理(或未經處理)后，直接排放進入流域內的水體。

通過調研及分析二污普查數據，研究區域內與運河水系排污相關企業共7 596家企業，有7 153家企業排水進入污水處理廠，443家企業直接排放至運河相關水系。通過分析核算，京杭運河(蘇州段)周邊污水處理廠及企業直排的氨氮、總磷的排放量分別為2 386.19、50.64 t，各種污染物排放量均為吳中區最多，高新區、姑蘇區、相城區、吳江區次之。

2.2 面源污染源負荷核算

根據調研，京杭運河(蘇州段)瓜涇口以北的沿線區域，目前城鎮化率已實現100%，不存在規模農業種植，根據調研也不存在養殖產業，故研究的面源污染主要包括未收集的生活污水、城鎮地表徑流2個方面。2個類型在污染物排放上采用相似的方法進行核算，均由經處理部分污染物排放和未處理部分污染物排放2個部分組成[5]。

2.2.1 未收集的生活污水

城鎮生活污染的水污染物產生量(ULa)、入河量(ULb)的計算公式：

(1)

2.2.2 城鎮地表徑流

城鎮生活污染的水污染物產生量(URa)、入河量(URb)的計算方程如下：

(2)

式中，URa為城鎮地表徑流水污染物產生量；UAi為第i種城鎮用地類型的面積；DP為城鎮地區的年徑流量；Ui為第i種城鎮用地類型徑流污染物的平均濃度；URb為城鎮地表徑流水污染物；aUR為城鎮地表徑流水污染物的入河系數(無量綱)。

DP根據調研及文獻取年降雨量的50%；aUR根據調研及文獻取30%。

2.3 河道內源污染

為了對底泥釋放量進行粗略計算，由室內模擬試驗的研究結果，計算出單位表面積底泥的每日釋放通量。

對整個河道底泥的每日釋放通量可通過2種方法來計算，即體積法和表面積法。但考慮到河道底泥的相對靜態非劇烈擾動特征，即參與釋放的并非河道所有層面的底泥，最終確定以表面積法對河道底泥的釋放量進行計算。計算公式：

W底泥=S×R×t×10-6

(3)

式中，W底泥為按表面積法計算得到的釋放量；S為河道底泥表面積；R為底泥釋放速率，根據清淤情況由試驗得到釋放速率；t為釋放時間。

2.4 船舶污染源污染

江蘇省交通運輸環境保護工程技術研究中心殷承啟于2019年開展過“江蘇省內河船舶廢水污染現狀及影響研究”，通過在江蘇省內河船閘、港口對內河船舶廢水污染防治現狀進行調研，并計算江蘇省內河船舶廢水污染物排放量，分析內河船舶廢水污染物排放對江蘇省、太湖流域以及京杭運河蘇北段等敏感區域的影響程度。本研究中京杭運河(蘇州段)船舶廢水污染物排放量借鑒上述項目研究結果，蘇南運河全長213 km，京杭運河蘇州段(無錫至瓜涇口段)長度37.7 km，按等比例折算[6]。

3 流域污染源解析結果

3.1 流域各版塊污染負荷結果

通過核算，區域內污染負荷分別為氨氮600.56 t、總磷88.43 t。各控制單元污染負荷情況見表1。

表1 京杭運河(蘇州段)流域總污染負荷Tab.1 Total pollution load of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section)

3.2 流域污染負荷結構分析

京杭運河(蘇州段)流域各板塊中，吳中區由于涉及鎮及街道較多，區域較大，工業企業及徑流污染量較大，故吳中區NH3-N和TP指標中排放均為最多，其次為高新區及姑蘇區。

分析京杭運河(蘇州段)流域各污染源負荷可知，京杭運河作為蘇州市三大納污通道之一，流域各污染物中均以點源污染占比較高，NH3-N為48.86%、TP為54.67%；其次為未收集的生活污染，NH3-N為41.80%、TP為33.90%。NH3-N和TP指標中，未收集的生活污染占比較高，說明這兩項指標受區域內雨污分流不徹底導致的生活污水外排影響較大，主要原因為運河周邊分布有92條內河，內河沿線城鎮人口密集，生活污水產生量大，區域內雨污分流不徹底，生活污水排河污染較重，故運河流域雨污分流整改是降低運河NH3-N和TP指標的關鍵所在[7]。流域內各區及各污染物排放情況如圖1所示。

圖1 京杭運河(蘇州段)流域各水污染物排放情況Fig.1 Discharge of water pollutants in Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section)

3.3 排放強度及主要管控源分析

由上分析可知，京杭運河(蘇州段)流域NH3-N、TP兩項水污染物，吳中區排放占比均最高，這與吳中區與運河水系相關的區域的面積較大有關，流域內吳中區面積 247.14 km2，占總面積的41.27%。因此，有必要對污染來源進行細化分析，根據各鄉鎮的污染排放總量、單位面積排放強度以及污染負荷結構分析，提出京杭運河(蘇州段)流域污染源的重點控制對象。由于污染物NH3-N和TP的分布趨勢相近，研究以NH3-N的排放總量及強度來解析各污染源狀況。NH3-N排放總量及排放強度分布如圖2所示。

圖2 京杭運河(蘇州段)各板塊NH3-N排放總量及排放強度Fig.2 Total emissions and emission intensity of NH3-N in each section of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section)

京杭運河(蘇州段)流域分鄉鎮NH3-N負荷和單位面積排放強度如圖3和圖4所示。

圖3 京杭運河(蘇州段)流域分鄉鎮NH3-N負荷Fig.3 Watershed of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section) by township NH3-N load

圖4 京杭運河(蘇州段)流域分鄉鎮NH3-N單位面積排放強度Fig.4 Watershed of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section) by township NH3-N emission intensity per unit area

京杭運河(蘇州段)流域統計的20個街道(鎮)中，排名前10個鄉鎮貢獻了85%以上的NH3-N，分別為吳門橋街道、郭巷街道、城南街道、楓橋街道、獅山橫塘街道、木瀆鎮、滸墅關鎮、雙塔街道、胥口鎮、望亭鎮。對京杭運河(蘇州段)流域NH3-N的污染排放控制應首先控制這10個鄉鎮。其中，吳門橋街道、雙塔街道、城南街道、獅山橫塘街道、滄浪街道單位面積排放強度高于流域平均水平。

10個街道(鎮)的污染負荷結構如圖5所示。整體來說，木瀆鎮、胥口鎮由于區域面積較大，人口基數較大，未收集的生活污水量較大，故NH3-N貢獻率未收集的生活污染占比較高，其余街道(鎮)均以點源污染占比較高；點源污染中望亭鎮、吳門橋街道、雙塔街道、城南街道由于轄區內有綜合污水處理廠，故點源污染中NH3-N貢獻率主要來源為污水處理廠尾水，獅山橫塘街道、楓橋街道、郭巷街道、滸墅關鎮點源污染中NH3-N貢獻率主要來源為企業排污；城區街道來看，雙塔街道、楓橋街道、郭巷街道、獅山橫塘街道的未收集生活污染比例比較高，為NH3-N控制、控源截污的主要區域。

圖5 京杭運河(蘇州段)流域分鄉鎮NH3-N污染負荷結構Fig.5 NH3-N pollution load structure of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section) by township

4 結語

(1)研究統籌了運河水系水質水文情況，以流域污染負荷核算為重點，對各板塊污染源進行系統的、高精度的分析，形成重點整治內容的各控制單元。研究中，工業企業、污水處理廠尾水污染排放負荷主要來源于第2次污染源普查資料；生活源、地表徑流、內源(底泥釋放)等其他污染源，主要應用輸出系數法及其改進模型的核算思路計算。

(2)京杭運河(蘇州段)流域各板塊負荷中，吳中區由于涉及鎮及街道較多、區域較廣、工業企業及徑流污染量較大，故吳中區排放均為最多，其次為高新區及姑蘇區；流域各污染物中均以點源污染占比較高，其次為未收集的生活污染。未收集的生活污染占比較高，說明區域水質受區域內雨污分流不徹底導致的生活污水外排影響較大，故運河流域雨污分流整改是降低運河污染指標的關鍵。

(3)京杭運河(蘇州段)流域統計的20個街道(鎮)中，排名前10個鄉鎮貢獻了85%以上的NH3-N，對京杭運河(蘇州段)流域NH3-N的污染排放控制應首先控制這10個鄉鎮。其中，吳門橋街道、雙塔街道、城南街道、獅山橫塘街道、滄浪街道單位面積排放強度高于流域平均水平。

(4)10個重點街道中，除木瀆鎮、胥口鎮污染貢獻率中未收集的生活污染占比較高，其余街道(鎮)均以點源污染占比較高；點源污染中望亭鎮、吳門橋街道、雙塔街道、城南街道 點源污染貢獻率主要來源為污水處理廠尾水，獅山橫塘街道、楓橋街道、郭巷街道、滸墅關鎮點源污染貢獻率主要來源為企業排污；城區街道來看，雙塔街道、楓橋街道、郭巷街道、獅山橫塘街道的未收集生活污染比例比較高，為污染物控制、控源截污的主要區域。