海綿城市建設規劃中水環境容量研究

龐潔 李特

摘 要：水環境功能區水質改善與達標是建設海綿城市的一項重要目標，其核心手段是將污染物總量控制在水環境容量允許的范圍之內。本文以遷安市海綿城市建設為例，將水污染負荷削減至水環境容量之內作為基本要求，計算出試點面源污染削減率的目標，制定有針對性的海綿城市建設規劃措施，以實現各分區污染物減排和水質達標的目的。

關鍵詞：海綿城市;水環境容量;負荷削減;水質

中圖分類號：X824文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0114-03

Study on Water Environmental Capacity of Sponge City Construction Plan

PANG Jie LI Te

（Yangling Vocational and Technical College，Yangling Shaanxi 712100）

Abstract： The improvement and standard of water quality in the water environment functional area is an important goal of building sponge city. The core means is to control the total amount of pollutants within the allowable range of water environment capacity. Taking the sponge city construction of Qian'an city as an example， the paper took the water pollution load reduction to the water environment capacity as the basic requirement， calculated the target of the pilot non-point pollution reduction rate， and formulated the targeted sponge city construction planning measures to achieve the goal of pollutant emission reduction and water quality standard in each district.

Keywords： sponge city;water environment capacity;load reduction;water quality

海綿城市建設是城市發展理念和建設方式轉型的新途徑之一。2013年12月，習近平總書記在中央城鎮化工作會議上指出：“建設自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市。”海綿城市，指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用。海綿城市建設遵循生態優先等原則，將自然途徑與人工措施相結合，在保障城市排水防澇安全的前提下，最大限度地實現雨水在城市區域的積存、滲透和凈化，促進雨水資源的利用和生態環境保護。環境功能區水質達標是海綿城市建設的重要目的之一，控制入河污染物總量在水環境容量允許的范圍之內是實現水質達標的重要手段。水環境容量是在給定水域范圍和水文條件、規定排污方式和水質目標的前提下，單位時間內該水域最大允許納污量[1]。污染物總量小于水環境容量限值是水環境質量是否達標的關鍵指標。

隨著水環境污染日益加重和城市蓄水量不斷增加，水質污染及水資源緊缺成為制約城市發展的重要因素，對水環境容量和污染物削減的研究是水環境保護的熱點問題。目前，相關研究主要集中在水環境容量測算分析方法上。韓龍喜等通過建立河網水量水質模型，完成南通河網水環境容量的計算及該區域水質模擬[2];彭嘉玉等基于動態水文條件水質模型模擬，提出了河流水環境容量的非線性優化算法[3];韓嬌基于同沙水庫南部進水、北部出水兩個主要監測斷面水質分析了同沙水庫的水質現狀及入庫污染負荷現狀[4]。本文在前人研究的基礎上，以遷安市三里河流域為例，探討海綿城市建設規劃中的水環境容量。

1 三里河水體現狀分析

遷安市主要位于灤河與三里河之間，三里河流域面積為48.42 km2，多年平均徑流量為 0.12億m3，多年平均流量為0.38 m3/s。河道排洪能力不足，合流制加劇內澇，三里河多處跨河路橋存在水沒橋洞的問題，嚴重阻礙行洪排水;設計洪水時，灤河水位較高造成三里河澇水不能順暢排出。三里河水環境存在的問題具體如下。

第一，河流水體污染嚴重，喪失使用功能。為全面了解三里河水環境質量情況，在三里河設置人工采樣點。通過水質監測整體反映出三里河上、中、下游均為劣Ⅴ類水，主要超標污染物為氨氮類。究其原因，部分地區沒有實現雨污分流，合流制管道溢流，造成雨季大量污染物入河;未有效控制區域內的面源污染，部分沿河城市污水直接入河，導致面源的影響逐年加大，水質進一步惡化;內源污染嚴重，河底淤積了大量沉積物，且其營養鹽濃度較高。

第二，河流水動力不足，不利于防洪排澇。現有原始河道部分段流速較小，水動力嚴重不足，污染物質量濃度不能隨水體的流動而稀釋，氨氮類污染物易引起水體富營養化，對削減水污染目標不利。部分河道的河底高程過高造成過水斷面不足，河道防洪排澇能力較差。

2 水環境容量和面源污染負荷

2.1 水環境容量

三里河中下游為自然河道，沿途村莊生活垃圾沿河堆放，河道變窄且擁堵，水生態系統脆弱。部分沿河城市污水直接入河，導致水質進一步惡化，合流制管道溢流，造成雨季大量污染物入河;工農業污染嚴重，沿岸有養殖場、農田、工廠、垃圾堆放場等，污水直接入河加劇河流水體污染;內源污染嚴重，河底淤積了大量沉積物，且其營養鹽濃度較高，這些是三里河的主要污染源。

2.2 水環境容量和面源污染負荷計算

2.2.1 內河納污能力計算模型。納污能力由自凈容量和稀釋容量兩部分組成，納污能力的計算公式[5]為：

[W=Q0Cs-C0+KVCs+qCs]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：[W]表示內河納污能力值，103 mg/s;[Q0]表示進口斷面入流流量，m3/s;[C0]表示進口斷面水質濃度，mg/L;[q]表示旁側入流流量，m3/s;[Cs]表示水體水質標準濃度，mg/L;[V]表示水體體積，m3;[K]表示水質降解指數，s-1。

2.2.2 污染物負荷計算。污染源負荷計算選用輸出系數法[5]，如式（2）所示：

[Lj=EjAαj]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：[Lj]為污染物[j]在流域內總負荷量，kg/a;[Ej]為排污系數，kg/（km2·a）;[A]為土地面積，km2;[αj]為污染物入河系數。

2.2.3 面源分區削減率計算方法。以水環境容量為基礎，考慮面源污染負荷及水環境容量的面源污染排放限額，確定需要削減的污染負荷和目標削減率：

[P面源削減=P面源負荷-P容量]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：[P面源削減]表示滿足水環境限額條件下，需要削減的面源污染負荷，t/a;[P面源負荷]表示各分區面源污染量，t/a;[P容量]表示扣除點源后的剩余水環境容量，t/a。

[f=P面源削減/P面源負荷]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：[f]表示面源污染削減率，%。

3 環境治理方案

通過系統的海綿城市工程體系建設，解決城區內澇、水環境等核心問題，實現“小雨不積水、大雨不內澇、水體不黑臭、熱島有緩解”的海綿城市建設目標和“水清、岸綠、景美”的河道整治目標。三里河作為遷安市的主要排澇河道，下游水質超標、景觀效果不佳等問題嚴重制約了城市水系統的健康發展。通過對水環境容量的計算及污染物負荷的測算，設定削減工程實施后水污染削減目標。削減措施如圖1所示。

三里河流域水環境容量有限，削減任務目標很重。本研究在計算水環境容量的基礎上，以河道化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、氨氮為指標，分析河道污染物負荷情況，得出污染物削減目標。通過一系列措施，解決河道流水不暢、水體富營養化等問題，有效實現削減目標。

3.1 三里河生態需水量及水環境容量分析

鑒于三里河與海綿城市試點區的位置關系，為全面測算河道水質情況，將河流劃分為源頭—試點區段、試點區段、試點區—B河段三個河段，如圖2所示。由于三里河枯水期少有污水和雨水徑流入河，故削減分析中僅基于豐水期環境容量進行計算。分別計算各河段豐水期的水環境容量，結果見表1，為污染負荷削減工程的確定提供基礎。

3.2 源頭—試點區段污染負荷及削減量

經計算，源頭—試點區段流入流域的污染物COD為52.35 t/a、氨氮為6.56 t/a。與表1對比可知，COD未超負荷，而氨氮超負荷，需要削減。按照控制斷面達標確定本段河道外源需削減污染物目標：氨氮削減量為3.68 t/a，削減率為56%。

3.3 試點區段污染負荷及削減分析

經計算，試點區段流入流域的污染物COD為40.21 t/a、氨氮為1.16 t/a。與表1對比可知，氨氮污染負荷并未超過環境容量，不用削減，COD指標超標。本段河道外源需削減污染物目標：COD削減量為14.02 t/a。分析本區域的污染負荷數據可知，城市面源污染是主要污染源，約占總污染負荷的98%（COD），是該區域需要重點控制的污染源。基于片區現狀，初步確定了面源污染控制工程和溢流污染控制工程的削減目標，其中，城市面源污染COD削減率為35%，溢流污染COD削減率為10%。

3.4 試點區—B河區段污染負荷及削減分析

試點區—B河區段污染物COD為239.98 t/a、氨氮為16.95 t/a。與表1對比，按照控制斷面達標法確定本段河道外源需要削減污染物目標：COD削減量為135.64 t/a，氨氮削減量為10.52 t/a。本河段應重點控制的污染源為農村污染以及河道內源，氨氮削減率目標分別為57%、62%，其余通過控制城市面源污染和合流制溢流實現污染物的削減目標，優先進行溢流污染控制，削減目標為83%，最后考慮進行城市源頭污染控制，削減目標為48%。

3.5 河流污染負荷削減匯總

通過對各區域分段的分析可知，雨污分流后三里河流域入河的污染物COD為332.54 t/a、氨氮為25.27 t/a，對比河道水環境容量，需要削減污染物的量為：COD 140.94 t/a，氨氮 14.74 t/a。由此可知，流域內的污染源主要包括城市面源污染、溢流污染、農村污染以及河道內源污染，其中，農村污染負荷占比較大，約占污染物總量的72%（氨氮）。

根據上述分段污染源解析和削減分析，源頭—試點區段應將氨氮作為重點控制污染物，對農村污染進行控制，污染物削減目標為：氨氮56%;試點區段”COD超標嚴重，應以COD作為重點控制污染物，其中，城市面源削減目標為35%，溢流污染削減目標為10%;試點區—B河區段，COD和氨氮均超標，農村污染削減目標為62%，河道內源削減目標為70%，溢流污染削減目標為83%，城市面源控制目標為50%。

4 水質保障方案

為實現上述削減目標，本文從該市實際情況出發，提出相應的工程和非工程措施，主要包括農村污水和垃圾收集處理工程、農田面源污染處理工程以及畜禽養殖污染控制管理。考慮采用透水鋪裝、植被過濾帶、植草溝、入滲溝、砂濾池和生物滯留池等源頭控制措施進行削減。在本流域開展低影響開發建設，提高生態廊道對雨水的收集調蓄凈化能力。通過綠地改造，削減經雨水徑流進入本研究河流從B河引水處的污染負荷。

同時，從多角度著手，提升水質凈化能力。通過新建污水處理廠和改造現行污水處理廠，提高整個城市的污水處理能力。完善城市供水系統，從根本上保障居民飲用水源。為提升海綿城市建設、監管、評估能力，建設海綿城市一體化監測平臺，實現海綿城市建設的達標性和有效性，對海綿城市的建設效果進行大數據監測。

5 結語

水環境功能區水質目標的實現是海綿城市建設的重要目的之一，控制入河污染物總量在水環境容量允許的范圍內是實現水質達標的重要手段。將點源和面源污染物削減至水環境容量之內是海綿城市的基本建設要求，同時能通過削減量準確確定削減率目標取值的科學性。因地制宜地結合各分區的特點制定有針對性的海綿城市建設規劃措施，可以實現各分區污染物減排和水質達標的目的。

參考文獻：

[1]中國環境規劃院.全國水環境容量核定技術指南[R].2003：5.

[2]孫衛紅，韓龍喜.基于水量水質模型的高郵湖控制斷面污染源解析[J].環境保護科學，2019（5）：52-57.

[3]彭嘉玉，雷坤，喬飛，等.基于不同設計水文條件的鐵嶺水環境容量核算[J].環境工程技術學報，2017（4）：470-476.

[4]韓嬌.同沙水庫水環境容量分析[J].河南科技，2013（7）：180-181.

[5]戴忱，陳凌.宜興市基于水環境容量的海綿城市建設規劃[J].中國給水排水，2018（18）：6-11.