生態清潔小流域污染物總量及水環境容量研究
——以上海市華漕鎮為例

王 波 杰

(上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200000)

0 引 言

近幾年上海市水環境治理經歷了補短板的兩個階段，一是消除黑臭水體階段，二是整治面廣量大的劣Ⅴ類水體階段。至2019年底劣Ⅴ類河道斷面占比下降至2.5%，全市水環境治理工作取得了一定的效果。但受各種因素限制，水環境治理工作仍存在單獨治水多、系統謀劃少，單獨治理多、聯片治理少，硬質工程多、生態修復少，單項功能治理多、綜合功能提升少等問題。2020年上海市政府貫徹生態文明和幸福河的理念，以生態清潔小流域為連片布局，全面推進上海“河湖暢通、生態健康、清潔美麗、人水和諧”的生態清潔建設[1]。生態清潔小流域建設以治水為核心，將小流域水質作為核心指標，要從根本上實現小流域水質達到生態清潔小流域考核目標，需要建立污染物排放量和水環境質量之間的定量對應關系[2]。如何科學、合理、精準測算污染物排放量及水環境容量是實現水質穩定達標的關鍵[3-4]。

本文以上海市華漕鎮生態清潔小流域建設為例，在本底條件調查的基礎上，提出了污染源及水環境容量測算方法，通過對比分析結果能夠明確流域主要超標因子，可為華漕鎮小流域建設工作提供參考依據[4]，對于上海市及其他城市全面開展生態清潔小流域建設具有重要的指導和借鑒意義。

1 華漕鎮流域水環境現狀

華漕鎮位于上海市閔行區北端，蘇州河南岸，東與長寧區新涇鎮相接，西與青浦區華新、徐涇鎮相連，南與新虹街道相鄰，北濱蘇州河與嘉定區安亭、江橋鎮隔江相望，華漕鎮鎮域總面積28.2 km2(見圖1)。

根據《上海市生態清潔小流域建設總體方案》[1]建設要求，華漕鎮屬于綠色發展型生態清潔小流域。上海市生態清潔小流域總體示意見圖2，綠色發展型生態清潔小流域主要評價指標見表1，地表水Ⅳ類指標見表2。

表1 華漕鎮綠色發展型生態清潔小流域主要評價指標Tab.1 Main evaluation indices of in Huacao Town green development ecologically clean small watershed

表2 地表水Ⅳ類指標Tab.2 Class IV indicators of surface water

2 污染源構成分析

污染源分析以2019年為基準年，調查了華漕鎮下墊面、降雨條件、雨污排水系統、農業種植業作物、底泥疏浚情況。結果表明：華漕鎮污染物來源主要包括農業面源污染、城鎮生活污水、地表徑流(主要為放江泵站)、濕沉降。由于華漕鎮河道2018年已經過一輪清淤整治，內源污染不計入其中，另外華漕鎮內污水系統均輸送至虹橋污水廠進行處理，虹橋污水廠出水直排至蘇州河，未排入本流域內，污水廠尾水污染也不計入其中。根據以上污染源類型，結合各項污染源排污系數計算原則，農業面源污染排污系數依據《全國水環境容量核定技術指南》(2003)[6]，城鎮生活污水根據《第一次全國污染源普查-城鎮生活污水排污系數手冊》(2008)選取，地表徑流污染排污系數主要依據《上海市骨干河道一河一策》，濕沉降排污系數主要依據《水環境容量計算理論及應用》(2010)[7]選取，進而可測算出污染源排放總量，其相關污染指標及數據見表3。由表3可知：目前華漕鎮污染物排放總量CODCr為1 428.60 t/a，NH3-N為59.09 t/a，TP為11.30 t/a，污染負荷貢獻最大來自地表徑流(主要以放江泵站[8]形式為主)，其次為城鎮生活污水。

表3 華漕鎮各類污染物排放量測算Tab.3 Emission calculation of various pollutants in Huacao Town t/a

3 水環境容量計算

水環境容量是指水體環境在一定功能要求、設計水文條件和水質目標下，所允許容納的污染物量[9-10]，即在水環境功能不受破壞的條件下，水體所能容納的污染物量，也是水污染總量控制的關鍵核心[11]。根據污染物降解機理，水環境容量可劃分為稀釋容量和自凈容量兩部分[12]式(1)。稀釋容量是指在給定水域的來水污染物濃度不達標時，依靠稀釋作用達到水質目標所能承納的污染物量；自凈容量是指由于沉淀、生化、吸附等物理、化學和生物作用，給定水域達到水質目標所能自凈的污染物量。

W水環境=W稀釋+W自凈

(1)

3.1 計算方法

采用完全混合模型對華漕鎮地表水環境容量進行估算，水質目標按照本次華漕鎮綠色發展型水質達到Ⅳ類標準要求確定，計算公式如下：

W=Q0+(CS-C0)+KVCs

(2)

式中：Q0為周邊流域流入流量，m3/s；Cs為水質目標標準，mg/L；C0為入流污染物濃度，mg/L；K為降解系數，d-1；V為水體容積，m3。

因華漕鎮內及周邊河道小流域水質指標均以地表水Ⅳ為目標，因此認為來水水質即為Ⅳ類，無稀釋容量，華漕鎮水環境容量主要為自凈容量，則有：

W自凈=KVCs

(3)

3.2 降解系數K值選擇

對于各項水質指標水環境容量研究，水質模型中降解系數的賦值是關鍵[13]，污染物的生物降解、沉降和其他物理過程，可概括為污染物綜合降解系數。現行的計算方法主要有資料反推法、類比法、經驗估值法、分析借用法、實測法、模型率定法等[14]，現行較為成熟流行的方法為水質模型率定法。本次降解系數的選取采用水質模型率定法。用MIKE模型建立上海市淀北片區(華漕鎮位于淀北片)水質模型，根據2019年現狀水質數據率定了各污染因子降解系數，淀北片水質綜合降解系數數據率定圖詳見圖3，華漕鎮CODCr降解系數取0.05，NH3-N降解系數取0.03，TP降解系數取0.018。

3.3 水環境容量與污染總量對比分析

通過水環境容量及污染總量量化比較分析，華漕鎮流域水環境剩余余量數據見表4。余量為正表示水環境容量還有富余，余量為負表示水環境容量不足，無法消納入河污染負荷。表4數據結果表明：COD水環境余量為84.91 t/a，NH3-N水環境余量為-13.69 t/a，TP水環境余量為-5.85 t/a，表明華漕鎮現狀的NH3-N、TP水環境余量均不足，無法滿足華漕鎮生態清潔小流域Ⅳ類水目標。

表4 華漕鎮各類污染物水環境余量測算Tab.4 Water environment allowance of various pollutants in Huacao Town t/a

3.4 現狀水質耦合論證

以2019年華漕鎮水質現狀指標作為論證支撐數據，根據華漕鎮水務站提供的2019年閔行區河湖水質狀況年報[15]：其中Ⅳ類及以上121個點位，占比75.15%；Ⅴ類點位22個，占比13.66%；劣Ⅴ類點位有18個，占比11.18%。主要超標因子為氨氮、總磷，總磷未達到Ⅳ類有33個，超標率為20.50%，氨氮未達到Ⅳ類有35個，超標率為21.74%。從總體數據來看，華漕鎮現狀水質氨氮及總磷為主要超標因子，與前文水環境余量計算結果基本符合，可認為本次華漕鎮污染源總磷及水環境容量計算方法基本合理。

4 污染物總量控制措施及目標分析

4.1 污染物總量控制目標與分析

目前，華漕鎮流域影響水質的最主要污染因子為氨氮及總磷，需要進行污染物總量控制目標分析，污染物總量控制的基本思路詳見圖4。以環境質量標準為基礎，考慮自然特征，計算出為滿足環境質量標準的污染物總允許排放量，然后計算每個污染源的合理削減率和相應的允許排放量，得出最優方案。結合華漕鎮水環境質量要求標準，對各類污染源提出不同的削減工況組成[16]。

4.2 污染防治措施分析

從污染物排放總量占比數據來看，污染防治措施主要從地表徑流控制、生活污水排放控制、水生態修復治理、農業面源控制4個方面入手，通過減排增容的方式確保流域能夠依靠自凈能力消納流域污染總量[17]。

4.2.1地表徑流控制措施

華漕鎮大部分區域為強排區，地表徑流主要依靠強排泵站排入至河道內，華漕鎮目前有5個雨水放江泵站存在雨天大量污染入河情況，對整個區域的水質惡化影響明顯。因此，急需對5個放江泵站采取針對性措施，減少污染入河量。放江泵站處理主要采取排口生態化處理方式，措施主要包括管道內底泥處理及高通量生物凈化廊道。高通量生物凈化廊道主要截留放江時沖下來的管道污泥，這樣能有效削減入河污染負荷，同時在凈化設施內設置高效微生物載體及微孔曝氣裝置，在放江結束后快速凈化受到污染的水質，并削減設施內的底泥。通過排口預處理后，其CODCr排入量能削減60%～70%，NH3-N排入量能削減15%～20%，TP排入量能削減50%～60%。

4.2.2生活污水污染控制

生活污水污染控制主要包括截污納管及初雨治理兩方面。推進小區末端截留改造，將污染控制在源頭，同時加強市政雨水管網檢測及修復力度，完善雨排放系統。對現狀雨水口進行改造，主要采取帶濾芯的新型雨水口，強化雨水口掛籃攔截垃圾，提升過水能力，改善入河初期雨水水質。通過以上措施手段，其生活污水排入量COD減少39.22 t/a，NH3-N減少5.02 t/a，TP減少1.26 t/a。

4.2.3水生態修復

針對重點區域(劣Ⅴ類水體)實施人工增氧及微生態系統修復，快速改善水質、增強水體自凈能力。水生態系統逐漸恢復后，主要依靠水生態植物系統與微生態修復搭配，增強水體納污能力和水質長效保持。同時結合活水暢流的方式，提升水動力，增加水環境容量，通過水生態修復工程，其COD能降解27.24 t/a，NH3-N降解4.39 t/a，TP降解0.18 t/a。

4.2.4農業面源控制

種植業面源污染管控策略是以源頭控制、過程阻斷、末端治理為技術治理路線。源頭控制措施主要是科學調整農作物茬口布局、科學施用農藥和化肥、大力發展高標準節水灌溉技術、減少灌溉定額、大力發展生態農業經濟；過程阻斷以工程措施為主，把現狀排水溝改造為生態攔截溝，攔截降解氮磷等污染物；末端治理是利用周邊現有閑置塘或者洼地，改造成具有凈化效果的人工濕地或者凈化塘，將種植業較集中區域進行集中式處理，區塊尾水集中后進行深度處理，以削減農業面源污染負荷，處理凈化后的水體可就近入河或進行灌溉回用，最小化環境排放量的同時實現水資源的節約。農業面源污染治理措施能夠有效削減30%的NH3-N和30%的TP。

4.3 水質可達性分析

通過農業面源控制、城鎮生活污水污染控制、地表徑流控制(海綿城市措施、5個雨水放江泵站強化處理)、水生態修復(水質不達標河道)等多項整治措施，各措施污染物去除量詳見表5。根據表5結果可知：污染物總計去除量CODCr為181.28 t/a，NH3-N為15.76 t/a，TP為6.10 t/a；整治后，華漕鎮小流域現狀水質整體達到Ⅳ類水標準及以上。表5結果中水環境容量余量轉為正數，表明華漕鎮小流域區域水質達到目標要求，符合實際情況。

表5 采用控制措施后的華漕鎮水環境余量Tab.5 Water environment allowance of Huacao Town after adopting the control measures t/a

5 結 論

本文以上海市華漕鎮生態清潔小流域建設為例，在現有資料調查基礎上，根據水質目標、水文水動力條件、污染排放類型及空間布局等因素，提出了污染源及水環境容量測算方法，根據測算方法能精準測算流域污染總量及水環境承載能力。通過兩者量化比較分析，可知2019年華漕鎮生態清潔小流域水環境余量CODCr為84.91 t/a，NH3-N為-13.69 t/a，TP為-5.85 t/a，得到流域目標污染因子為氨氮及總磷，地表徑流及生活污水排入量是該流域污染最主要的貢獻來源。研究結果表明華漕鎮流域整治重點需要從地表徑流控制、生活污水排放控制、水生態修復治理、農業面源控制入手。本次研究污染源及水環境容量測算方法能夠為華漕鎮流域水環境綜合整治提供參考依據，可以作為上海市生態清潔小流域污染源及水環境容量的估算方法，為上海市及其他城市全面開展生態清潔小流域建設提供重要的指導和借鑒意義。