京杭运河镇江丹徒段断面水质达标控制研究——以镇江辛丰镇、王家桥断面为例

王 凌

镇江市丹徒区环境监测站，江苏 镇江 212028

0 引言

京杭运河北起北京，南至杭州，流经六省市，沟通了五大水系，全长1 794 km，是世界上开凿时间最早、历程最长的一条人工河流。京杭运河丹徒区段又称江南运河，全长7.6 km，属于III级河道，具有防洪、排涝、航运、灌溉、景观等多种功能，其河道水质的好坏对镇江市的城市建设和社会经济发展有着十分重要的作用[1]。占用河道、污水排放等环境问题的出现，致使部分河段出现了水质超标恶化，影响了周边居民的正常生活，也严重制约了镇江市社会经济的可持续发展[2]。

中共中央国务院关于印发《水污染防治行动计划》的通知(国发〔2015〕17号)、《中共中央国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》(中发〔2018〕17号)、《沛县水污染防治工作方案》中提出 “水环境质量总体改善”要求，旨在以保护水资源、防治水污染、改善水环境、修复水生态为主要任务，实现断面水质稳定达标、水环境提升的目标。作为加强生态建设和环境保护的重要内容，对运河周边环境治理工程将改善运河水质。因此，京杭运河丹徒区段断面水质达标及治理对策研究尤为重要和迫切[3]。

本文通过对京杭运河丹徒区段周边水系开展摸排调查、污染源强解析，剖析断面水质超标成因，从而提出有效的针对性的对策，为地方环保管理部门提供技术支撑，有利于京杭运河水环境的根本化改善，为提升生态文明建设水平，实现区域经济社会的可持续发展奠定坚实的生态基础。

1 研究区域概况

京杭运河在镇江丹徒区段主要流经辛丰镇，该镇位于丹徒区东南部，东临镇江新区丁岗镇，南与丹阳市经济开发区接壤，西与谷阳镇相邻，北与京口区谏壁镇相连，区域面积 76.6 km2。境内京杭运河长 7.6 km，河宽 80 m，水深 4.5 m，平均流速 0.8 m/s，最大流量 203 m3/s，最高水位 6.8 m，最低水位 1.96 m。

基于辛丰镇水系特点，利用水文单元的控制单元划分方法[4]，将辛丰镇控制区域划分为两个控制单元，分别为辛丰镇断面上游汇水区控制单元(简称上游控制单元)和辛丰镇断面下游汇水区控制单元(简称下游控制单元)，如图1所示。

图1 辛丰镇控制单元划分图Fig.1 Division diagram of Xinfeng Town control unit

辛丰镇断面、王家桥断面分别是上游控制单元、下游控制单元的汇水情况与水质状况的代表性反馈断面。

辛丰镇断面位于辛丰镇境内上、下游控制单元交界处，主要考核镇区上游及与下游连接处水质。该断面属于国家“水污染防治行动计划”考核单元断面、“十三五”水环境质量考核点位及地表水国控断面。

王家桥断面位于丹徒区与丹阳市交界处，主要考核丹徒流出水质。该断面属于“十三五”水环境质量考核点位及地表水省控断面。

以上两个断面2020年水质考核目标均为《地表水环境质量标准GB3838-2002》中Ⅲ类标准。然而目前，两个断面水质存在部分时段Ⅴ类或劣于Ⅴ类类水质的情况，无法常年稳定达标。

2 区域水环境状况评价

2.1 近年水质变化分析

通过重要单元考核断面的例行监测数据，本文分析了 2014年至2017 年辛丰镇断面、王家桥断面各常规指标的年度变化情况，其中2016 年下半年至2017 年上半年水质月均值变化情况(见图2、图3)。

图2 辛丰镇断面各因子月均值变化情况Fig.2 The monthly average changes of water quality indicators of Xinfeng Town section

图3 王家桥断面各因子月均值变化情况Fig.3 The monthly average changes of various water quality indicators of Wangjiaqiao section

从图2可以看出，总体上辛丰镇断面水质呈逐渐波动趋势，其中化学需氧量、高锰酸盐指数两个因子相对稳定，能够稳定达到地表水Ⅲ类水标准，且于2016年9月、2017年3月呈现明显好转趋势；总磷因子波动较大，虽然能一直满足Ⅲ类水范畴，但2016年夏季和2017年初水质接近Ⅲ类水标准上限；氨氮从2016年10月开始逐渐增加，次年5月恶化至Ⅴ类；总氮于2017年波动上升，次年2月已恶化至劣Ⅴ类。

从图3可以看出，王家桥断面近一年逐月水质总体呈逐渐变差趋势，化学需氧量、总磷及高锰酸盐指数均达到地表水Ⅲ类水标准，但化学需氧量、总磷、高锰酸盐指数均在2016年10月至2017年1月间出现一次及以上的大幅度波动，水质达到Ⅲ类水标准上限；氨氮与总氮浓度波动较大，于2017年初大幅上升，氨氮于2017 年4月已超标至Ⅳ类水，总氮浓度于2017年2月开始已恶化至劣Ⅴ类。

综上所述：由两个断面各因子月均值变化得到，京杭运河该段上两个断面水质变化的大致趋势相同，但辛丰镇断面水质情况劣于王家桥断面，主要表现在氨氮和总氮上。因此，辛丰镇断面作为辛丰镇上游控制单元的水环境情况反映，其水质恶劣推测归因于上游控制单元中污染源偏多。而王家桥断面在2016年10月出现水质突增现象，水质劣于上游辛丰镇断面，化学需氧量、氨氮及高锰酸盐指数均出现较大波动，故推测该时段内下游控制单元出现较大污染源。关于其波动原因受到季节温度变化影响，需要结合现场调查情况。

2.2 污染源调查分析

2.2.1 河道现状调查

经过走河查看发现，现状运河沿岸存在较多问题。

(1)辛丰镇断面和王家桥断面上游河段有较多靠岸停泊的船只和众多码头，河水较为混浊，停靠船只存在生活污水直排入河现象，且部分运输散货船未做好维护措施，导致货物洒落于运河中。

(2)运河沿岸上游存在部分污水直排口。运河断面上游两岸众多工业企业，污水直排现象较为严重；同时，由于农村雨污分流制管网的未全方位覆盖健全，导致雨季溢流现象明显；同时部分河岸仍然存在排水管道错接混接、沿街商铺违法排污、工业企业偷排等问题，将导致分流制雨水管道成为藏污纳垢的重要场所。

(3)运河部分支流上漂浮着一些大量植物残体和生活垃圾，且支流周边存在农田和少量畜禽养殖，由于截污措施不到位，大量农业灌溉污水直排入河，导致支流水质较差。经过调查每条河道沿线点源、面源、内源以及岸线情况，对工业企业的污水直排口进行排查，得到运河两侧主要污染物排口和重要点源情况(图4)。

图4 运河两侧主要污染物排口和两岸重点企业Fig.4 Main pollutant discharge outlets and key enterprises on both sides of the canal

2.2.2 排污口概化与污染物入河量计算

图5 污染物入河量计算结果Fig.5 Calculation results of pollutant inflow

表1 整治范围内污染物入河量计算结果表Table 1 Calculation results of pollutants entering the river within the regulation scope t/a

3 区域污染源特征分析和问题识别

3.1 区域污染源分布特征

上游汇水区控制单元污染源主要来自农村生活污水直排和农业面源污染(面源污染包括岸坡畜禽养殖与种植业灌溉、水产养殖等带来的污染)。上游汇水区控制单元所有污水通过排污管道直排入河或者排入支流汇入京杭运河，目前整治区域辛丰镇内约有340多家工业企业，重点排污企业约26家，其中上游控制单元约占75%，企业主要分布在运河两侧1 000 m范围内，同时断面运河两岸存在大量沿岸生活的居民生活污水和农田灌溉污水，通过管道直排运河或辛丰镇断面上游的塔岗河和人民沟，最终再汇入京杭运河，此些直排或间接未处理污水直接对断面水质产生较大的影响。各种污染因子所占比例见图6、图7。

图6 上游控制单元污染物排放结构Fig.6 Pollutant emission structure of upstream control unit

图7 下游控制单元污染物排放结构Fig.7 Pollutant emission structure of downstream control unit

下游控制单元化学需氧量排放中农村生活源贡献度最高，占 67.0%，其次是种植业、畜禽养殖业；氨氮排放中农村生活源贡献度最高，占48%，其次是种植业、畜禽养殖业。京杭运河辛丰镇断面下游的污染物主要来自于半月沟、民治沟、运河西侧和运河东侧排污口汇入的生活、工业、农业污染物，以及运河船舶移动污染源排放的污染物。

综上所述，该研究区域的污染物主要集中在上游汇水区控制单元(辛丰镇断面)，污染物贡献最大的为生活污染源，其次为农业污染源；生活污染源主要来自运河两侧居住区各大村落，农业污染源主要分布在运河两侧非居住区，农业污染源贡献量最大的区域依次为下游控制单元(王家桥断面)的运河东侧民治沟和断面上游控制单元人民沟、塔岗河、大运河桥排口。

3.2 主要问题识别

结合上下游控制单元的现状，分析辛丰镇和王家桥两个断面水质不达标的主要问题为：

生活污水收集和处理率低。研究范围内镇区生活污水接管率低，农村分散式生活污水处置每日不足 200 m3，镇区污水处置率不足 4%。镇区目前已建提升泵站一座，但是由于目前整个镇区管网规划建设不合理和不完善，导致镇区产生的污水无法完全收集而直排入河。其次，运河中停靠船舶存在生活污水收集不到位带来了移动污染源。

工业企业污染治理欠缺。企业污水接管率很低，管网规划建设不完善和不合理，镇域内所有工业企业污水无法完全收集，工业企业污水大部分通过污水管道排入至京杭运河或者其支流，最终汇入至运河。

农业面源污染严重。根据《镇江市畜禽养殖禁限养区划定方案》可知京杭运河及其支流辛丰镇区段河道两侧 1 km、支流两侧 0.5 km为禁养区。现场调查和资料收集发现运河两侧 1 km范围内仍然存在少量规模化畜禽养殖场，但无污水处理设施或规模较小；在两个断面附近存在较多农业种植，部分种植田地紧临河堤，河堤两侧大部分为硬质水泥驳岸，部分生态护坡也被破坏为农田，裸露土地，不利于污染物的拦截。

船舶移动污染源控制。通过交通部门了解到，2016 年城区处辖区水域通过单船 132 078 艘次，其中危险品船 9 492 只。两个断面上游不远处均存在大量停靠的船只，部分船只船员生活均在船上，生活污水直接倾倒入河，并且部分船只周围存在油污水排放或泄露现象。

上游客水本底值较高影响下游水质稳定达标。京杭运河丹徒区段入境断面(大运河桥断面)距离长江口约 5.2 km，丹徒区段水质会受到长江水质、运河上游京口区水质的综合影响。调查发现上游京口区段沿岸存在大量码头和工业企业，部分码头和企业直排污水入河，且辛丰镇断面上游4.8 km的谏壁污水处理厂达标排放尾水同样排入运河西侧，给下游断面的稳定达标带来压力。

4 控制方案研究

针对京杭运河丹徒区段，选用二维水质模型进行污染物在水体中的变化模拟，然后依据水质目标及污染物的特征，排污方式、时空分布来确定水体的水环境容量。将水环境容量计算结果与该段污染物年入河总量进行对比，结合区域内水环境容量、污染源削减潜力分析得出保证断面水质达标情况下，各镇区内各类概化排口的削减量[5]。

4.1 目标削减量核算

4.1.1 环境容量核算

区域属平原河网(河道)地区，采用河网区水环境容量计算模型进行水环境容量计算(水文保证率为 90%)，对于饮用水源区、保护区采用水环境容量和现状面源污染物入河量中的较小值作为水环境容量[6]。河网(河道)区环境容量具体计算公式如下[7]：

(式1)

其中aij为不均匀系数，aij∈(0,1]；河道越宽、水面越大，则aij越小。

Wij环境容量=Q0ij(Csij-C0ij)+KVijCsij

(式2)

Wij为计算中的最小空间计算单元和最小时间计算单元。计算中最小空间计算单元为河段(河段为两节点之间的河道)；最小时间计算单元为天；K为降解系数，1/d；Vij为区域环境体积；C0ij为区域环境本底值浓度，Csij为污染物控制标准浓度；Qoij为流量值，根据《水域纳污能力计算规程》，采用最近 10 年最枯月平均流量(水量)或 90%保证率最枯月平均流量(水量)作为设计流量(水量)。

根据确定的边界水文条件，利用研究区域河网水量数学模型，计算出研究区域最小空间单元和最小时间单元的环境容量值；再根据式2汇总出各研究区域的环境容量值。计算得到本研究区域河网在设计水文、水质条件下化学需氧量、氨氮环境容量计算成果，以及各断面需削减率见表2[8]。

表2 水环境容量及入河污染物需削减率明细表Table 2 List of water environmental capacity and reduction rate of pollutants entering the river t/a

4.1.2 排污口削减量分配

环境容量确定后，利用等比例分配法将污染负荷分配到下级单元(各排污口)，分配方式详见式3。参与分配的排污单位数目为n，各排污单位的达标排放量分别为W1、W2、W3…、Wn，环境允许排放量为Q，则每个排污单位分配到的许可排放量为：

(式3)

式中：Qi—第i个排污单位的许可排放量；Q—该控制单元的环境允许排放量；Wi—第i个排污单位的达标排放量。

在 90%保证率的设计水文条件下，按照重点源重点削减、优先考虑易削减行业、以及反馈调整机制，得到上、下游控制单元(分别对应)水质达标的计算方案[9]，详见表3。

表3 各支流和排口污染物削减量Table 3 Pollutant reduction of tributaries and outlets

4.2 整治方案

基于点源治理及管网建设、面源治理等工程措施削减整治区域内污染物入河量，并参照各排污口需削减的污染物值，对研究范围提出以下整治方案。

生活污染源控制工程。研究区域内新建污水管道长 35.2 km，做到镇区生活污水完成 90%接管，新建 5 000 m3提升泵站一座，污水输送至谏壁污水处理厂；合计建设分散式农村污水处理设施 42 套，农村生活污水拉网覆盖分散处理率达到 100%；完善区域内生活垃圾收集、转运、处置。

工业污染源治理工程。对企业污水均直排入河的问题，进行直排污水口封堵；工业废水在企业内部处理，达到污水接管标准后方排放至生活污水处理管网，再输送至谏壁污水处理厂，对不达标排放的企业，必须责令其限期停产整顿或者关闭。

农业面源污染控制工程。完成京杭运河及支流 1 km范围内所有畜禽养殖场(户)搬迁关闭工作；对汇水区域内56家规模化畜禽养殖场实施粪污治理，对污染治理不到位的养殖场进行再改造；对植被进行化肥农药减施，测土配肥，并在京杭运河支流两侧农田建设生态护岸带，建设15 km的生态型示范带沟渠和生态护坡。

船舶、码头污染防治工程。清除运河上住家船只、淘汰超过使用年限船只，运河所有正常使用船只配备污染收集装置；港口、码头建设配套的污水存储、垃圾接收暂存设施，完善区域污水管网、垃圾转运服务体系，提高含油污水、化学品洗舱水等接收处置能力及污染事故应急能力。

河道环境综合治理工程。清除被农田占用的京杭运河两岸生态护坡，完成运河两岸护坡植被的恢复；对塔岗河、半月沟等淤积河道进行全面生态疏浚，对人民沟、塔岗河、半月沟、民治沟实施水生态修复。

监测体系与预警系统建设工程。在入境断面(大运河桥断面)、辛丰镇断面、王家桥断面及京杭运河支流增加自动监测仪 7 套及自动在线监测仪及视频监控设备，并根据水体情况相应的采取有效的应急防治措施。

5 结论

本文对京杭运河丹徒段进行调研分析，分别选取了辛丰镇断面、王家桥断面以代表运河丹徒区上、下游控制单元的水质状况。

通过对年度、月度的例行监测数据分析，得出该段运河水质无法稳定Ⅲ类水标准，部分时段恶化至劣Ⅴ类，主要超标因子为氨氮和总氮，且辛丰镇断面水质情况劣于王家桥断面，即上游控制单元水环境状况劣于下游控制单元。

同时，经走河查看和排污企业调查，直观预测水环境问题所在，并对上、下控制单元内的污染物入河量进行了核算，得到区域内最主要污染源为农村生活污染源，并识别两个断面水质不达标的主要问题。最后通过计算和分配水环境容量，与上下游控制单元现状排污量对比，得到现状污染源排放量进行削减，使河网的水环境容量达到控制要求。