生态清洁小流域污染物总量及水环境容量研究——以上海市华漕镇为例

王 波 杰

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200000)

0 引 言

近几年上海市水环境治理经历了补短板的两个阶段，一是消除黑臭水体阶段，二是整治面广量大的劣Ⅴ类水体阶段。至2019年底劣Ⅴ类河道断面占比下降至2.5%，全市水环境治理工作取得了一定的效果。但受各种因素限制，水环境治理工作仍存在单独治水多、系统谋划少，单独治理多、联片治理少，硬质工程多、生态修复少，单项功能治理多、综合功能提升少等问题。2020年上海市政府贯彻生态文明和幸福河的理念，以生态清洁小流域为连片布局，全面推进上海“河湖畅通、生态健康、清洁美丽、人水和谐”的生态清洁建设[1]。生态清洁小流域建设以治水为核心，将小流域水质作为核心指标，要从根本上实现小流域水质达到生态清洁小流域考核目标，需要建立污染物排放量和水环境质量之间的定量对应关系[2]。如何科学、合理、精准测算污染物排放量及水环境容量是实现水质稳定达标的关键[3-4]。

本文以上海市华漕镇生态清洁小流域建设为例，在本底条件调查的基础上，提出了污染源及水环境容量测算方法，通过对比分析结果能够明确流域主要超标因子，可为华漕镇小流域建设工作提供参考依据[4]，对于上海市及其他城市全面开展生态清洁小流域建设具有重要的指导和借鉴意义。

1 华漕镇流域水环境现状

华漕镇位于上海市闵行区北端，苏州河南岸，东与长宁区新泾镇相接，西与青浦区华新、徐泾镇相连，南与新虹街道相邻，北滨苏州河与嘉定区安亭、江桥镇隔江相望，华漕镇镇域总面积28.2 km2(见图1)。

根据《上海市生态清洁小流域建设总体方案》[1]建设要求，华漕镇属于绿色发展型生态清洁小流域。上海市生态清洁小流域总体示意见图2，绿色发展型生态清洁小流域主要评价指标见表1，地表水Ⅳ类指标见表2。

表1 华漕镇绿色发展型生态清洁小流域主要评价指标Tab.1 Main evaluation indices of in Huacao Town green development ecologically clean small watershed

表2 地表水Ⅳ类指标Tab.2 Class IV indicators of surface water

2 污染源构成分析

污染源分析以2019年为基准年，调查了华漕镇下垫面、降雨条件、雨污排水系统、农业种植业作物、底泥疏浚情况。结果表明：华漕镇污染物来源主要包括农业面源污染、城镇生活污水、地表径流(主要为放江泵站)、湿沉降。由于华漕镇河道2018年已经过一轮清淤整治，内源污染不计入其中，另外华漕镇内污水系统均输送至虹桥污水厂进行处理，虹桥污水厂出水直排至苏州河，未排入本流域内，污水厂尾水污染也不计入其中。根据以上污染源类型，结合各项污染源排污系数计算原则，农业面源污染排污系数依据《全国水环境容量核定技术指南》(2003)[6]，城镇生活污水根据《第一次全国污染源普查-城镇生活污水排污系数手册》(2008)选取，地表径流污染排污系数主要依据《上海市骨干河道一河一策》，湿沉降排污系数主要依据《水环境容量计算理论及应用》(2010)[7]选取，进而可测算出污染源排放总量，其相关污染指标及数据见表3。由表3可知：目前华漕镇污染物排放总量CODCr为1 428.60 t/a，NH3-N为59.09 t/a，TP为11.30 t/a，污染负荷贡献最大来自地表径流(主要以放江泵站[8]形式为主)，其次为城镇生活污水。

表3 华漕镇各类污染物排放量测算Tab.3 Emission calculation of various pollutants in Huacao Town t/a

3 水环境容量计算

水环境容量是指水体环境在一定功能要求、设计水文条件和水质目标下，所允许容纳的污染物量[9-10]，即在水环境功能不受破坏的条件下，水体所能容纳的污染物量，也是水污染总量控制的关键核心[11]。根据污染物降解机理，水环境容量可划分为稀释容量和自净容量两部分[12]式(1)。稀释容量是指在给定水域的来水污染物浓度不达标时，依靠稀释作用达到水质目标所能承纳的污染物量；自净容量是指由于沉淀、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量。

W水环境=W稀释+W自净

(1)

3.1 计算方法

采用完全混合模型对华漕镇地表水环境容量进行估算，水质目标按照本次华漕镇绿色发展型水质达到Ⅳ类标准要求确定，计算公式如下：

W=Q0+(CS-C0)+KVCs

(2)

式中：Q0为周边流域流入流量，m3/s；Cs为水质目标标准，mg/L；C0为入流污染物浓度，mg/L；K为降解系数，d-1；V为水体容积，m3。

因华漕镇内及周边河道小流域水质指标均以地表水Ⅳ为目标，因此认为来水水质即为Ⅳ类，无稀释容量，华漕镇水环境容量主要为自净容量，则有：

W自净=KVCs

(3)

3.2 降解系数K值选择

对于各项水质指标水环境容量研究，水质模型中降解系数的赋值是关键[13]，污染物的生物降解、沉降和其他物理过程，可概括为污染物综合降解系数。现行的计算方法主要有资料反推法、类比法、经验估值法、分析借用法、实测法、模型率定法等[14]，现行较为成熟流行的方法为水质模型率定法。本次降解系数的选取采用水质模型率定法。用MIKE模型建立上海市淀北片区(华漕镇位于淀北片)水质模型，根据2019年现状水质数据率定了各污染因子降解系数，淀北片水质综合降解系数数据率定图详见图3，华漕镇CODCr降解系数取0.05，NH3-N降解系数取0.03，TP降解系数取0.018。

3.3 水环境容量与污染总量对比分析

通过水环境容量及污染总量量化比较分析，华漕镇流域水环境剩余余量数据见表4。余量为正表示水环境容量还有富余，余量为负表示水环境容量不足，无法消纳入河污染负荷。表4数据结果表明：COD水环境余量为84.91 t/a，NH3-N水环境余量为-13.69 t/a，TP水环境余量为-5.85 t/a，表明华漕镇现状的NH3-N、TP水环境余量均不足，无法满足华漕镇生态清洁小流域Ⅳ类水目标。

表4 华漕镇各类污染物水环境余量测算Tab.4 Water environment allowance of various pollutants in Huacao Town t/a

3.4 现状水质耦合论证

以2019年华漕镇水质现状指标作为论证支撑数据，根据华漕镇水务站提供的2019年闵行区河湖水质状况年报[15]：其中Ⅳ类及以上121个点位，占比75.15%；Ⅴ类点位22个，占比13.66%；劣Ⅴ类点位有18个，占比11.18%。主要超标因子为氨氮、总磷，总磷未达到Ⅳ类有33个，超标率为20.50%，氨氮未达到Ⅳ类有35个，超标率为21.74%。从总体数据来看，华漕镇现状水质氨氮及总磷为主要超标因子，与前文水环境余量计算结果基本符合，可认为本次华漕镇污染源总磷及水环境容量计算方法基本合理。

4 污染物总量控制措施及目标分析

4.1 污染物总量控制目标与分析

目前，华漕镇流域影响水质的最主要污染因子为氨氮及总磷，需要进行污染物总量控制目标分析，污染物总量控制的基本思路详见图4。以环境质量标准为基础，考虑自然特征，计算出为满足环境质量标准的污染物总允许排放量，然后计算每个污染源的合理削减率和相应的允许排放量，得出最优方案。结合华漕镇水环境质量要求标准，对各类污染源提出不同的削减工况组成[16]。

4.2 污染防治措施分析

从污染物排放总量占比数据来看，污染防治措施主要从地表径流控制、生活污水排放控制、水生态修复治理、农业面源控制4个方面入手，通过减排增容的方式确保流域能够依靠自净能力消纳流域污染总量[17]。

4.2.1地表径流控制措施

华漕镇大部分区域为强排区，地表径流主要依靠强排泵站排入至河道内，华漕镇目前有5个雨水放江泵站存在雨天大量污染入河情况，对整个区域的水质恶化影响明显。因此，急需对5个放江泵站采取针对性措施，减少污染入河量。放江泵站处理主要采取排口生态化处理方式，措施主要包括管道内底泥处理及高通量生物净化廊道。高通量生物净化廊道主要截留放江时冲下来的管道污泥，这样能有效削减入河污染负荷，同时在净化设施内设置高效微生物载体及微孔曝气装置，在放江结束后快速净化受到污染的水质，并削减设施内的底泥。通过排口预处理后，其CODCr排入量能削减60%～70%，NH3-N排入量能削减15%～20%，TP排入量能削减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纳管及初雨治理两方面。推进小区末端截留改造，将污染控制在源头，同时加强市政雨水管网检测及修复力度，完善雨排放系统。对现状雨水口进行改造，主要采取带滤芯的新型雨水口，强化雨水口挂篮拦截垃圾，提升过水能力，改善入河初期雨水水质。通过以上措施手段，其生活污水排入量COD减少39.22 t/a，NH3-N减少5.02 t/a，TP减少1.26 t/a。

4.2.3水生态修复

针对重点区域(劣Ⅴ类水体)实施人工增氧及微生态系统修复，快速改善水质、增强水体自净能力。水生态系统逐渐恢复后，主要依靠水生态植物系统与微生态修复搭配，增强水体纳污能力和水质长效保持。同时结合活水畅流的方式，提升水动力，增加水环境容量，通过水生态修复工程，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农业面源控制

种植业面源污染管控策略是以源头控制、过程阻断、末端治理为技术治理路线。源头控制措施主要是科学调整农作物茬口布局、科学施用农药和化肥、大力发展高标准节水灌溉技术、减少灌溉定额、大力发展生态农业经济；过程阻断以工程措施为主，把现状排水沟改造为生态拦截沟，拦截降解氮磷等污染物；末端治理是利用周边现有闲置塘或者洼地，改造成具有净化效果的人工湿地或者净化塘，将种植业较集中区域进行集中式处理，区块尾水集中后进行深度处理，以削减农业面源污染负荷，处理净化后的水体可就近入河或进行灌溉回用，最小化环境排放量的同时实现水资源的节约。农业面源污染治理措施能够有效削减30%的NH3-N和30%的TP。

4.3 水质可达性分析

通过农业面源控制、城镇生活污水污染控制、地表径流控制(海绵城市措施、5个雨水放江泵站强化处理)、水生态修复(水质不达标河道)等多项整治措施，各措施污染物去除量详见表5。根据表5结果可知：污染物总计去除量CODCr为181.28 t/a，NH3-N为15.76 t/a，TP为6.10 t/a；整治后，华漕镇小流域现状水质整体达到Ⅳ类水标准及以上。表5结果中水环境容量余量转为正数，表明华漕镇小流域区域水质达到目标要求，符合实际情况。

表5 采用控制措施后的华漕镇水环境余量Tab.5 Water environment allowance of Huacao Town after adopting the control measures t/a

5 结 论

本文以上海市华漕镇生态清洁小流域建设为例，在现有资料调查基础上，根据水质目标、水文水动力条件、污染排放类型及空间布局等因素，提出了污染源及水环境容量测算方法，根据测算方法能精准测算流域污染总量及水环境承载能力。通过两者量化比较分析，可知2019年华漕镇生态清洁小流域水环境余量CODCr为84.91 t/a，NH3-N为-13.69 t/a，TP为-5.85 t/a，得到流域目标污染因子为氨氮及总磷，地表径流及生活污水排入量是该流域污染最主要的贡献来源。研究结果表明华漕镇流域整治重点需要从地表径流控制、生活污水排放控制、水生态修复治理、农业面源控制入手。本次研究污染源及水环境容量测算方法能够为华漕镇流域水环境综合整治提供参考依据，可以作为上海市生态清洁小流域污染源及水环境容量的估算方法，为上海市及其他城市全面开展生态清洁小流域建设提供重要的指导和借鉴意义。