贵州南明河水环境综合整治综合分析
城市化与工业化的迅速发展与基础设施建设的相对滞后, 导致我国城市水环境状况恶化并引发社会的强烈关注(guo, 2007; 陈豪等, 2014).以贵州省为例, 根据《2015年贵州省环境状况公报》, 纳入监测的44条河流中劣ⅴ类水质断面占6个;潘真真等(2017)的研究表明, 2010—2014年期间, 贵州省水环境处于生态赤字状态且生态压力较高, 水环境生态压力主要来源于生活水污染.2015年颁发了《水污染防治行动计划》, 至2017年, 全国已实现黑臭水体整治794处, 1298处进入方案制定和治理阶段, 城市水环境得到显著改善(吴舜泽等, 2015).进行城市河道水环境综合整治, 达到河道水质改善的关键目标和考核指标, 已被证明是实现城市经济生态可持续发展的有效手段.
目前, 已有部分研究者对城市河道水环境综合整治的过程进行研究(feng et al., 2014; 连卫中, 2015), 结果表明, 入河污染物总量超过河道自净能力是造成河道水质恶化的主要原因(yates et al., 2012; shen et al., 2013), 实施污染物源头控制、引水调水、底泥疏浚和生态修复等是进行水环境综合整治的主要手段(gao et al., 2009; 许宽等, 2013).吴剑明等(2016)、孟伟等(2007;2013)、许卓等(2008)研究了市桥河、辽河、国外莱茵河和泰晤士河等水环境综合整治的情况, 对国内外重要河道水环境整治项目的治理思路和采取的工程措施进行了分析.
现有的研究通常集中于对污染情况和治理措施的定性描述, 而对污染物来源与负荷的定量识别、采取的工程措施的有效性分析及工程措施与水质改善之间关联性的定量系统分析研究较少(徐志平, 2015; 邓仰杰, 2014).基于此, 本研究以贵州南明河综合整治工程为例(2012年起先后启动1期和2期工程并完工, 3期工程正在实施), 在前期对河道污染物种类及来源进行定向识别的基础上, 进而采取具有针对性的相应工程措施, 并评估这些措施对污染物削减的贡献.通过建立mike模型, 进一步评估工程措施与河道水质改善的关联性, 并预测未来河道水质情况, 以期为国内城市河道水环境治理提供决策参考.
2 材料与方法(materials and methods)2.1 研究区域概况
南明河为长江流域乌江的支流, 源于平坝县与花溪区交界处, 自西南向东北流经花溪区、市区、乌当区及龙里、开阳两县边界, 至龙里两岔河纳独水河, 主要有6条支流.南明河干流长118 km, 干流城区段(三江口至红岩桥)16 km, 水力资源丰富, 是当地工业、生活用水和农田灌溉的重要水源。
　贵州南明河水环境综合整治综合分析
　随着当地工业化、城市化的快速推进, 南明河沿河流域人口急剧增加, 污水处理能力和基础设施建设已不能满足新增污染物的处理, 导致近年来南明河呈现出污染加重趋势.监测显示, 到2012年5月, 南明河干流沿程的cod、氨氮、tp及ss浓度分别达33.4~91.3、0.83~2.04、0.13~0.57和13.4~58.3 mg·l-1, 河道水质整体处于劣ⅴ类水平.
因此, 为实现南明河的水质净化与提升, 当地于2012年启动了南明河综合整治项目.根据《水污染防治行动计划》“全力保障水生态环境安全”的要求及《地表水环境质量标准》关于水域功能和标准分类的规定, 结合考虑南明河作为当地的母亲河及在一定程度上作为非人体接触的娱乐用水需要, 确定南明河水环境综合整治的目标是终实现干流全段的主要水质指标(cod、氨氮和tp)达到地表水ⅳ类水质, 建立完善的综合生态水环境体系, 实现可持续的生态河道健康功能.
2.2 样品采集与分析
以南明河干流城区段为对象, 对干流以外的支流汇入口、截污沟溢流、污水处理厂排水进行水量水质测试(取样时间为2012年5月, 处于枯水期), 分析南明河外源污染的主要污染物种类和排放负荷, 主要包括：花溪河、小黄河、麻堤河、小车河、市西河、工厂溢流口、污水厂排水、1号排水大沟、2号排水大沟和贯城河排水沟.水样采集时, 在支流两岸离岸1 m处及中线位置(取水深0.5 m处水样各1 l并混合)、截污沟溢流处及污水处理厂排水口(出水混合较均匀, 直接取样)取样;每隔4 h进行水样采集并连续采样6次(持续24 h), 将6组样品混合后检测cod、氨氮、tp及ss.参照《水与废水监测方法》对水样中的cod、氨氮、tp及ss进行检测(白瑶等, 2011), 各支流及排污沟流量通过当地监测站提供的断面水文条件与实测流速(area velocity flow module, isco2150, isco, inc. us)进行测算(沈晔娜等, 2010).
采用柱状取样器(9 cm×50 cm), 对南明河干流城区段沿程进行底泥取样(共5处)分析.沉积物的前30 cm每5 cm分一层, 30~50 cm每10 cm分一层, 共分为8层, 分别检测各层含水率、有机质含量(om)、总氮(tn)和总磷(tp).其中, 有机质、总氮、总磷含量测定以干基为基础进行分析(王佩等, 2012).对南明河干流城区段进行底泥深度分析, 每隔80 m在河道两岸离岸0.5 m处进行河床淤泥深度检测, 沿程共布点200处.
2.3 污染及减排负荷计算
根据汇入南明河干流城区段的各支流、截污沟溢流及污水处理厂排水的流量与污染物浓度, 估算入河点源污染量(取样期间无降雨径流, 无面源污染负荷汇入);通过南明河干流城区段下游与上游断面污染物总量之差估算沿程污染总负荷.考虑到南明河沿程均处于劣ⅴ类水体, 自净能力不明显, 在忽略河道自净能力的情况下, 通过沿程污染总负荷与入河点源污染量之差, 估算内源污染释放量(式(1)).
(1)
式中, tm为内源污染量(t·d-1), qx、qs和qn分别为南明河干流城区段下游断面、上游断面、各支流等点源污染源流量(106 m3·d-1), cx、cs和cn则为分别对应的各污染物浓度(mg·l-1).
(2)
式中, tr为通过新建污水厂或污水厂提标改造新增的污染负荷减排量(t·d-1), qk为污水厂处理水量(106 m3·d-1), cko为污水厂出水污染物浓度(mg·l-1)(包括cod、氨氮和tp), cki为新建污水厂的进水污染物浓度(mg·l-1)(针对水厂提标改造项目, 则为改造前的出水浓度).
2.4 河道水质模型建立、率定与预测
为评估工程治理措施对南明河水质的有效性和改善程度, 并指导南明河治理工程的进行, 建立mike11模型验证并预测采取的工程措施对南明河水质的影响.模型主要参照以前的研究(熊鸿斌等, 2017; doulgeris et al., 2012), 并基于地形、水文水质等资料, 采用监测所得各进水点水量及水质条件作为模型边界条件, 对南明河干流城区段(三江口至下游断面)进行模拟工作.水动力水质模拟分析在不利条件下(枯水期)进行, 若枯水期满足水质目标(ⅳ类), 则在同样的污染排放负荷下, 平水期、丰水期的水质目标也可满足.采用2013—2014年水文水质监测数据对模拟参数进行率定, 并进一步通过2016年9—10月监测数据对模拟参数进行校核和修正.
3 结果与讨论(results and discussion)3.1 南明河干流水环境污染关键要素识别
以南明河干流城区段为研究对象, 造成南明河道黑臭的污染来源主要有点源污染、城市面源污染与内源污染(stahl, 1979; 陈玲等, 2012).对于南明河干流城区段, 汇入的各支流(支流内污染物主要来源于沿岸生活污水排放)、管网截污沟溢流及污水厂排水等具有固定的排放和汇入点, 可视为点源污染.城市面源污染部分主要为通过地表径流带来的污染负荷, 胡成等(2006)、王军霞等(2014)的研究表明, 我国城市面源污染约占点源污染负荷的20%.通过点源污染与城市面源污染负荷的总量可评估进入南明河干流城区段的外源污染量.此外, 干流中河道底泥污染物(cod、氨氮和tp等)通过生物的扰动作用、沉积物有机物的矿化作用及底泥再悬浮会释放到水相中造成内源污染(丁涛等, 2015; 梁文等, 2011).厘清外源污染和内源污染对河道水质变化的贡献, 识别造成水环境污染的关键因子, 对有效进行河道修复具有重要作用.
贵州南明河水环境综合整治综合分析
以南明河干流城区段为研究对象, 以汇入南明河干流的各支流、截污沟溢流及污水厂排水等共计10处评估点源污染量, 并主要包含花溪河、小黄河、麻堤河、工厂溢流口、污水厂排水、小车河、市西河、1号排水大沟、2号排水大沟和贯城河排水沟, 各汇入处的水量及相应的污染物浓度如表 1所示.10个入河点中, cod、氨氮和总磷单项指标为劣ⅴ类的分别达80%、60%和30%.cod和氨氮是南明河的主要入河污染物, 50%的点源污染来水中cod和氨氮浓度超过ⅴ类水限值, 达到了153.4和17.3 mg·l-1(超过地表ⅴ类水限值284%和765%).同时考虑各入河点的水质及水量的情况下, 花溪河、小黄河、市西河和贯城河排水沟对南明河干流的污染负荷强, 污染物总量分别占南明河点源污染的87.7%(cod)、82.0%(氨氮)和85.4%(tp).
对污染负荷严重的花溪河、小黄河、市西河和贯城河排水沟沿线排污口进行排查并进行产业分析, 其主要污染来自于两岸生活污水的排放(截污管溢流及部分直排), 这也与南明河入河污染物以cod和氨氮为主的特征相符.生活污水排放入河主要是由于近年来城市的迅速发展, 污水量迅速增大, 原有截污管网不能满足现有污水收集需要, 使得生活污水大量溢流甚至直排造成.生活污水等外源污染入河是造成各支流及排污口cod和氨氮等超标的关键因素, 是造成南明河黑臭污染的主要原因.
美国和日本的研究表明(荆红卫等, 2012), 随着点源污染得到全面控制后, 面源污染将成为影响水环境水质改善的重要因素(刘庄等, 2015), 其对污染负荷的贡献可达总污染负荷的50%~75%;而由于国内水环境治理仍处于初期, 胡成等(2006)、王军霞等(2014)的研究表明, 国内城市的面源污染约占点源污染负荷的20%.因此, 本研究中主要通过点源污染估算面源污染负荷, 计算可知, 面源污染对cod、氨氮和tp的负荷分别约为10910、464和68 t·a-1.
3.1.2 内源污染
以h点(26.574169°n, 106.713866°e)处所取淤泥为例, 分析河道底泥理化性质及其随底泥深度的变化规律, 其余各处的底泥性质具有相似性.结果表明(图 2), 底泥含水率由表层往下逐渐降低, 上层污泥(0~30 cm)含水率较高(介于55%~70%之间), 下层污泥(30~50 cm)含水率相对降低(介于35%~45%之间).此外, 污泥干基有机物、tn及tp含量随底泥深度的增加, 总体呈现先增加再减少的趋势.干基有机物含量总体介于10%~20%之间, 总氮含量介于3500~6000 mg·kg-1之间, 总磷含量介于2000~5000 mg·kg-1之间.
赵兴青等(2007)在研究太湖底泥中有机物及营养盐含量随深度变化时发现, 在底泥表层(0~15 cm)有机质及营养盐的含量高, 但变化幅度较大总体呈现波动状态;在15 cm后呈现随深度增加有机物及营养盐含量逐渐减少的趋势, 这一结果与本研究相似.底泥表层有机物含量波动较大, 可能主要是由于其处于两相交界面, 生物反应比较活跃(zhang et al., 2010; li et al., 2010);此外, 由于是河道环境, 河道底泥受到河水冲刷带来的水力扰动较于湖泊更为强烈, 也是导致南明河底泥表层有机物及营养盐含量略为偏低的原因.但总体而言, 南明河淤泥的含水率、干基有机物及营养元素含量随底泥深度呈现逐渐下降的趋势, 并在40 cm深度(对于h点处淤泥)开始迅速降低, 与上层的底泥性状呈现显著的差别, 说明40~50 cm是合适的清淤深度.
南明河干流城区段河道内底泥深度沿程变化如图 3所示, 南明河底泥分布极不均匀, 厚度变化范围较广(0~110 cm之间), 多介于0~10 cm之间(约占65%), 污泥厚度分布随着厚度的增加出现频率降低.底泥厚度大点一般出现在橡胶坝上游一定距离处.这是由于橡胶坝的存在使得坝前一段距离内(2~4 km)河道水深开始明显增加, 使得流速减缓, 导致悬浊物大量沉降造成.