2015年统计数据显示, 我国80%以上的城市河流受到污染, 其中许多甚至出现了季节性和常年性水体黑臭现象^[1]。河流污染已经成为制约社会经济发展, 影响城市形象和生态安全的重大环境问题。对此, 国务院于2015年颁布《水污染防治行动计划》, 提出“到2020年, 地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内, 到2030年, 城市建成区黑臭水体总体得到消除”的控制目标。2018年10月15日由国家生态环境部和住建部联合发布的《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》中, 进一步提出了“鼓励京津冀、长三角、珠三角区域城市建成区尽早全面消除黑臭水体”。

城市建成区河流通常以源短流急、人工河道、水环境容量有限为典型特征^[2,3,4], 近年来, 由于我国很多城市管网和污水处理设施都还在补欠阶段, 沿河截污被普遍采用^[5], 如深圳的龙岗河、福田河^[6]、惠州的望江沥^[7]、河南的铁庙河^[8]等。相关研究指出^[9], 沿河截污方式虽能够在短期内改善河流黑臭状况, 但也在长期运行下暴露了旱季无水、雨季溢流、箱涵淤积等问题。在雨污分流完全实现以前, 这类河流将在我国城市建成区长期存在, 其水质问题复杂, 治理及管理任务相当艰巨。河流污染源解析是河流采取污染治理策略的基础依据。关于河流污染物的来源, 国内外学者开展了大量的研究。孔祥玲等^[10]建立了针对城市次级河流入河排污口的污染源勘查方法, 陈琳等^[11]采用水质水量概化模型解析了盐河涟水段的污染源, 国外研究主要集中在对工业源的追溯^[12]、农业面源的估算^[13]和受纳水体的水质影响^[14]等方面。关于我国建成区沿河截污河流污染源权重的系统分析和估算尚无大量报道。

本研究选择南方城市建成区的典型河流为研究对象, 通过全面调研、系统分析和模型估算分析了其污染物的主要来源和污染源权重, 并通过大尺度模拟计算探讨了不同控制策略实施情况下, 河流主要水质参数的变化, 以期为我国类似河流治理提供参考。

本研究选用南方某城市建成区河流干流作为研究对象。该城市年均降雨量达1 900 mm, 集中在4～10月, 占总降雨量的85%～90%。河流流域控制面积为246.53 km², 一级支流13条, 二、三级支流11条, 仅干流流域面积大于50 km², 干流下游断面旱季流量为51～92万m³/d, 平均流量约为72万m³/d。该河为典型雨源型河流, 河床较窄, 坡度较大, 河水随降雨陡涨陡落, 旱季基流较小。其沿岸建设的污水截流及处理设施如图1所示。13条支流采用总口截污方式, 沿岸铺设截污箱涵对入河排污口进行截流, 共建有污水处理厂5座, 应急处理工程1座, 人工湿地1块, 出水全部排入河流干流。

根据河流现状和沿河调查情况, 分析该河主要污染源包括:污水处理厂尾水、漏截排污水、面源污染和雨季溢流, 如图2所示。其中旱季以前2种情况为主。

根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 和《地表水环境质量标准》 (GB 3838-2002) 选择化学需氧量 (COD) 、悬浮物浓度 (SS) 、氨氮 (NH₃-N) 、总氮 (TN) 和总磷 (TP) 5个主要水质参数进行分析。采用物料平衡法计算各污染源对河流污染物的贡献情况, 如式 (1) 所示。

$Q{}_{0}C{}_0=Q{}_{1}C{}_1+Q{}_{2}C{}_2+Q{}_{3}C{}_3+Q{}_{4}C{}_4(1)$

其中, Q₁～Q₄和C₁～C₄分别为污水处理厂尾水、面源污染、漏截排污水和雨季溢流的入河水量和水质;Q₀、C₀为河流水量和水质各污染源对主要污染物质的贡献权重P_i, 可按式 (2) 计算。

${\rm P}{}_i=Q{}_{i}C{}_i/Q{}_{0}C{}_0(2)$

对于本研究中全面截污的雨源型河流而言, 污水处理厂尾水是最主要水源, 其在很大程度上决定着城市河流水质。环保部公布的2015年环境统计年报显示, 截止2015年城镇污水处理厂共有6 910座, 设计处理能力达到1.9亿m³/d, 全年共处理污水532.3亿m^3[15]。本研究在权重分析中为简化计算, 反映河流典型情况, 假定河流沿岸污水处理设施出水水质均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 中的一级A标准, 即C₁取值为COD=50 mg/L, NH₃-N=5 mg/L, TP=0.5 mg/L, TN=15 mg/L, SS=10 mg/L, Q₁为实际污水处理厂尾水水量。

面源污染主要受降雨径流条件和地表污染物积聚数量影响。前者取决于降雨量、降雨强度、地表透水性, 后者主要取决于土地使用功能、土地利用类型等人类活动强度和方式^[16]。面源污染具有分散性、隐蔽性、随机性、不易监测性等特点。故本研究中采用式 (3) 估算:

$W={\displaystyle \sum A}iEi(3)$

式中 W——降雨径流污染源输出总量, t/年;

Ai ——第i种土地利用类型面积, km²;

Ei ——第i种土地利用类型污染物质输出速率, t/ (km²·年) 。

根据文献资料^[17,18]以及现场测量监测, 得到本研究河段流域内不同土地利用类型情况下, 地表径流的污染物浓度和面积输出速率的变化范围, 并通过面源污染量与点源污染产生量进行对比, 获得了本研究河流面源主要污染物产生量占总产生量的比例。即COD=21.93%, NH₃-N=14.67%, TP=28.87%, TN=20.23%, SS=28%。根据该比例, 设计雨季面源污染水质浓度C₂取污水处理厂进水浓度 (即点源污染浓度) , 进一步推算获得Q₂/Q₀的数值。考虑旱季会有少量降雨发生, 旱季面源污染量缩减为雨季的10%。

由于城市发展迅速, 污水收集管网建设相对滞后, 城市管理存在不足, 导致城市河流沿岸污水仍存在漏截排现象。本研究通过对研究河段沿岸5个漏截排污水口为期24 h (每4 h一次) 的调研监测, 获得漏截排污水平均浓度C₃, 即COD=124.8 mg/L, NH₃-N=78.7 mg/L, TP=7.4 mg/L, TN=88.4 mg/L, SS=162.5 mg/L。根据实测漏截排水量情况, 将Q₃假设为1%Q₀。

雨季溢流是指逢雨季降水量较大情况下原本截污至污水处理厂的雨污合流水溢流进入城市河流的现象。根据在雨季溢流期实测获得的溢流入河污水平均污染物浓度获得C₄为:COD=370 mg/L, NH₃-N=30.1 mg/L, TP=12.3 mg/L, TN=43.3 mg/L, SS=444 mg/L。根据实测结果, Q₄旱季取0, 雨季假设为5%Q₀。

综合上述, 河流5种主要污染物浓度Ci数值如表1所示。

本研究中, 漏截排率取1%, 雨季溢流率取5%, 面源污染未采取任何控制措施的情况下, 计算建成区河流在旱季和雨季时4种主要污染源的权重如图3、图4所示。由图可以看出, 旱季污染源以污水处理厂为主, 其对COD和TN的贡献率最大, 达92%以上;面源污染估算量仅为雨季的10%, 但对SS和TP的贡献率分别达到了24.5%和16.9%;漏截排率仅为1%, 但其对SS、NH₃-N和TP的贡献率都超过了10%。

雨季建成区河流的水质影响因素复杂, 污水处理厂尾水对河流COD、NH₃-N和TN的贡献率仍在40%以上;TP和SS的污染源则以面源污染为主, 达到了70%左右;雨季溢流在5%比例下对建成区河流COD、SS、NH₃-N和TP 4项水质指标的贡献率超过了15%, 对TN贡献率也达到了10.5%;漏截排污水的污染源权重相对较小。

由本研究所得各项污染源权重情况可知, 对于与本研究中建成区河流类似的水体, 要提升河流水质, 在旱季时, 可采取提高污水处理厂出水水质标准、控制面源污染入河和控制漏截排3种方式;在雨季时, 还需要增加对雨季溢流的控制措施。但是, 从旱季污染源权重分析结果来看, 由于各污染源污染物浓度存在显著差异, 极低的漏截排率 (1%) 便会对河流水质造成超过10%的影响。因此, 对不同污染源采用相同的控制力度能够实现的河流水质改善效果是不同的。以下采用模拟计算方式对不同污染源控制策略下能够实现的河流水质进行详细分析。

综合上述对河流污染源权重的分析, 研究河流在不同污染源控制策略下的水质变化情况, 分别假设了河流在旱季、雨季的典型状态, 如表2、表3所示。模拟计算了各典型状态下河流主要污染物浓度及其与相应标准比较情况如图5～图7所示。

由图5可以看出, 旱季, 河流COD浓度主要受污水处理厂尾水影响, 在面源污染得到50%以上的 控制, 漏截排率不超过1%的条件下, 污水处理厂提标后河流COD浓度改善明显。

雨季, 河流COD浓度主要受雨季溢流率的影响, 如溢流率保持在5%, 即使面源污染全部得到控制, 漏截排率为0, 污水处理厂出水提标为地表水Ⅲ类, 河流COD浓度也仅能达到地表水Ⅴ类标准。溢流率和漏截排率维持不变, 面源污染得到全面控制可将河流COD浓度降低39%。

由图6可以看出, 旱季, 河流NH₃-N浓度同样主要受污水处理厂尾水影响, 但漏截排率对NH₃-N浓度的影响明显大于COD, 在漏截排率保持1%的情况下, 即使污水处理厂出水提标至地表水Ⅲ类, NH₃-N浓度仍高于地表水Ⅳ类标准。因降雨量较小, 面源污染对河流NH₃-N浓度的影响较小。

雨季, 面源污染、漏截排率、溢流率对NH₃-N的影响均较大;1、2、3这3种状态比较, 可以看出, 面源污染控制能够显著降低河流NH₃-N浓度;3和4、6和7、10和11两两比较, 可以看出1%的漏截排率便可对河流NH₃-N浓度产生0.7 mg/L以上的影响;雨季溢流是河流水质达标的最大阻碍, 面源污染全面得到控制, 漏截排率为0时, 即使污水处理厂出水提标为地表水Ⅲ类, 河流NH₃-N浓度仍不能达到地表水Ⅴ类标准。

由图7可以看出, 旱季, 面源污染对TP浓度影响较小, 漏截排率对TP有较为直接的影响, 在漏截排率1%的情况下, 污水处理厂出水TP提标到地表水Ⅲ类, 河流TP浓度仅能达到地表水Ⅳ类标准。

雨季, 面源污染和溢流率对TP的影响大于COD和NH₃-N, 是影响河流水质TP达标的主要阻碍;面源污染和漏截排率均得到控制, 保持溢流率5%不变的条件下, 即使污水处理厂提标为地表水Ⅲ类, 河流TP浓度仍高于地表水Ⅴ类标准。

综上所述, 在其他污染源未能得到控制的情况下, 单纯提高污水处理厂出水标准对河流水质改善的作用并不明显, 很难使河流水质达到优于地表水Ⅴ类的控制目标。旱季漏截排率控制在1%以内, 雨季面源污染和漏截排率均得到控制, 溢流率控制在5%以内, 污水处理厂尾水提标方能实现河流水质的同步改善, 否则提标对河流水质的改善效果甚微。要实现河流主要水质指标全面达到地表水Ⅴ类以上标准, 则需要对除污水处理厂尾水外的污染源进行更为全面的控制。

(1) 对于建成区沿河截污河流, 旱季时, 河流COD、NH₃-N浓度主要受污水处理厂尾水影响。在面源污染得到全部控制, 漏截排率为1%的条件下, 污水处理厂出水提标至地表水Ⅲ类, 河流COD浓度基本等同于污水处理厂出水水质, 但NH₃-N浓度高于地表水Ⅳ类标准。对TP有较为直接的影响的是漏截排率, 在面源污染得到全部控制, 漏截排率1%的情况下, 污水处理厂出水提标至地表水Ⅲ类, 河流TP浓度仅能达到地表水Ⅳ类标准。

(2) 对于建成区河流, 雨季时, 河流COD浓度主要受雨季溢流率的影响, 如溢流率保持在5%, 即使面源污染全部得到控制, 漏截排率为0, 污水处理厂出水提标为地表水Ⅲ类, 河流COD浓度也仅能达到地表水Ⅴ类标准。溢雨季, 面源污染、漏截排率、溢流率对NH₃-N的影响均较大, 面源污染全面得到控制, 漏截排率为0时, 保持溢流率5%不变, 即使污水处理厂出水提标为地表水Ⅲ类, 河流NH₃-N浓度仍不能达到地表水Ⅴ类标准。雨季面源污染和溢流率是影响河流水质TP达标的主要阻碍, 在面源污染和漏截排率均得到控制, 保持溢流率5%不变的条件下, 即使污水处理厂提标为地表水Ⅲ类, 河流TP浓度仍高于地表水Ⅴ类标准。

(3) 改善建成区河流水质, 应首先对面源污染、雨季溢流和漏截排污水进行控制。