基于氨氮的金川河水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案分析

朱國(guó)忠，李 郁，喻 石

（1.南京水利科學(xué)研究院；2.南京瑞迪建設(shè)科技有限公司，南京 210029）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市排污規(guī)模不斷增大。而當(dāng)前的環(huán)境設(shè)施已經(jīng)無(wú)法滿足排污治污的需要，大量污染物入河。消除劣V類入江支流是南京市水環(huán)境治理攻堅(jiān)戰(zhàn)中的一場(chǎng)硬仗。金川河斜穿南京市主城北部，流域主要覆蓋老城區(qū)，人口密集、情況復(fù)雜，治理難度最大。金川河寶塔橋斷面為省水質(zhì)考核斷面，對(duì)這一典型位置開(kāi)展流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析有助于弄清污染來(lái)源，為開(kāi)展水環(huán)境提升工程、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理概況

金川河發(fā)源于南京市的鼓樓崗和清涼山北麓，并與玄武湖相通，下游經(jīng)寶塔橋入長(zhǎng)江。金川河全長(zhǎng)37.78 km，流域面積為59.32 km2。內(nèi)金川河分為主流、東支、中支、西支及老主流。外金川河水系由西北護(hù)城河、城北護(hù)城河以及內(nèi)金川河在金川門(mén)匯合而成，通過(guò)外金川河入江，沿途南十里長(zhǎng)溝、張王廟溝、大廟溝、二仙溝直接或通過(guò)閘門(mén)接入城北護(hù)城河及外金川河。此外，外秦淮河和金川河由西北護(hù)城河相連接，但西北護(hù)城河與外秦淮河相連處由小桃園泵站控制，小桃園泵站平時(shí)不開(kāi)機(jī)，水體交換較少，因此可將兩者分割考慮[1]。

1.2 水質(zhì)概況

金川河各條支流2018年1-5月月均氨氮水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。根據(jù)南京市環(huán)保部門(mén)提供的內(nèi)金川河水系和外金川河水系2018年1-5月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，結(jié)果如下：溶解氧均達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，部分月份達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)；透明度月均值保持在30～60 cm；pH值均處于6～9，滿足地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)要求；各斷面的氨氮均超過(guò)地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值，為劣Ⅴ類，統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)金川河?xùn)|支、中支及內(nèi)金川河老主流、外金川河水質(zhì)氨氮月均值的平均值在4.0～6.8 mg/L，內(nèi)金川河西支、金川河主流、城北護(hù)城河水質(zhì)次之，氨氮月均值的平均值在3.0～4.0 mg/L。

圖1 各條支流2018年1-5月月均氨氮水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

從檢測(cè)結(jié)果看，內(nèi)金川河?xùn)|支、中支、西支、老主流、金川河主流、外金川河、南十里長(zhǎng)溝主流、城北護(hù)城河、西北護(hù)城河水質(zhì)為劣Ⅴ類，張王廟溝、南十里長(zhǎng)溝一支水質(zhì)未能穩(wěn)定達(dá)到Ⅴ類。各河道水質(zhì)主要超標(biāo)因子是氨氮。

2 污染因子計(jì)算方法

2.1 水質(zhì)因子選取

允許排放量是對(duì)排污口所規(guī)定的污染物最大排放量，是落實(shí)污染物總量控制的重要手段[2]。氨氮是水體主要的耗氧污染物，氨氮中的非離子氨是引起水生生物毒害的主要因子，氨氮濃度過(guò)高可造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[3]。氨氮是控制水體含氮有機(jī)物污染和保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，同時(shí)氨氮也是減排的約束性指標(biāo)[4]。根據(jù)此原理分析寶塔橋斷面水質(zhì)狀況，水質(zhì)因子選取污染較為嚴(yán)重的NH3-N進(jìn)行研究，水質(zhì)目標(biāo)分析以此為主要計(jì)算指標(biāo)。

2.2 項(xiàng)目邊界條件

為確保寶塔橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，金川河流域內(nèi)各支流水質(zhì)完成治理目標(biāo)，本次研究范圍以外匯入的水體水質(zhì)須達(dá)到V類及以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且不劣于現(xiàn)狀水質(zhì)。

2.3 污染負(fù)荷分析

入河污染源主要包括點(diǎn)源、內(nèi)源和面源三大類。

2.3.1 點(diǎn)源污染負(fù)荷

點(diǎn)源污染包括37個(gè)排口、方家營(yíng)塘雨污水泵站及1座污水處理廠。

（1）排口。根據(jù)鼓樓區(qū)管線圖，結(jié)合排口溯源資料，確定排口上游服務(wù)范圍，根據(jù)服務(wù)范圍內(nèi)人口總量以及南京市人均用水定額（《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》（GB 50282—2016）），確定服務(wù)范圍內(nèi)綜合用水量。污水量采用用水量的90%，總變化系數(shù)根據(jù)污水量取2.0～2.3（《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50014—2006）），考慮到本工程雨污水管網(wǎng)系統(tǒng)錯(cuò)接、混接現(xiàn)象較多，未納入污水管網(wǎng)系數(shù)取0.2（經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，如鹽城采用0.25，淮安采用0.15），得到排口外排污水量。

（2）泵站。方家營(yíng)泵站將方家營(yíng)塘中的雨污水向外抽排至外金川河，約為8 000 m3/d。

（3）污水處理廠。城北污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為30萬(wàn)m3/d，實(shí)際已超負(fù)荷運(yùn)行。出水水質(zhì)經(jīng)過(guò)提標(biāo)改造，NH3-N濃度可達(dá)地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。由于城北污水處理廠目前出水水質(zhì)不穩(wěn)定，并且并對(duì)寶塔橋斷面水質(zhì)影響較大，因此本次分析不考慮城北污水處理廠，只要求其尾水出水水質(zhì)不劣于現(xiàn)狀出水水質(zhì)。

2.3.2 內(nèi)源污染負(fù)荷

內(nèi)源污染為底泥中污染物釋放引起的二次污染，底泥與上覆水之間不停地進(jìn)行著物質(zhì)交換，其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的危害以有機(jī)物和重金屬為主，溶解于水中的污染物濃度在很大程度上要受到底泥的影響。在動(dòng)水條件下，水體中淤污泥顆粒以懸浮釋放為主，淤污泥中蓄積污染物的動(dòng)態(tài)釋放速率與流速基本呈指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，釋放速率可以表示為：

式中，R為釋放速率，mg/（m2·d）；U為流速，m/s；α為流速修正系數(shù)，取值范圍為0.003～0.006；a、b均為參數(shù)。

含有豐富氮、磷的淤泥成為水體潛在性內(nèi)源性污染源，將促進(jìn)水體富營(yíng)養(yǎng)化。流域內(nèi)河流流經(jīng)城市，河道形狀大多為矩形河槽，且下游均建設(shè)有閘控制水位，河道流速相差不大，本次內(nèi)源污染負(fù)荷估算中NH3-N釋放速率均取值132.76 mg/（m2·d）。以氨氮為特征指標(biāo)，估算河道內(nèi)源污染負(fù)荷結(jié)果，如表1所示。

表1 內(nèi)源污染產(chǎn)生量估算

2.3.3 面源污染負(fù)荷

面源污染產(chǎn)生路徑的實(shí)質(zhì)是污染物從土相向水相遷移轉(zhuǎn)化的過(guò)程[5]。面源污染主要包含城市面源污染及農(nóng)田面源污染，根據(jù)實(shí)際調(diào)查，金川河周邊并無(wú)農(nóng)田用地，該部分污染量?jī)H考慮城市面源污染，即降雨徑流污染。

2.4 水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系建立

綜合上述各污染來(lái)源，建立控制斷面水質(zhì)與上游來(lái)水的水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系，表示為：

式中，C支流1為支流來(lái)水污染負(fù)荷；W為排口污染負(fù)荷；D為底泥污染負(fù)荷。

計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵循從上游到下游、從支流到主流的順序進(jìn)行，先建立上游、支流的水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系，再建立下游、主流的水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系。

3 污染負(fù)荷量計(jì)算

城北護(hù)城河來(lái)水主要包括南十里長(zhǎng)溝、張王廟溝及玄武湖補(bǔ)水，玄武湖補(bǔ)水流量按照設(shè)計(jì)補(bǔ)水規(guī)模進(jìn)行計(jì)算，補(bǔ)水水質(zhì)取多次監(jiān)測(cè)的平均值。南十里長(zhǎng)溝、張王廟溝匯入流量根據(jù)該支流來(lái)水流量及沿程污染源匯入流量得出，匯口處NH3-N濃度采用鼓樓區(qū)水務(wù)局2018年1-5月份監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并取平均值計(jì)算。其間匯入點(diǎn)源污染主要考慮中央門(mén)橋排口及未知污染源，河道內(nèi)源污染考慮底泥釋放面積60 900 m2。計(jì)算時(shí)將入河污染源負(fù)荷分為源項(xiàng)及沿程污染負(fù)荷，源項(xiàng)為上游來(lái)水及河道補(bǔ)水量，沿程污染負(fù)荷包括排口、未知污染源及底泥污染釋放量（見(jiàn)表1），按照上述計(jì)算邊界條件，推算城北護(hù)城河污染負(fù)荷量結(jié)果，如表2所示。同理可得，其他各河道污染負(fù)荷量結(jié)果如表3至表9所示。

表2 城北護(hù)城河污染負(fù)荷量

表3 內(nèi)金川河西支污染負(fù)荷量

表4 內(nèi)金川河老主流污染負(fù)荷量

表5 西北護(hù)城河污染負(fù)荷量

表6 內(nèi)金川河?xùn)|支污染負(fù)荷量

表7 內(nèi)金川河中支污染負(fù)荷量

表8 內(nèi)金川河主流污染負(fù)荷量

表9 外金川河主流污染負(fù)荷量

根據(jù)上述計(jì)算統(tǒng)計(jì)，流域污染負(fù)荷總量約為1 437.22 kg/d。其中，城北護(hù)城河污染負(fù)荷量為519 kg/d，占污染物總量的36%；西北護(hù)城河污染負(fù)荷量為342.23 kg/d，占污染物總量的24%；內(nèi)金川河主流污染負(fù)荷量為218.7 kg/d，占污染物總量的15%；外金川河污染負(fù)荷量為358.38 kg/d，占污染物總量的25%，如圖2所示。

圖2 污染負(fù)荷總量分布

在各河道污染負(fù)荷總量分析的基礎(chǔ)上，去除各河道上游來(lái)水污染負(fù)荷的影響，可得沿程污染負(fù)荷入河量，具體數(shù)據(jù)如表10、圖3所示。

表10 沿程污染負(fù)荷入河量

圖3 沿程污染負(fù)荷分布

4 水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析

4.1 水環(huán)境容量及水質(zhì)提升方案分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果分析，寶塔橋斷面流量3 494.63 L/s，按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）對(duì)Ⅴ類水的規(guī)定限值，該斷面允許污染負(fù)荷量為603 kg/d，即金川河流域河道污染負(fù)荷超標(biāo)量約834 kg/d。實(shí)施控源截污工程，可削減污染負(fù)荷約430 kg/d；實(shí)施底泥清淤工程，可削減污染負(fù)荷約17 kg/d；實(shí)施生態(tài)修復(fù)工程，可削減污染負(fù)荷約48 kg/d。生態(tài)補(bǔ)水5.5萬(wàn)m3/d，在保障生態(tài)基流的同時(shí)，可增容110 kg/d，尚余229 kg/d的污染負(fù)荷需要削減，原因是城北護(hù)城河、南十里長(zhǎng)溝等支流水質(zhì)尚不能滿足V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，需盡快組織治理。

4.2 合理性分析

本次水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性分析僅考慮晴天條件、無(wú)面源污染匯入時(shí)的水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性。對(duì)于城北污水處理廠尾水，由于其水質(zhì)尚不穩(wěn)定，且水量較大，位置處于寶塔橋斷面上游，對(duì)寶塔橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)影響較大，本次分析未將其納入。為保證寶塔橋斷面水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，需保證其尾水出水水質(zhì)不劣于現(xiàn)狀出水水質(zhì)?？傮w而言，文中計(jì)算較為綜合地考慮了區(qū)域水功能區(qū)允許污染負(fù)荷容量和控制斷面水質(zhì)要求，得到的污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果較為合理。

5 結(jié)語(yǔ)

在研究河流內(nèi)部污染負(fù)荷排放總量滿足允許污染負(fù)荷控制要求的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系計(jì)算得到各河段、排污口和底泥主要污染物排放量，為合理制定水質(zhì)提升工程方案、制定污染物削減量計(jì)劃提供了參考，計(jì)算結(jié)果較為合理。若保證寶塔橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，需對(duì)城北護(hù)城河、南十里長(zhǎng)溝等支流進(jìn)行治理，對(duì)其進(jìn)行合理的排污量削減，強(qiáng)化整個(gè)區(qū)域的統(tǒng)籌管理，完善制度、增強(qiáng)執(zhí)法力度，使全流域污染負(fù)荷不超標(biāo)。