基于北京清河流域水質(zhì)提升的入河排污口排放要求確定策略研究*

覃 露 葉維麗 韓 旭# 郭送軍 陳榮志 張 帆

(1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530004； 2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院京津冀區(qū)域環(huán)境聯(lián)合研究中心，北京 100012； 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049；4.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048)

入河排污口是連通岸上和水里、陸地和海洋的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2018年國(guó)家機(jī)構(gòu)改革將入河排污口設(shè)置管理職責(zé)劃入生態(tài)環(huán)境部后，為“受納水體—排污口—排污通道—排污單位”全鏈條管控體系的建立提供了條件[1]，也為中國(guó)在流域斷面匯水單元層面開(kāi)展基于水質(zhì)目標(biāo)的入河排污口排放限值研究提供了基礎(chǔ)[2-3]。通過(guò)對(duì)入河排污口排放濃度及排放總量限值進(jìn)行管控，有利于研究最大日負(fù)荷總量(TMDL)制度在中國(guó)小流域?qū)嵤┑目尚行?，探討在中?guó)實(shí)施基于流域水質(zhì)目標(biāo)的入河排污口排放標(biāo)準(zhǔn)與排污許可的路徑。

中國(guó)的水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)體系分為國(guó)家和地方兩級(jí)標(biāo)準(zhǔn)體系[4]。近年來(lái)，許多地方積極制定地方流域型排放標(biāo)準(zhǔn)，目前全國(guó)已有31個(gè)流域制定了地方流域型排放標(biāo)準(zhǔn)。流域型排放標(biāo)準(zhǔn)以流域水質(zhì)改善需求為依據(jù)確定排放標(biāo)準(zhǔn)，通常僅對(duì)污染源提出排放濃度限值要求，未直接與入河排污口管理關(guān)聯(lián)[5-6]。本研究認(rèn)為，入河排污口是污染源與流域水質(zhì)聯(lián)結(jié)的節(jié)點(diǎn)，流域型排放標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)以入河排污口為節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)與污染物排放響應(yīng)。

確定了入河排污口排放標(biāo)準(zhǔn)并不能完全管控入河排污口污染物排放總量，還需要根據(jù)入河排污口距離考核斷面位置、排放水量確定入河排污口排放總量限值，落實(shí)于污染源許可排放量，作為約束污染源排放的依據(jù)[7-8]。排污口排污許可證申請(qǐng)與核發(fā)技術(shù)規(guī)范基本上是以行業(yè)排放水平為依據(jù)核定許可排放量，未考慮與水質(zhì)銜接。固定源污染排放與流域水質(zhì)改善需求的銜接，應(yīng)通過(guò)理順入河排污口與排污單位出廠界排污口關(guān)系，落實(shí)排污單位執(zhí)行流域排放標(biāo)準(zhǔn)、“一企一策”的排放管控要求與水功能區(qū)的限制排放總量要求的連結(jié)，且通過(guò)考慮斷面水質(zhì)目標(biāo)及流域排放標(biāo)準(zhǔn)的排污許可證“2.0版本”予以完善[9-10]。

本研究以北京清河流域大有莊北里至火沙路河段為例，開(kāi)展流域的水質(zhì)目標(biāo)與排放限值模擬，從而確定基于流域水質(zhì)目標(biāo)的研究河段入河排污口排放要求確定策略，包括排放限值要求及排放方式管控。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

清河位于北京北部，發(fā)源于西山碧云寺，流經(jīng)海淀區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)和昌平區(qū)，于順義區(qū)匯入溫榆河。流域全長(zhǎng)28.69 km，流域面積174.8 km2，年平均降水量約672 mm，全年80%～90%的降水量集中在6—9月。清河是北京北部雨水和污水的主要受納水體，長(zhǎng)期以來(lái)直接受納肖家河、清河等污水處理廠出水補(bǔ)給，基本喪失水生態(tài)功能[11-12]。作為城市重要的景觀河道，清河在北京城市發(fā)展總體布局上具有重要戰(zhàn)略地位。清河上游經(jīng)過(guò)商業(yè)區(qū)和居民區(qū)，下游經(jīng)過(guò)郊區(qū)及待開(kāi)發(fā)區(qū)域，主要受人為活動(dòng)影響。流域污水直排導(dǎo)致水體常年處于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)劣Ⅴ類(lèi)，近幾年水環(huán)境狀況雖有所改善，但為保持流域生態(tài)系統(tǒng)健康、適應(yīng)城市發(fā)展需要，對(duì)流域入河排污口排放要求的管理研究仍十分必要。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及分析

對(duì)研究河段入河排污口進(jìn)行實(shí)地摸排，確定了4個(gè)污水處理廠入河排污口(編號(hào)N3、N6、S14、S16)；6個(gè)生活污染源入河排污口(編號(hào)N2、N5、S2、S3、N7、N9)；12個(gè)其他污染源入河排污口(編號(hào)S1、N1、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S11、S15、N10、N11)；設(shè)計(jì)了5個(gè)河道斷面(編號(hào)Q1～Q5)，其中上游入水、下游出水?dāng)嗝娣謩e為Q1、Q5。

研究河段采樣點(diǎn)水質(zhì)采樣與水量監(jiān)測(cè)同步開(kāi)展，采樣周期為15 d，采樣時(shí)間為2019年3—10月，采樣次數(shù)共12次。12次采樣中，某些采樣點(diǎn)的COD、氨氮、TN和TP超過(guò)GB 3838—2002 Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(限值分別為40、2.0、2.0、0.4 mg/L)，其余指標(biāo)均滿足Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(限值分別為30、1.5、1.5、0.3 mg/L)，為重點(diǎn)關(guān)注流域水質(zhì)污染狀況，本研究將討論指標(biāo)確定為COD、氨氮、TN和TP。由表1可見(jiàn)，根據(jù)GB 3838—2002，27個(gè)采樣點(diǎn)中，COD平均值有8個(gè)采樣點(diǎn)符合Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(限值20 mg/L)；氨氮平均值有18個(gè)采樣點(diǎn)符合Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(限值1.0 mg/L)；TN平均值均不符合Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；TP平均值有12個(gè)采樣點(diǎn)符合Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(限值0.2 mg/L)。

1.3 研究方法

1.3.1 模型選擇

采取流域水動(dòng)力模型對(duì)入河排污口—水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行模擬。在流域污染源模擬層面，SWAT、QUAL2K、WASP、WARMF和MIKE11等相對(duì)成熟的水質(zhì)模型較常用[13]。MIKE11模型適用于各時(shí)刻河道斷面的水位和流量均較穩(wěn)定的河流，在一維水模擬領(lǐng)域具有很好的模擬效果[14]。張美英[15]在渾河流域采用該模型對(duì)流域水量水質(zhì)進(jìn)行了模擬；熊鴻斌等[16]在十五里河流域采用該模型對(duì)流域水質(zhì)改善方案進(jìn)行了模擬。研究河段為城市景觀河道，流域穩(wěn)定性較好，故選用MIKE11模型進(jìn)行流域入河排污口排放要求確定策略研究。

1.3.2 模型構(gòu)建

水動(dòng)力模型的外邊界條件包括研究河段上下游邊界，雨污水排放口及污水處理廠退水口均概化為內(nèi)邊界條件。水質(zhì)模型中所有的外邊界條件、入河排污口和污水處理廠退水口內(nèi)邊界條件采用人工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，雨水排放口內(nèi)邊界水質(zhì)條件采用潘國(guó)慶等[17]對(duì)中國(guó)北方典型城市純雨水、屋面徑流、小區(qū)路面徑流及城市街道徑流的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即COD、氨氮、TN、TP分別為30、1.25、2.5、0.1 mg/L。

表1 研究河段采樣點(diǎn)各指標(biāo)實(shí)測(cè)平均值

1.3.3 參數(shù)率定

使用Q5斷面2019年3—10月入河排污口及斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)水動(dòng)力模型參數(shù)率定，研究河段基本糙率采用經(jīng)驗(yàn)值0.031。經(jīng)率定驗(yàn)證后，COD、氨氮、TN和TP的納什效率系數(shù)(NSE)分別為86.05%、86.32%、60.98%、83.10%，模型擬合效果較好。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬情景

2018年，入河排污口設(shè)置管理職責(zé)轉(zhuǎn)隸后，國(guó)家開(kāi)始了入河排污口清理整治。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部的清理整治要求，城鎮(zhèn)污水收集管網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的排污口，其排放污水能被污水集中處理設(shè)施有效處理的均應(yīng)予以封堵，截污納管后由集中處理設(shè)施進(jìn)行處理。2019年，北京開(kāi)展水環(huán)境防治工作，提出入河排污口整治試點(diǎn)，對(duì)入河排污口進(jìn)行封堵處理及嚴(yán)格要求。基于對(duì)入河排污口的清理整治要求，研究分3個(gè)情景對(duì)研究河段入河排污口排放要求進(jìn)行模擬：

(1) 情景1：截污納管，將Q1、Q5斷面之間城鎮(zhèn)污水收集管網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的生活源入河排污口進(jìn)行封堵，生活污染源入河排污口污水通過(guò)截污納管由污水處理廠進(jìn)行集中處理后排放。分析加強(qiáng)研究河段入河排污口管控后，入河排污口對(duì)河段水質(zhì)的污染影響。

(2) 情景2：基于研究河段排放目標(biāo)的排放要求，對(duì)研究河段污染物排放量較大的入河排污口各研究指標(biāo)進(jìn)行提標(biāo)改造。目前，研究河段執(zhí)行GB 3838—2002 Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，排入Ⅳ、Ⅴ類(lèi)水體的城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行北京《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/890—2012)B標(biāo)準(zhǔn)。Q5斷面基本滿足GB 3838—2002 Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，但不滿足Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。分析對(duì)污水處理廠入河排污口各指標(biāo)提標(biāo)改造至GB 3838—2002 Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)后，研究河段能否滿足Ⅲ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)。

(3) 情景3：研究河段為典型的北方缺水型河流，干旱少雨，水資源匱乏，河流閘壩眾多，水流緩滯，主要以上游污水及雨期雨水補(bǔ)給為主[18-19]。該情景通過(guò)分雨期和非雨期提出入河排污口排放濃度管控要求，研究降雨對(duì)研究河段水質(zhì)的污染影響。

2.2 模擬方案

為加強(qiáng)入河排污口治理工程建設(shè)，對(duì)3個(gè)情景進(jìn)行組合分析，分析不同的入河排污口管控方案是否能滿足研究河段水質(zhì)目標(biāo)，以及管控方案實(shí)施后研究河段水質(zhì)的變化情況并提出相關(guān)建議。

(1) 方案1：截污納管方案。單純實(shí)施情景1，分析對(duì)研究河段城鎮(zhèn)污水收集管網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的生活污染源入河排污口進(jìn)行封堵和截污納管后，其余入河排污口對(duì)河段水質(zhì)目標(biāo)影響。

(2) 方案2：截污減排方案。在方案1執(zhí)行后，研究河段未符合執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的情況下，同時(shí)實(shí)施情景1+情景2。在方案1的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)研究河段污水處理廠入河排污口提出更嚴(yán)格的排放要求。研究分析截污減排方案對(duì)研究河段污染物削減及水質(zhì)目標(biāo)達(dá)標(biāo)情況。

(3) 方案3：基于研究河段特征，考慮雨期的截污納管及截污減排方案。同時(shí)實(shí)施情景1+情景2+情景3，分別討論雨期和非雨期情況下，截污納管及截污減排方案對(duì)研究河段水體的污染影響。

2.3 策略分析

對(duì)研究河段入河排污口方案1、方案2模擬后，Q5斷面的COD、氨氮、TN和TP模擬值變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。方案1模擬后，Q5斷面各指標(biāo)模擬值與原始模擬值趨勢(shì)對(duì)比無(wú)明顯變化，大致滿足GB 3838—2002 Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，均未滿足Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。生活污染源入河排污口經(jīng)截污納管進(jìn)入污水處理廠處理，由于生活污染源入河排污口產(chǎn)生的污染負(fù)荷低，經(jīng)截污納管后，Q5斷面各指標(biāo)濃度無(wú)明顯變化。由此可知，對(duì)河段污染負(fù)荷低的入河排污口進(jìn)行截污納管，對(duì)河段水質(zhì)狀況影響不大。

方案2模擬后，研究河段水質(zhì)狀況明顯改善，Q5斷面的COD、氨氮、TN和TP模擬值比方案1低，分別降低49.08%、61.27%、65.80%、63.86%。除TN外，其余指標(biāo)基本滿足Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。原始及方案1模擬后，各指標(biāo)均在8月15日出現(xiàn)一突變點(diǎn)，經(jīng)方案2模擬后，該突變點(diǎn)消失。在原始及方案1模擬時(shí)，8月為汛期，入河排污口排放水量較其他月份大，水體污染負(fù)荷隨之增大，由此該月指標(biāo)濃度模擬值變大，產(chǎn)生突變點(diǎn)[20]；方案2模擬時(shí)，生活污染源入河排污口關(guān)停，污水處理廠入河排污口提升至Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，Q5斷面污染負(fù)荷減小，突變點(diǎn)消失。

Q1斷面、Q5斷面、污水處理廠入河排污口以及生活污染源入河排污口在原始、方案1和方案2模擬下，各指標(biāo)的排放總量見(jiàn)表2和表3。與方案1相比，方案2下Q5斷面COD、氨氮、TN和TP排放總量分別削減了541.95、46.13、216.79、8.30 t/a，入河排污口截污減排對(duì)研究河段水質(zhì)具有明顯的污染物削減效果。根據(jù)前期調(diào)研，在實(shí)際生活中僅通過(guò)污水處理廠提標(biāo)改造而達(dá)到研究河段水質(zhì)目標(biāo)的做法無(wú)法實(shí)現(xiàn)，且不具備經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性，應(yīng)該通過(guò)生態(tài)手段如人工濕地建設(shè)等，整體降低研究河段污染物濃度以滿足河段水質(zhì)目標(biāo)[21]。

由圖2可知，方案1下，Q5斷面COD、氨氮和TP在雨期、非雨期大部分時(shí)間均能滿足GB 3838—2002 Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；方案2下，各指標(biāo)污染濃度均在Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值處波動(dòng)。在相同方案下，雨期各指標(biāo)排放濃度高于非雨期，原因是雨期降雨量增多，帶來(lái)更多的面源污染入河，從而加劇出水?dāng)嗝嫖廴疚餄舛?。因此，做好雨期入河排污口的管控，?yīng)科學(xué)控制入河排污口污染。結(jié)合研究流域污染現(xiàn)狀及特點(diǎn)，可執(zhí)行以下管控措施：(1)對(duì)城市排水管網(wǎng)進(jìn)行雨污分流，通過(guò)雨水管網(wǎng)對(duì)雨水進(jìn)行科學(xué)管理，將雨期面源污染的管控集中于污染的源和匯[22]。(2)雨期時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)雨污管道的維護(hù)，加密入河排污口監(jiān)測(cè)頻次。(3)雨期和非雨期對(duì)入河排污口執(zhí)行不同的排放限值要求。雨期時(shí)，各污水處理廠入河排污口應(yīng)執(zhí)行DB11/890—2012 A標(biāo)準(zhǔn)，其他入河排污口各指標(biāo)保持滿足GB 3838—2002 Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；非雨期時(shí)，各污水處理廠入河排污口保持執(zhí)行DB11/890—2012 B標(biāo)準(zhǔn)，其他入河排污口各指標(biāo)保持滿足GB 3838—2002 Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 研究河段治理方案實(shí)施后各指標(biāo)的質(zhì)量濃度模擬值Fig.1 Simulated values of mass concentration of various indicators after the implementation of river reach control plan

表2 斷面及污水處理廠入河排污口各指標(biāo)排放總量

表3 生活污染源入河排污口各指標(biāo)排放總量1)

圖2 雨期、非雨期Q5斷面不同方案各指標(biāo)質(zhì)量濃度模擬值Fig.2 Simulated values of the mass concentration of each indicator in different schemes in Q5 section during rainy and non-rainy periods

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 基于MIKE11模型建立了清河的水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，模擬分析不同情景組合方案的水質(zhì)改善結(jié)果。結(jié)果表明，Q5斷面COD、氨氮和TP基本能達(dá)到GB 3838—2002 Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，若需進(jìn)一步提升到Ⅲ類(lèi)，入河排污口需制定更嚴(yán)格的指標(biāo)濃度限值，才能基本滿足斷面目標(biāo)要求。清河中的TN污染較嚴(yán)重，經(jīng)管控方案模擬后，污染物排放量明顯降低，但Q5斷面仍未滿足GB 3838—2002 Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。原因?yàn)閿嗝嫠|(zhì)考核通常不評(píng)價(jià)TN，因此對(duì)河流入河排污口的TN污染削減通常被忽視。

(2) 當(dāng)河段入河排污口污染負(fù)荷較低時(shí)，截污納管方案對(duì)河段水質(zhì)影響不明顯；基于河段污染負(fù)荷低的入河排污口進(jìn)行截污納管的基礎(chǔ)上，對(duì)污染負(fù)荷高的入河排污口進(jìn)行提標(biāo)改造，對(duì)河段水質(zhì)有顯著影響。與方案1相比，方案2下Q5斷面COD、氨氮、TN和TP排放總量分別削減了541.95、46.13、216.79、8.30 t/a。實(shí)際生活中，入河排污口提標(biāo)至水質(zhì)目標(biāo)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，且不具備經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性，應(yīng)當(dāng)考慮通過(guò)生態(tài)手段如人工濕地建設(shè)等提升流域水質(zhì)。

(3) 對(duì)于上游來(lái)水補(bǔ)給不足、主要依賴(lài)雨水補(bǔ)給的河流而言，雨期雨水匯入河段后，各污染物達(dá)標(biāo)情況反而惡化，原因是雨期雨水將會(huì)帶來(lái)更多的面源污染入河。應(yīng)通過(guò)對(duì)城市排水管網(wǎng)進(jìn)行雨污分流；雨期加強(qiáng)雨污管道的維護(hù)，加密入河排污口監(jiān)測(cè)頻次；對(duì)雨期及非雨期入河排污口執(zhí)行不同的排放限值要求等措施，削減雨期入河排污口對(duì)流域水質(zhì)的污染影響。