京杭運河(蘇州段)污染負(fù)荷核算及源解析

王晉虎，古向前，周 曼

(清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院，江蘇 蘇州 215000)

京杭運河(蘇州段)是京杭大運河“黃金水道”的重要組成部分，是太湖流域腹地和下游地區(qū)重要的洪澇調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)承河道。京杭運河(蘇州段)從北往南穿城而過，全長約80 km，上游為無錫市，由北至南依次流經(jīng)蘇州市相城區(qū)、高新區(qū)、吳中區(qū)，最后經(jīng)吳江市進(jìn)入浙江嘉興境內(nèi)，區(qū)域水網(wǎng)縱橫、河港交織，具有航運、防洪、排澇、灌溉、文化、景觀、旅游等多種功能，是太湖地區(qū)(蘇州市區(qū)段)工業(yè)廢水和生活污水主要的排放通道，也是蘇州市城區(qū)水環(huán)境安全關(guān)系最為密切的三大排污通道之一[1]。

目前，京杭運河(蘇州段)總體水質(zhì)在Ⅳ—Ⅴ類，主要超標(biāo)因素是氨氮和總磷。按照國家“水十條”要求，京杭運河水質(zhì)必須穩(wěn)定在Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，按照江蘇省對蘇州市斷面考核要求，京杭運河的省考斷面水質(zhì)需滿足Ⅲ類水質(zhì)要求，“降氮控磷”是運河蘇州段水質(zhì)提升的主要目標(biāo)[2]。為準(zhǔn)確查找污染源頭，實施運河沿線各項水污染防治工作，需進(jìn)行京杭運河(蘇州段)污染源解析研究，形成精細(xì)的控制單元，從而為削減氨氮和總磷的總量提供數(shù)據(jù)支撐，為各項水污染防治提供技術(shù)支持和科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

京杭運河(蘇州段)望亭入境至運河干流省考斷面瓜涇口北區(qū)域之內(nèi)是京杭運河(蘇州段)城區(qū)人口密布、工業(yè)發(fā)達(dá)、大量生活污水或工業(yè)廢水直接或間接排入運河的區(qū)域，是京杭運河(蘇州段)整治工作的重點區(qū)域，故此研究重點分析區(qū)域為京杭運河望亭入境至運河干流省考斷面瓜涇口北以北全長37 km區(qū)域[3]。此區(qū)域涉及相城區(qū)、高新區(qū)、姑蘇區(qū)、吳中區(qū)、吳江區(qū)，5個區(qū)沿運河沿線及水系直接相關(guān)運河的共涉及20個街道，故將這20個街道作為水污染源解析的重點控制單元進(jìn)行分析。

2 污染源負(fù)荷核算方法

研究以流域污染負(fù)荷核算為重點，對運河(蘇州段)兩岸涉及的5個區(qū)20個街道污染源進(jìn)行系統(tǒng)的、高精度的分析，明確排污單元，核算污染貢獻(xiàn)，根據(jù)各區(qū)及各街道水污染源解析結(jié)果，形成重點整治內(nèi)容的各控制單元。流域污染負(fù)荷的核算方法及模型主要分為機理模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?種，目前采用的是經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其中最重要的是輸出系?shù)法模型。此研究中，工業(yè)企業(yè)、污水處理廠尾水污染排放主要來源于第2次污染源普查資料；生活源、地表徑流、內(nèi)源(底泥釋放)等其他污染源，主要應(yīng)用輸出系數(shù)法及其改進(jìn)模型的核算思路，建立核算體系、應(yīng)用科學(xué)方法、確定合理系數(shù)進(jìn)行計算[4]。

2.1 點源污染源負(fù)荷核算

點源污染源包括工業(yè)企業(yè)排污和集中式污水處理廠排污，集中式污水處理廠污染是指進(jìn)入污水處理廠的工業(yè)廢水和生活污水處理后直接排往運河及相關(guān)水體，工業(yè)企業(yè)污染是指京杭運河(蘇州段)流域內(nèi)5個區(qū)工業(yè)廢水在企業(yè)內(nèi)部處理(或未經(jīng)處理)后，直接排放進(jìn)入流域內(nèi)的水體。

通過調(diào)研及分析二污普查數(shù)據(jù)，研究區(qū)域內(nèi)與運河水系排污相關(guān)企業(yè)共7 596家企業(yè)，有7 153家企業(yè)排水進(jìn)入污水處理廠，443家企業(yè)直接排放至運河相關(guān)水系。通過分析核算，京杭運河(蘇州段)周邊污水處理廠及企業(yè)直排的氨氮、總磷的排放量分別為2 386.19、50.64 t，各種污染物排放量均為吳中區(qū)最多，高新區(qū)、姑蘇區(qū)、相城區(qū)、吳江區(qū)次之。

2.2 面源污染源負(fù)荷核算

根據(jù)調(diào)研，京杭運河(蘇州段)瓜涇口以北的沿線區(qū)域，目前城鎮(zhèn)化率已實現(xiàn)100%，不存在規(guī)模農(nóng)業(yè)種植，根據(jù)調(diào)研也不存在養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，故研究的面源污染主要包括未收集的生活污水、城鎮(zhèn)地表徑流2個方面。2個類型在污染物排放上采用相似的方法進(jìn)行核算，均由經(jīng)處理部分污染物排放和未處理部分污染物排放2個部分組成[5]。

2.2.1 未收集的生活污水

城鎮(zhèn)生活污染的水污染物產(chǎn)生量(ULa)、入河量(ULb)的計算公式：

(1)

2.2.2 城鎮(zhèn)地表徑流

城鎮(zhèn)生活污染的水污染物產(chǎn)生量(URa)、入河量(URb)的計算方程如下：

(2)

式中，URa為城鎮(zhèn)地表徑流水污染物產(chǎn)生量；UAi為第i種城鎮(zhèn)用地類型的面積；DP為城鎮(zhèn)地區(qū)的年徑流量；Ui為第i種城鎮(zhèn)用地類型徑流污染物的平均濃度；URb為城鎮(zhèn)地表徑流水污染物；aUR為城鎮(zhèn)地表徑流水污染物的入河系數(shù)(無量綱)。

DP根據(jù)調(diào)研及文獻(xiàn)取年降雨量的50%；aUR根據(jù)調(diào)研及文獻(xiàn)取30%。

2.3 河道內(nèi)源污染

為了對底泥釋放量進(jìn)行粗略計算，由室內(nèi)模擬試驗的研究結(jié)果，計算出單位表面積底泥的每日釋放通量。

對整個河道底泥的每日釋放通量可通過2種方法來計算，即體積法和表面積法。但考慮到河道底泥的相對靜態(tài)非劇烈擾動特征，即參與釋放的并非河道所有層面的底泥，最終確定以表面積法對河道底泥的釋放量進(jìn)行計算。計算公式：

W底泥=S×R×t×10-6

(3)

式中，W底泥為按表面積法計算得到的釋放量；S為河道底泥表面積；R為底泥釋放速率，根據(jù)清淤情況由試驗得到釋放速率；t為釋放時間。

2.4 船舶污染源污染

江蘇省交通運輸環(huán)境保護(hù)工程技術(shù)研究中心殷承啟于2019年開展過“江蘇省內(nèi)河船舶廢水污染現(xiàn)狀及影響研究”，通過在江蘇省內(nèi)河船閘、港口對內(nèi)河船舶廢水污染防治現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，并計算江蘇省內(nèi)河船舶廢水污染物排放量，分析內(nèi)河船舶廢水污染物排放對江蘇省、太湖流域以及京杭運河蘇北段等敏感區(qū)域的影響程度。本研究中京杭運河(蘇州段)船舶廢水污染物排放量借鑒上述項目研究結(jié)果，蘇南運河全長213 km，京杭運河蘇州段(無錫至瓜涇口段)長度37.7 km，按等比例折算[6]。

3 流域污染源解析結(jié)果

3.1 流域各版塊污染負(fù)荷結(jié)果

通過核算，區(qū)域內(nèi)污染負(fù)荷分別為氨氮600.56 t、總磷88.43 t。各控制單元污染負(fù)荷情況見表1。

表1 京杭運河(蘇州段)流域總污染負(fù)荷Tab.1 Total pollution load of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section)

3.2 流域污染負(fù)荷結(jié)構(gòu)分析

京杭運河(蘇州段)流域各板塊中，吳中區(qū)由于涉及鎮(zhèn)及街道較多，區(qū)域較大，工業(yè)企業(yè)及徑流污染量較大，故吳中區(qū)NH3-N和TP指標(biāo)中排放均為最多，其次為高新區(qū)及姑蘇區(qū)。

分析京杭運河(蘇州段)流域各污染源負(fù)荷可知，京杭運河作為蘇州市三大納污通道之一，流域各污染物中均以點源污染占比較高，NH3-N為48.86%、TP為54.67%；其次為未收集的生活污染，NH3-N為41.80%、TP為33.90%。NH3-N和TP指標(biāo)中，未收集的生活污染占比較高，說明這兩項指標(biāo)受區(qū)域內(nèi)雨污分流不徹底導(dǎo)致的生活污水外排影響較大，主要原因為運河周邊分布有92條內(nèi)河，內(nèi)河沿線城鎮(zhèn)人口密集，生活污水產(chǎn)生量大，區(qū)域內(nèi)雨污分流不徹底，生活污水排河污染較重，故運河流域雨污分流整改是降低運河NH3-N和TP指標(biāo)的關(guān)鍵所在[7]。流域內(nèi)各區(qū)及各污染物排放情況如圖1所示。

圖1 京杭運河(蘇州段)流域各水污染物排放情況Fig.1 Discharge of water pollutants in Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section)

3.3 排放強度及主要管控源分析

由上分析可知，京杭運河(蘇州段)流域NH3-N、TP兩項水污染物，吳中區(qū)排放占比均最高，這與吳中區(qū)與運河水系相關(guān)的區(qū)域的面積較大有關(guān)，流域內(nèi)吳中區(qū)面積 247.14 km2，占總面積的41.27%。因此，有必要對污染來源進(jìn)行細(xì)化分析，根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的污染排放總量、單位面積排放強度以及污染負(fù)荷結(jié)構(gòu)分析，提出京杭運河(蘇州段)流域污染源的重點控制對象。由于污染物NH3-N和TP的分布趨勢相近，研究以NH3-N的排放總量及強度來解析各污染源狀況。NH3-N排放總量及排放強度分布如圖2所示。

圖2 京杭運河(蘇州段)各板塊NH3-N排放總量及排放強度Fig.2 Total emissions and emission intensity of NH3-N in each section of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section)

京杭運河(蘇州段)流域分鄉(xiāng)鎮(zhèn)NH3-N負(fù)荷和單位面積排放強度如圖3和圖4所示。

圖3 京杭運河(蘇州段)流域分鄉(xiāng)鎮(zhèn)NH3-N負(fù)荷Fig.3 Watershed of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section) by township NH3-N load

圖4 京杭運河(蘇州段)流域分鄉(xiāng)鎮(zhèn)NH3-N單位面積排放強度Fig.4 Watershed of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section) by township NH3-N emission intensity per unit area

京杭運河(蘇州段)流域統(tǒng)計的20個街道(鎮(zhèn))中，排名前10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)貢獻(xiàn)了85%以上的NH3-N，分別為吳門橋街道、郭巷街道、城南街道、楓橋街道、獅山橫塘街道、木瀆鎮(zhèn)、滸墅關(guān)鎮(zhèn)、雙塔街道、胥口鎮(zhèn)、望亭鎮(zhèn)。對京杭運河(蘇州段)流域NH3-N的污染排放控制應(yīng)首先控制這10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。其中，吳門橋街道、雙塔街道、城南街道、獅山橫塘街道、滄浪街道單位面積排放強度高于流域平均水平。

10個街道(鎮(zhèn))的污染負(fù)荷結(jié)構(gòu)如圖5所示。整體來說，木瀆鎮(zhèn)、胥口鎮(zhèn)由于區(qū)域面積較大，人口基數(shù)較大，未收集的生活污水量較大，故NH3-N貢獻(xiàn)率未收集的生活污染占比較高，其余街道(鎮(zhèn))均以點源污染占比較高；點源污染中望亭鎮(zhèn)、吳門橋街道、雙塔街道、城南街道由于轄區(qū)內(nèi)有綜合污水處理廠，故點源污染中NH3-N貢獻(xiàn)率主要來源為污水處理廠尾水，獅山橫塘街道、楓橋街道、郭巷街道、滸墅關(guān)鎮(zhèn)點源污染中NH3-N貢獻(xiàn)率主要來源為企業(yè)排污；城區(qū)街道來看，雙塔街道、楓橋街道、郭巷街道、獅山橫塘街道的未收集生活污染比例比較高，為NH3-N控制、控源截污的主要區(qū)域。

圖5 京杭運河(蘇州段)流域分鄉(xiāng)鎮(zhèn)NH3-N污染負(fù)荷結(jié)構(gòu)Fig.5 NH3-N pollution load structure of Beijing-Hangzhou Canal (Suzhou section) by township

4 結(jié)語

(1)研究統(tǒng)籌了運河水系水質(zhì)水文情況，以流域污染負(fù)荷核算為重點，對各板塊污染源進(jìn)行系統(tǒng)的、高精度的分析，形成重點整治內(nèi)容的各控制單元。研究中，工業(yè)企業(yè)、污水處理廠尾水污染排放負(fù)荷主要來源于第2次污染源普查資料；生活源、地表徑流、內(nèi)源(底泥釋放)等其他污染源，主要應(yīng)用輸出系數(shù)法及其改進(jìn)模型的核算思路計算。

(2)京杭運河(蘇州段)流域各板塊負(fù)荷中，吳中區(qū)由于涉及鎮(zhèn)及街道較多、區(qū)域較廣、工業(yè)企業(yè)及徑流污染量較大，故吳中區(qū)排放均為最多，其次為高新區(qū)及姑蘇區(qū)；流域各污染物中均以點源污染占比較高，其次為未收集的生活污染。未收集的生活污染占比較高，說明區(qū)域水質(zhì)受區(qū)域內(nèi)雨污分流不徹底導(dǎo)致的生活污水外排影響較大，故運河流域雨污分流整改是降低運河污染指標(biāo)的關(guān)鍵。

(3)京杭運河(蘇州段)流域統(tǒng)計的20個街道(鎮(zhèn))中，排名前10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)貢獻(xiàn)了85%以上的NH3-N，對京杭運河(蘇州段)流域NH3-N的污染排放控制應(yīng)首先控制這10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。其中，吳門橋街道、雙塔街道、城南街道、獅山橫塘街道、滄浪街道單位面積排放強度高于流域平均水平。

(4)10個重點街道中，除木瀆鎮(zhèn)、胥口鎮(zhèn)污染貢獻(xiàn)率中未收集的生活污染占比較高，其余街道(鎮(zhèn))均以點源污染占比較高；點源污染中望亭鎮(zhèn)、吳門橋街道、雙塔街道、城南街道 點源污染貢獻(xiàn)率主要來源為污水處理廠尾水，獅山橫塘街道、楓橋街道、郭巷街道、滸墅關(guān)鎮(zhèn)點源污染貢獻(xiàn)率主要來源為企業(yè)排污；城區(qū)街道來看，雙塔街道、楓橋街道、郭巷街道、獅山橫塘街道的未收集生活污染比例比較高，為污染物控制、控源截污的主要區(qū)域。