TMDL計(jì)劃在茅洲河水環(huán)境綜合治理中的應(yīng)用

韓鎧御 王正發(fā) 陳華瑜

(中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518105)

茅洲河位于珠江三角洲東南部，跨越深圳、東莞兩市，發(fā)源于深圳市境內(nèi)的羊臺(tái)山北麓，由南向北，最終匯入伶仃洋，總流域面積388.23km2，干流全長(zhǎng)約41.61km，感潮河段長(zhǎng)約13km。茅洲河流域水環(huán)境治理是深圳市黑臭水體治理工作的重中之重，中央、省、市都對(duì)茅洲河水環(huán)境治理提出了明確要求：2019年底前，全面消除黑臭水體，2020年國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)達(dá)到地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)[1]。為準(zhǔn)確判斷茅洲河水體污染源頭，對(duì)河流水污染治理提出精細(xì)化控制建議，科學(xué)合理地制定茅洲河流域水環(huán)境綜合治理措施，非常有必要開展茅洲河最大日負(fù)荷總量(TMDL)計(jì)劃研究。

TMDL是指在滿足水質(zhì)目標(biāo)的條件下，水體能夠接受的某種污染物的最大日負(fù)荷總量[2]。該研究的目的之一就是將可分配的污染負(fù)荷分配到各個(gè)污染源(包括點(diǎn)源和非點(diǎn)源)，同時(shí)要考慮安全臨界值和季節(jié)性變化，從而采取適當(dāng)?shù)奈廴究刂拼胧﹣肀ＷC目標(biāo)水體達(dá)到相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際上最具有代表性的流域負(fù)荷總量控制技術(shù)體系。TMDL計(jì)劃由美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局于1972年在《清潔水法》中提出，對(duì)美國(guó)各個(gè)州的水域水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的TMDL計(jì)劃的制定和實(shí)施都作了具體的規(guī)定。TMDL計(jì)劃的執(zhí)行過程包括：識(shí)別水質(zhì)受限制的水體，按優(yōu)先順序確定水質(zhì)指標(biāo)，最大日負(fù)荷總量的確定及分配，執(zhí)行控制措施，評(píng)價(jià)水質(zhì)控制措施[3-5]。目前，美國(guó)很多州都對(duì)其行政區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)受限水體制定并實(shí)施了TMDL計(jì)劃，這對(duì)其受限水體的水質(zhì)改善發(fā)揮了明顯作用。

1 茅洲河TMDL計(jì)劃

1.1 水質(zhì)受限水體的識(shí)別

水質(zhì)受限水體是指即使實(shí)施了一定的水污染控制措施后，仍無法滿足水質(zhì)目標(biāo)的水體[6]。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，茅洲河流域污染嚴(yán)重，干流、支流水質(zhì)均為劣Ⅴ類，主要超標(biāo)因子有氨氮、總磷、溶解氧、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、陰離子表面活性劑、高錳酸鹽指數(shù)、氟化物和石油類等。其中氨氮、總磷、化學(xué)需氧量等指標(biāo)超標(biāo)最為嚴(yán)重，2015年底，茅洲河共和村斷面(國(guó)家考核斷面)化學(xué)需氧量、氨氮和總磷濃度分別為65.53mg/L、21.52mg/L和4.49mg/L，分別超標(biāo)10.76倍、11.23倍和1.64倍。

茅洲河流域干支流水體治理前(以2015年為基準(zhǔn))被認(rèn)定是水質(zhì)受限水體，主要原因是化學(xué)需氧量、氨氮、總磷等指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)。

1.2 確定水質(zhì)目標(biāo)

根據(jù)茅洲河治理分階段水質(zhì)目標(biāo)要求，并考慮茅洲河流域資料條件，確定茅洲河流域TMDL方案研究受限水體水質(zhì)指標(biāo)為化學(xué)需氧量、氨氮、總磷，具體數(shù)值目標(biāo)見表1。

表1 茅洲河流域TMDL方案水質(zhì)數(shù)值目標(biāo) 單位：mg/L

1.3 水文分析

TMDL計(jì)劃中需要建立模型，模擬出河道每日流量。本研究對(duì)水文分析進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)《廣東省水文圖集》，查得茅洲河干流多年平均徑流深850mm，不含石巖水庫(kù)的集雨面積為344km2，從而估算出茅洲河每日平均總水量80.11萬m3。

1.4 污染源調(diào)查和污染負(fù)荷計(jì)算

1.4.1 點(diǎn)源污染

點(diǎn)源污染來自生活污染源和工業(yè)污染源。根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》，查得深圳市、東莞市生活源污水污染物人均產(chǎn)生系數(shù)，按照流域內(nèi)的人口數(shù)量核算其生活污染排放量[7]；根據(jù)茅洲河流域工業(yè)廢水排放情況，結(jié)合工業(yè)企業(yè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)流域內(nèi)工業(yè)源進(jìn)行核算[8]，得到2015年茅洲河流域點(diǎn)源污染物日負(fù)荷量，見表2。

表2 茅洲河流域點(diǎn)源污染物日負(fù)荷量 單位：t/d

1.4.2 面源污染

面污染源主要受降雨徑流條件和地表污染物積聚數(shù)量的影響。前者取決于降雨量、降雨強(qiáng)度、地表透水性，后者取決于土地使用功能、土地利用類型等人類活動(dòng)強(qiáng)度和方式[9]。面源污染量通常采用經(jīng)驗(yàn)公式估算：

W=∑AiBi

(1)

式中：W為面源污染負(fù)荷總量，t/a；Ai為第i種土地利用類型的面積，km2；Bi為第i種土地利用類型污染物輸出速率，t/(km2·a)。

根據(jù)文獻(xiàn)資料[10-12]給出的不同土地利用類型情況，得到各類地表類型輸出污染物的速率參數(shù)，見表3。

表3 不同土地利用類型污染物面積輸出速率 單位：t/(km2·a)

結(jié)合茅洲河流域土地利用類型資料，根據(jù)以上方法計(jì)算2015年茅洲河流域面源污染年負(fù)荷量，見表4。

表4 茅洲河流域面源污染日負(fù)荷量匯總 單位：t/d

1.4.3 內(nèi)源污染

根據(jù)茅洲河環(huán)保清淤量，研究得到茅洲河內(nèi)源污染物釋放規(guī)律，測(cè)算出茅洲河流域底泥每年釋放氮59.94t，底泥中有機(jī)質(zhì)、氮、磷平均含量分別為33371.00mg/kg、1871.20mg/kg、1256.55mg/kg，從而可估算得到2015年茅洲河內(nèi)源污染負(fù)荷量，即化學(xué)需氧量為1122.98t，氨氮為59.94t，總磷為42.28t。

1.4.4 污染負(fù)荷總量

根據(jù)以上分析，匯總得到茅洲河流域2015年污染物日負(fù)荷量，見表5。

表5 茅洲河流域2015年污染物日負(fù)荷量 單位：t/d

1.5 最大日負(fù)荷總量計(jì)算和分配

由于茅洲河長(zhǎng)期處于重度黑臭狀態(tài)，河道自凈能力可以忽略不計(jì)。因此根據(jù)階段性水質(zhì)目標(biāo)和水文分析結(jié)果，計(jì)算得到茅洲河最大日負(fù)荷總量，見表6。

表6 茅洲河最大日負(fù)荷總量 單位：t/d

為在規(guī)定時(shí)間達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)，需要將污染負(fù)荷在點(diǎn)源、面源和內(nèi)源之間進(jìn)行分配，從而提出合理的綜合治理措施。污染負(fù)荷計(jì)算公式如下：

TMDL=∑WLAi+∑LAi+P+MOS

(2)

式中：TMDL為最大日負(fù)荷總量，t/d；WLA為允許的點(diǎn)源污染日負(fù)荷量，t/d；LA為允許的面源污染日負(fù)荷量，t/d；P為允許的內(nèi)源污染日負(fù)荷量，t/d；MOS為安全臨界值，t/d。MOS用于表征污染負(fù)荷與收納水體水質(zhì)之間的不確定關(guān)系，根據(jù)美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局的推薦值，取TMDL的10%。點(diǎn)源、面源、內(nèi)源污染負(fù)荷削減量根據(jù)2015年污染負(fù)荷比例進(jìn)行分配，結(jié)果見表7。

表7 茅洲河污染負(fù)荷削減目標(biāo)分配 單位：t/d

2 污染治理措施和實(shí)施效果評(píng)估

2.1 治理措施

根據(jù)茅洲河TMDL削減目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)，最重要的是削減點(diǎn)源污染?？紤]到階段性水質(zhì)目標(biāo)的考核要求，茅洲河治理分階段采取了多種治理措施：2016—2017年綜合整治階段，實(shí)施了沿河截污工程和雨污分流工程等，主要是通過織網(wǎng)成片建立污水干管系統(tǒng)，同時(shí)建設(shè)沿河截污管作為臨時(shí)兜底措施；2018年實(shí)施了正本清源工程，實(shí)現(xiàn)小區(qū)污水收集進(jìn)入污水系統(tǒng)；2019—2020年實(shí)施了全面消黑工程，通過河道暗涵和小微水體清淤、排水口整治、老舊管網(wǎng)清淤和改造、遺漏正本清源小區(qū)補(bǔ)充完善等措施查漏補(bǔ)缺，實(shí)現(xiàn)全面雨污分流。

面源污染削減也是實(shí)現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)所不可缺少的?？紤]到面源污染的特點(diǎn)，主要采取對(duì)面源污染產(chǎn)生的源頭進(jìn)行控制和管理的方法，包括初期降雨徑流污染控制、農(nóng)業(yè)面源污染控制、畜禽養(yǎng)殖面源污染控制、垃圾處理處置、重點(diǎn)面源污染整治等措施。

內(nèi)源污染占污染負(fù)荷總量的比例較低，但由于茅洲河長(zhǎng)期處于黑臭狀態(tài)，河道底泥中有機(jī)質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬污染嚴(yán)重[13]，在一定情況下可能會(huì)釋放出來造成二次污染，影響河道水質(zhì)，因此有必要開展底泥環(huán)保清淤和處理處置工作。茅洲河綜合治理措施見表8。

表8 茅洲河綜合治理措施

2.2 基于消除黑臭水體目標(biāo)的實(shí)施效果評(píng)估

為驗(yàn)證2017年底是否達(dá)到消除黑臭的水質(zhì)目標(biāo)，選取2018年全年月平均最大日負(fù)荷量和實(shí)際日負(fù)荷量進(jìn)行分析。2018年TMDL與考核斷面實(shí)際平均日負(fù)荷對(duì)比見圖1。2018年各月的考核斷面實(shí)際平均日負(fù)荷均小于基于消除黑臭水體目標(biāo)的最大日負(fù)荷(TMDL)，由此證明茅洲河經(jīng)過2016—2018年的綜合整治，旱、雨季均能夠控制污染負(fù)荷總量不超標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了消除黑臭水體的目標(biāo)。

圖1 2018年TMDL與考核斷面實(shí)際平均日負(fù)荷對(duì)比

2.3 基于地表Ⅴ類水目標(biāo)的實(shí)施效果評(píng)估

為驗(yàn)證2020年底是否能達(dá)到消除黑臭的水質(zhì)目標(biāo)，選取2020年全年月平均最大日負(fù)荷和實(shí)際日負(fù)荷進(jìn)行分析。2020年TMDL與考核斷面實(shí)際平均日負(fù)荷對(duì)比見圖2。由此證明，2020年各月的化學(xué)需氧量、氨氮、總磷等考核斷面實(shí)際平均日負(fù)荷均小于基于消除黑臭水體目標(biāo)的最大日負(fù)荷總量(TMDL)，旱、雨季均能夠控制污染負(fù)荷總量不超標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了地表Ⅴ類水的水質(zhì)目標(biāo)。

圖2 2020年TMDL與考核斷面實(shí)際平均日負(fù)荷對(duì)比

3 結(jié) 語

本研究根據(jù)TMDL的相關(guān)方法和流程，基于水質(zhì)受限水體識(shí)別、確定水質(zhì)目標(biāo)、水文分析、污染源調(diào)查和污染負(fù)荷計(jì)算，制定了茅洲河TMDL計(jì)劃。并根據(jù)茅洲河TMDL目標(biāo)，提出了污染負(fù)荷削減目標(biāo)，從而確定了茅洲河綜合治理措施，包括點(diǎn)源、面源和內(nèi)源污染的削減措施。最后，根據(jù)水質(zhì)和流量監(jiān)測(cè)結(jié)果，計(jì)算了2015—2020年實(shí)際污染負(fù)荷量，并與TMDL進(jìn)行對(duì)比，化學(xué)需氧量、氨氮、總磷等考核斷面實(shí)際平均日負(fù)荷均小于TMDL，證明采取的治理措施行之有效。