我國是世界上嚴(yán)重缺水的國家，也面臨著嚴(yán)重水環(huán)境問題。根據(jù)《2018年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》，地表水質(zhì)量相對2017年水質(zhì)明顯改善，然而全國地表水1935個水質(zhì)斷面中，Ⅴ類及劣Ⅴ類水質(zhì)占比仍高達(dá)11.4%。此外，隨著經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)高速發(fā)展，我國流域水生態(tài)環(huán)境面臨巨大壓力，水環(huán)境問題呈現(xiàn)出流域性、系統(tǒng)性、復(fù)雜化、差異化等特點，局部性、碎片化的治理已難以從根本上扭轉(zhuǎn)水環(huán)境惡化的整體形勢，采用經(jīng)濟(jì)、有效的流域統(tǒng)籌、系統(tǒng)治理技術(shù)對我國水環(huán)境治理具有重要價值。
當(dāng)前關(guān)于水環(huán)境治理已經(jīng)開展了許多工作。然而，關(guān)于系統(tǒng)的水環(huán)境治理思路及成熟的實踐經(jīng)驗仍很缺乏，導(dǎo)致水環(huán)境治理難以達(dá)到預(yù)期效果。中國電建集團(tuán)先后在茅洲河、環(huán)巢湖、雄安新區(qū)等區(qū)域進(jìn)行水環(huán)境治理工程，形成了以水環(huán)境改善為核心，以水資源保障、水生態(tài)修復(fù)為重點的五位一體綜合治理技術(shù)體系，為河流水環(huán)境綜合治理提供了有效的治理理念與技術(shù)框架，在推動水環(huán)境治理方面具有重要的工程借鑒與推廣價值。
以兆河流域為研究區(qū)域，借鑒中國電建集團(tuán)水環(huán)境綜合治理技術(shù)體系成果，通過流域污染源解析、水環(huán)境容量計算和污染削減分配，建立污染總量控制方案，進(jìn)一步因地制宜地提出流域治理修復(fù)措施，并評價多措施組合對流域水環(huán)境治理修復(fù)的效果，為推動兆河生態(tài)清潔小流域建設(shè)提供可靠的治理方案，為水環(huán)境行業(yè)的發(fā)展提供治理技術(shù)參考。
一 摘 要
采用中國電建集團(tuán)已形成的“以水環(huán)境改善為核心，以水資源保障、水生態(tài)修復(fù)為重點的五位一體綜合治理技術(shù)體系”研究成果，以環(huán)巢湖的兆河流域為例，基于污染物總量控制、生態(tài)基流和水生態(tài)系統(tǒng)平衡分別確定水環(huán)境改善方案、水資源保障方案和生態(tài)修復(fù)方案，并評價工程實施后水質(zhì)達(dá)標(biāo)狀況。結(jié)果表明：兆河流域污染源貢獻(xiàn)量最高的類型為城鎮(zhèn)生活源，污染負(fù)荷最高的小流域為縣河;流量在75%保證率下兆河流域COD、NH3-N、TP和TN的水環(huán)境容量分別為5438.61，370.42，70.76，367.50 t/a;縣河流域污染負(fù)荷削減分配量最高;水環(huán)境、水資源和水生態(tài)措施實施后，兆河流域污染負(fù)荷低于水環(huán)境容量限值。
二 研究區(qū)域及方法
城市水體的基本功能和特點
兆河流域位于安徽省合肥市廬江縣，流域面積1034.35 km2。流域水系及小流域劃分如圖1所示。
圖1 兆河流域水系
根據(jù)兆河閘水文站1959—2016年實測徑流數(shù)據(jù)分析，多年平均情況下的年入湖水量3.58億m3。
兆河流域內(nèi)11條河流中，Ⅲ類水質(zhì)河段占比56.2%，Ⅳ類水質(zhì)及以下河段占比42.8%，其中盛橋河、裴河、黃泥河、縣河的污染較為嚴(yán)重，污染源主要包括城鎮(zhèn)生活污染、農(nóng)業(yè)面源污染、廢棄礦山污染及工業(yè)企業(yè)污染;流域內(nèi)11條河流生態(tài)基流缺水量1058.32萬m3，枯水期河道生態(tài)基流嚴(yán)重不足;河道生態(tài)系統(tǒng)薄弱，水生生物種類、數(shù)量明顯下降，流域內(nèi)水生植物蔓延河岸形式單一，導(dǎo)致河道自凈能力差，富營養(yǎng)化加劇。
研究方法
1 流域綜合治理技術(shù)體系
兆河流域采用“水安全、水環(huán)境、水資源、水生態(tài)、水管理”五位一體的綜合治理技術(shù)框架(圖2)，以水環(huán)境改善為核心，以水資源保障、水生態(tài)修復(fù)為重點，因地制宜地提出生態(tài)清潔小流域建設(shè)的具體方案，具體實施方案包括3項措施：
1)基于污染物總量控制分析的流域水環(huán)境改善措施，在污染源調(diào)研的基礎(chǔ)上確定總量控制目標(biāo)，通過計算污染削減量及污染削減分配量，建立污染總量控制方案，因地制宜地細(xì)化整治任務(wù)和水環(huán)境改善措施;
2)基于生態(tài)基流的流域水資源保障措施，依據(jù)河道生態(tài)基流量確定枯水期補水量，制定流域蓄水方案，優(yōu)化流域內(nèi)水資源調(diào)配;
3)基于河流生態(tài)系統(tǒng)完整性與多樣性的水生態(tài)修復(fù)措施，通過采取生態(tài)保護(hù)和修復(fù)措施，改造水體和河道兩岸，構(gòu)建良好的水生生物生存環(huán)境。
圖2 流域綜合治理技術(shù)體系
2 污染物總量控制
1)污染入河負(fù)荷計算方法。
根據(jù)《第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》等規(guī)范和相關(guān)手冊，采用入河系數(shù)法統(tǒng)計估算多源污染入河負(fù)荷。
2)水環(huán)境容量計算方法。
根據(jù)兆河流域特性，采用《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》推薦的一維模型計算水環(huán)境容量。
3)污染負(fù)荷削減分配方法。
污染貢獻(xiàn)分析法：在環(huán)境允許排放量約束下，采用優(yōu)化方法求解各污染類型的最佳許可排放量，使得控制斷面的水質(zhì)改善幅度最大。
經(jīng)濟(jì)優(yōu)化分配法：運用運籌學(xué)理論協(xié)調(diào)各污染類型之間的關(guān)系，發(fā)揮各工程措施的技術(shù)性能與經(jīng)濟(jì)效能，在水體水質(zhì)達(dá)標(biāo)要求的約束下，使控制單元的總投資最低。經(jīng)濟(jì)優(yōu)化分配法的核心是求解費用函數(shù)最優(yōu)化問題。
綜合考慮現(xiàn)狀排污格局、污染源可控性和經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性等因素，采用污染貢獻(xiàn)率分析法和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化分配法，計算各小流域各污染類型的污染負(fù)荷削減量。
三 流域污染物總量控制分析
水環(huán)境容量和污染負(fù)荷削減量的估算是總量控制的基礎(chǔ)，而水質(zhì)目標(biāo)和估算模型的確定是水環(huán)境容量和污染削減量估算的關(guān)鍵。兆河流域水環(huán)境功能區(qū)要求2020年(規(guī)劃年)為Ⅲ類水質(zhì)，根據(jù)污染源調(diào)查及水質(zhì)數(shù)據(jù)，計算兆河各小流域污染負(fù)荷及水環(huán)境容量，估算各小流域污染削減量，合理分配各污染類型削減量。
污染源解析
以2017年為基準(zhǔn)年，對兆河流域內(nèi)11個子流域的污染來源、類型、時空變化特征等分區(qū)進(jìn)行識別與統(tǒng)計，其中點源污染包括工礦企業(yè)、城鎮(zhèn)生活、垃圾填埋場、污水處理廠4種，面源污染包括礦山、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)田面源和城鎮(zhèn)面源6種。采用入河系數(shù)法計算11個子流域的10種污染產(chǎn)生的COD、NH3-N、TP和TN的現(xiàn)狀年入河負(fù)荷;此外，不考慮污染治理措施前提下，綜合考慮廬江總體規(guī)劃及人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、污染排放、水資源利用等方面的規(guī)劃分析，確定未來規(guī)劃年(2020年)的污染物入河負(fù)荷(圖3)。
圖3 兆河流域各污染入河負(fù)荷
由圖3可知，兆河流域主要污染源貢獻(xiàn)順序為城鎮(zhèn)生活污水>農(nóng)田面源>畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)村生活污水，其總和約占總污染負(fù)荷的85%。從空間分布來看，小流域污染負(fù)荷貢獻(xiàn)順序為縣河小流域>環(huán)圩河小流域>黃泥河小流域>盛橋河小流域，總占比約74%。
河道水環(huán)境容量確定
兆河屬于豐、平、枯水期特征明顯的河流，因而選取保證率為75%的年逐月平均流量作為枯水期設(shè)計流量進(jìn)行水環(huán)境容量的計算，匯總得到全年的各小流域的水環(huán)境容量如圖4所示。經(jīng)計算，兆河流域75%保證率下的水環(huán)境容量：COD為5438.61 t/a，NH3-N為370.42 t/a，TP 為70.76 t/a，TN為367.50 t/a，以此作為后續(xù)污染削減負(fù)荷分配的基準(zhǔn)限值。
圖4 各子流域水環(huán)境容量計算結(jié)果
規(guī)劃年流域污染負(fù)荷入河量與75%保證率下水環(huán)境容量的差值，即為流域削減目標(biāo)。COD、NH3-N、TP和TN污染負(fù)荷目標(biāo)削減量為2782.42，340.43，21.24，849.07 t/a，說明兆河流域污染負(fù)荷超標(biāo)。此外，與規(guī)劃年污染入河負(fù)荷量對比分析發(fā)現(xiàn)，縣河小流域、環(huán)圩河小流域、黃泥河小流域和盛橋河小流域的水環(huán)境容量顯著低于入河負(fù)荷量，污染負(fù)荷超標(biāo)嚴(yán)重。
污染削減分配分析
圖5為各小流域各污染類型的污染負(fù)荷削減量分配結(jié)果?？芍翰煌廴疚锵鳒p量及需要削減的河道分布具有差異性。COD需要削減的流域為盛橋河、裴河、黃泥河、失曹河、黃屯河和縣河小流域，NH3-N和TN需削減流域為盛橋河、環(huán)圩河、裴河、黃泥河、失曹河、黃屯河、縣河和西河上游小流域，而TP僅需削減盛橋河、裴河、失曹河和縣河小流域;縣河為污染削減重點控制流域;城鎮(zhèn)生活源為重點需要削減的污染物類型。綜上，縣河小流域、環(huán)圩河小流域、黃泥河小流域、盛橋河小流域為重點治理小流域。
圖5 各污染類型污染負(fù)荷削減量分配結(jié)果
四 流域治理與可行性分析
水環(huán)境改善措施
1 控源截污
控源截污是削減污染存量最直接有效的方法，根據(jù)兆河流域污染特征、污染源解析及污染削減分配結(jié)果，主要從點源和面源兩方面治理流域水環(huán)境問題。
1)點源控制。
兆河流域鎮(zhèn)區(qū)管網(wǎng)優(yōu)化及污水處理廠的新建、改造涉及六鎮(zhèn)一區(qū)，實施總面積44.75 km2，其中六鎮(zhèn)一區(qū)新建污水管網(wǎng)268.1 km，恢復(fù)雨水管網(wǎng)13.7 km，修復(fù)市政管網(wǎng)208 km，改造管網(wǎng)錯接漏接107 km，六鎮(zhèn)一區(qū)新建及改造污水處理廠28950 m3/d。農(nóng)村生活污水治理內(nèi)容主要包括7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)近70個村莊的污水管網(wǎng)和污水處理設(shè)施的新建和改造，完善污水排水系統(tǒng)，涉及處理設(shè)施總規(guī)模4452 m3/d，管網(wǎng)總規(guī)模568.8 km。其中，集中處理規(guī)模：污水處理站4150 m3/d，管網(wǎng)528.61 km;分散處理規(guī)模：化糞池+濕地302 m3/d，管網(wǎng)40.23 km。
2)面源控制。
兆河流域以農(nóng)田面源污染為主，依據(jù)兆河流域農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀，提出從源頭減量入手，加強對污染物的管理。推廣測土配方技術(shù)，降低肥料施用量，科學(xué)施肥，提高氮磷養(yǎng)分利用率;推行農(nóng)藥減量增效使用技術(shù)，減少農(nóng)藥在土壤中的殘留或遷移，推進(jìn)病蟲草害專業(yè)化防治;推廣秸稈養(yǎng)殖與能源循環(huán)技術(shù)，建立沼氣池。在面源污染較嚴(yán)重的區(qū)域(如盛橋聯(lián)圩、楊柳圩、東西大圩)，在采取源頭控制等相關(guān)技術(shù)、政策措施的基礎(chǔ)上，采用過程阻斷與末端強化等技術(shù)措施，建立生態(tài)溝渠塘系統(tǒng)有效攔截和凈化農(nóng)田退水中的氮磷等污染物;也可采用在圩區(qū)配置去磷型植生滯留槽，通過物理性、化學(xué)性、生物性機(jī)制過濾去除水中污染物。
2 采礦廢水控制技術(shù)
兆河流域礦山采礦區(qū)與排土場酸化形成礦山酸性廢水(AMD)，AMD的排放導(dǎo)致了周邊地區(qū)與河流的酸性及重金屬污染問題。源頭控制主要采用清污分流、原位基質(zhì)改良+直接植被技術(shù)、微生物礦化防滲技術(shù)等技術(shù)對AMD進(jìn)行生態(tài)控制，實現(xiàn)長期有效控制AMD的產(chǎn)生。在源頭治理的基礎(chǔ)上，采用微生物強化的生態(tài)滲濾床和人工濕地技術(shù)等被動處理技術(shù)進(jìn)行末端處理。
水資源保障措施
1 水源涵養(yǎng)林建設(shè)
采用新建水源涵養(yǎng)林工程從上游改善河流水質(zhì)，可達(dá)到涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化水質(zhì)，恢復(fù)和改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的效果。兆河流域水源涵養(yǎng)林共涉及盛橋河、裴河、瓦洋河3個小流域，主要為小流域源頭山區(qū)丘陵林地，分別在沈老村、破塘堰水庫、東明村、石峽村、劉墩社區(qū)共建設(shè)5處水源涵養(yǎng)林，總規(guī)模4.71 km2。建設(shè)方式包括：分喬、果、農(nóng)作物結(jié)合模式，果、草立體模式，農(nóng)作物帶狀間作模式。
2 活水蓄水工程
活水蓄水工程是保障水資源的重要措施，根據(jù)兆河自然特征，采用坑塘蓄水、河槽蓄水和生態(tài)濕地蓄水3種措施實現(xiàn)水資源保障。
1)坑塘蓄水。
對盛橋河、順港河、環(huán)圩河等11個小流域內(nèi)65座面積5萬m2以上的坑塘進(jìn)行清淤，增加調(diào)蓄庫容，攔蓄雨洪水，實現(xiàn)向河道補給生態(tài)水的同時向農(nóng)業(yè)供水。各坑塘水深平均3 m，可形成水面面積664.91萬m2，可蓄水量共1994.58萬m3，可調(diào)庫容共997.37萬m3。
2)河槽蓄水。
根據(jù)各小流域地形狀況、生態(tài)需水量等，在盛橋河、順港河、環(huán)圩河、裴河、黃泥河等11個小流域共建閘壩10座，蓄水庫容約149.53萬m3。
3)生態(tài)濕地蓄水。
兆河流域調(diào)蓄型濕地以水資源調(diào)蓄為主，共建設(shè)5處，涉及盛橋河、西河、環(huán)圩河、裴河、黃泥河5個小流域，總占地面積1 km2，平均水深3 m，可調(diào)蓄水深1.5～2.5 m，可調(diào)蓄水量約225萬m3。
1 生態(tài)綠廊
生態(tài)綠廊工程-生態(tài)緩沖帶建設(shè)涉及7個小流域，在河道堤防背水側(cè)建設(shè)10～45 m的生態(tài)綠廊，建設(shè)總長44.2 km。選用地帶性植被、鄉(xiāng)土植物作為基調(diào)，模擬自然植物群落，突出植被的地域特色。
2 生態(tài)河道
在盛橋河、裴河、黃泥河、失曹河、黃屯河、縣河6條河流的非行洪河道、濕地進(jìn)水區(qū)、濕地區(qū)、坑塘區(qū)等流速緩慢的水體中，引入選擇性激活植物根系促生菌技術(shù)、強化耦合生物膜技術(shù)進(jìn)行原位生態(tài)修復(fù);在入河口建立水生植物凈化系統(tǒng)和水生生物群落，實現(xiàn)水生生物的多樣性及群落穩(wěn)定性，提高水體的自凈能力。
3 生態(tài)濕地
在5個小流域共建設(shè)生態(tài)凈化濕地5處，總占地面積0.87 km2，平均水深2 m，可蓄水量約113萬m3。主要功能為凈化污水處理廠尾水、農(nóng)業(yè)面源污染及鎮(zhèn)區(qū)生活污水，通過濕地多層級的水生植物凈化后由出口補入河道。
工程實施效果評價
對各工程措施的治理修復(fù)效果進(jìn)行評估，預(yù)期工程實施后，兆河流域污染負(fù)荷實際削減量：COD為5466.45 t/a、NH3-N為510.03 t/a、TP為55.85 t/a、TN為701.59 t/a，可實現(xiàn)75%保證率下的污染負(fù)荷目標(biāo)削減量;水資源保障措施實施后水環(huán)境容量增加量：COD為108.09 t/a、NH3-N 為11.16 t/a、TP為2.26 t/a、TN為4.54 t/a。各小流域工程措施實施后污染負(fù)荷目標(biāo)削減量及實際削減量對比、擴(kuò)容后水環(huán)境容量增加量對比如圖6所示。可以發(fā)現(xiàn)，實際削減量均高于目標(biāo)削減量，且通過工程措施后各個小流域的容量均增加，說明兆河流域采用的治理技術(shù)體系是可行的，可達(dá)到工程實施后的目標(biāo)。
圖6 污染負(fù)荷削減量及擴(kuò)容后水環(huán)境容量對比
五 結(jié) 論
1)基于污染物總量控制分析及保證河道生態(tài)基流量、恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)多樣性的目標(biāo)，建立水環(huán)境綜合治理技術(shù)體系，從水環(huán)境、水資源、水生態(tài)角度出發(fā)制定了流域綜合治理方案。
2)污染源解析和水環(huán)境容量計算結(jié)果表明：兆河流域主要污染源為城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)田面源;COD、NH3-N、TP和TN污染負(fù)荷目標(biāo)削減量分別為2782.42，340.43，21.24，849.07 t/a;縣河流域污染削減分配量顯著高于其他流域，且城鎮(zhèn)生活源和污水處理廠為主要控制污染源。
3)采用五位一體的綜合治理技術(shù)體系，預(yù)期能實現(xiàn)兆河流域COD、NH3-N、TP和TN污染負(fù)荷削減5466.45，510.03，55.85，701.59 t/a，水環(huán)境容量增加108.09，11.16，2.26，4.54 t/a，說明該治理技術(shù)體系是可行的，可推廣應(yīng)用于水環(huán)境綜合治理。
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