濱湖城市河網區面源污染水質響應與調控 節選

第1章緒論 1.1 城市面源污染研究的背景與意義 1.1.1 流域水生態環境問題解決的緊切要求 長江中下游平原是我國工業與城鎮密集、經濟發達的平原水網地區。但隨著城鎮化進程的持續加快，疊加全球氣候變化作用，特別是我國五大淡水湖鄱陽湖、洞庭湖、太湖、洪澤湖、巢湖流域面臨著水資源短缺和水環境惡化的雙重壓力，給流域水資源利用帶來了困難。例如，《太湖健康狀況報告（2018）》顯示，2018年太湖流域人均水資源量低于全國平均水平，378個水功能區中有222個達標，達標率為58.7%，其中一級水功能區達標率僅為50.0%。雖然太湖流域河湖水功能區達標率呈逐年上升趨勢，但短期內流域河網等水功能區水環境治理形勢依然十分緊迫。《江蘇省“十三五”太湖流域水環境綜合治理行動方案》明確指出，到2020年，太湖流域重點考核斷面以及河網水功能區水質達標率分別達到80%，流域5個設區市地表水喪失使用功能（劣于Ⅴ類）的水體、建成區黑臭水體基本消除。 長江經濟帶城市化水平高，面源污染強度大，污染物以營養物質、COD和懸浮物為主，對城市內部河網及外部流域性河湖生態環境質量帶來較大沖擊。據推算，長江經濟帶城市面源污染年排放量為TN17.1萬t、TP1.4萬t、NH3-N7.32萬t、COD21.7萬t。對于長江及其主要支流雅礱江、大渡河、岷江、嘉陵江、涪江、烏江、渠江、金沙江和我國五大淡水湖流域，城市面源污染通過城市內部河網等通道逐步匯入，成為大江、大河、大湖等重要水體的主要污染來源之一，對長江、五大淡水湖等流域性、區域性江河湖泊的水生態環境造成巨大壓力。因此，在流域水環境亟待精準治理的背景下，開展精準高效的面源污染物控制減排工作是滿足國家與地方“十四五”水生態保護與生態文明建設的迫切需求。 1.1.2 城市水環境綜合整治提升工作的迫切需求 目前，我國正處在城市化快速發展的階段，常住城鎮人口從1978年占總人口的17.92%上升到2020年的63.89%，全國城鎮人口年均提高1.1個百分點，為我國經濟發展注入了巨大的活力。但是，社會經濟快速發展，新城區面積迅速擴展，而治污設施建設滯后，同時舊城區仍存在臟亂現象，造成城市各類污染加劇。 大量污染物因暴雨隨著地表徑流排入水體，使城市河網水質惡化，水體的生態功能嚴重受損。因此，江蘇省“263”行動計劃明確提出，牽頭推進太湖流域所轄縣（市）建成區黑臭水體整治工作，2020年設區市建成區基本消除黑臭水體，提升環境質量。2016年，太湖流域無錫、蘇州等水生態文明試點城市水體黑臭較為嚴重，僅無錫市就有161條被列入重點整治的黑臭河道。濱湖城市水系連通阻隔、斷頭支浜眾多等不利因素對短期內河網黑臭治理提出了更高要求，治理工作刻不容緩。 隨著多年工業廢水等治污力度的不斷加大，點源污染得到有效治理，而由面源污染引起的河網水環境承載力超載問題日益成為制約城市河網水質進一步提升的瓶頸。城市內部人類活動強度大，不透水面比例高，降水徑流急促，初期雨水污染物濃度高，攜帶大量污染負荷進入河流，造成城市河網水質超標、水生態惡化，水生態環境承載力超載問題依然嚴峻。據估算，上海、武漢、蘇州、無錫等城市面源污染占城市水體總污染負荷的40%～60%。2018年，以無錫市為例，受城市面源污染影響，蠡湖周邊河道枯水期點位監測結果顯示，整體呈污染水平，其中罵蠡港、東新河、蘆村河、曹王涇污染*為嚴重，幾乎全部達劣Ⅴ類水平；TP呈局部地區超標，Ⅳ、Ⅴ類水標準的點位占38.7%，劣Ⅴ類水標準的點位占9.7%；以現狀濃度降低20%為水質目標，區域整體水生態環境承載力超載嚴重，TN、TP、CODMn和NH3-N需分別削減60%、56%、77%和51%。 城市面源污染主要以降雨引起的雨水徑流的形式產生，徑流中的污染物主要來自雨水對河流周邊道路表面沉積物、垃圾等的沖刷，具有污染來源的多樣化、時空分布的分散性和不均勻性、污染途徑的隨機性和多樣性、污染成分的復雜性和多變性等特征，其控制減排工作開展難度很大。因此，研究雨洪復雜條件下的濱湖城市面源污染問題，制定面源污染調控技術，以科學有效的手段調控和削減濱湖城市雨水徑流所帶來的面源污染成為國家和地方經濟、社會與環境協調發展亟待解決的問題。 1.1.3 城市河網區面源截污技術突破的迫切性 國外針對雨洪污染負荷的研究起源于20世紀30年代，主要模式或措施有美國的*佳管理實踐（best management practice，BMP）、英國的可持續城市排水系統（sustainable urban drainage systems，SUDS）、新西蘭的低影響開發（low impact development，LID）、德國的集中式/分散式（central/decentral）等。我國針對復雜雨洪條件下的面源污染研究起步于20世紀80年代，主要集中于北京、廣州、西安、武漢、珠海等大中城市，研究內容主要側重于城區面源污染的宏觀特征調查和基于國外模型的污染負荷研究。雨水系統的設計仍處于強調“快排快泄”階段，很少考慮濱湖城市雨洪引起的面源污染問題。如何在快速城鎮化進程中避免復雜雨洪條件下的面源污染問題，是應對社會生態文明建設的新挑戰。 城市面源污染具有面廣、量大、多變、時空分布不均衡、成分復雜、無明顯排污口和責任人不清等問題，尤其在濱湖城市河網區，水網密集、支浜眾多，且存在大量的堰、水閘、泵站等控制工程，天然水系受到人為阻隔，因而控制過程極其復雜，目前尚無統一的管理調控措施。在近年的研究中，人們已經注意到暴雨徑流中多種污染物對城市水體的多重脅迫影響、潛在安全風險和復合污染效應，但在復雜雨洪條件下，如何經濟、實用、可行地進行濱湖城市河網區的面源污染源解析、定量識別污染源通量、實施面源污染削減分配，*終實現面向整個河網水系的水環境改善鮮有研究涉及。 因此，本書選擇位于經濟發達區域的無錫市濱湖區，研究復雜雨洪條件下的濱湖城市面源污染問題，在定量識別污染物來源與負荷估算的基礎上，科學合理地界定水環境承載力，分配區域面源污染削減量，從源頭上控制城市河網的入河面源污染，可為濱湖城市的河網水環境治理提供一套可供參考的技術體系。這對于在快速城鎮化進程中減輕和避免面源污染負荷的不利影響具有重要理論與實踐意義，是響應城市水生態文明建設迫切需求和保障太湖流域濱湖河網水質提升的關鍵舉措。 1.2 城市面源污染特征與問題 1.2.1 城市面源污染產生載體多且密集 長江經濟帶面積約205萬km2，占全國國土面積的21%，人口和GDP占全國的40%以上。區域城市化水平高，城市規模大，2016年該區域包含地級及以上城市、縣級城市246個，占全國657個城市的37.44%，其中200萬人口以上的地級市占全國的43.55%。包含我國七大城市群中的三個，即成渝城市群、長江中游城市群和長三角城市群（2018年11月18日《中共中央國務院關于建立更加有效的區域協調發展新機制的意見》）。長江經濟帶城市市轄區建成區面積約占全國的38%。 1.2.2 城市面源污染年產生量巨大 長江經濟帶城市化水平高，面源污染強度大，污染物以營養物質、COD和懸浮物為主。據推算，長江經濟帶以1.41%的建設用地產生了水體總污染負荷中5.50%的TN、4.75%的TP、11.11%的NH3-N和44.38%的COD。 1.2.3 城市面源污染空間差異顯著 城市面源污染表現為以三大城市群為中心，強度由內向外逐漸降低的圈層特點，隨城市等級由特大到大、中、小依次遞減的特點，城市之間表現為特大城市污染程度高于中等城市，如特大城市路面徑流懸浮物、COD、TN濃度是中等城市的1.4～1.6倍。城市內部則表現為不同功能類型區的污染強度存在差異，如無錫市雨水徑流中TN表現為交通區>商業區>工業區>居民區。 1.2.4 城市面源污染階段性沖刷效應顯著，季節差異明顯 地表徑流面源污染物在降水時間上呈現“初期-中期-后期”階段性差異，初期徑流污染物的濃度高于后期徑流，初期沖刷效應明顯。初期為沖刷攜帶階段，濃度驟增至*高；中期為污染物徑流階段，濃度驟減；后期為降雨徑流階段，濃度平穩。初期雨水徑流污染負荷高，攜帶大量地表累積污染物進入排水系統，輸出了整個降雨事件50%～80%的污染負荷。季節上，長江經濟帶受季風氣候影響，夏季降水多，強度大，TN、TP污染負荷占全年的50%左右。 1.3 城市面源污染研究內容 本書主要聚焦于識別濱湖城市面源污染來源，建立雨洪徑流與面源污染耦合模型，提出多目標多約束的水環境調控方案，提出有針對性的濱湖城市面源污染控制技術和方案。 1.3.1 城市河網區面源污染源解析及水質響應定量識別 構建雨洪復雜條件下城市河網區面源污染源的產生與入河模型，在降雨全過程的雨量、TN、TP、同位素等指標監測基礎上，開展城市面源污染類型識別及污染物產生量、入河量、貢獻率解析，核算污染總量與通量；識別面源污染物的時空分布規律和主要風險區域，建立雨洪復雜條件下濱湖城市河網水質對面源污染的響應關系。 1.3.2 城市河網水環境承載力評價與面源污染削減目標分配 構建雨洪復雜條件下濱湖城市河網水環境承載力評價模型，核算濱湖城市河網區主要污染物承載能力；構建河網及入河面源污染物削減量核算方法，確定面源入河污染物總量控制目標；在面源污染源解析與排放量分布規律識別的基礎上，提出河網區面源污染負荷削減目標的空間分配方案，確定不同下墊面的面源污染負荷削減量、削減類型。 1.3.3 面向河網水質改善的城市面源污染調控方案 開展不同下墊面性狀對雨洪條件下面源污染物阻隔效果分析，制定主要下墊面面源污染、地表漫流與入河雨污管網污染物的調控方案；分析雨洪情景下斷頭浜面源污染對河網水質的沖擊作用，提出斷頭浜面源污染調控技術。 1.4 研究技術框架 針對近年來城市工業、生活廢水點源污染逐步得到有效治理，而面源污染引起的河網水環境承載力超載日益成為制約城市河網水質進一步提升的瓶頸的問題，通過構建雨洪復雜條件下城市河網區徑流面源污染模型，解析面源污染來源與負荷量及面源風險區域識別，并根據不同來源區硝酸鹽中氮氧穩定同位素值的不同，定量溯源水體氮。將面源污染模型與同位素源解析相結合研究河網水質對面源污染負荷的響應關系；基于合理的水質目標準確核算在不影響水體功能條件下的城市河網水環境承載力，并以此為約束條件，明確河網環境可受納的*大污染排放量和削減量。根據一定分配原則，采用基于基尼系數的多目標優化方法進行河網區面源污染負荷削減目標的空間分配，確定不同下墊面的面源污染負荷削減量和削減區域；在上述基礎上，根據“源頭削減—過程削減—末端治理”的思路，提出雨洪復雜條件下濱湖城市河網區面源污染原位控制、入河雨污管網污染物及斷頭浜面源污染一體化調控方案（圖 1-1）。 圖 1-1 濱湖城市河網區面源污染水質響應與調控研究技術框架