深圳市跨界河流水污染治理规划研究

深圳市跨界河流水污染治理规划研究

30年来，深圳快速发展，社会经济取得了优异的成绩。同时，也存在严重的环境问题，尤其是严重的水污染。近年来，所有河流的水质低于gb3838-2002的“水环境质量标准”。尽管市委市政府一直对水环境治理问题非常重视,投入巨资治水,组织开展了大量的规划研究工作,大规模修建了二级污水处理厂和其他污水处理工程,取得了积极成效,但因种种原因,部分河流水污染治理效果依然不明显,河流黑臭问题仍未根除,近期(2010年)治理目标难以达到。因此,水环境治理仍将是深圳市“十二五”环境保护工作的重中之重。为确保实现深圳市水环境治理目标,特别是省政府为保护东江饮用水源要求的跨界河流交接断面水质目标,同时实现河流雨洪利用,缓解“水资源难以为继”问题,必须对河流水污染治理与雨洪利用问题作进一步研究,综合采取多种措施,不断提高治污能力与水平。随着我国改革开放的不断深入,内地社会经济亦呈现出快速发展的趋势,水资源及水环境问题也日益突出。作为我国改革开放的先锋城市,深圳市河流水污染治理与雨洪利用问题的研究具有普遍意义。1排水、用污水含水量深圳市是我国改革开放后短短30年从一个边陲小镇迅速发展而成的国际化大都市,总人口已超过1000万人,社会经济高速发展,为我国首个人均GDP超1万美元的城市。深圳市虽处在我国水资源丰富的珠江三角洲地区,且降水丰沛(多年年平均降水约1837mm),但受地形条件限制,境内无较大河流,只有小河小溪,水资源主要依靠境外东江引入。由于市区面积狭小(1952.84km2),地表径流量严重不足,而从东江引入的水量有限,导致深圳市成为我国水资源最匮乏的城市之一,人均水资源拥有量仅344.4m3,为全国平均值的1/7,珠江三角洲地区的1/12.4,在极度缺水标准线之下。深圳市人口密度超过5000人/km2,远高于广东省和全国平均水平,因而城市化进程快速发展,不透水面积急剧增加,加之气候特征分为明显的枯季(11—3月)与雨季(4—10月),枯季时河流天然流量近乎枯竭。深圳市有小河、小溪160余条,集水面积与径流量都很小,流域面积大于100km2的有深圳河、茅洲河、龙岗河、坪山河和观澜河5条,其中后3条为跨界河流(称为“三河”,下同),属东江水系,其余河流分属海湾和珠江口水系,直接入海,多年平均径流总量1.827×109m3,97%保证率年只有7.67×108m3。全市建有大小水库174座,总库容5.79×108m3,总集水面积569.1km2,占全市总面积的29.1%,其中18座较大的水库与东江引水系统相连,形成江库联调型供水水源,集水面积279km2,总库容3.3722×108m3,调节库容2.338×108m3,多年平均径流量2.5264×108m3,97%保证率年只有1.3006×108m3。一般年份,深圳市70%以上供水靠东江引水,自产水量不到30%。例如,2007年属中水偏枯年,降雨量1635.41mm,地表径流量1.755×109m3,总供水量1.80085×109m3,从东江引水1.326×109m3,占73.63%,自产水量只有4.7485×108m3,占26.37%,其中地下水3.77×107m3,污水回用4.949×107m3,地表径流量利用率只有22%。根据《深圳市城市供水规划》(2006—2020)中的节水方案,远期2020年总供水量2.612×109m3。按97%保证率年,确保水量有东江引水1.593×109m3,市内蓄水1.97×108m3,地下水6.5×107m3,海水淡化6.7×107m3,尚缺水6.9×108m3,需通过污水资源化和雨洪利用解决。因此,规划雨洪利用3.31×108m3,其中用于饮用水2.45×108m3(包括恢复原河道提水工程6.3×107m3),用于城市杂用水8.6×107m3,污水资源化5.28×108m3(包括建筑中水利用2.0×107m3),才能达到水资源供需平衡。显然,实现雨洪利用和污水资源化规划目标是保证深圳市远期水资源供需平衡,缓解“水资源难以为继”的前提。污水资源化达到规划要求的水量和水质(Ⅴ类或优于Ⅴ类)在技术上没有太大难度,雨洪利用虽然可利用的多年平均量可满足要求,但需要达到饮用水源水质(优于Ⅲ类)和足够大的调蓄库容作多年调节,则难度很大,是关键性问题。截至2006年,深圳市已建成集中污水处理厂处理能力7.869×108t/a,加上人工湿地等其他污水处理工程,污水处理能力达1.053×109t/a,与当年废污水总排放量基本相当。规划到2010年建成集中污水处理厂总规模1.540×109t/a,全部达到城镇污水处理厂一级A标准,同时加速污水管网建设,实施雨污分流和沿河截污,要求城市污水处理率平均达到80%(特区内90%以上,特区外75%以上)。规划到2020年,污水处理厂总规模将达到2.697×109t/a,约为预测废污水总排放量的2倍,超出的能力用来处理初雨水和面源污染。上述工程措施对深圳市水污染治理无疑发挥了重要作用,现已基本遏制了水环境继续恶化的趋势,河流水质状况总体上已有所好转。但由于人口与污染负荷量不断增长,污水管网建设严重滞后,旧城区的雨污分流制改造非常困难,至今污水收集率特区内约50%～60%,特区外仅20%～30%,建成的污水处理厂难以发挥作用,加之因缺水而未安排环境用水,导致河流水污染依然严重,尤其在枯季,河流沦为污水沟,必然发生黑臭。显然,河流水污染治理效果不明显的主要原因:一是污水收集率太低;二是枯季未能补水增容。以上分析表明,深圳市水资源问题的解决与水污染治理密切相关,以河流水质达标后实现雨洪利用为前提,而水污染治理达标又取决于能否提高污水收集率,并实现河流枯季补水增容。2污染负荷产生量深圳市产业结构较为合理,主要为机械、电气、电子等设备制造业和第三产业,无大型产污企业,污染负荷主要为生活污水。据统计,2007年全市生活污水产生量7.11×108t,工业生产废水排放量9.204×107t,工业生产废水只占废污水总量的11.5%。根据对深圳市“三河”流域所作的详细调查统计资料,工业用水量虽然占流域总用水量平均为48.6%,但由于企业的员工生活用水和工业生产用水是共管供应的,工业生产用水只占工业用水的22.8%,占流域总用水量的11.1%(表1)。因而,工业生产废水量平均只占流域总废污水排放量的9.8%,工业生产污染负荷产生量平均占流域总负荷量:CODCr为19.6%,NH3-N为4.7%,TP为7.0%(表2)。如果考虑工业生产废水经处理后达标排放,则所占比例分别只有:CODCr,3.3%;NH3-N,1.3%;TP,2.0%。上述2种不同来源的数据基本是一致的,说明深圳市污染负荷产生的特点是主要来自生活污水,工业生产废水排放量相对很小,仅约占10%,其达标后的排放量平均不到5%。由于造成深圳市水污染的原因主要是生活污水排放,因此污染负荷量的预测主要取决于城市人口的预测。深圳是一个移民和旅游城市,人口流动性很大,一直没有权威的人口统计数据。按已办居住证和现有户籍人口统计,全市总人口已突破1200万人,但办了居住证的不一定常住深圳。相对而言,采用常住人口统计数据比较合理,以往的规划研究大都以常住人口数为依据。《深圳市城市总体规划》中考虑深圳市社会经济发展与人口增长,同时考虑环境制约,预测2020年的常住人口为1100万人。虽然深圳市人均水资源拥有量非常低,但各项人均用水指标并不低,均大幅度高出全国平均值,与国外平均值接近。例如,深圳市多年平均人均日用水量约555L(不包括环境用水),人均生活日用水量约210L,人均综合生活日用水量约244L。因此,按节约用水要求,深圳市人均用水指标不能再增加,同时,按产业结构调整和节能减排要求,工业生产污染负荷量应基本保持现状。根据以上条件,预测了2020年深圳全市及“三河”流域的污染负荷量(表3),表3同时列出了2007年的统计值以作分析对比。3“三农”环境补水治理模式探讨深圳市水污染治理已确定的战略主要有:按流域(或区域)集中处理污水,修建超规模二级污水处理厂(处理能力约为污水产生量的2倍),加速污水管网建设,实行雨污分流及沿河截污,辅以人工湿地等其他工程措施,实施污水资源化和部分污水经深度处理为再生水后补流河道等。这些工程措施无疑会在水污染治理中发挥重要作用,是治理战略的核心内容。但通过多年的治理实践与经验总结,特别是对治理效果至今不明显的原因分析,有必要从战略上对达标方案进行补充和完善。深圳市水污染源主要是生活污水,对工业污染源可以通过产业结构调整、采用清洁生产工艺等措施大幅度削减污染负荷,但对于生活污染源,由于污染物产生的人均当量基本一定,如果人口数量一定,污染负荷量就难以减少。因此,对生活污染源的治理主要依靠加大污水处理力度,同时还需增加河流的水环境容量。国内外经验证明,未完全实施雨污分流的建成区,污染源不可能100%截排,污水收集率95%已基本达到极限,达到90%也要通过艰苦努力,因此,单纯依靠污水处理难以治理深圳市河流枯季水污染问题。模型计算结果表明,由于河流枯季天然流量太小,即使只有5%的污染负荷排入,河流水质就不能达标。由此可见,要解决河流枯季污染问题必须实施环境补水,增加水环境容量。要提高河流水环境容量,环境补水的水质必须优于水质目标值。由于污水深度处理后出水水质可达到优于Ⅴ类,但难以优于Ⅲ类,故“三河”环境补水只能是优于Ⅲ类的水源水,其他河流的环境补水可以采用深度处理后的再生水,也可以在有条件的河段利用珠江口低盐度海水。各河流所需环境补水量必须通过详细的模型计算和分析研究来确定。深圳市降雨丰沛,河流在总体上仍具有一定的径流量和环境容量,具有雨洪利用和径流调节的可能条件,关键是需要解决调蓄问题。根据深圳市地形地貌特征,有可能修建较大水库,虽然对拦截地表径流作用不大,但可用作雨洪调蓄。例如,拟扩建的清林径水库集水面积只有28.2km2,多年平均径流量约2.679×107m3,但正常库容规划达1.7×108m3,而且根据库容条件,总库容有可能进一步提高到(4～6)×108m3。如果深圳市再增加(4～6)×108m3调蓄库容用作雨洪利用,不但可以解决河流的枯季补水,确保远期水资源供需平衡和水质达标,提升水环境承载力,缓解“水资源和水环境难以为继”问题,而且还是应对可能发生极端干旱灾害的最有力的供水保障措施。4城市河流水环境污染治理模型的验证计算河流水污染治理中水质模型是必不可少的工具,为了使深圳市河流水污染治理规划方案充分可靠,必须采用能对河流全流域干支流水系作整体模拟计算的水质模型。我国从美国国家环境保护局(USEPA)引进开发的河流综合水质模型QUAL-Ⅱ(简称Q2),广泛应用于河流水污染治理、水质规划、水质预测与管理工作,取得了较好的效果。该模型特别适用于可降解有机污染的中小型树枝状河流,一次可模拟计算14条干支流,14组水质组分,90个点源以及面源,可模拟计算河流为达到水质目标所需的污水处理率及应增加的环境用水量,因此,很适合应用于深圳市河流水污染治理。模型方程如下:模型验证计算是非常重要的工作,笔者对深圳市“三河”作了详细的验证计算。将模拟计算值与常规水质监测值和现场调查监测值对照分析,平均误差(绝对值)为:龙岗河22.78%,坪山河24.72%,观澜河16.68%,3条河流总平均值为21.39%;DO的平均误差为24.59%,BOD5为6.75%,NH3-N为3.42%,TP为48.22%,CODCr为10.91%;最大误差出现在龙岗河TP的计算中,达96.8%,最小误差出现在观澜河BOD5的计算中,仅为0.04%。观澜河模型验证计算结果见表4。总体来看,“三河”水质模型验证计算结果平均计算误差比较小,符合深圳市河流的实际情况,可以满足水污染治理的研究、规划、设计与管理等各方面要求。虽然总磷(TP)的计算误差偏大,但基本仍可接受,其原因是多方面的,有监测资料的精度问题,有模型计算中底栖源率和水生生物对磷吸收与释放的取值问题,有总磷的分析方法问题等,有待进一步分析研究。5水文环境功能应用Q2模型对“三河”水污染治理不同阶段与不同水文条件的规划方案作了详细计算。现以观澜河为例,阐述远期3个达标方案的模拟计算结果及分析。观澜河是东江一级支流石马河的上游,在深圳市境内流域面积202km2(不包括牛湖水等支流),干流长24.7km,流域水系呈树枝状,一级支流有14条。流域多年平均降雨量1825mm,最大年2409mm,最小年仅785mm,年内雨量85%集中在雨季4—9月,主要为暴雨形式,其中台风雨量占多年平均雨量的36%。流域多年平均径流深925mm,径流量1.92×108m3,90%保证率年为1.06×108m3,97%保证率年只有8.1×107m3。径流量年内变化大,枯季多年平均径流量2.5×107m3,只占全年的7.9%,雨季为1.77×108m3,占全年的92.1%。流域内建有中型水库1座、小(一)型水库16座、小(二)型水库13座,控制集雨面积50.4km2,占流域面积25.4%,总库容6.28975×107m3,正常库容5.13693×107m3。流域位于珠江三角洲冲积平原边缘的丘陵山区,河道沿山谷平原发育,比降大(干流比降0.21%),流速快,复氧能力较强,干流河床下切较深,河滩较宽阔,水生植物发达,适宜采用河道渠化与滞留塘技术,而且具有一定的河槽库容,有利于雨洪利用。水质模型计算采用最枯月(1月)平均流量作为设计枯水流量(相当于保证率为90%的连续30d最枯流量,即30Q10)。流域1月平均天然流量为0.716m3/s,考虑流域因供水基流的增量0.707m3/s后,设计枯水流量为1.423m3/s,不同水文条件的天然流量计算结果见表5。观澜河流域为饮用水源保护区,原来在干流建有大和闸引水工程,年引水约2.000×107m3至茜坑水库作为供水水源,因水质恶化工程现已废弃。要求水质目标2010年达Ⅳ类,2020年达Ⅲ类,可作为饮用水源。随着流域社会经济的发展,自20世纪90年代后水质恶化为劣Ⅴ类,饮用水功能丧失殆尽。虽经多年大力整治,但水质仍为劣Ⅴ类,因此,有调整水环境功能的要求。虽然广东省环境保护厅已发文将跨界河流的龙岗河和坪山河2020年的水质目标由Ⅲ类调整为Ⅳ类,但对观澜河尚未作出调整。观澜河流域内现有污水处理厂3座,其中1座为应急污水处理厂,规模4.0×105t/d,只抽取河水作一级处理,另外2座为二级处理厂,总规模只有1.0×105t/d。规划到2020年有3座二级污水处理厂,总规模8.2×105t/d,还有人工湿地与快渗系统7处;主要干支流实施沿河截污,待雨污分流后用于截流初雨水。经初步研究,笔者拟采用干流河道渠化和滞留塘技术。根据常规水质监测资料,观澜河基本没有重金属与酚、氰等毒性污染物超标现象,而且也无该类污染源的资料,故选择可降解的有机污染物DO,BOD5,CODCr,NH3-N,TP共5组水质组分进行模拟计算。模拟计算网络结构如图1所示。5.19枯季补水水源水计算条件为90%保证率水文年,污水收集与处理率90%,人工湿地与快渗系统全部发挥作用,污水经深度处理后不排入本河流而用于其他Ⅴ类水质目标的河流(如茅州河等)补水,或者经深度处理出水达Ⅲ类后排入河流,假设干流作5级渠化并采用滞留塘技术,河槽库容约1.200×107m3。模拟计算结果:当枯季补水(水源水)到6.389m3/s时,交接断面水质基本达到Ⅲ类,仅TP稍有超标;当汛期天然流量达到10.47m3/s(相当于汛期多年平均流量)时,交接断面水质基本接近Ⅱ类,但TP超出Ⅱ类较多(表6)。5.29枯季补水水源水至2.2年生时,衔接断面水为类,城市司法、机械质量类计算条件除污水收集率与处理率提高到95%外,其余条件均同5.1节。计算结果:当枯季补水(水源水)到2.542m3/s时,交接断面水质达到Ⅲ类,仅TP稍有超标;当汛期天然流量达到6.389m3/s(即90%保证率年汛期平均流量)时,交接断面水质基本达到Ⅱ类,但TP超出Ⅱ类较多(表7)。5.3设计水质模拟计算按现有规划,观澜河流域2020年污水处理厂规模仅8.2×105t/d,而废污水排放总量6.734×105t/d,对初雨水的处理能力太小。龙岗河规划污水处理厂规模1.10×106t/d,相对较大,故以龙岗河为例进行初雨水方案模拟计算。计算条件:废污水排放总量采用6.49×105t/d,90%污水收集率与处理率,对初雨水的处理能力约5.16×105t/d,经水文计算设计一次相当于多年平均初雨水降雨量15.22mm,历时14.9h,流量过程约86h,平均流量9.67m3/s,一次污染负荷冲洗量假设为面源的10%。对初雨水进行拦截处理与不做拦截处理2种方案的水质模拟计算结果见表8。计算结果表明,利用沿河管道拦截处理初雨水的治理效果是明显的,但由于“三河”流域规划可用来处理初雨水的污水厂规模不足(龙岗河计算的初雨水处理率约62%),初雨水期间水质超标,由Ⅲ类降至Ⅳ～Ⅴ类。5.4技术经济比较“三河”流域污水收集处理率90%与95%两种方案,如果采取干流渠化和枯季补水措施,交接断面基本能达到Ⅲ类水质目标,汛期水质一般优于Ⅲ类,接近Ⅱ类,可满足雨洪利用要求。90%污水收集率与处理率比较容易达到,技术上难度不大,但要求枯季补水量较大,90%保证率年总补水量约2.15×109m3,有一定的难度;95%污水收集率与处理率的技术难度大,但要求的补水量较小,90%保证率年总补水量约4544×104m