0 引言
我国是世界上严重缺水的国家，也面临着严重水环境问题[1]。根据《2018年中国生态环境状况公报》，地表水质量相对2017年水质明显改善，然而全国地表水1935个水质断面中，Ⅴ类及劣Ⅴ类水质占比仍高达11.4%[2]。此外，随着经济社会持续高速发展，我国流域水生态环境面临巨大压力，水环境问题呈现出流域性、系统性、复杂化、差异化等特点，局部性、碎片化的治理已难以从根本上扭转水环境恶化的整体形势[3]，采用经济、有效的流域统筹、系统治理[4]技术对我国水环境治理具有重要价值。
当前关于水环境治理已经开展了许多工作。贾玲玉[5]、张茂林[6]和王文周[7] 等基于各个流域水系的特点，提出了流域水环境综合治理的思路与策略；刘学军[8]和赵孟伟[9] 等介绍了河流修复治理技术的原理及简介；赵鑫[10]针对环渤海地区的生态环境治理措施开展研究。然而，关于系统的水环境治理思路及成熟的实践经验仍很缺乏，导致水环境治理难以达到预期效果。中国电建集团先后在茅洲河、环巢湖、雄安新区等区域进行水环境治理工程，形成了以水环境改善为核心，以水资源保障、水生态修复为重点的五位一体综合治理技术体系，为河流水环境综合治理提供了有效的治理理念与技术框架，在推动水环境治理方面具有重要的工程借鉴与推广价值。
本文以兆河流域为研究区域，借鉴中国电建集团水环境综合治理技术体系成果，通过流域污染源解析、水环境容量计算和污染削减分配，建立污染总量控制方案，进一步因地制宜地提出流域治理修复措施，并评价多措施组合对流域水环境治理修复的效果，为推动兆河生态清洁小流域建设提供可靠的治理方案，为水环境行业的发展提供治理技术参考。
1 研究区域及方法
1.1 流域概况
兆河流域位于安徽省合肥市庐江县，流域面积1034.35 km2，涉及河流主要包括兆河、西河、盛桥河、东环圩河、西环圩河、顺港河、裴河、县河、瓦洋河、失曹河、黄屯河共11条。流域水系及小流域划分如图1所示。
图1 兆河流域水系
Fig.1 Water system of Zhaohe River Basin
兆河流域现有兆河闸水文站、缺口水位站以及邻近流域的桃溪水文站，其中兆河闸水文站控制兆河入巢湖水量，根据兆河闸水文站1959—2016年实测径流数据分析，多年平均情况下的年入湖水量3.58亿m3。
1.2 主要水环境问题
兆河流域内11条河流中，Ⅲ类水质河段占比56.2%，Ⅳ类水质及以下河段占比42.8%，其中盛桥河、裴河、黄泥河、县河的污染较为严重，污染源主要包括城镇生活污染、农业面源污染、废弃矿山污染及工业企业污染；流域内11条河流生态基流缺水量1058.32万m3，枯水期河道生态基流严重不足；河道生态系统薄弱，水生生物种类、数量明显下降，流域内水生植物蔓延河岸形式单一，导致河道自净能力差，富营养化加剧。
1.3 研究方法
1.3.1 流域综合治理技术体系
兆河流域采用“水安全、水环境、水资源、水生态、水管理”五位一体的综合治理技术框架(图2)，以水环境改善为核心，以水资源保障、水生态修复为重点，因地制宜地提出生态清洁小流域建设的具体方案，具体实施方案包括3项措施： 1)基于污染物总量控制分析的流域水环境改善措施，在污染源调研的基础上确定总量控制目标，通过计算污染削减量及污染削减分配量，建立污染总量控制方案，因地制宜地细化整治任务和水环境改善措施； 2)基于生态基流的流域水资源保障措施，依据河道生态基流量确定枯水期补水量，制定流域蓄水方案，优化流域内水资源调配； 3)基于河流生态系统完整性与多样性的水生态修复措施，通过采取生态保护和修复措施，改造水体和河道两岸，构建良好的水生生物生存环境。
1.3.2 污染物总量控制
1)污染入河负荷计算方法。
根据《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》等规范和相关手册，采用入河系数法统计估算多源污染入河负荷。
点源、面源污染源污染负荷计算公式：
Wp,j=∑φpiθpi,j·C·T
(1)
Wn,j=∑φniθni,j·Sni·T
(2)
式中：Wp,j、Wn,j为点、面源污染物j单位时间内的污染排放量，t/a；φi为i点污染物入河系数；θi,j为i点污染物j的排污系数； C为i点的人数/座位数/床位数/生产量等；T为计算时段，a；Sni为污染类型i的面积/人数/头数/重量等。
图2 流域综合治理技术体系
Fig.2 The comprehensive governance technology system for Zhaohe River Basin
2)水环境容量计算方法。
根据兆河流域特性，采用《全国水环境容量核定技术指南》推荐的一维模型计算水环境容量：
Wi=31.54(C·eKx/86.4u-Ci)×(Qi+Qj)
(3)
(4)
式中： Wi为第i个排污口允许排放量，t/a；C为沿程浓度，mg/L；x为点到第i节点的距离，m；u为第i河段的设计流速，m/s； Ci为河段在第i个节点处的水质本底浓度，mg/L； Qi为河道节点后流量，m3/s；Qj为第i节点处废水入河量m3/s;W为环境功能区内的水环境容量，t/a。
3)污染负荷削减分配方法。
污染贡献分析法：在环境允许排放量约束下，采用优化方法求解各污染类型的最佳许可排放量，使得控制断面的水质改善幅度最大。该模型可表示为：
满足：∑Q′i=Q，Q′i≥0
(5)
式中：C为控制断面的水质浓度,mg/L；Fi(Wi，Q′i)为第i个污染类型污染排放对控制断面的污染贡献，mg/L；Wi是第i个排污单位的达标排放量，mg/L;Q′i是第i个排污单位的许可排放量，mg/L。
经济优化分配法：运用运筹学理论协调各污染类型之间的关系，发挥各工程措施的技术性能与经济效能，在水体水质达标要求的约束下，使控制单元的总投资最低。经济优化分配法的核心是求解费用函数最优化问题。该模型可表示为：
满足：
(6)
式中：Z为控制单元的总处理费用；Ci(Wi，Q′i)为第i个污染类型的污染治理费用；Vi为第i个排污单位的排放对控制断面水质的影响系数；m为上游来水的背景浓度，mg/L；L0为控制断面的水质目标，mg/L。
综合考虑现状排污格局、污染源可控性和经济技术可行性等因素，采用污染贡献率分析法和经济优化分配法，计算各小流域各污染类型的污染负荷削减量。
2 流域污染物总量控制分析
水环境容量和污染负荷削减量的估算是总量控制的基础，而水质目标和估算模型的确定是水环境容量和污染削减量估算的关键[11]。兆河流域水环境功能区要求2020年(规划年)为Ⅲ类水质，根据污染源调查及水质数据，计算兆河各小流域污染负荷及水环境容量，估算各小流域污染削减量，合理分配各污染类型削减量。
2.1 污染源解析
以2017年为基准年，对兆河流域内11个子流域的污染来源、类型、时空变化特征等分区进行识别与统计，其中点源污染包括工矿企业、城镇生活、垃圾填埋场、污水处理厂4种，面源污染包括矿山、农村生活、畜禽养殖、水产养殖、农田面源和城镇面源6种。采用入河系数法计算11个子流域的10种污染产生的COD、NH3-N、TP和TN的现状年入河负荷；此外，不考虑污染治理措施前提下，综合考虑庐江总体规划及人口增长、经济发展、污染排放、水资源利用等方面的规划分析[12]，确定未来规划年(2020年)的污染物入河负荷(图3)。
小流域： 1—盛桥河； 2—顺港河； 3—环圩河； 4—裴河； 5—黄泥河； 6—瓦洋河； 7—失曹河； 8—黄屯河； 9—县河； 10—兆河上游； 11—西河上游。下同。
城镇面源； 
农田面源； 
水产养殖； 
畜禽养殖； 
农村生活； 
矿山面源； 
污水处理厂； 
垃圾填埋场； 
城镇生活； 
工矿企业。
图3 兆河流域各污染入河负荷
Fig.3 Each pollution load into Zhaohe River Basin
由图3可知，兆河流域主要污染源贡献顺序为：城镇生活污水>农田面源>畜禽养殖>农村生活污水，其总和约占总污染负荷的85%。从空间分布来看，小流域污染负荷贡献顺序为：县河小流域>环圩河小流域>黄泥河小流域>盛桥河小流域，总占比约74%。
2.2 河道水环境容量确定
兆河属于丰、平、枯水期特征明显的河流，因而选取保证率为75%的年逐月平均流量作为枯水期设计流量进行水环境容量的计算，汇总得到全年的各小流域的水环境容量如图4所示。经计算，兆河流域75%保证率下的水环境容量：COD为5438.61 t/a，NH3-N为370.42 t/a，TP 为70.76 t/a，TN为367.50 t/a，以此作为后续污染削减负荷分配的基准限值。
规划年流域污染负荷入河量与75%保证率下水环境容量的差值，即为流域削减目标。COD、NH3-N、TP和TN污染负荷目标削减量为2782.42，340.43，21.24，849.07 t/a，说明兆河流域污染负荷超标。此外，与规划年污染入河负荷量对比分析发现，县河小流域、环圩河小流域、黄泥河小流域和盛桥河小流域的水环境容量显著低于入河负荷量，污染负荷超标严重。
2.3 污染削减分配分析
图5为各小流域各污染类型的污染负荷削减量分配结果。可知：不同污染物削减量及需要削减的河道分布具有差异性。COD需要削减的流域为盛桥河、裴河、黄泥河、失曹河、黄屯河和县河小流域，NH3-N和TN需削减流域为盛桥河、环圩河、裴河、黄泥河、失曹河、黄屯河、县河和西河上游小流域，而TP仅需削减盛桥河、裴河、失曹河和县河小流域；县河为污染削减重点控制流域；城镇生活源为重点需要削减的污染物类型。综上，县河小流域、环圩河小流域、黄泥河小流域、盛桥河小流域为重点治理小流域。
图4 各子流域水环境容量计算结果
Fig.4 Calculation results of water environment capacity in each sub-basin
城镇面源； 农田面源； 水产养殖； 畜禽养殖； 农村生活； 矿山面源； 污水处理厂； 垃圾填埋场； 城镇生活； 工矿企业。
图5 各污染类型污染负荷削减量分配结果
Fig.5 Allocation of pollution reduction load by each pollution type
3 流域治理与可行性分析
3.1 水环境改善措施
3.1.1 控源截污
控源截污是削减污染存量最直接有效的方法[13-14]，根据兆河流域污染特征、污染源解析及污染削减分配结果，主要从点源和面源两方面治理流域水环境问题。
1)点源控制。
兆河流域镇区管网优化及污水处理厂的新建、改造涉及六镇一区，实施总面积44.75 km2，其中六镇一区新建污水管网268.1 km，恢复雨水管网13.7 km，修复市政管网208 km，改造管网错接漏接107 km，六镇一区新建及改造污水处理厂28950 m3/d。农村生活污水治理内容主要包括7个乡镇近70个村庄的污水管网和污水处理设施的新建和改造，完善污水排水系统，涉及处理设施总规模4452 m3/d，管网总规模568.8 km。其中，集中处理规模：污水处理站4150 m3/d，管网528.61 km；分散处理规模：化粪池+湿地302 m3/d，管网40.23 km。
2)面源控制。
兆河流域以农田面源污染为主，依据兆河流域农田生态环境的现状，提出从源头减量入手，加强对污染物的管理。推广测土配方技术，降低肥料施用量，科学施肥，提高氮磷养分利用率；推行农药减量增效使用技术，减少农药在土壤中的残留或迁移，推进病虫草害专业化防治；推广秸秆养殖与能源循环技术，建立沼气池。在面源污染较严重的区域(如盛桥联圩、杨柳圩、东西大圩)，在采取源头控制等相关技术、政策措施的基础上，采用过程阻断与末端强化等技术措施，建立生态沟渠塘系统有效拦截和净化农田退水中的氮磷等污染物；也可采用在圩区配置去磷型植生滞留槽，通过物理性、化学性、生物性机制过滤去除水中污染物。
3.1.2 采矿废水控制技术
兆河流域矿山采矿区与排土场酸化形成矿山酸性废水(AMD)，AMD的排放导致了周边地区与河流的酸性及重金属污染问题。源头控制主要采用清污分流、原位基质改良+直接植被技术、微生物矿化防渗技术等技术对AMD进行生态控制，实现长期有效控制AMD的产生。在源头治理的基础上，采用微生物强化的生态渗滤床和人工湿地技术等被动处理技术进行末端处理。
3.2 水资源保障措施
3.2.1 水源涵养林建设
采用新建水源涵养林工程从上游改善河流水质，可达到涵养水源、保持水土、净化水质，恢复和改善当地生态环境的效果。兆河流域水源涵养林共涉及盛桥河、裴河、瓦洋河3个小流域，主要为小流域源头山区丘陵林地，分别在沈老村、破塘堰水库、东明村、石峡村、刘墩社区共建设5处水源涵养林，总规模4.71 km2。建设方式包括：分乔、果、农作物结合模式，果、草立体模式，农作物带状间作模式。
3.2.2 活水蓄水工程
活水蓄水工程是保障水资源的重要措施，根据兆河自然特征，采用坑塘蓄水、河槽蓄水和生态湿地蓄水3种措施实现水资源保障。
1)坑塘蓄水。
对盛桥河、顺港河、环圩河等11个小流域内65座面积5万m2以上的坑塘进行清淤，增加调蓄库容，拦蓄雨洪水，实现向河道补给生态水的同时向农业供水。各坑塘水深平均3 m，可形成水面面积664.91万m2，可蓄水量共1994.58万m3，可调库容共997.37万m3。
2)河槽蓄水。
根据各小流域地形状况、生态需水量等，在盛桥河、顺港河、环圩河、裴河、黄泥河等11个小流域共建闸坝10座，蓄水库容约149.53万m3。
3)生态湿地蓄水。
兆河流域调蓄型湿地以水资源调蓄为主，共建设5处，涉及盛桥河、西河、环圩河、裴河、黄泥河5个小流域，总占地面积1 km2，平均水深3 m，可调蓄水深1.5～2.5 m，可调蓄水量约225万m3。
3.3 水生态修复措施
3.3.1 生态绿廊
生态绿廊工程-生态缓冲带建设涉及7个小流域，在河道堤防背水侧建设10～45 m的生态绿廊，建设总长44.2 km。选用地带性植被、乡土植物作为基调，模拟自然植物群落，突出植被的地域特色。
3.3.2 生态河道
在盛桥河、裴河、黄泥河、失曹河、黄屯河、县河6条河流的非行洪河道、湿地进水区、湿地区、坑塘区等流速缓慢的水体中，引入选择性激活植物根系促生菌技术、强化耦合生物膜技术进行原位生态修复；在入河口建立水生植物净化系统和水生生物群落，实现水生生物的多样性及群落稳定性，提高水体的自净能力。
3.3.3 生态湿地
在5个小流域共建设生态净化湿地5处，总占地面积0.87 km2，平均水深2 m，可蓄水量约113万m3。主要功能为净化污水处理厂尾水、农业面源污染及镇区生活污水，通过湿地多层级的水生植物净化后由出口补入河道。
3.4 工程实施效果评价
对各工程措施的治理修复效果进行评估，预期工程实施后，兆河流域污染负荷实际削减量：COD为5466.45 t/a、NH3-N为510.03 t/a、TP为55.85 t/a、TN为701.59 t/a，可实现75%保证率下的污染负荷目标削减量；水资源保障措施实施后水环境容量增加量：COD为108.09 t/a、NH3-N 为11.16 t/a、TP为2.26 t/a、TN为4.54 t/a。各小流域工程措施实施后污染负荷目标削减量及实际削减量对比、扩容后水环境容量增加量对比如图6所示。可以发现，实际削减量均高于目标削减量，且通过工程措施后各个小流域的容量均增加，说明兆河流域采用的治理技术体系是可行的，可达到工程实施后的目标。
目标削减量； 
实际削减量； 
容量增加量； 
水环境容量。
图6 污染负荷削减量及扩容后水环境容量对比
Fig.6 Comparison of pollution load reduction and water environment capacity after expansion
4 结 论
1)基于污染物总量控制分析及保证河道生态基流量、恢复生态系统多样性的目标，建立水环境综合治理技术体系，从水环境、水资源、水生态角度出发制定了流域综合治理方案。
2)污染源解析和水环境容量计算结果表明：兆河流域主要污染源为城镇生活污水和农田面源；COD、NH3-N、TP和TN污染负荷目标削减量分别为2782.42，340.43，21.24，849.07 t/a；县河流域污染削减分配量显著高于其他流域，且城镇生活源和污水处理厂为主要控制污染源。
3)采用五位一体的综合治理技术体系，预期能实现兆河流域COD、NH3-N、TP和TN污染负荷削减5466.45，510.03，55.85，701.59 t/a，水环境容量增加108.09，11.16，2.26，4.54 t/a，说明该治理技术体系是可行的，可推广应用于水环境综合治理。
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