南京市外秦淮河水質(zhì)模擬及引調(diào)水效果

童朝鋒，岳亮亮，郝嘉凌，邵宇陽(yáng)，嚴(yán)以新，劉豐陽(yáng)

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098)

我國(guó)城市化水平在不斷加快，城市用水高度集中引起污水的集中排放，造成市區(qū)及周邊地區(qū)水環(huán)境惡化;同時(shí)人們對(duì)城市水環(huán)境要求卻不斷提高，恢復(fù)城市河流生態(tài)環(huán)境以及景觀要求成為近年來(lái)人們關(guān)注的焦點(diǎn)。改善河流水質(zhì)的根本措施是有效控制并減少污染負(fù)荷的排入。但是，要截除所有排入河流的污染源比較困難。通過(guò)綜合調(diào)水，科學(xué)調(diào)度河網(wǎng)水流，盡量提高水體流動(dòng)性，是改善河流水質(zhì)的一項(xiàng)有效輔助措施[1]。盧士強(qiáng)等[2-5]對(duì)上海市主要河流調(diào)水方案進(jìn)行了水質(zhì)影響分析，結(jié)果表明，實(shí)施綜合調(diào)水方案可以在不同程度上改善相應(yīng)區(qū)域水系的水質(zhì)。劉云華等[6]對(duì)深圳市河灣水系引調(diào)水工程進(jìn)行分析，提出從不同角度考慮的調(diào)水方案。鄭建中等[7]針對(duì)太湖無(wú)錫水域河流進(jìn)行了調(diào)水工程對(duì)其水質(zhì)的影響分析，表明聯(lián)合引調(diào)工程改善了兩湖水體的流動(dòng)狀態(tài)，這一流動(dòng)狀態(tài)對(duì)貢湖取水口和梅梁湖水源地的水質(zhì)改善是非常有利的。從解決水體污染的機(jī)理出發(fā)，引調(diào)清潔水源沖洗水質(zhì)較差、污染嚴(yán)重的河道，在水體綜合治理的全過(guò)程中，始終起到十分重要的作用[8-10]。

為了研究外秦淮河的水質(zhì)情況以及不同引調(diào)水方式對(duì)水質(zhì)影響作用，通過(guò)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，比較各污染物荷載對(duì)外秦淮水質(zhì)影響，同時(shí)分析不同調(diào)水方式及調(diào)水量對(duì)水質(zhì)、河道防洪、流場(chǎng)的影響，為提出最優(yōu)調(diào)水方案提供科學(xué)依據(jù)。研究成果也可為城市內(nèi)河引水工程的實(shí)施提供參考。

1 外秦淮河環(huán)境綜合整治工程

秦淮河水系位于長(zhǎng)江下游，古稱(chēng)龍藏浦，后稱(chēng)淮水，全長(zhǎng)約110 km，流域面積2600多km2，是南京地區(qū)第一大河，也被南京人譽(yù)為“母親河”。外秦淮河繞南京城東南、西南兩角經(jīng)三汊河流入長(zhǎng)江，長(zhǎng)約34km。秦淮河流域示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 外秦淮河流域示意圖

近年來(lái)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展給南京的水環(huán)境帶來(lái)了很大影響。外源和內(nèi)源污染物的排放、城市河湖閘控造成的水體滯流、河岸土壤硬質(zhì)化和渠系化引發(fā)的生境缺損等問(wèn)題的存在，使秦淮河的水環(huán)境質(zhì)量逐漸惡化，根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析，無(wú)引水前外秦淮河水體普遍出現(xiàn)劣Ⅴ類(lèi)國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的情況，主要超標(biāo)因子為BOD5、NH3-N、TP和TN。

1.1 污染物排放

外秦淮河經(jīng)過(guò)南京市主城區(qū)，由于工業(yè)廢水和生活污水大量排入河道，導(dǎo)致外秦淮河水質(zhì)普遍為劣Ⅴ類(lèi)水。

外秦淮河環(huán)境綜合整治工程一期工程實(shí)施前，按人均每日生活污水排放量為150 L，污染物排放濃度ρ(COD)為225 mg/L計(jì)算，2005年南京市外秦淮河及南河的工業(yè)廢水、生活污水及其污染物排放量統(tǒng)計(jì)如表1所示。外秦淮河環(huán)境綜合整治工程一期工程實(shí)施后，外秦淮河武定門(mén)閘以下主城區(qū)河段，主要污水已經(jīng)截流進(jìn)入污水處理廠處理，按照實(shí)際截污率70%計(jì)算，工程完成后武定門(mén)閘以下河段排入外秦淮河的污水量和污染物量為原排污量的30%，結(jié)果如表2所示。

表1 整治工程前外秦淮河污水量及污染物排放量(2005年)

表2 整治工程后外秦淮河污水量及污染物排放量(2005年)

從表1和表2可以看出，汛期污水排放量及污染物排放量比枯水期排放量要大，整治工程實(shí)施后汛期污水排放量為枯水期污水排放量的1.14倍。

1.2 綜合整治工程設(shè)計(jì)

秦淮河流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，流域內(nèi)形成的徑流量不能滿(mǎn)足需水量的要求;秦淮新河樞紐建成后，抬高了流域內(nèi)枯水期的河道水位，使用水條件得到改善，但同時(shí)也使流域內(nèi)下游區(qū)域的河道水體成為靜止水體，自?xún)裟芰Υ蟠蠼档停S著流域內(nèi)生活污水排放量的逐年增多，水環(huán)境日益惡化，外秦淮河水體普遍出現(xiàn)劣Ⅴ類(lèi)水。為保護(hù)南京的母親河，恢復(fù)古城自然風(fēng)貌，創(chuàng)造優(yōu)良人居環(huán)境，提升南京城市形象，南京市政府決定對(duì)秦淮河進(jìn)行環(huán)境綜合整治工程。

秦淮河環(huán)境綜合整治是一項(xiàng)設(shè)計(jì)水利、環(huán)保、市政、園林、交通、旅游等多項(xiàng)子工程的龐大而復(fù)雜的工程。根據(jù)規(guī)劃，整治工程分兩期完成，其中三汊河口—運(yùn)糧河長(zhǎng)16 km的主城段為一期工程，規(guī)劃2005年實(shí)施完成，運(yùn)糧河口—江寧區(qū)西北村段長(zhǎng)18 km的中游段為二期工程，規(guī)劃2010年完成。2002—2005年，隨著外秦淮河環(huán)境綜合整治工程(一期工程)的實(shí)施，外秦淮河南京主城區(qū)河段(運(yùn)糧河口至三汊河口)進(jìn)行了污水截流，直接排入秦淮河的污水量減少，加上引水沖污工程的實(shí)施，外秦淮河的水質(zhì)得到改善。2005年一期工程完成后，外秦淮河武定門(mén)閘以下主城區(qū)河段，主要的污水已經(jīng)截流進(jìn)入污水處理廠處理，考慮截流本身的效率，實(shí)際仍有20%～30%進(jìn)入外秦淮河。因此還應(yīng)在截流污水的條件下，增加河道流量，通過(guò)多水源補(bǔ)給及閘控系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控，引水調(diào)水、引清釋污，提高秦淮河的水質(zhì)。

1.3 閘泵抽引水系統(tǒng)

外秦淮河引水可由石臼湖和長(zhǎng)江引水。汛期，石臼湖的水可以通過(guò)自流入外秦淮河，如不能滿(mǎn)足要求，則從秦淮新河閘泵站抽取長(zhǎng)江水;枯水期，石臼湖缺水，不能實(shí)現(xiàn)自流，因此外秦淮河須從秦淮新河閘泵站抽長(zhǎng)江水補(bǔ)水。

三汊河口是外秦淮河引水排污調(diào)控計(jì)算的下游邊界，為維持外秦淮河6.5 m的景觀水位需要，三汊河口閘閘門(mén)一般為關(guān)閉狀態(tài)，來(lái)水從閘門(mén)頂部溢出。

秦淮新河閘泵站有5臺(tái)機(jī)組，枯水季節(jié)其抽水能力滿(mǎn)足實(shí)際需要，根據(jù)污染物排放資料擬定引水量 30 m3/s、40 m3/s、50 m3/s、60 m3/s等 4 種。

從秦淮新河閘引水至外秦淮河出三汊河口入長(zhǎng)江，沿程有武定門(mén)閘。在引水期間，武定門(mén)閘開(kāi)啟，一般只要開(kāi)啟兩個(gè)閘門(mén)，有洪水需要開(kāi)啟更多閘門(mén)，保證東山站水位不超過(guò)8.5 m。

2 一維河網(wǎng)水質(zhì)模型

秦淮河流域地處長(zhǎng)江下游，屬于濕潤(rùn)地區(qū)，降雨徑流關(guān)系具有蓄滿(mǎn)產(chǎn)流條件，采用目前在我國(guó)濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū)廣泛應(yīng)用的新安江三水源模型，為河網(wǎng)模型提供降雨期間的地表徑流量。

2.1 模型方程

水動(dòng)力模型采用四點(diǎn)線(xiàn)性隱式差分格式求解一維河流非恒定流方程組。模型的范圍包括外秦淮河整個(gè)流域，河網(wǎng)概化見(jiàn)圖1。

水質(zhì)模型采用隱式迎風(fēng)差分格式對(duì)每一單一河道進(jìn)行離散，描述單一河道污染物質(zhì)運(yùn)動(dòng)及濃度變化規(guī)律的控制方程為帶源項(xiàng)的一維對(duì)流擴(kuò)散方程[11-13]，其表達(dá)式為

式中:C為污染物斷面平均濃度;A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;Q為過(guò)水?dāng)嗝媪髁?Ex為縱向分散系數(shù);S為外部的源或匯項(xiàng);Sc為與污染物濃度有關(guān)的降解項(xiàng);x為空間橫向坐標(biāo);t為時(shí)間坐標(biāo)。

2.2 初始邊界條件

上游子流域水質(zhì)邊界根據(jù)各子流域旱地、水田面積及相應(yīng)的排污參數(shù)，計(jì)算得出各子流域污染物排放量[14-15]，并根據(jù)該流域的徑流量，得到相應(yīng)的水質(zhì)邊界。上游石臼湖水質(zhì)采用Ⅲ～Ⅳ類(lèi)水邊界濃度的平均值。秦淮新河閘所引長(zhǎng)江水水質(zhì)采用Ⅱ類(lèi)水。下游三汊河口閘控制水位為6.5 m。

2.3 污染荷載

排入外秦淮河的污水主要是工業(yè)廢水和生活污水，根據(jù)2009年南京市三汊河口閘管理處實(shí)際觀測(cè)的外秦淮河污水排放量及污染物排放量估算，外秦淮河各河段污水排放量及污染物排放量見(jiàn)表3。

表3 外秦淮河各河段污水排放量及污染物排放量(2009年)

2.4 模型驗(yàn)證

河網(wǎng)水動(dòng)力模型糙率系數(shù)的率定結(jié)果為:在外秦淮河下游包括秦淮新河，曼寧糙率系數(shù)為0.022～0.025，在東山鎮(zhèn)(節(jié)點(diǎn) J1)上游稍有增大，系數(shù)為0.025～0.032。秦淮河河網(wǎng)水質(zhì)模型所采用的COD降解系數(shù)為 0.05 ～ 0.13/d，底泥釋放系數(shù)為 0.18 ～0.40g/(m2·d)，NH3-N 的降解系數(shù)為0.08 ～0.2/d[16]。

秦淮河河網(wǎng)水質(zhì)模型采用實(shí)測(cè)水質(zhì)資料進(jìn)行模型驗(yàn)證，以上游來(lái)水量及武定門(mén)閘和秦淮新河閘實(shí)測(cè)閘門(mén)控制過(guò)程作為控制條件，同時(shí)根據(jù)外秦淮河沿程泵站開(kāi)啟狀況和排污情況，進(jìn)行水量水質(zhì)數(shù)值模擬。如圖2為COD質(zhì)量濃度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較。從圖2中看出，武定門(mén)閘處誤差略大，可能是由于模型中點(diǎn)源的位置與點(diǎn)源數(shù)量與實(shí)際情況存在差異造成的。其他各點(diǎn)誤差比較小，可應(yīng)用于外秦淮河的水質(zhì)計(jì)算。

圖2 秦淮河水系COD質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

3 引調(diào)水對(duì)外秦淮河水質(zhì)改善效果分析

根據(jù)2009年實(shí)際調(diào)度資料及排污資料，對(duì)外秦淮河水質(zhì)變化進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如下。

3.1 枯水期

枯水期考慮最不利情況，不考慮降雨，利用秦淮新河道泵站從長(zhǎng)江引水，引水工況采取引4d停15d的間斷引水方式，設(shè)計(jì)引水流量分別為30 m3/s、40 m3/s、50 m3/s、60 m3/s等 4 種工況，ρ(COD)=15 mg/L，ρ(NH3-N)=0.6mg/L。上游石臼湖自流狀況為20m3/s，ρ(COD)=30 mg/L，ρ(NH3-N)=1.7 mg/L。采用2009年實(shí)際入河污染荷載，模擬結(jié)果見(jiàn)圖3～4。

圖3 枯水期不同流量下草場(chǎng)門(mén)橋污染物質(zhì)量濃度變化

圖4 枯水期不同流量下鳳臺(tái)橋污染物質(zhì)量濃度變化

通過(guò)圖3和圖4可以看出，引水可以改善河道水質(zhì)，引水量越大，改善作用越明顯。在不引水期間，草場(chǎng)門(mén)橋處COD以及NH3-N質(zhì)量濃度均不達(dá)到Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，鳳臺(tái)橋處COD質(zhì)量濃度基本達(dá)到Ⅴ類(lèi)水，NH3-N質(zhì)量濃度仍為劣Ⅴ類(lèi)水。引水期間，引水工況為30 m3/s時(shí)，草場(chǎng)門(mén)橋處COD質(zhì)量濃度達(dá)到Ⅳ類(lèi)水，NH3-N質(zhì)量濃度未達(dá)到Ⅴ類(lèi)水，鳳臺(tái)橋處COD質(zhì)量濃度達(dá)到Ⅳ類(lèi)水，NH3-N質(zhì)量濃度未達(dá)到Ⅴ類(lèi)水;工況為50m3/s時(shí)，草場(chǎng)門(mén)橋處COD質(zhì)量濃度達(dá)到Ⅳ類(lèi)水，NH3-N質(zhì)量濃度基本達(dá)到Ⅴ類(lèi)水，鳳臺(tái)橋處COD質(zhì)量濃度達(dá)到Ⅳ類(lèi)水，NH3-N質(zhì)量濃度達(dá)到Ⅴ類(lèi)水。對(duì)第2次開(kāi)始引水分析，引水初期，污染物濃度出現(xiàn)瞬間居高的現(xiàn)象，可能是由于引水，把上游的污水頂拖到下游，造成下游污水積聚，污染物濃度增大。引水大約30 h后，水質(zhì)濃度下降，引水大約70h后，水質(zhì)濃度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)30～50h，引水96h后，停止引水，此時(shí)水質(zhì)仍處在穩(wěn)定狀態(tài)，停止引水約10h后，水質(zhì)開(kāi)始惡化，水質(zhì)濃度開(kāi)始增大，停止引水約100 h后，水質(zhì)濃度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。外秦淮河不同引水量下沿程各斷面濃度變化見(jiàn)圖5，從圖5中可以看出，沿程各斷面濃度逐漸增加，引水量越大，各斷面濃度值越小;外秦淮河COD質(zhì)量濃度維持在Ⅳ類(lèi)水，引水工況為50m3/s時(shí)，NH3-N濃度可達(dá)Ⅴ類(lèi)水。

3.2 汛期

汛期利用流域降雨徑流模型，即新安江三水源模型計(jì)算秦淮河流域的降雨徑流過(guò)程，為河網(wǎng)水利計(jì)算提供邊界。汛期大部分情況下，石臼湖湖水可通過(guò)自流流入外秦淮河釋污，引水方式采取連續(xù)引水的方式，設(shè)計(jì)引水流量為 30 m3/s、40 m3/s、50 m3/s、60 m3/s 4種工況，COD質(zhì)量濃度為15 mg/L，NH3-N質(zhì)量濃度為0.6 mg/L。模擬結(jié)果如下:

圖5 枯水期沿程斷面污染物質(zhì)量濃度變化

圖6 汛期不同流量下草場(chǎng)門(mén)橋污染物質(zhì)量濃度變化

圖7 汛期不同流量下鳳臺(tái)橋污染物質(zhì)量濃度變化

從圖6和圖7得出，草場(chǎng)門(mén)橋處，引水大約80 h后，COD質(zhì)量濃度基本達(dá)到平衡狀態(tài)，引水大約55h后，NH3-N質(zhì)量濃度基本達(dá)到平衡狀態(tài)，引水工況為60 m3/s時(shí)，COD質(zhì)量濃度基本達(dá)到Ⅲ類(lèi)水，NH3-N質(zhì)量濃度基本達(dá)到Ⅴ類(lèi)水。鳳臺(tái)橋處，引水大約70 h后，COD濃度基本達(dá)到平衡狀態(tài)，引水大約48 h后，NH3-N濃度基本達(dá)到平衡狀態(tài)，引水工況為40 m3/s時(shí)，COD質(zhì)量濃度基本達(dá)到Ⅲ類(lèi)水，NH3-N質(zhì)量濃度基本達(dá)到Ⅴ類(lèi)水，引水工況為50 m3/s時(shí)，COD質(zhì)量濃度已達(dá)到Ⅲ類(lèi)水，NH3-N質(zhì)量濃度已達(dá)到Ⅴ類(lèi)水。汛期外秦淮河不同引水量下沿程各斷面濃度見(jiàn)圖8，從圖中可以看出，COD質(zhì)量濃度達(dá)到Ⅳ類(lèi)水，引水工況為60 m3/s時(shí)，外秦淮河全河段COD質(zhì)量濃度基本達(dá)到Ⅲ類(lèi)水，NH3-N質(zhì)量濃度基本達(dá)到Ⅴ類(lèi)水。

圖8 汛期沿程斷面污染物質(zhì)量濃度變化

4 結(jié)論

城市水環(huán)境綜合整治關(guān)鍵在于控源和治污，然而在有條件的地區(qū)充分利用現(xiàn)有的水利工程，采取引清沖污，發(fā)揮當(dāng)?shù)氐乃Y源優(yōu)勢(shì)及閘控條件改善水環(huán)境，可以促進(jìn)水體的良性循環(huán)。

a.建立了一維河網(wǎng)水質(zhì)模型，并利用實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，效果令人滿(mǎn)意，表明模型適用于外秦淮河引水調(diào)度模式的研究。

b.利用該模型對(duì)外秦淮河不同引水規(guī)模、閘控方式和引水方式的引調(diào)水方案進(jìn)行了水量水質(zhì)的數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果表明引水可以改善河道水質(zhì)，引水量越大，改善作用越明顯。枯季從秦淮新河閘引水工況為50m3/s，外秦淮河水質(zhì)COD質(zhì)量濃度可達(dá)Ⅳ類(lèi)水，NH3-N質(zhì)量濃度達(dá)到Ⅴ類(lèi)水;汛期，石臼湖引水工況為60m3/s，外秦淮河水質(zhì)COD質(zhì)量濃度可達(dá)Ⅲ類(lèi)水，NH3-N質(zhì)量濃度達(dá)到Ⅴ類(lèi)水。

c.根據(jù)模擬結(jié)果以及考慮外秦淮河引水量的沿程損失、引水的間隙性和污染物不連續(xù)排放特點(diǎn)，可以得到下列結(jié)論:枯水期，建議引水工況取50 m3/s，即取水量為432萬(wàn)m3/d，以達(dá)到Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。汛期首先考慮從石臼湖自流引水，實(shí)際引水工況控制在50～60 m3/s以上為佳;若石臼湖不能滿(mǎn)足自流條件，則需要從長(zhǎng)江引水，以改善外秦淮河水質(zhì)。

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