基于國(guó)考七橋甕斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)秦淮河流域水環(huán)境容量計(jì)算

宋為威，逄 勇

(1. 河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2. 河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，南京 210098；3. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京 210098)

0 前 言

水環(huán)境容量是指水體在規(guī)定的環(huán)境目標(biāo)下所能容納的污染物的最大負(fù)荷，其大小與水體特征、水質(zhì)目標(biāo)及污染物特性有關(guān)，通常以單位時(shí)間內(nèi)水體所能承受的污染物總量表示。計(jì)算方法是水環(huán)境容量研究的重要組成部分，研究方法[1]主要有解析法、模型試錯(cuò)法、系統(tǒng)分析法、概率稀釋模型法。其適當(dāng)與否直接影響著計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

胡開(kāi)明等[2]對(duì)大型淺水湖泊太湖受風(fēng)場(chǎng)影響顯著的特點(diǎn)，建立了二維非穩(wěn)態(tài)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，提出考慮風(fēng)向風(fēng)速聯(lián)合頻率訂正及污染帶控制的水環(huán)境容量計(jì)算方法。鮑琨等[1]根據(jù)研究區(qū)域水系的水文特征提出將水環(huán)境容量進(jìn)行按月分配的計(jì)算方法。逄勇等[3,4]通過(guò)河網(wǎng)區(qū)非穩(wěn)態(tài)水量數(shù)學(xué)模型計(jì)算珠江東四口門(mén)的入海水量，得到每年豐、平、枯三季從東四口門(mén)下泄到伶仃洋的污染物總量。通過(guò)二維非穩(wěn)態(tài)水量、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型率定驗(yàn)證，研究陸源污染物以及香港水域排污對(duì)伶仃洋水域的影響。馮啟申[5]等闡述了水環(huán)境容量的概念、分類(lèi)等基本理論，簡(jiǎn)述了我國(guó)水環(huán)境容量研究的發(fā)展?fàn)顩r。周剛[6]等提出了動(dòng)態(tài)水文條件下基于WESC2D(Two Dimensional Water Environment Simulation Code)模型水質(zhì)模擬和粒子群算法中RPSM(Repulsive Particle Swarm Method)非線(xiàn)性?xún)?yōu)化的河流水環(huán)境容量計(jì)算方法。董飛[7]等歸納出中國(guó)地表水水環(huán)境容量研究過(guò)程中產(chǎn)生的五大類(lèi)計(jì)算方法: 公式法、模型試錯(cuò)法、系統(tǒng)最優(yōu)化法(線(xiàn)性規(guī)劃法和隨機(jī)規(guī)劃法)、概率稀釋模型法和未確知數(shù)學(xué)法，評(píng)述了各類(lèi)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。逄勇[8]等基于MIKE11河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,考慮水文條件、污染物削減和引水3個(gè)方面因素，結(jié)合官河水環(huán)境綜合整治，提出了9套研究區(qū)域模型計(jì)算方案。分別在近期削減60%污染物，在遠(yuǎn)期削減90%污染物，東官河水質(zhì)基本可達(dá)功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)。前面的研究多從非調(diào)水情況下計(jì)算污染物削減量，本文將從調(diào)水與非調(diào)水的兩個(gè)方面來(lái)計(jì)算污染物的削減量。

1 污染控制單元?jiǎng)澐旨翱刂茢嗝嫠|(zhì)達(dá)標(biāo)技術(shù)

1.1 控制單元?jiǎng)澐旨夹g(shù)

控制單元是確?？刂茢嗝嫠w達(dá)標(biāo)的污染物主要控制區(qū)域。在劃分控制單元，需要考慮流域的水文情勢(shì)和污染源的分布情況，并同時(shí)兼顧到行政單元。秦淮河水系有南北兩源，兩河在南京市江寧區(qū)方山合成秦淮河干流，到達(dá)東山橋后分成兩條分汊河道(秦淮新河和外秦淮河)，分別注入長(zhǎng)江。秦淮河流域總面積2 659 km2，南京境內(nèi)1 708 km2(占64%)，鎮(zhèn)江句容境內(nèi)951 km2(占36%)。在正常情況下，秦淮河自南向北自流；生態(tài)調(diào)水期間，從秦淮新河分汊河道節(jié)制閘引水(水閘自引或泵站抽引)，經(jīng)過(guò)外秦淮河分汊河道回到長(zhǎng)江。根據(jù)劃分原則，結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況，確定國(guó)考七橋甕斷面水質(zhì)的控制單元如圖1所示。

圖1 七橋甕斷面污染控制單元示意圖Fig.1 Schematic diagram of pollution control unit of QB-CS

1.2 控制斷面水質(zhì)計(jì)算模型

控制斷面水質(zhì)計(jì)算模型計(jì)算公式如下：

W=(C-C′)·Q0+kVCs

(1)

(2)

(3)

式中：C′混合后水質(zhì)濃度，按零維模型求解；W為入秦淮河排污量，kg/d；C為混合后下游水質(zhì)濃度,mg/L；V為水體容積,m3；C1為排污口廢水氨氮濃度，mg/L；q為排污口廢水量，m3/s；C0為長(zhǎng)江水氨氮濃度，mg/L；Q0為長(zhǎng)江水流量，m3/s；Cs為水質(zhì)目標(biāo)濃度，mg/L；k為水質(zhì)降解系數(shù)，1/d；x為節(jié)制閘到七橋甕的距離，m；u為流速，m/s。

水質(zhì)降解參數(shù)參考秦淮河流域模型參數(shù)率定結(jié)果，COD、氨氮、總磷降解系數(shù)相同。均為在秦淮河段為0.06/d，在秦淮新河段為0.1/d，在外秦淮河段為0.08/d C。

1.3 控制單元合理性分析

控制單元內(nèi)的控制斷面水質(zhì)的影響因素主要有兩方面，一是控制單元的邊界水質(zhì)，二是控制單元內(nèi)源污染物的排放量。控制單元內(nèi)、外源污染物對(duì)控制斷面水質(zhì)影響權(quán)重計(jì)算公式：

(4)

(5)

式中：n內(nèi)是在控制單元之內(nèi)的污染物所占的權(quán)重，%；n外是在控制單元之外的污染物所占的權(quán)重，%；C內(nèi)是邊界水質(zhì)選用功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的時(shí)候，考慮控制單元之內(nèi)的污染物排放情況通過(guò)一維水質(zhì)模型計(jì)算的控制斷面水質(zhì)濃度，mg/L；C外是邊界水質(zhì)取實(shí)測(cè)水質(zhì)時(shí)，不考慮控制單元之內(nèi)的污染物排放情況下通過(guò)一維水質(zhì)模型計(jì)算的控制斷面的水質(zhì)濃度，mg/L。

上述方法計(jì)算得到七橋甕控制單元內(nèi)、外污染物對(duì)水質(zhì)的影響權(quán)重見(jiàn)表1。

表1 七橋甕斷面控制單元內(nèi)、外污染物影響權(quán)重 %

2 七橋甕斷面控制單元水環(huán)境容量計(jì)算方法

2.1 控制單元排口概化

概化排口的入河污染物來(lái)源包括工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、農(nóng)田、畜禽養(yǎng)殖、徑流，其中工業(yè)按雙80%原則(結(jié)合各單元污染物總量的80%與占各鎮(zhèn)污染物總量的80%)進(jìn)行篩選。將入河支流及沿河排污泵站概化為排口，在人口密集區(qū)域附近水體、污水廠、工業(yè)企業(yè)的密集區(qū)域進(jìn)行概化排口，若排污口之間的距離較近，可以將多個(gè)排污口概化為1個(gè)排污口；若排口之間距離較遠(yuǎn)并且排污量都較小時(shí)，可將排口概化為非點(diǎn)源入河。概化排口及控制斷面見(jiàn)圖2。

圖2 控制單元概化排口及控制斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of generalized drain outlet and control section

2.2 控制斷面水質(zhì)與概化排口之間響應(yīng)關(guān)系構(gòu)建

通過(guò)概化排口的構(gòu)建，運(yùn)用秦淮河流域水環(huán)境數(shù)學(xué)模型[9]，構(gòu)建出斷面水質(zhì)與概化排口之間的響應(yīng)關(guān)系。響應(yīng)關(guān)系：C控制斷面=C(C邊界,C支流,W1,W2,…)。先構(gòu)建入河支流與水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系，再而構(gòu)建干流排口與控制斷面水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系。在支流匯入時(shí)功能區(qū)的水質(zhì)要求達(dá)標(biāo)，邊界的水質(zhì)值取實(shí)測(cè)資料。國(guó)考七橋甕控制斷面與概化排口響應(yīng)關(guān)系構(gòu)建如下：

圖3 調(diào)水與非調(diào)水期排水流向圖Fig.3 Flow arrow in diversion and No-diversion period

調(diào)水期間：

秦淮河：C東山橋=C(C洋橋,W1,W2,W3,…,W9,W面);

秦淮新河：C河定橋=C(C節(jié)制閘,W10,W11,W12,…,W24,W面)；

外秦淮河：C七橋甕=C(C25,C東山橋,C河定橋,W25,W26,W27,…,W32,W面)。

非調(diào)水期間：

秦淮河：C東山橋=C(C洋橋,W1,W2,W3,…,W9,W面);

秦淮新河：C節(jié)制閘=C(C河定橋,W10,W11,W12,…,W24,W面)；

外秦淮河：C七橋甕=C(C25,C東山橋,W25,W26,W27,…,W32,W面)。

3 水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析及水環(huán)境容量計(jì)算

3.1 水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析

在近期(2017-2019年)控制單元內(nèi)僅能削減35%的排污量，通過(guò)秦淮新河調(diào)水30 m3/s，在洋橋斷面為功能區(qū)水質(zhì)Ⅳ類(lèi)水情況下，計(jì)算得到調(diào)水期間七橋甕斷面及沿線(xiàn)水質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 調(diào)水期間七橋甕及沿線(xiàn)斷面水質(zhì) mg/L

通過(guò)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，計(jì)算在設(shè)計(jì)水文條件下全年七橋甕及沿線(xiàn)斷面氨氮濃度過(guò)程線(xiàn)，從長(zhǎng)江引水氨氮的濃度為0.1 mg/L，即為節(jié)制閘斷面氨氮濃度，鐵心橋斷面全年氨氮濃度在0.35 mg/L上下浮動(dòng)，其全年的平均值為0.35 mg/L，七橋甕斷面的全年氨氮濃度在0.6～1.8 mg/L之間浮動(dòng)，其全年平均值為1.44 mg/L，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

根據(jù)2017-2019年南京市排水達(dá)標(biāo)行動(dòng)計(jì)劃文件，近期2017-2019年進(jìn)行全市整治沿河排口、街巷污水管網(wǎng)、片區(qū)雨污分流、點(diǎn)源處理裝置、整治河道排口、現(xiàn)狀污水管道問(wèn)題整改、片區(qū)雨污分流問(wèn)題整改、現(xiàn)狀污水管道問(wèn)題整改、片區(qū)雨污分流問(wèn)題整改、拆遷區(qū)域待拆管控區(qū)域、保留片區(qū)雨污分流等項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)計(jì)算，近期的工程項(xiàng)目實(shí)施后僅能削減約35%的污水直排，此時(shí)仍然不能達(dá)標(biāo)。而為了在不引水僅通過(guò)削減直排污水達(dá)標(biāo)，需要余額削減80%的污水排放，而何時(shí)能削減了80%的直排污水，難以計(jì)算，本文以遠(yuǎn)期(2020年以后)來(lái)描述。

在遠(yuǎn)期(2020年以后)控制單元內(nèi)僅能削減80%的排污量，在洋橋斷面為功能區(qū)水質(zhì)Ⅳ類(lèi)水情況下，計(jì)算得到非調(diào)水期間七橋甕斷面及沿線(xiàn)水質(zhì)見(jiàn)表3。

圖4 七橋甕及沿線(xiàn)斷面設(shè)計(jì)水文條件下全年氨氮濃度過(guò)程線(xiàn)計(jì)算結(jié)果圖Fig.4 Calculation results of NH3-N concentration process line in design hydrological condition of QB-CS and others

3.2 控制單元水環(huán)境容量計(jì)算

《江蘇省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃》文件要求國(guó)考七橋甕斷面在2017年應(yīng)達(dá)到Ⅳ類(lèi)水。根據(jù)2016年的南京市污染源普查資料及南京市秦淮河流域各主干及支流的水文水質(zhì)及野外調(diào)查實(shí)測(cè)河道斷面資料，運(yùn)用已構(gòu)建的控制斷面與概化排口之間的響應(yīng)關(guān)系模型，計(jì)算當(dāng)七橋甕斷面在近期和遠(yuǎn)期水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)其概化排口的削減量，從而計(jì)算得到控制單元內(nèi)的允許排放量，即控制斷面的水質(zhì)達(dá)標(biāo)控制與功能區(qū)整體的水質(zhì)達(dá)標(biāo)控制(“雙控”)條件下本控制單元的水環(huán)境容量。國(guó)考七橋甕斷面控制單元內(nèi)各概化排口的現(xiàn)狀排污量與在近期、遠(yuǎn)期斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)下的概化排口削減量見(jiàn)表4。由近期及遠(yuǎn)期污染物削減量表計(jì)算出近期和遠(yuǎn)期污染源的削減率，對(duì)控制單元內(nèi)各種污染源按照計(jì)算得到的削減率進(jìn)行削減，進(jìn)而得到本控制單元內(nèi)近期和遠(yuǎn)期的水環(huán)境容量見(jiàn)表5。

通過(guò)模型計(jì)算得到各概化排口近期允許排放量和遠(yuǎn)期的允許排放量，得到控制單元內(nèi)近期的水環(huán)境容量和遠(yuǎn)期水環(huán)境容量，而根據(jù)近期和遠(yuǎn)期的水環(huán)境容量可以得到近期和遠(yuǎn)期的削減量，從而計(jì)算得到近期和遠(yuǎn)期的削減率，見(jiàn)表5。

表4 在近期和遠(yuǎn)期概化排口污染物現(xiàn)狀排放量及允許排放量 t/a

續(xù)表4 在近期和遠(yuǎn)期概化排口污染物現(xiàn)狀排放量及允許排放量 t/a

表5 在近期和遠(yuǎn)期控制單元內(nèi)水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果Tab.5 Water environmental capacity of control unit in the near and long term

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)控制單元內(nèi)、外源污染物對(duì)控制斷面水質(zhì)影響權(quán)重分析得到，在控制單元內(nèi)污染物對(duì)國(guó)考七橋甕斷面的貢獻(xiàn)率約為67.8%～75.3%，影響國(guó)考七橋甕斷面的控制單元?jiǎng)澐趾侠怼?/p>

(2)在國(guó)考七橋甕斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的情況下，在近期(2017-2019年)七橋甕污染物控制單元內(nèi)COD水環(huán)境容量為24 536 t/a，氨氮水環(huán)境容量為2 132 t/a，總磷水環(huán)境容量為173.7 t/a，需要調(diào)水30 m3/s，國(guó)考七橋甕斷面水質(zhì)才達(dá)標(biāo)。在遠(yuǎn)期(2020年以后)七橋甕污染物控制單元內(nèi)COD水環(huán)境容量為24 536 t/a，氨氮水環(huán)境容量為609 t/a，總磷水環(huán)境容量為49.6 t/a，無(wú)須調(diào)水，國(guó)考七橋甕斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

□

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