重大調(diào)水工程水質(zhì)風險影響分析

石全 顏志俊 張玉珍 趙海濤 王會容 張森

摘要：指出了江蘇段是南水北調(diào)東線調(diào)水工程的源頭，調(diào)水水質(zhì)達標風險來源于沿線城市經(jīng)濟社會發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程加快的各種人類活動，特別是輸水干線區(qū)域污染源種類多、來源廣、排放量大。建立了東線江蘇段水環(huán)境數(shù)學模型，進行了水質(zhì)風險影響計算分析，結果表明：輸水主干線調(diào)藺家壩、張樓和塔集水質(zhì)監(jiān)控斷面水質(zhì)不能持續(xù)穩(wěn)定達標，存在水質(zhì)污染風險。

關鍵詞：南水北調(diào);東線江蘇段;水環(huán)境模型;水質(zhì)風險

中圖分類號：X143

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）6-0009-04

1東線江蘇段污染治理現(xiàn)狀

根據(jù)《南水北調(diào)東線工程治污規(guī)劃》（2001年），東線工程2013年初步調(diào)水通水。《南水北調(diào)東線工程江蘇段控制單元治污實施方案>確定東線江蘇段14個考核斷面，要求一期工程輸水干線水質(zhì)（高錳酸鹽指數(shù)、氨氮）必須穩(wěn)定達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準>（ GB3838 -2002）Ⅲ類水質(zhì)標準 。

東線江蘇段沿線區(qū)域水網(wǎng)密布，河流交叉.河湖貫通，涉及長江水、淮河水和當?shù)厮?，運行環(huán)境復雜且沿線污染來源廣泛，影響水質(zhì)因素眾多，既有工業(yè)和城市點源污染.又有農(nóng)業(yè)面源、航運和養(yǎng)殖業(yè)污染等，呈現(xiàn)結構性污染的復雜特征。目前，南水北調(diào)東線江蘇段治污工程已基本完成，輸水干線控制斷面水質(zhì)基本達標，但隨著東線江蘇段輸水干線沿線地區(qū)經(jīng)濟社會快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程加快，水污染壓力日益增加，環(huán)境負荷越來越大。因此，建立東線江蘇段東線江蘇段水環(huán)境數(shù)學模型，分析東線江蘇段水質(zhì)風險，評估重點控制斷面污染和水質(zhì)影響，確保輸水干線水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定達標意義重大。

2東線江蘇段水環(huán)境數(shù)學模型

2.1水量模型基本方程

水量計算的微分方程是建立在質(zhì)量和動量守恒定律基礎上的圣維南方程組，以流量Q（x，t）和水位Z（x，t）為未知變量，并補充考慮了漫灘和旁側人流的完全形式圣維南方程組如下：

式（1）中：Q為流量;x為沿水流方向空間坐標;BW為調(diào)蓄寬度;Z為水位;t為時間坐標;q為旁側人流流量，人流為正，出流為負;u為斷面平均流速;g為重力加速度;A為主槽過水斷面面積;B為主流斷面寬度;n為糙率;R為水力半徑。

對上述方程組以Preissmann四點線性隱式差分格式將其離散，輔以連接條件，形成河道方程，以微段、河段、汊點三級聯(lián)解的方法求解。

2.2水質(zhì)模型基本方程

河網(wǎng)對流傳輸移動問題的基本方程如下：

河道方程：

式（2）、（3）中：Q、Z是流量及水位;A是河道面積;Ex是縱向分散系數(shù);C是水流輸送的物質(zhì)濃度;Ω是河道叉點一節(jié)點的水面面積;j是節(jié)點編號;I是與節(jié)點j相聯(lián)接的河道編號;Sc是與輸送物質(zhì)濃度有關的衰減項，例如可寫為Sf=KdAC;Kd是衰減因子;S是外部的源或匯項。

對時間項采用向前差分，對流項采用上風格式，擴散項采用中心差分格式。

2.3輸水河道與排污口概化

南水北調(diào)東線江蘇段輸水干線，南起長江，北達南四湖，總長約300km。區(qū)域涉及揚州市、泰州市、淮安市、宿遷市、徐州市5個市17個縣（市、區(qū)），主要河流有三陽河，里運河，中運河，徐洪河和不牢河等，湖泊有高郵湖、洪澤湖和駱馬湖等 。

為便于模型計算，首先必須將東線江蘇段沿線輸水干線河道進行概化，形成一個有河道、有節(jié)點的概化河網(wǎng)。將天然河網(wǎng)進行合并、概化，概化為河道為水平底坡、梯形斷面.概化斷面用底高、底寬和邊坡三要素來描述。東線江蘇段輸水河道進行模型概化，見圖1。

根據(jù)東線江蘇段的工業(yè)直排污染源、污水處理廠污染源及城鎮(zhèn)生活直排污染源的調(diào)查，根據(jù)沿線區(qū)域地形條件以及各類污染源的空間分布，將區(qū)域所有污染源概化到27個排污口，見圖2;概化排污口具體信息，見表1。

2.4模型參數(shù)率定

水量模型參數(shù)率定。根據(jù)2010年1月1日-12月31日東線江蘇段樊川站、宿遷閘水文站逐日水文資料，利用建立的河網(wǎng)模型和設定的邊界條件，對水量模型進行率定。率定后的段樊川站、宿遷閘水位相對誤差，分別為0.69%和1.07%，表明水量模型可用于描述東線江蘇段沿線區(qū)域的水量變化過程，率定得到河道糙率為0.018--0.025。

水質(zhì)模型參數(shù)率定。根據(jù)2010年1月1日-12月31日馬陵翻水站斷面水質(zhì)監(jiān)測資料，利用建立的河網(wǎng)模型和設定的邊界條件，對水質(zhì)模型進行率定。率定后的馬陵翻水站斷面COD、氨氮相對誤差分別為5.7%和8.3%，表明水質(zhì)模型可用于描述東線江蘇段沿線區(qū)域的水質(zhì)變化過程。率定得到COD降解系數(shù)為0.08～0.12d^-1，氨氮降解系數(shù)為0.06～0.08d-1。3東線江蘇段水質(zhì)風險影響分析

東線江蘇段14個國控水質(zhì)監(jiān)測斷面，其中有6個監(jiān)測斷面位于輸水主干線上，分別為江都西閘（新通揚運河）、塔集（入江水道）、五叉河口（里運河）、馬陵翻水站（里運河）、張樓（中運河）和藺家壩（不牢河）。

經(jīng)東線江蘇段水環(huán)境數(shù)學模型計算分析，輸水主干線的藺家壩、張樓和塔集3個監(jiān)控斷面存在較大的水質(zhì)風險。

3.1控制斷面污染源結構分析

東線江蘇段輸水干線的藺家壩、張樓、塔集3個重點監(jiān)控斷面將受到周邊排污口污染帶的影響，水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定達標存在風險，污染源結構，見表2。

3.1.1藺家壩斷面

2號排污口COD入河量主要為養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)田種植和農(nóng)村生活，分別占26.5%、24.3%和20.9%;氨氮入河量主要為工業(yè)企業(yè)、城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活，分別占22.8%、21.2%和20.2%。

3.1.2張樓斷面

5號排污口COD入河量主要為城鎮(zhèn)生活、養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村生活，分別占28.8%、25.2%和22.O%;氨氮入河量主要為工業(yè)企業(yè)和城鎮(zhèn)生活，分別占30.9%和22.0%。

3.1.3塔集斷面

9號排污口COD入河量主要為養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村生活和城鎮(zhèn)生活，分別占36.6%、25.6%和21.6%;氨氮入河量主要為養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村生活和城鎮(zhèn)生活，分別占34.2%、20.5%和20.5%。

3.2排污口污染帶影響分析

（1）2號排污口污染帶對藺家壩斷面的影響。2號排污口在調(diào)水運行期的最大調(diào)水量的情況下將產(chǎn)生2600--2800m左右的排污帶，2號排污口距離藺家壩斷面3000m左右，在污染源排放情況波動30%的情況下，排污帶長度將達到3380--3640m，污染帶長度過長將威脅斷面水質(zhì)達標。

（2）5號排污口污染帶對張樓斷面的影響。5號排污口在調(diào)水運行期的最大調(diào)水量的情況下將產(chǎn)生2400--2600m左右的排污帶，5號排污口距離張樓斷面3000m左右，在污染源排放情況波動30%的情況下，排污帶長度將達到3120--3380m，污染帶長度過長將威脅斷面水質(zhì)達標。

（3）9號排污口污染帶對塔集斷面的影響。9號排污口在調(diào)水運行期的最大調(diào)水量的情況下將產(chǎn)生1700～1900m左右的排污帶，9號排污口距離塔集斷面2000m左右，在污染源排放情況波動30%的情況下，排污帶長度將達到221～24700m，污染帶長度過長將威脅斷面水質(zhì)達標。

3.3水質(zhì)監(jiān)測指標最大值波動趨勢影響分析

（1）2004--2015年藺家壩斷面高錳酸鹽指數(shù)監(jiān)測最大值在5～8mg/L之間，氨氮監(jiān)測最大值在0.5～1mg/L之間，但兩項監(jiān)測最大值與輸水干線水質(zhì)目標Ⅲ類水質(zhì)標準均較接近。在考慮到30%風險波動率的情況下，藺家壩斷面高錳酸鹽指數(shù)可能發(fā)生超標現(xiàn)象，因此水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定達標仍存在一定的風險。

（2）2004--2015年張樓斷面高錳酸鹽指數(shù)和氨氮年最大值逐漸降低，2009年之后相對較好。高錳酸鹽指數(shù)監(jiān)測最大值基本在4～8mg/L之間，2004年和2005年存在超標現(xiàn)象;氨氮監(jiān)測最大值基本在0.5～4mg/L之間，2004、2005、2006和2009年存在超標現(xiàn)象;在考慮到30%的風險波動情況下，張樓斷面高錳酸鹽指數(shù)和氨氮可能發(fā)生超標現(xiàn)象，因此水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定達標仍存在一定的風險。

（3）2004--2015年塔集斷面高錳酸鹽指數(shù)監(jiān)測年最大值基本在4～6mg/L之間，氨氮年最大值均低于1mg/L，塔集斷面水質(zhì)達標較好。在考慮到30%的風險波動情況下，高錳酸鹽指數(shù)略微超標，因此水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定達標仍存在一定的風險。

4結語

南水北調(diào)東線江蘇段輸水主干線江都西閘、塔集、五叉河口、馬陵翻水站、張樓和藺家壩6個監(jiān)測斷面，經(jīng)東線江蘇段水環(huán)境數(shù)學模型計算分析，得到如下結論：

江都西閘斷面位于新通揚運河，引長江水通過江都站抽水至里運河北送，水質(zhì)較好，不存在風險;五叉河口、馬陵翻水站斷面位于里運河上，里運河水位高于兩側河網(wǎng)水位，并且基本為封閉岸堤，無污染物進入干線水體。塔集斷面位于入江水道.是調(diào)水入洪澤湖的主要控制斷面，近些年淮河蚌埠閘等實施小流量調(diào)度后，出現(xiàn)大流量污水團現(xiàn)象較少，但在暴雨初期仍會有農(nóng)業(yè)面染和農(nóng)村生活污水入河;邳州張樓斷面位于中運河、徐州藺家壩斷面位于駱馬湖以北的不牢河，該區(qū)域污染源復雜、排放量較大，水質(zhì)風險較高。

針對東線江蘇段水質(zhì)風險存在的問題，結合治污目標要求，需要根據(jù)《南水北調(diào)東線工程治污規(guī)劃》“先節(jié)水后調(diào)水、先治污后通水、先環(huán)保后用水”的“三先三后”的原則，創(chuàng)新與深化水污染治理理念，實施治污工程與生態(tài)建設相結合的綜合治理措施，確保輸水干線水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定達標。