考慮初期雨水污染的平原河網(wǎng)地區(qū)活水效果分析

高 成，顧春旭

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

近年來，我國城市化進程不斷加快，城市水系水環(huán)境質(zhì)量也在不斷惡化。流經(jīng)城市的河流水質(zhì)惡化，大部分城市水體達(dá)不到景觀娛樂水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。平原河網(wǎng)地區(qū)水系錯綜復(fù)雜，河流坡度很小，水動力條件差，水環(huán)境問題更加突出[3-4]。在控源截污的同時，活水補水能夠有效改善平原河網(wǎng)地區(qū)水動力條件，是保證水體流動的重要措施。研究活水補水的水環(huán)境改善效果，對解決平原河網(wǎng)城市水環(huán)境問題具有重要參考意義。

目前國內(nèi)關(guān)于活水補水的研究主要針對水動力條件改善、水質(zhì)的改善以及引水格局和補水方式，研究區(qū)域主要集中在長江三角洲平原。從江蘇、浙江、上海等地的引水配水、暢流活水、引清活水的研究案例來看，通過調(diào)水引水來改善水環(huán)境質(zhì)量，主要體現(xiàn)在河道斷面流速加大、主要污染物濃度降低和河道水位的抬升等方面[5-6]。通過優(yōu)化引水路線、引水格局，可以實現(xiàn)重要節(jié)點的水質(zhì)達(dá)標(biāo)[7-8]；通過優(yōu)化補水方式，可以在保證水質(zhì)目標(biāo)實現(xiàn)的前提下，實現(xiàn)引水水源和水量的優(yōu)化[9]。目前已有的研究主要從常態(tài)下活水補水的工程建設(shè)、調(diào)度方式、引調(diào)水量等方面對水質(zhì)改善效果的影響進行研究，未考慮雨天初期雨水污染這一重要因素對活水效果的影響。本研究利用Mike系列軟件，建立水量水質(zhì)耦合模型，對有無初期雨水污染下的活水補水方案進行模擬計算，研究初期雨水污染對活水效果的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域為鹽城市第Ⅲ防洪區(qū)，位于里下河腹地東翼，境內(nèi)河網(wǎng)密布，縱橫交錯，同時也是鹽城市的核心區(qū)，人口稠密，經(jīng)濟發(fā)達(dá)。研究區(qū)面積108.73 km2，外圍由54座水閘、閘站分隔區(qū)內(nèi)河道和區(qū)外河道包圍，形成一個封閉的防洪區(qū)。研究區(qū)水系見圖1，區(qū)內(nèi)河道118條，總長309.20 km，主要功能定位是排澇、調(diào)蓄、景觀，水流流向為自西向東、自西南向北。區(qū)外河道有蟒蛇河、新越河、新洋港、通榆河、小新河、三墩港和大馬溝等，區(qū)外河道是區(qū)域的行洪通道。非汛期，通過調(diào)度外圍水閘及閘站，從外河向內(nèi)河補水，維持一定景觀水位；汛期，關(guān)閉外圍水閘，利用排澇閘站將區(qū)內(nèi)澇水抽排進入外河[10]。

圖1 研究區(qū)水系

受周邊點源、面源和內(nèi)源污染的影響，第Ⅲ防洪區(qū)整體水質(zhì)狀況不佳，COD、NH3-N、TP均超標(biāo)，其中NH3-N為主要污染物。以NH3-N為標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)劣Ⅴ類水體占到57%，重度黑臭河道有24條，占9.3%，輕度黑臭河道28 條，占16%。區(qū)域內(nèi)的污染來源有生活污水、工業(yè)企業(yè)污水、污水處理廠尾水、種植業(yè)、河道底泥以及初期雨水徑流污染，其中生活污水以及初期雨水徑流污染為主要污染來源。

2 研究方法

2.1 常規(guī)活水方案

在綜合考慮研究區(qū)的水源及水利工程分布情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合西南高、東北低的地形特點，根據(jù)“東西南三面進水，北面排水”的原則，擬定了活水方案，封閉第Ⅲ防洪區(qū)外圍所有口門，從通榆河預(yù)處理水廠引水30萬m3/d至串場河世紀(jì)大道橋下，從鹽龍湖水庫引水30萬m3/d至鹽塘河西端，從通榆河引水15萬m3/d至朝陽河、分界河，從小新河引水10萬m3/d進入東干渠，從大馬溝引水15萬m3/d進入向陽河、利民河，從串場河閘站和小洋河?xùn)|支閘站排水100萬m3/d進入新洋港?；钏桨敢妶D2。

圖2 活水方案

2.2 初期雨水污染負(fù)荷計算方法

初期雨水污染負(fù)荷的計算方法主要有3種：①根據(jù)水質(zhì)水量同步監(jiān)測數(shù)據(jù)計算初期雨水污染負(fù)荷；②通過分析大量的實測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析初期雨水污染負(fù)荷；③通過模擬污染物的產(chǎn)生過程，利用模型計算初期雨水污染負(fù)荷[11-12]。本研究區(qū)域缺乏相關(guān)的降雨水質(zhì)實測資料，需要對初期雨水污染負(fù)荷進行估算。對于無資料的地區(qū)，有學(xué)者建議屋面雨水取2～3 mm、地面雨水取3～5 mm作為初期雨水量[13]；也有國外的學(xué)者在研究雨水污染初期效應(yīng)時采用20/80或30/70法則，即認(rèn)為一場降雨中前20%的徑流包含了80%的污染負(fù)荷，或降雨的前30%徑流包含了整場降雨大約70%的污染負(fù)荷；還有研究者認(rèn)為降雨徑流最初的12.7 mm(0.5英寸)徑流中包含了大部分的污染物，即半英寸法等。本次計算中根據(jù)排水體制不同，確定不同的計算標(biāo)準(zhǔn)[14]。合肥市老城區(qū)與本研究區(qū)均為城市核心區(qū)，且地理位置相對接近，具有一定的參考意義。合肥市老城區(qū)合流制系統(tǒng)的NH3-N質(zhì)量濃度為10.6 mg/L，城中村沖溝的NH3-N質(zhì)量濃度為10.9 mg/L，混接分流制系統(tǒng)的NH3-N質(zhì)量濃度為10.6 mg/L[15]。本研究考慮最不利的初期雨水污染情況，選取降雨量為8 mm，降雨歷時為3 h的降雨過程計算初期雨水徑流量。對118條河道劃分積水區(qū)域，模擬各個河段的初期雨水徑流過程，結(jié)合排水分區(qū)，合流制區(qū)域和分流制區(qū)域NH3-N質(zhì)量濃度均取11 mg/L，初雨徑流污染沿河進入河道。

2.3 模型構(gòu)建

2.3.1模型介紹

Mike系列模型包括Mike Zero、Mike Urban、Mike C-MAP、WEST和FEFLOW，其中主要用于地表水模擬的Mike Zero又包含Mike11、Mike21、Mike3、Mike SHE、Mike HYDRO等一系列組件。本次研究采用的Mike11軟件主要用于河渠的水流、水質(zhì)以及泥沙的一維模擬，軟件由水動力模塊、對流擴散模塊、水質(zhì)模塊、降雨徑流模塊、洪水預(yù)報模塊組成，其核心模塊為水動力模塊。水動力模塊(HD模塊)可以模擬河道斷面的水位、流量、流速等，對流擴散模塊(AD模塊)可以模擬物質(zhì)在水體中的對流擴散過程，通過耦合水動力模塊和對流擴散模塊可以進行河道的水質(zhì)模擬[16-17]。Mike11 HD模塊采用6點Abbott-Ionescu有限差分格式求解圣維南方程組[18]：

(1)

式中：A為河道過水面積，m2；Q為流量，m3/s；u為側(cè)向來流在河道方向的流速，m/s；t為時間，s；x為沿水流方向的水平坐標(biāo)，m；q為河道的側(cè)向來流量，m2/s；α為動量修正系數(shù)；g為重力加速度，m2/s；y為水位，m；Sf為摩阻坡降。

在Mike11 HD模塊的基礎(chǔ)之上，Mike11 AD模塊根據(jù)HD模塊產(chǎn)生的水動力條件，應(yīng)用對流擴散方程[19-21]進行計算：

(2)

2.3.2河網(wǎng)概化

河道概化是模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，河道概化必須保證概化后的河道能夠模擬區(qū)域的蓄水能力和水流方向。對于平原河網(wǎng)地區(qū)，河道概化遵循先主干河道后次要河道的原則。根據(jù)研究區(qū)的河道斷面測量資料，對河網(wǎng)進行概化，得到118條河道、930個節(jié)點、1 500個河道斷面，總長約300 km。根據(jù)污染源調(diào)查結(jié)果，將面源、內(nèi)源污染分別概化到118條河道，概化了500處點源污染排放口。

2.3.3模型參數(shù)

HD模塊參數(shù)主要是定義模擬的初始條件和河床糙率。初始條件設(shè)定的一個很重要目的是讓模型平穩(wěn)啟動，所以原則上初始水位和流量的設(shè)定應(yīng)盡可能與模擬開始時刻的河網(wǎng)水動力條件一致[22]。本次設(shè)置初始水位為區(qū)內(nèi)正常蓄水位；河床糙率根據(jù)地質(zhì)資料及河道整治情況，按照糙率表進行初步選定。根據(jù)河道不同斷面及護坡類型，參考《水力計算手冊(第二版)》，本次河道糙率選擇范圍為0.025～0.035。根據(jù)2011年洪水相關(guān)成果，最高水位在2.20 m左右?？紤]2011年防洪已形成閉合保護圈，排澇泵站抽排能力208 m3/s，據(jù)此設(shè)置模型，計算得到最高水位為2.15 m。計算值偏小，可能是由于本次模擬考慮泵站全開，與實際調(diào)度方式不符。同時，根據(jù)《鹽城市城市防洪規(guī)劃(2015—2030年)》，規(guī)劃現(xiàn)狀最高水位為2.00 m，而本次模型計算水位為1.98 m，基本相符，說明參數(shù)選擇基本合理。

AD模塊參數(shù)主要是定義模擬污染物的初始濃度和物質(zhì)特性。本次研究選取NH3-N作為主要水質(zhì)指標(biāo)，因現(xiàn)狀水質(zhì)大部分處于Ⅴ類甚至劣Ⅴ類，所以NH3-N的質(zhì)量濃度初始值取2.0 mg/L。昆山市位于太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)，水流速度極緩，與研究區(qū)氣候、水力等條件相差不大，因此結(jié)合全國地表水水環(huán)境容量核定中給出的參考值以及昆山市的相關(guān)研究成果[6]， NH3-N的衰減系數(shù)取0.04 d-1，擴散系數(shù)D根據(jù)經(jīng)驗公式確定：

D=avb

(3)

式中：v為流速，由HD模塊得到；a和b為系數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗，小溪的擴散系數(shù)一般在1～5 m2/s，河流的擴散系數(shù)一般在5～20 m2/s。一般說來，流速越大，擴散系數(shù)越大。

2.3.4邊界條件

在活水方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計晴天和雨天兩個方案進行模擬。晴天(方案1)主要考慮點源污染，包括生活污水排放、工業(yè)企業(yè)污水排放、污水處理廠尾水排放、種植業(yè)污染和內(nèi)源污染的釋放。而雨天(方案2)在晴天的基礎(chǔ)上增加由降雨所帶來的初期雨水污染。兩種方案的水量、水質(zhì)計算邊界相同，水量計算邊界為：從串場河閘站、小洋河?xùn)|支閘站抽排100萬t/d，從通榆河、小新河、大馬溝、鹽龍湖水庫、通榆河預(yù)處理水廠向區(qū)內(nèi)補水100萬t/d；水質(zhì)計算邊界為：通榆河、鹽龍湖水庫、通榆河預(yù)處理水廠補水水源NH3-N質(zhì)量濃度為1.2 mg/L，小新河、大馬溝補水水源NH3-N質(zhì)量濃度為1.0 mg/L。綜合考慮當(dāng)?shù)貙嶋H活水時間周期及斷面基本達(dá)標(biāo)所需時間，計算歷時取216 h。

3 結(jié)果分析

3.1 污染物濃度總體分布

以NH3-N濃度為指標(biāo)，分析計算各方案下河道內(nèi)NH3-N濃度分布，動態(tài)模擬結(jié)果見圖3、圖4。

由圖3、圖4可知，中部地區(qū)水質(zhì)較差，而西南地區(qū)水質(zhì)較好，主要原因是中部地區(qū)人口密集，污染排放較多，而西南部郊區(qū)開發(fā)程度較低，污染較少?？傮w來看，由于雨天初期雨水污染匯入河道，方案2下的NH3-N質(zhì)量濃度要高于方案1，活水168 h后，方案1下大部分?jǐn)嗝鍺H3-N質(zhì)量濃度達(dá)到IV類水標(biāo)準(zhǔn)，方案2下大部分?jǐn)嗝鍺H3-N質(zhì)量濃度達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)?；钏蟛煌琋H3-N質(zhì)量濃度的斷面占比見表1。

圖3 方案1下不同活水時間NH3-N質(zhì)量濃度分布

圖4 方案2下不同活水時間NH3-N質(zhì)量濃度分布

由表1可知，方案1下，NH3-N質(zhì)量濃度大于2.0 mg/L的斷面占比呈遞減趨勢；NH3-N質(zhì)量濃度介于1.5～2.0 mg/L的斷面占比亦呈遞減趨勢；NH3-N質(zhì)量濃度介于1.0～1.5 mg/L的斷面占比呈遞增趨勢；NH3-N質(zhì)量濃度小于等于1.0 mg/L的斷面占比亦呈遞增趨勢。方案2下，NH3-N質(zhì)量濃度大于2.0 mg/L的斷面占比呈遞減趨勢；NH3-N質(zhì)量濃度介于1.5～2.0 mg/L的斷面占比呈先增后減趨勢，峰值出現(xiàn)在活水后96 h；NH3-N質(zhì)量濃度介于1.0～1.5 mg/L的斷面占比呈遞增趨勢；NH3-N質(zhì)量濃度小于等于1.0 mg/L的斷面占比亦呈遞增趨勢。

表1 活水后不同NH3-N質(zhì)量濃度的斷面占比

方案1水質(zhì)改善效果活水前96 h較好，120 h后水質(zhì)改善效果不明顯，方案2水質(zhì)改善效果活水前144 h較好，168 h后水質(zhì)改善效果不明顯，這與研究區(qū)內(nèi)水體水質(zhì)和補水水源水質(zhì)有關(guān)。方案1下，活水后24～72 h大部分水體為Ⅴ類水，從96 h開始，Ⅳ類水已經(jīng)有50%以上，而外部補水為Ⅲ、Ⅳ類水，故補水活水效果最好在前96 h，96 h后水質(zhì)改善效果有所下降。方案2下，活水后24～72 h，劣Ⅴ類水占比最大，活水后96～120 h，Ⅴ類水占比最大，從活水后144 h開始，Ⅳ類水占比最大，外部補水為Ⅲ、Ⅳ類水，故補水活水效果最好在前144 h，144 h后水質(zhì)改善效果有所下降。

對比方案1和方案2，從活水后24～216 h，方案2下NH3-N質(zhì)量濃度大于2.0 mg/L的斷面占比始終要大于方案1；活水216 h后，方案1下NH3-N質(zhì)量濃度小于等于1.5 mg/L的斷面占比達(dá)到90.7%，而方案2下該類斷面占比僅達(dá)到62.2%。由于初期雨水污染的匯入，方案2下水質(zhì)要比方案1同期水質(zhì)差，方案2下活水效果較方案1差。

3.2 控制斷面污染物濃度

根據(jù)水質(zhì)考核要求，選取兩處國考斷面進行研究，其中控制斷面1位于串場河世紀(jì)大道橋補水點下游6.4 km，控制斷面2位于串場河世紀(jì)大道橋補水點下游2.8 km，計算分析各方案下控制斷面NH3-N質(zhì)量濃度變化情況?？刂茢嗝嫖恢梅植家妶D2，兩種方案下控制斷面NH3-N質(zhì)量濃度變化見表2。

表2 兩個控制斷面NH3-N質(zhì)量濃度變化

由表2可知，方案1中，活水開始后，控制斷面1的NH3-N質(zhì)量濃度遞減，最終達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)；控制斷面2的NH3-N質(zhì)量濃度遞減，最終也達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。方案2中，活水開始后，控制斷面1的NH3-N質(zhì)量濃度先增后減，在120 h達(dá)到峰值(2.29 mg/L)，最終接近Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)；控制斷面2的NH3-N質(zhì)量濃度在6～12 h略有降低，12～18 h增加并達(dá)到峰值(2.12 mg/L)，18 h之后濃度又開始降低，最終達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

對比方案1和方案2，對于控制斷面1，方案2下NH3-N質(zhì)量濃度高于方案1下相同時刻的NH3-N質(zhì)量濃度；方案1下NH3-N質(zhì)量濃度降至1.50 mg/L需要180 h，方案2下NH3-N質(zhì)量濃度在216 h仍在2.00 mg/L之上。對于控制斷面2，方案2下NH3-N質(zhì)量濃度亦高于方案1下相同時刻的NH3-N質(zhì)量濃度；方案1下NH3-N質(zhì)量濃度降至1.50 mg/L需要120 h，方案2下NH3-N質(zhì)量濃度降至1.50 mg/L需要192 h。方案1下，兩個斷面的NH3-N質(zhì)量濃度均呈遞減趨勢，方案2下，兩個斷面的NH3-N質(zhì)量濃度則均呈先增后減趨勢。據(jù)此不難發(fā)現(xiàn)，由于初期雨水污染的匯入，控制斷面NH3-N質(zhì)量濃度迅速增加，相同活水方案下，考慮初期雨水污染后，活水效果變差，為保證控制斷面NH3-N質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)，需要更長的活水時間。

對比控制斷面1和控制斷面2，在方案1和方案2下，活水12 h后，控制斷面1的NH3-N質(zhì)量濃度均要高于相同時刻控制斷面2的NH3-N質(zhì)量濃度。結(jié)合活水方案，不難發(fā)現(xiàn)，控制斷面1位于控制斷面2下游，上游水質(zhì)優(yōu)于下游水質(zhì)。方案2下，控制斷面1的NH3-N質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)在活水后120 h，控制斷面2的NH3-N質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)在活水后18 h，由于控制斷面1和控制斷面2位于匯流通道的不同位置，雨水徑流匯到下游的時間較長，故位于下游的控制斷面1的 NH3-N質(zhì)量濃度峰現(xiàn)時間較位于其上游的控制斷面2長。

4 結(jié) 論

a. 活水方案的水質(zhì)改善效果與引水水質(zhì)和污染物濃度分布有關(guān)，當(dāng)區(qū)域內(nèi)50%的水體接近引水水質(zhì)時，水質(zhì)改善效果已不明顯。

b. 初期雨水污染的匯入增加了全區(qū)域的污染物濃度，整體水環(huán)境質(zhì)量下降?；钏繕?biāo)為大部分達(dá)到Ⅳ類水時，考慮初期雨水污染的活水時間較未考慮初期雨水污染的活水時間多48～72 h。

c. 初期雨水污染導(dǎo)致了降雨初期斷面污染物濃度短期內(nèi)迅速增加。保證控制斷面2水質(zhì)達(dá)標(biāo)時，考慮初期雨水污染的活水時間較未考慮初期雨水污染的活水時間多72 h。由于匯流時間不同，控制斷面1的污染物濃度峰現(xiàn)時間較控制斷面2推遲102 h。