基于污染溯源分析的湯水河考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案研究

劉 媛，逄 勇，王子軒，張 鵬

(1. 河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開發(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)

1 研究背景

流域水環(huán)境規(guī)劃是以國家有關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)導(dǎo)向的流域水環(huán)境控制和治理規(guī)劃，主要工作包括：提出流域水體功能區(qū)劃和水質(zhì)控制指標(biāo)、確定水質(zhì)超標(biāo)河段和主要污染物、確定各河段主要污染物的環(huán)境容量、確定各排污口的允許排放量，并提出最佳治理方案、預(yù)測(cè)污染治理費(fèi)用等[1]。在國外的流域治理研究領(lǐng)域，Kannel、Noh等學(xué)者[2～4]建立水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，以下游水質(zhì)達(dá)標(biāo)為前提，對(duì)水質(zhì)和污染物負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算，得到流域的水質(zhì)預(yù)測(cè)值和允許污染負(fù)荷。

近年來，我國創(chuàng)新流域規(guī)劃治理思路[5]，根據(jù)“水十條”的要求，未達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)要求的地區(qū)需要制定達(dá)標(biāo)方案[6]，其中多數(shù)以考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)為整治目標(biāo)。目前，我國學(xué)者采用不同模型及分析方法對(duì)斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。逄勇[7]利用一維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型研究東官河河網(wǎng)水質(zhì)水量變化規(guī)律，并設(shè)計(jì)了近中遠(yuǎn)期方案，計(jì)算不同保證率下水量水質(zhì)后分析推薦方案可行性；王子軒[8]利用河網(wǎng)模型，基于各水功能區(qū)和入湖河道的最大允許排污量結(jié)果，設(shè)計(jì)了7種污染物削減方案；花月[9]在張家港河干流設(shè)置3個(gè)控制斷面，制定不同計(jì)算方案，最終確定了控制斷面在達(dá)標(biāo)前提下的污染削減量；畢良芹[10]采用控制斷面達(dá)標(biāo)法計(jì)算得到入胥河的水環(huán)境容量，結(jié)合污染物入河量，確定了研究區(qū)域各類污染物的削減比例；劉一童[11]通過收集居民用水量和污水廠資料，提出了有效生活污水處理率以提高污染物入河量計(jì)算精度，并得出斷面達(dá)標(biāo)時(shí)南京鼓樓區(qū)的水環(huán)境容量。綜上可見，目前學(xué)者多是根據(jù)現(xiàn)狀污染物量確定控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案，缺乏對(duì)污染來源的影響分析，所提出的整治措施針對(duì)性不強(qiáng)。因此本文將在計(jì)算水環(huán)境容量基礎(chǔ)上，進(jìn)行污染溯源分析，進(jìn)而提出近遠(yuǎn)期達(dá)標(biāo)整治方案。

湯水河屬省、市骨干河道。起點(diǎn)為石湫河口，訖點(diǎn)為湯山鎮(zhèn)南側(cè)，總長23.29km，由北向南匯入句容河，進(jìn)而匯入秦淮水系。后橋頭路橋斷面位于湯水河干流下游，轄屬淳化街道，為江寧區(qū)考核斷面，考核標(biāo)準(zhǔn)為Ⅲ類，現(xiàn)狀水質(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重。為此，將后橋頭路橋斷面作為研究斷面，開展基于溯源分析的湯水河考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案研究，以達(dá)到保障湯水河水質(zhì)達(dá)標(biāo)、改善秦淮水系水環(huán)境質(zhì)量的目的。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 區(qū)域概況

湯水河自北向南分別流經(jīng)南京江寧區(qū)湯山新城、湯山街道、鎮(zhèn)江句容市華陽鎮(zhèn)以及南京江寧區(qū)淳化街道。湯水河淳化街道段指北以湯山街道張府倉橋斷面為起點(diǎn)，南以句容河為界的湯水河干支流，匯水面積49.43km2。湯水河流域水系概況見圖1。

圖1 湯水河水系及同步監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布Fig.1 The location map of Tangshui river system and synchronous monitoring sites

2.2 水環(huán)境容量計(jì)算方法

2.2.1 基于斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水環(huán)境容量計(jì)算方法

基于考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水環(huán)境容量是指依據(jù)水功能區(qū)水質(zhì)邊界條件，在設(shè)計(jì)水文條件下，滿足考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)要求的區(qū)域內(nèi)污染源的最大允許排放量。

2.2.2 主要污染源及概化排口

后橋頭路橋斷面轄屬淳化街道，因此基于后橋頭路橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水環(huán)境容量計(jì)算范圍為湯水河淳化街道段。湯水河淳化街道段主要污染源為生活源，存在部分農(nóng)田面源和畜禽養(yǎng)殖污染。按照污染源概化原則，湯水河淳化街道段共概化出5個(gè)排污口，污染源概化結(jié)果見圖2。

圖2 湯水河淳化街道段污染源概化結(jié)果圖Fig.2 Schematic results of pollution sources in Chunhua street section of Tangshui river

2.2.3 水環(huán)境數(shù)學(xué)模型建立

一維穩(wěn)態(tài)模型可以很好模擬水質(zhì)和污染源之間的關(guān)系，故本文利用一維穩(wěn)態(tài)計(jì)算公式[12]建立湯水河流域水質(zhì)模型。

(1)

(2)

其中：C0——排放污水或入流支流與上游來水稀釋后的混合濃度，mg/L；k——污染物的降解系數(shù)，d-1；x——河道沿程距離，m；u——河道水流流速，m/s；C上——河道上游來水水質(zhì)，mg/L；Cq——排污口污染物排放濃度或匯入支流水質(zhì)濃度，mg/L；Q上——河道上游來水水量，m3/s；q——排污口污水排放量或流入支流的流量，m3/s；

水文條件方面，采用90%保證率下的徑流量作為設(shè)計(jì)水文條件；水質(zhì)邊界方面，湯水河干流上游水質(zhì)邊界取交界斷面水質(zhì)濃度值，支流水質(zhì)邊界根據(jù)所處功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)確定。

水質(zhì)參數(shù)方面，根據(jù)式(1)、式(2)，利用同步監(jiān)測(cè)斷面中9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)斷面的實(shí)測(cè)流速、流量及水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定，率定公式見式(3)，式中各參數(shù)定義及單位同式(1)、式(2)。最終率定得到COD降解系數(shù)為0.08 d-1，氨氮降解系數(shù)為0.06 d-1，總磷降解系數(shù)為0.06 d-1。

(3)

2.3 污染溯源分析方法

目前斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案多是根據(jù)區(qū)域水質(zhì)超標(biāo)原因以及現(xiàn)狀污染物量和水環(huán)境容量二者的相對(duì)差值量確定。對(duì)于跨界或污染來源復(fù)雜的考核斷面而言，根據(jù)整個(gè)區(qū)域的污染情況來制定水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案不夠精確，所提出的整治措施針對(duì)性不強(qiáng)，水質(zhì)改善效果欠佳，因此需要進(jìn)行污染溯源分析，在此基礎(chǔ)上提出水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案。

污染來源復(fù)雜的考核斷面一般可分為以下兩種情況：一是河流上游有另一考核斷面或交界斷面，二是考核斷面上游河段存在跨界支流。以上情況需借助污染物通量計(jì)算來實(shí)現(xiàn)考核斷面的污染溯源分析，污染物通量計(jì)算方法為：

Wi=0.0864×Qi×Ci

(4)

其中：Wi為斷面污染物通量，t/d；Qi為斷面監(jiān)測(cè)流量，m3/s；Ci為斷面監(jiān)測(cè)濃度，mg/L。

3 結(jié)果與分析

3.1 水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果

依據(jù)上述計(jì)算方法和具體降解系數(shù)，計(jì)算得到在90%保證率條件下，后橋頭路橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)的近期(2017年，基本達(dá)到Ⅲ類)、遠(yuǎn)期(2020年，穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類)各概化排口的允許排污量。允許排污量的總和即為后橋頭路橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)，湯水河淳化街道段的水環(huán)境容量，計(jì)算結(jié)果見表1。從表1可見，遠(yuǎn)期(2020年)后橋頭路橋斷面達(dá)到Ⅲ類水要求時(shí)，水環(huán)境容量分別為：COD 197.39 t/a，氨氮18.50 t/a，總磷2.22 t/a。結(jié)果表明，目前各類污染物總量均超標(biāo)，需進(jìn)行大幅削減，遠(yuǎn)期COD、氨氮、總磷削減率為51%、41%、48%。

表1 湯水河淳化街道段水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果表Tab.1 Calculation results of water environmental capacity of Chunhua street section of Tangshui river (t/a)

3.2 基于溯源分析的水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案制定

3.2.1 后橋頭路橋斷面污染溯源分析

湯水河自北向南流經(jīng)南京江寧區(qū)湯山新城、湯山街道、鎮(zhèn)江句容市華陽鎮(zhèn)以及南京江寧區(qū)淳化街道，湯水河下游后橋頭路橋斷面污染來自上游湯山來水、境外句容客水以及淳化街道，污染情況繁復(fù)。因此需對(duì)后橋頭路橋斷面進(jìn)行污染溯源分析，進(jìn)而設(shè)計(jì)不同計(jì)算方案，并利用水環(huán)境數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)不同方案條件下后橋頭路橋斷面的水質(zhì)達(dá)標(biāo)狀況。

首先分析湯水河上游湯山對(duì)下游后橋頭路橋斷面的污染貢獻(xiàn)?，F(xiàn)假設(shè)湯山轄區(qū)內(nèi)考核斷面張府倉橋水質(zhì)為地表水Ⅲ類水，即COD 20mg/L、氨氮1mg/L、總磷0.2mg/L，根據(jù)模型計(jì)算后橋頭橋斷面通量為Wa?，F(xiàn)狀后橋頭路橋斷面通量為Wb，Wb與Wa之差即為湯山的污染影響權(quán)重。

進(jìn)一步分析句容對(duì)對(duì)后橋頭路橋斷面的污染貢獻(xiàn)。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，句容境內(nèi)存在生活污水和畜禽養(yǎng)殖廢水違規(guī)排放的現(xiàn)象，污染物通過馬西河以及黃梅橋河進(jìn)入湯水河。根據(jù)水文水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)資料，選取斷面6、8、9、10、11、12的流量、水質(zhì)數(shù)據(jù)利用式4進(jìn)行通量計(jì)算。將句容對(duì)湯水河污染貢獻(xiàn)通量分為三塊，第一塊為6號(hào)斷面至9號(hào)斷面河段，該段污染通量凈增量為句容貢獻(xiàn)；第二塊為8號(hào)斷面至11號(hào)斷面河段，該段污染通量凈增量為句容與南京各自貢獻(xiàn)一半；第三塊為10號(hào)斷面污染物通量，該斷面通量均為句容貢獻(xiàn)。

綜合上述計(jì)算結(jié)果，得到湯山、淳化、句容的污染來源影響權(quán)重，具體見圖3，其中句容境內(nèi)和淳化境內(nèi)污染物對(duì)湯水河貢獻(xiàn)率較大。

圖3 后橋頭路橋斷面污染溯源分析結(jié)果Fig.3 Results of analysis of pollution source in section of Houqiaotoulu Bridge section

3.2.2 計(jì)算方案

根據(jù)污染溯源分析結(jié)果，后橋頭路橋斷面水質(zhì)受上游水質(zhì)、句容排污以及淳化街道污染多重客觀因素制約，據(jù)此設(shè)計(jì)出3種計(jì)算方案(表2)，對(duì)后橋頭路橋斷面水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性進(jìn)行分析。

表2 后橋頭路橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)計(jì)算方案Tab.2 Calculation scheme for water quality of Houqiaotoulu Bridge section

3.2.3 計(jì)算結(jié)果及水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性分析

不同方案計(jì)算結(jié)果見表3，從表3可見：

方案1計(jì)算結(jié)果表明，在上游張府倉橋斷面遠(yuǎn)期水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，句容境內(nèi)排污維持現(xiàn)狀，淳化街道采取遠(yuǎn)期整治措施仍難以使考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，因此需要聯(lián)同句容一道對(duì)考核斷面達(dá)標(biāo)進(jìn)行治理；

方案2計(jì)算結(jié)果表明，在上游張府倉橋斷面近期水質(zhì)基本達(dá)Ⅲ類的前提下，句容境內(nèi)進(jìn)行污染源治理，使得句容境內(nèi)入湯水河支流水質(zhì)基本達(dá)Ⅳ類，淳化街道采取近期整治措施，考核斷面基本達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；

方案3計(jì)算結(jié)果表明，在上游張府倉橋斷面遠(yuǎn)期水質(zhì)進(jìn)一步穩(wěn)定達(dá)Ⅲ類的前提下，句容境內(nèi)進(jìn)一步進(jìn)行污染源治理，使得句容境內(nèi)入湯水河支流水質(zhì)滿足Ⅲ類要求，淳化街道采取遠(yuǎn)期整治措施，后橋頭路橋考核斷面水質(zhì)能夠穩(wěn)定達(dá)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

綜上，以方案2作為近期水質(zhì)達(dá)標(biāo)整治方案較優(yōu)，方案3作為遠(yuǎn)期整治方案較優(yōu)，方案實(shí)施后后橋頭路橋斷面可滿足水質(zhì)目標(biāo)要求。

表3 后橋頭路橋斷面水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性分析結(jié)果表Tab.3 Water quality target accessibility analysis results of the Houqiaotoulu Bridge section (mg/L)

4 結(jié) 論

4.1 近期湯水河后橋頭路橋斷面水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，區(qū)域水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果為COD 236.92 t/a，氨氮20.23 t/a，總磷2.48 t/a。遠(yuǎn)期達(dá)到穩(wěn)定達(dá)標(biāo)時(shí)水環(huán)境容量分別為：COD 197.39 t/a，氨氮18.50 t/a，總磷2.22 t/a。

4.2 借助污染物通量進(jìn)行后橋頭路橋斷面污染溯源分析，結(jié)果表明，湯山境內(nèi)污染比重最小，主要為句容和淳化影響，淳化街道與句容市需加強(qiáng)溝通，使其對(duì)句容境內(nèi)黃梅橋河進(jìn)行污染防治和綜合整治，共同促進(jìn)后橋頭路橋斷面水質(zhì)改善。

4.3 根據(jù)污染溯源分析結(jié)果制定了不同水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案，結(jié)果顯示，實(shí)施近、遠(yuǎn)期整治方案后，湯水河后橋頭路橋考核斷面水質(zhì)近期可達(dá)標(biāo)，遠(yuǎn)期可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。