武宜運(yùn)河及周邊水系河流水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析與研究

華 晨，王德維，胡尊樂

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局常州分局，江蘇 常州 213022；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局連云港分局，江蘇 連云港 222000)

武宜運(yùn)河是太湖流域上游骨干河道，北接京杭運(yùn)河與長江，南接滆湖與太湖，兼具供水、排澇和航運(yùn)的功能，其河流水質(zhì)狀況對(duì)入太湖河流的水質(zhì)有直接的影響。由于兩岸經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)田徑流及水產(chǎn)養(yǎng)殖排放的污染物質(zhì)排入武宜運(yùn)河，導(dǎo)致其水環(huán)境容量始終處于過載狀態(tài)，河道沿程水質(zhì)均不能達(dá)到水功能區(qū)的要求。在此背景下，開展武宜運(yùn)河及其影響河流水量水質(zhì)演變的監(jiān)測(cè)與研究工作，為查清武宜運(yùn)河污染物的來源和類型、分析推算武宜運(yùn)河及其影響河流水量水質(zhì)分布情況和變化規(guī)律、研究武宜運(yùn)河與太湖的相互影響和流域水環(huán)境保護(hù)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐[1- 3]。

1 區(qū)域概況

1.1 流域概況

武宜運(yùn)河北起京杭運(yùn)河，流經(jīng)常州市武進(jìn)區(qū)、宜興市后流入太湖，流域面積約170km2，流域地形以平原、圩區(qū)為主，兼有部分低山丘陵，河網(wǎng)密布，水系縱橫。武宜運(yùn)河全長約51.3km，沿程穿越太滆運(yùn)河、錫溧漕河、漕橋河、殷村港、燒香港、湛瀆港以及新湛瀆港。京杭運(yùn)河來水匯入武宜運(yùn)河后，一部分通過太滆運(yùn)河流入滆湖，大部分通過漕橋河、殷村港、燒香港以及湛瀆港流向太湖。各運(yùn)河地理位置如圖1所示。

1.2 水環(huán)境現(xiàn)狀

項(xiàng)目區(qū)所在的武進(jìn)區(qū)、宜興市幾十年來圍湖(河、塘)造田、圍網(wǎng)養(yǎng)殖以及農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城鎮(zhèn)建設(shè)的高速發(fā)展，大量廢污水排入河湖水系，對(duì)水環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。2014年武宜運(yùn)河及周邊諸河水質(zhì)為IV類、V類、劣V類的分別占22.4%、26.8%、50.8%，主要超標(biāo)項(xiàng)目為氨氮、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、總磷、溶解氧和CODMn(高錳酸鹽指數(shù))[4]。

2 研究方法

對(duì)武宜運(yùn)河及其影響河流斷面水流水位、流向、流量和水質(zhì)實(shí)施同步監(jiān)測(cè)，分析研究武宜運(yùn)河沿程河流水量、水質(zhì)的分布情況及變化規(guī)律，確定主要污染物來源和數(shù)量，分析研判武宜運(yùn)河與周邊水系相互影響規(guī)律[5]。研究共分為3個(gè)部分：沿程水量演變的主要規(guī)律；沿程水質(zhì)演變的主要規(guī)律；流域綜合分析，研究方法主要有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析、一維河道非恒定水流運(yùn)動(dòng)模型和一維河流水質(zhì)模型推算對(duì)比等。

3 研究過程

3.1 氣象水文與監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)情況

2014—2015年項(xiàng)目區(qū)降水較常年偏多，2a逐月降水量與多年平均降水量比較如圖2所示。武宜運(yùn)河水情變化與降水情況大致相應(yīng)，水位變化較為平穩(wěn)，年平均水位比常年偏高，其中2014年最高水位4.24m(7月27日)、最低水位3.01m(2月3日)；2015年1—9月，受降雨偏多影響，水文情勢(shì)較為復(fù)雜，水位始終偏高[6]。

圖1 武宜運(yùn)河及周邊河流地理位置圖

圖2 2014—2015年武宜運(yùn)河地區(qū)逐月降水量比較圖

滆湖水位變化主要受區(qū)域降水和上游來水影響，漲落相對(duì)平緩。滆湖一方面接受武宜運(yùn)河補(bǔ)水，另一方面湖泊水位高低又影響武宜運(yùn)河補(bǔ)水，在區(qū)域暴雨洪水情況下，尤其是滆湖上游普降暴雨后，滆湖水位抬升，反向武宜運(yùn)河排泄?jié)乘?。滆湖月平均水位與降水量關(guān)系如圖3所示[7]。

圖3 2014年10月—2015年9月滆湖月平均水位與降水量關(guān)系圖

根據(jù)武宜運(yùn)河地區(qū)水網(wǎng)及水文情勢(shì)，共布設(shè)水量水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)站點(diǎn)26處，其中由北向南，武宜運(yùn)河與太滆運(yùn)河、錫溧漕河、漕橋河、殷村港、燒香港、湛瀆港交匯處各布設(shè)4處，與新湛瀆港、蕪申運(yùn)河交匯處各布設(shè)1處[8]，同步監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)情況詳見表1[9]。

3.2 沿程水量演變規(guī)律分析

3.2.1沿程水位流量演變

武宜運(yùn)河向南至坊前橋時(shí)，太滆運(yùn)河和滆湖分流，武宜運(yùn)河向南流量減小，水位降低；向南至鐘溪大橋時(shí)，錫溧漕河匯流，武宜運(yùn)河流量上升，但水位仍繼續(xù)下降；繼續(xù)向南至錫溧漕河大橋途中，沿程依次經(jīng)漕橋河、殷村港、燒香港、湛瀆港分流，流量不斷減小，水位不斷下降[10]。

表1 武宜運(yùn)河地區(qū)2014年10月—2015年9月水量水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)情況統(tǒng)計(jì)表

以2015年4月2日各斷面實(shí)測(cè)水量為例，如圖4所示，4月2日為農(nóng)歷二月十四，中潮汛日，沿江口門引江水量較小，坊前站水位為3.48m。從武宜運(yùn)河入口到鐘溪大橋，流量緩慢減小，表明區(qū)間有支流將水分出。在漕橋河南，流量出現(xiàn)小幅“突跳”現(xiàn)象，表明區(qū)間漕橋河來水匯入[11]。從漕橋河南到燒香港南，流量沿程減小，表明區(qū)間有支流不斷將水流分出。從燒香港南到武宜運(yùn)河出口(錫溧漕河大橋)，流量先增后減，并在湛瀆港南達(dá)到最大，表明區(qū)間湛瀆港西段(滆湖)有大量來水匯入。

3.2.2沿程水量分配

以武宜運(yùn)河和各支流交接中點(diǎn)為原點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)系并利用動(dòng)量守恒原理和質(zhì)量守恒原理建立以下方程：

(1)

圖4 武宜運(yùn)河沿程流量演變圖(2015年4月2日)

式中，S1、S2、S3、S4—武宜運(yùn)河上游、武宜運(yùn)河下游、支流上游、支流下游斷面面積；V1、V2、V3、V4—武宜運(yùn)河上游、武宜運(yùn)河下游、支流上游、支流下游斷面平均流速。計(jì)算得到武宜運(yùn)河沿程水量分配統(tǒng)計(jì)情況見表2[12]。

3.2.3沿程水量演變規(guī)律分析結(jié)論

當(dāng)區(qū)域無強(qiáng)降水時(shí)，武宜運(yùn)河來水主要受沿江口門引長江水影響，來水是武宜運(yùn)河沿程和滆湖重要的補(bǔ)水水源[13]。在鐘溪大橋處，當(dāng)武宜運(yùn)河上游來水較大時(shí)，出口流量主要受上游來水影響；來水較小時(shí)，出口流量受錫溧漕河匯水影響較大。在鐘溪大橋以南至錫溧漕河大橋處，沿程漕橋河、殷村港、燒香港、湛瀆港分流，部分水量匯入太湖。

表2 武宜運(yùn)河沿程水量分配統(tǒng)計(jì)表 單位：%

當(dāng)遭遇區(qū)域暴雨時(shí)，武宜運(yùn)河來水主要受上游降水徑流以及沿江口門向長江排水的綜合影響。暴雨較大時(shí)，滆湖水位較高，通過太滆運(yùn)河、增產(chǎn)河等向武宜運(yùn)河排水，沿程小支流一般向武宜運(yùn)河排水。在流出武宜運(yùn)河出口的水量中，滆湖來水(即增產(chǎn)河、漕橋河西段、殷村港西段、燒香港西段、湛瀆港西段)約占47.9%[14]。

3.3 沿程水質(zhì)演變規(guī)律分析

3.3.1沿程水質(zhì)演變

對(duì)武宜運(yùn)河沿程坊前橋等7處斷面的CODMn、氨氮、總磷這三個(gè)指標(biāo)的時(shí)空演變進(jìn)行分析，并與同一時(shí)期滆湖的對(duì)應(yīng)指標(biāo)(CODMn、總氮、氨氮、總磷)進(jìn)行比較。以2015年5月28日為例，如圖5所示。變化規(guī)律如下：

CODMn：武宜運(yùn)河從入口(坊前橋)到鐘溪大橋，濃度沿程變化平穩(wěn)，緩慢下降。從鐘溪大橋到殷村港南，濃度穩(wěn)中有降，總體變化不大。從殷村港南到湛瀆港南，流量和CODMn濃度均呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，但濃度變化梯度小于流量變化梯度，表明區(qū)間支流的分流一方面帶走了部分污染物，一方面促使污染物富集，減緩了CODMn濃度的降低。從湛瀆港南到錫溧漕河大橋，流量和CODMn濃度變化一致，均有所下降[15]。

氨氮：武宜運(yùn)河從入口到漕橋河南，濃度呈沿程上升趨勢(shì)，主要是因?yàn)閰^(qū)間錫溧漕河來水中氨氮濃度較高。從漕橋河南到殷村港南，濃度呈沿程衰減趨勢(shì)。從殷村港南到湛瀆港南，氨氮濃度有所增加，表明區(qū)間來水匯入，且來水中氨氮濃度較高。從湛瀆港南到錫溧漕河大橋，氨氮濃度呈下降趨勢(shì)，主要是因?yàn)閰^(qū)間湛瀆港西段的滆湖來水匯入促進(jìn)了污染物的擴(kuò)散降解。

總磷：武宜運(yùn)河從入口(坊前橋)到鐘溪大橋，總磷濃度呈沿程上升趨勢(shì)。從鐘溪大橋到錫溧漕河大橋，總磷濃度沿程變化情況及原因與氨氮分析相似。

滆湖：CODMn、氨氮濃度均遠(yuǎn)小于武宜運(yùn)河沿程主要斷面的相應(yīng)濃度，其總磷、總氮濃度均略小于各斷面相應(yīng)濃度的平均值，表明滆湖水質(zhì)更好[16]。

3.3.2沿程水質(zhì)時(shí)空變化

采用水質(zhì)綜合指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，將用水體各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)值與其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之比作為單項(xiàng)污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)。各單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)按下式計(jì)算：

(2)

式中，Sij—標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；Cij—評(píng)價(jià)因子i在j點(diǎn)的實(shí)測(cè)濃度值；Csi—評(píng)價(jià)因子i的地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L。

水質(zhì)綜合指數(shù)由累加各標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)的和除以項(xiàng)目數(shù)所得，按下式計(jì)算：

(3)

以Ⅲ類水作為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，得到各監(jiān)測(cè)斷面污染物變化趨勢(shì)，此處以鐘溪大橋斷面為例，其污染物變化趨勢(shì)如圖6所示[17]。

圖5 武宜運(yùn)河沿程水質(zhì)演變圖

圖6 鐘溪大橋污染物變化趨勢(shì)圖

3.3.3沿程水質(zhì)演變規(guī)律分析結(jié)論

當(dāng)區(qū)域無強(qiáng)降水時(shí)，武宜運(yùn)河沿程水質(zhì)變化主要受上游來水的影響，也與區(qū)間匯水、集中污染源排放有密切關(guān)系。滆湖水質(zhì)好于武宜運(yùn)河，總磷濃度在一定時(shí)期相對(duì)較高，表現(xiàn)為季節(jié)性；當(dāng)遭遇區(qū)域暴雨時(shí)，武宜運(yùn)河沿程水質(zhì)變化主要受上游降水徑流影響，也與區(qū)間降水徑流、面源排放以及集中的污染源排放有密切關(guān)系，暴雨過后一段時(shí)期內(nèi)，武宜運(yùn)河上游來水水質(zhì)好于滆湖。

降水徑流對(duì)武宜運(yùn)河各斷面各污染物通量演變影響最大，表現(xiàn)為各斷面污染物通量最大值基本都出現(xiàn)在降水徑流量最多的6月，下游燒香港以南(鐘溪大橋)的部分?jǐn)嗝嫖廴疚锿孔畲笾党霈F(xiàn)在7月，表明污染物從上游到下游需要一定的傳播時(shí)間；季節(jié)性排污(如魚塘排水、農(nóng)田施肥排水等)對(duì)武宜運(yùn)河水質(zhì)為次要影響因素，但受污染源分布和區(qū)間匯水位置等因素，多造成污染物通量突變，如武宜運(yùn)河從入口到燒香港沿程魚塘排水，可導(dǎo)致武宜運(yùn)河水體中CODMn、總磷濃度短時(shí)間內(nèi)迅速上升，水質(zhì)惡化；從燒香港到湛瀆港沿程集中式污染源排放，到武宜運(yùn)河水體中氨氮濃度迅速上升，水質(zhì)惡化。干流各斷面污染物通量演變與入口的污染物通量演變相關(guān)關(guān)系呈沿程遞減趨勢(shì)，支流各斷面污染物通量與入口的污染物通量演變關(guān)系不大。各污染物通量演變與水量演變有一定的相關(guān)性。CODMn、氨氮、總磷從武宜運(yùn)河入口到出口，衰減率分別為0.92、0.82、0.86，表明京杭運(yùn)河原水進(jìn)入武宜運(yùn)河后，由于自身降解，同時(shí)受滆湖水量影響，出口處各污染物輸出量有所降低[18]。

3.4 流域綜合分析

3.4.1沿程響應(yīng)時(shí)間分析

武宜運(yùn)河北承京杭運(yùn)河來水后，水流向南依次影響到沿程各斷面，采用一維圣維南方程組計(jì)算沿程各斷面響應(yīng)時(shí)間：

(4)

式中，Q—河道斷面流量；A—過水?dāng)嗝婷娣e；B—水面寬；BT—灘地調(diào)蓄寬度；Z—水位；q—旁側(cè)入流；vx—旁側(cè)入流流速在干流水流方向上的分量；K—流量模數(shù)；α—?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù)。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各節(jié)點(diǎn)對(duì)武宜運(yùn)河上游來水響應(yīng)時(shí)間 單位：h

圖7 2014—2015年武宜運(yùn)河出入口水量、污染物通量對(duì)比圖

3.4.2出入口水量、污染物通量對(duì)比分析

上游來水進(jìn)入武宜運(yùn)河后，經(jīng)過25.8km、歷時(shí)約60～70h，才到達(dá)出口，沿程水量、水質(zhì)有了很大變化，對(duì)2014年10月—2015年9月武宜運(yùn)河入口、出口水量和污染物通量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。

3.4.3污染物來源分析

按地理位置分，武宜運(yùn)河鐘溪大橋以上河段主要污染為支流線源污染、少量的工業(yè)點(diǎn)源污染和生活污染，鐘溪大橋到燒香港河段主要污染為工業(yè)點(diǎn)源污染和生活污染，燒香港以下河段主要污染為沿程的農(nóng)業(yè)面源污染和零散分布的工業(yè)點(diǎn)源污染[19]。

按季節(jié)分，武宜運(yùn)河沿程水量、污染物通量在6—8月增量較大，面源污染也較大，11—12月，魚塘排水導(dǎo)致的增產(chǎn)河等支流污染物排放也較大。

按污染物來源分，點(diǎn)源污染主要為雨污水以及化工企業(yè)排放的廢污水，非點(diǎn)源污染主要為沿程支流污水，面源污染主要為沿程的農(nóng)業(yè)水土流失。

按污染物分布分，CODMn主要來源于沿程的工業(yè)點(diǎn)源排放，集中在武宜運(yùn)河坊前橋到鐘溪大橋一段和燒香港南到湛瀆港南一段；氨氮主要來源于沿程的農(nóng)業(yè)面源排放，集中在夏坊橋到鐘溪大橋一段；總磷主要來源于沿程的生活污水排放，主要集中在鐘溪大橋到燒香港一段。

3.4.4沿程污染物降解的影響

由于化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)，河流中某些擴(kuò)散的物質(zhì)會(huì)自動(dòng)降解，水體中污染物的濃度降低，污染物降解按下式計(jì)算：

(5)

式中，C—下游斷面濃度值，mg/L；C0—上游斷面濃度值，mg/L；x(t)—上、下游斷面距離，m；u—平均流速，m/s；K—衰減系數(shù)，I/d。

計(jì)算得到京杭運(yùn)河原水進(jìn)入武宜運(yùn)河入口后沿程CODMn、氨氮、總磷的衰減情況，見表4。

3.4.5武宜運(yùn)河與周邊水系的關(guān)系分析

武宜運(yùn)河沿程水量、污染物通量分配統(tǒng)計(jì)如見表5，沿程各支流入太水量占比統(tǒng)計(jì)見表6，武宜運(yùn)河沿程各支流受水量占比情況見表7。

表4 武宜運(yùn)河沿程各污染物衰減情況表

表5 2014—2015年武宜運(yùn)河沿程水量、污染物通量分配統(tǒng)計(jì)表

表6 2014—2015年武宜運(yùn)河沿程各支流入太水量占比統(tǒng)計(jì)表

表7 2014—2015年武宜運(yùn)河沿程各支流受水量來源占比統(tǒng)計(jì)表 單位：億m3

3.4.6流域綜合分析結(jié)論

武宜運(yùn)河沿程通過太滆運(yùn)河、漕橋河、殷村港、燒香港、湛瀆港等河道的西段承接滆湖來水總量約為10.95億m3，滆湖是武宜運(yùn)河沿程重要水源。武宜運(yùn)河沿程自上而下，滆湖來水量所占比重不斷增加，錫溧漕河來水量所占比重不斷減少。絕大部分時(shí)期，滆湖各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于武宜運(yùn)河，通過滆湖水量的不斷匯入，武宜運(yùn)河污染物濃度沿程逐步降低，出口處各污染物的輸出量有效減少，但同時(shí)通過與滆湖、太湖的水量交換，武宜運(yùn)河也間接地影響了滆湖、太滆運(yùn)河、漕橋河、殷村港、燒香港、湛瀆港的水質(zhì)。

4 結(jié)語

本次水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析和研究結(jié)論清晰地揭示了武宜運(yùn)河及周邊水系河流的相互影響關(guān)系，為有針對(duì)性地治理武宜運(yùn)河及周邊水系河流污染提供了技術(shù)支持。從源頭治理和傳播治理2個(gè)角度出發(fā)，根據(jù)沿程水量水質(zhì)演變規(guī)律分析結(jié)論，充分考慮污染物來源、降解和傳播的規(guī)律，在控制沿程污染排放的基礎(chǔ)上，可以通過在匯流處建設(shè)閘門的方式，在不同雨情、水情和污染情況下對(duì)水量分配進(jìn)行調(diào)度，可以有效地緩解下游河道甚至是太湖的污染防治壓力。

本次工作仍存在一定不足，監(jiān)測(cè)期區(qū)域暴雨偏少，難以完全反映較大暴雨洪水時(shí)滆湖、太湖與武宜運(yùn)河之間的水量、污染物通量的交換關(guān)系。下一步要繼續(xù)開展區(qū)域暴雨情況下水量水質(zhì)時(shí)空分布特征和演變規(guī)律分析。