基于swat模型的萬寶河黑臭水體治理成效分析

景夢園，王立權(quán)，李鐵男，石金磊，張 檸

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2. 黑龍江水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 研究區(qū)域現(xiàn)狀

萬寶河是倭肯河一級支流，位于七臺河市境內(nèi)，發(fā)源于大駕子山北坡三道溝，河流全長約11 km，流域面積46 km2，河道彎曲系數(shù)1.4，平均比降0.002，下游處平槽泄量62 m3/s，年徑流量0.06億 m3/s，水流速度快。據(jù)統(tǒng)計，七臺河市萬寶河示范河湖段多年平均徑流量為600萬m3。徑流年內(nèi)分配不均，主要集中在夏季，5—11月徑流量占全年的79%～82%，12月—次年4月徑流量占全年的18%～21%。

2 整治措施

萬寶河河道的黑臭治理措施主要包括：(1)萬寶河全線截流，16個排污口實現(xiàn)了支線連接，截污納管700延米；補充建設(shè)過河倒虹管，將排污口全部收納進現(xiàn)狀截流干管。(2)對擋水高度不足，不滿足河岸穩(wěn)定段進行加固。(3)為形成景觀水面，在主河道共設(shè)壅水構(gòu)筑物2處，分別布置在兩處人工濕地下游處，壅水壩將河道水體分隔為大小不等的景觀水面。(4)再生水回用、水庫水利用，萬寶湖位于萬寶河上游，平水年或豐水年汛期放水可以作為萬寶河生態(tài)補水[1-5]。

3 SWAT模型原理

3.1 模型構(gòu)建所需數(shù)據(jù)

收集屬性數(shù)據(jù)包括土壤屬性數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、點源數(shù)據(jù)、水庫數(shù)據(jù)等[6]。完成數(shù)據(jù)輸入，構(gòu)建SWAT模型。

3.2 建模過程

SWAT建模過程流程如圖1所示。

圖1 SWAT模型構(gòu)建流程

3.3 結(jié)果與分析

七臺河市萬寶河在每年冰凍期(11月1日—次年4月15日)采用河道清水源工程由市第一污水廠提水進行生態(tài)補水，設(shè)計泄放流量為0.5 m3/s；在其余時段，為消除河道斷流對生態(tài)環(huán)境的影響，改善城市居民的生活、生產(chǎn)條件，萬寶水庫為下游河道放水。本項目開展基于SWAT模型的七臺河市萬寶河水質(zhì)模擬，在此基礎(chǔ)上，開展河道清水源工程治理萬寶河黑臭水體成效分析。模擬期為2017年1月—2020年11月，以月為模擬步長。設(shè)置0 m3/s、0.2 m3/s、0.3 m3/s、0.4 m3/s、0.5 m3/s、0.6 m3/s六種泄放流量情景，在0 m3/s 及0.5 m3/s情景下，基于NH3-N、BOD及DO三種指標濃度觀測數(shù)據(jù)開展SWAT水質(zhì)模型率定校準。率定期為2019—2020年，NH3-N模擬相對誤差為30.41%，BOD模擬相對誤差為18.26%，DO模擬相對誤差為1.93%。結(jié)果顯示，模型擬合度較高，可以保證模型的準確性[7-8]。

本項目在0 m3/s、0.2 m3/s、0.3 m3/s、0.4 m3/s、0.5 m3/s、0.6 m3/s六種生態(tài)補水流量情景下開展萬寶河水質(zhì)模擬，以探討清水源工程治理成效。模擬結(jié)果如圖2～圖4所示，結(jié)果表明，NH3-N與BOD濃度隨著清水源工程補水量的提高而降低，DO濃度隨著清水源工程補水量的提高而增高。此外，對比0 m3/s與0.2 m3/s兩種補水流量情景發(fā)現(xiàn)，當開始清水源工程補水后，萬寶河水質(zhì)發(fā)生顯著的提升。上述結(jié)果說明，河道清水源工程對于萬寶河黑臭水體治理成效顯著。

圖2 模擬期NH3-N濃度

圖3 模擬期BOD濃度

圖4 模擬期DO濃度

本項目還開展了清水源工程水質(zhì)提升效果定量分析，在各生態(tài)補水流量情景下獲得三種水質(zhì)指標模擬值均值，進而分析多補水情景下水質(zhì)提升程度，結(jié)果如表1所示，其中百分數(shù)表示各補水情景相比不補水情景水質(zhì)指標提升程度。基于各生態(tài)補水情景模擬期內(nèi)均值結(jié)果，可以得到，NH3-N指標獲得了6.72%～41.18%的提升；BOD指標獲得了10.21%～43.34%的提升；DO指標獲得了15.56%～28.85%的提升。

表1 各補水流量情景下水質(zhì)提升程度

3.4 治理成效分析

根據(jù)住建部發(fā)布的《城市黑臭水體整治工作指南》，城市黑臭水體分級的評價指標包括透明度、溶解氧、氧化還原電位和氨氮，城市黑臭水體的分級標準見表2，相關(guān)指標測定方法見表3。按照《指南》要求對治理后的萬寶河進行連續(xù)6個月的監(jiān)測，評估黑臭水體治理成效。

表2 城市黑臭水體污染程度分級標準

表3 水質(zhì)指標測定方法

2020年6月，對萬寶河主要超標污染物進行監(jiān)測(溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、COD、總氮、總磷、氨氮、氧化還原電位)，共設(shè)置21個監(jiān)測點位，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，21個監(jiān)測點位氧化還原點位為輕度黑臭，其他指標未達到黑臭。

表4 水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

續(xù)表4

2019年9月監(jiān)測斷面1個，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，溶解氧、化學(xué)需氧量等5項指標均未達到黑臭；11月監(jiān)測斷面1個，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，萬寶河主要超標污染物達到Ⅳ類水標準。

根據(jù)《城市黑臭水體整治工作指南》中黑臭水體定級標準，治理后的萬寶河水體除氧化還原電位達到輕度黑臭的等級以外，其他指標均未達到黑臭等級，由此可見萬寶河黑臭水體治理取得了一定的成效。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)，對治理后的萬寶河進行了水質(zhì)監(jiān)測，監(jiān)測指標主要包括：溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、總氮、總磷、氨氮和氧化還原電位。其中溶解氧整體上達到了Ⅱ類水水質(zhì)標準，高錳酸鹽指數(shù)整體上處于Ⅳ類水水質(zhì)標準，化學(xué)需氧量(COD)整體上處于Ⅳ類水水質(zhì)標準內(nèi)，總氮濃度處于地表水Ⅴ類水水質(zhì)標準，總磷的濃度整體達到地表水Ⅱ類水水質(zhì)標準，氨氮濃度整體處于地表水Ⅳ類水水質(zhì)標準。

4 結(jié) 論

(1)萬寶河黑臭水體整治工作在整體上取得了一定的成效，除氧化還原電位之外，所有指標達到不黑臭的標準，但是在治理后水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果來看，水體中化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、總氮和氨氮幾項指標屬于污染物超標，需要后續(xù)整治。

(2)雨排設(shè)施管養(yǎng)單位每年對雨排管線進行清掏，保證雨水水質(zhì)不受管線內(nèi)淤泥的影響。在常態(tài)管、精細管上下功夫，防止出現(xiàn)反彈，做到標本兼治，長治久清。

(3)SWAT模型在黑臭水體成效分析中的評價結(jié)果和《城市黑臭水體整治工作指南》中規(guī)定的評價方法結(jié)果基本一致，說明該方法評價結(jié)果真實可靠，能夠為后續(xù)研究提供一些方向。