基于SWMM-EFDC耦合模擬的新鳳河流域水環(huán)境治理工程效應(yīng)評(píng)估

陳焰，夏瑞，王璐，孫明東，張魯駿，馬淑芹，賈蕊寧，張曉嬌，楊中文?

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

2.中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院

3.美國(guó)俄克拉荷馬大學(xué)

城市化進(jìn)程與農(nóng)村城鎮(zhèn)化給生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力,導(dǎo)致河湖水體出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象,黑臭水體治理成為近年來(lái)我國(guó)水環(huán)境治理的重點(diǎn)與難點(diǎn)。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2016年公布的全國(guó)295個(gè)地級(jí)及以上城市中,超過(guò)70%的城市存在黑臭水體,農(nóng)村黑臭水體數(shù)量遠(yuǎn)超城市[1]。因此,科學(xué)開(kāi)展黑臭水體及河湖水環(huán)境綜合整治,補(bǔ)齊水生態(tài)環(huán)境短板,對(duì)推動(dòng)美麗中國(guó)建設(shè)具有實(shí)踐意義。當(dāng)前,水環(huán)境治理主要涉及控源截污、清淤疏浚、底泥原位修復(fù)、曝氣增氧、活水補(bǔ)給等工程措施[2],科學(xué)評(píng)估各項(xiàng)工程措施的環(huán)境效應(yīng),對(duì)于指導(dǎo)制定和優(yōu)化河湖水環(huán)境治理工程方案、推動(dòng)科學(xué)治污具有重要意義。

目前,水環(huán)境工程效應(yīng)評(píng)估主要包括3種方法:1)基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析的后效性評(píng)估[3-9]。通過(guò)分析工程實(shí)施后水體水質(zhì)的變化程度來(lái)評(píng)價(jià)工程運(yùn)行效果,其依賴于工程實(shí)施后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后效性評(píng)估,無(wú)法應(yīng)用于支撐前期規(guī)劃工程方案的制定。2)基于污染負(fù)荷系數(shù)計(jì)算的減排效果評(píng)估[10-11]。從污染總量控制角度衡量工程實(shí)施后的減排效果,其未考慮污染減排對(duì)斷面水質(zhì)變化的影響關(guān)系,難于科學(xué)量化工程方案的水環(huán)境質(zhì)量改善效果。3)基于河道水環(huán)境模型的數(shù)值模擬評(píng)估[12-18]。以河道水動(dòng)力水質(zhì)模型模擬為主要手段,以工程實(shí)施前后河道水質(zhì)變化為邊界條件,模擬分析水環(huán)境改善效果,該方法考慮了污染排放與河道水質(zhì)的響應(yīng)過(guò)程,但對(duì)面源污染過(guò)程考慮不多,難以從流域系統(tǒng)性角度全面衡量水環(huán)境治理效果。因此,有必要從流域整體性角度,提出基于流域水陸一體化的系統(tǒng)模型及其工程效果評(píng)估技術(shù)方法,以支撐河湖水環(huán)境科學(xué)治理。

筆者以北京市大興區(qū)新鳳河為例,構(gòu)建基于暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)和環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型(environmental fluid dynamics code,EFDC)的流域水陸一體化耦合模型,提出水環(huán)境治理工程概化及環(huán)境效應(yīng)評(píng)估技術(shù)方法,定量評(píng)估新鳳河流域水環(huán)境治理工程的環(huán)境效應(yīng),以期為新鳳河及其他類似流域的水環(huán)境工程方案制定及運(yùn)行優(yōu)化提供指導(dǎo),以支撐科學(xué)治污能力建設(shè)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

新鳳河流域位于北京市大興區(qū)北部,流域面積約166 km2,全長(zhǎng)約30 km,沿途主要有老鳳河、南苑灌渠、新西鳳渠、涼鳳灌渠等6條支流匯入(圖1)。新鳳河流域是大興區(qū)內(nèi)主要受納水體,污水流量占其河水流量的85%,大量生活污水、工業(yè)廢水直排和汛期面源導(dǎo)致水環(huán)境污染嚴(yán)重[19-21]。2016年,新鳳河被列為黑臭水體。由于新鳳河匯入的涼水河下游連接北京副中心通州區(qū),其水環(huán)境治理對(duì)于首都生態(tài)文明建設(shè)、保障下游副中心水安全至關(guān)重要。流域設(shè)有1個(gè)考核斷面,位于燒餅莊閘。根據(jù)北京市水務(wù)局的考核要求,該斷面化學(xué)需氧量(COD)、氨氮和總磷(TP)濃度均應(yīng)達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類(30、1.5和0.3 mg∕L),至少不劣于Ⅴ類(40、2.0和0.4 mg∕L),且全年達(dá)標(biāo)率不低于90%。

圖1 新鳳河流域水系Fig.1 River system of Xinfeng River Basin

1.2 水環(huán)境治理工程環(huán)境效應(yīng)模擬評(píng)估技術(shù)

1.2.1 流域水陸一體化耦合模擬模型

流域水陸一體化模擬是定量描述流域水量、水質(zhì)從陸地至河道的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程,支撐流域污染科學(xué)防治的關(guān)鍵技術(shù)手段[22-23]。流域水文-水質(zhì)模型是流域過(guò)程模型與河道水質(zhì)模型等互聯(lián)集成,實(shí)現(xiàn)流域系統(tǒng)水文-水質(zhì)過(guò)程的耦合數(shù)值模擬[24-26]。目前,應(yīng)用較成熟的流域過(guò)程模型包括水土評(píng)價(jià)模型[27](soil and water assessment tool,SWAT),SWMM,水文模擬程序-FORTRAN(hydrological simulation program-Fortran,HSPF),年化農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源模型(annualized agricultural nonpoint source model,AGNPS)等[28-29],河道水質(zhì)模型包括EFDC、MIKE、QUAL2K等?？紤]到新鳳河流域地處平原區(qū),雨污通過(guò)管網(wǎng)匯流等特點(diǎn),通過(guò)SWMM和EFDC構(gòu)建流域水陸一體化耦合模型,開(kāi)展水環(huán)境治理工程概化與水環(huán)境治理效應(yīng)評(píng)估。

1.2.1.1 模型總體框架

根據(jù)管網(wǎng)、數(shù)字高程模型(DEM)、降水量和土地利用等數(shù)據(jù)構(gòu)建SWMM模型,以SWMM模擬結(jié)果作為EFDC模型邊界,聯(lián)合點(diǎn)源和河道基流邊界共同構(gòu)建SWMM與EFDC耦合模型,基于率定驗(yàn)證的模型開(kāi)展水環(huán)境治理工程環(huán)境效應(yīng)評(píng)估,總體框架見(jiàn)圖2。SWMM與EFDC模型的耦合依托Python軟件實(shí)現(xiàn),以SWMM模型內(nèi)核SWMM5.dll文件,通過(guò)Python軟件調(diào)用進(jìn)行SWMM模擬。SWMM模型運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中通過(guò)PySWMM公共庫(kù)中的inflow函數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)SWMM模型二進(jìn)制結(jié)果的解譯,運(yùn)行完成后,將抽取的SWMM模型水量、水質(zhì)模擬數(shù)據(jù)格式調(diào)整成EFDC可識(shí)別的邊界文件,驅(qū)動(dòng)運(yùn)行EFDC模擬河道水動(dòng)力水質(zhì)過(guò)程。

圖2 水陸一體化耦合模擬框架Fig.2 Framework of water and land integration coupling simulation

1.2.1.2 SWMM建模

SWMM模型由美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)開(kāi)發(fā),廣泛應(yīng)用于我國(guó)城市降水徑流過(guò)程研究[30-31]。該模型計(jì)算原理及建模過(guò)程可參見(jiàn)文獻(xiàn)[32-34]?；赟WMM模型將新鳳河流域劃分為390個(gè)子匯水區(qū)、400個(gè)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、406條排水管網(wǎng)和22個(gè)排水口(圖3)。流域土地利用類型主要為旱地、水田、灌林木、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地6類,土壤類型以潮土、堿化潮土、脫潮土和褐土4類為主。模擬通常包括降水、地表產(chǎn)流、地表匯流和管網(wǎng)匯流模塊,模型的地表產(chǎn)流模塊相關(guān)參數(shù)包括坡度、面積、透水面積和不透水面積等子匯水區(qū)的基本屬性,管道的糙率以及地表污染物累計(jì)與沖刷指數(shù)等。以黃村和馬駒橋雨量站的分鐘尺度降水量為驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù),主要針對(duì)2018年5—8月降水期進(jìn)行模擬,蒸發(fā)和氣溫?cái)?shù)據(jù)以北京市平均值為依據(jù),風(fēng)向、風(fēng)速等參考模型默認(rèn)值。

圖3 新鳳河流域SWMM模型概化Fig.3 SWMM model of Xinfeng River Basin

1.2.1.3 EFDC建模

EFDC是USEPA推薦的開(kāi)源水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,可對(duì)湖泊、河道和河口等水域進(jìn)行水動(dòng)力和水質(zhì)模擬。國(guó)內(nèi)外關(guān)于EFDC模型的應(yīng)用研究頗多,在長(zhǎng)江干流[35-36]、松花江[37]、鄱陽(yáng)湖[38]、珠江口[39]、安大略湖[40]、韓國(guó)漢江[41]等區(qū)域得到廣泛應(yīng)用。本研究采用EFDC中一維水動(dòng)力和水質(zhì)模塊開(kāi)展河道過(guò)程模擬,計(jì)算原理及建模過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[42-43]。EFDC模型對(duì)新鳳河干流及主要支流進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在網(wǎng)格布設(shè)過(guò)程中,綜合考慮模型的求解效率、計(jì)算區(qū)域的不規(guī)則性、實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)范圍和網(wǎng)格精度要求,采用高分辨率笛卡爾網(wǎng)格,模型平面正交曲線網(wǎng)格數(shù)為1 275個(gè)。為了保證計(jì)算的穩(wěn)定性和數(shù)值求解精度,網(wǎng)格長(zhǎng)寬基本相等,網(wǎng)格大小的空間分布較為均勻,網(wǎng)格平均大小變幅為10~50 m。新鳳河干流的源輸入邊界共69個(gè),主要包括支流、排污口、污水廠排口以及SWMM排水口,針對(duì)新鳳河干、支流水動(dòng)力和水質(zhì)過(guò)程開(kāi)展模擬,模擬指標(biāo)包括COD、氨氮和TP濃度,率定變量主要為污染物的降解速率。

1.2.1.4 治理工程概化模擬

2017年大興區(qū)啟動(dòng)新鳳河流域水環(huán)境治理工程項(xiàng)目,主要包括:1)截污工程,將流域約1.76萬(wàn)t∕d的排污口污水截至流域內(nèi)的6座污水處理廠(圖4中B~G)；2)濕地工程,新建規(guī)模合計(jì)為4.63萬(wàn)t∕d的人工濕地2塊；3)補(bǔ)水工程,利用污水處理廠A~G的尾水向河道補(bǔ)水約18.58萬(wàn)t∕d；4)調(diào)蓄工程,新建規(guī)模分別為4 000 t∕d的調(diào)蓄池2座。各項(xiàng)工程規(guī)模見(jiàn)表1。

圖4 新鳳河流域水環(huán)境治理工程分布Fig.4 Distribution of water environmental control projects in Xinfeng River Basin

表1 新鳳河流域水環(huán)境治理工程參數(shù)Table 1 Parameters of water environmental control projects in Xinfeng River Basin

截污工程是改善水質(zhì)最有效的途徑[44],主要表現(xiàn)為對(duì)排污口的控制[45]。將直排河道的污水口接入沿岸設(shè)置的污水干管,污水經(jīng)干管進(jìn)入污水廠處理后排放到外環(huán)境。截污工程的概化主要是在EFDC中實(shí)現(xiàn),將排污口封堵視為截污。濕地工程是水環(huán)境治理的常見(jiàn)工程措施,用于處理初期雨水或者河水,處理達(dá)標(biāo)后就近排入河道；補(bǔ)水工程通過(guò)鋪設(shè)管網(wǎng)將污水處理廠的尾水引至河道,達(dá)到增強(qiáng)水動(dòng)力、稀釋水體的作用。濕地工程和補(bǔ)水工程的概化主要在EFDC中實(shí)現(xiàn)。調(diào)蓄工程有利于控制初期雨水污染和削減洪峰[46-47]。在入河管道之前設(shè)置攔截,將初期雨水收集在調(diào)蓄池中沉淀,蓄滿之后,水流則隨著調(diào)蓄池頂端的出水管道排入河道。調(diào)蓄池的概化主要是在SWMM中實(shí)現(xiàn)的。

1.2.2 工程環(huán)境效應(yīng)特征評(píng)估

1.2.2.1 影響因子分析

針對(duì)截污、濕地、補(bǔ)水和調(diào)蓄工程,分別設(shè)置其單項(xiàng)工程影響因子的不同情景(表2),模擬分析不同情景下新鳳河燒餅莊閘考核斷面污染物負(fù)荷削減和水質(zhì)改善的效果:對(duì)于截污工程,考慮80%、90%、95%3種截污率,設(shè)置3種截污情景；在實(shí)施截污工程的基礎(chǔ)上,其他工程按照設(shè)計(jì)條件實(shí)施,設(shè)置新鳳河2塊濕地(I和J)不同處理水量和出水標(biāo)準(zhǔn),共設(shè)置11種濕地情景；在截污和其他工程均實(shí)施的前提下,考慮小紅門(mén)是否補(bǔ)水及補(bǔ)水氨氮濃度對(duì)斷面氨氮濃度的影響,共設(shè)置16種補(bǔ)水情景；在實(shí)施截污、濕地和補(bǔ)水工程的基礎(chǔ)上,考慮不同的調(diào)蓄能力,設(shè)置大、小2個(gè)調(diào)蓄量(20 000和8 000 m3),模擬分析調(diào)蓄量對(duì)污染物負(fù)荷削減的影響。

表2 單項(xiàng)工程不同規(guī)模的影響評(píng)估Table 2 Impact assessment of different scales of individual projects

1.2.2.2 環(huán)境效應(yīng)評(píng)估

在單項(xiàng)工程影響因子分析的基礎(chǔ)上,按照工程未實(shí)施及實(shí)施不同的工程組合,設(shè)置6種水環(huán)境治理工程環(huán)境效應(yīng)評(píng)估情景,具體見(jiàn)表3。

表3 單項(xiàng)及綜合工程效果評(píng)估設(shè)置Table 3 Setting of effect assessment with single and comprehensive projects

1.2.2.3 效應(yīng)評(píng)估方法

考慮到新鳳河流域水質(zhì)狀況受降水徑流影響較大,基于各情景的模擬結(jié)果分別計(jì)算考核斷面不同評(píng)估時(shí)段污染物濃度變化率、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、負(fù)荷削減量、濃度降低系數(shù)和污染負(fù)荷削減系數(shù)5項(xiàng)指標(biāo),以分別量化治理工程對(duì)污染物濃度、水質(zhì)達(dá)標(biāo)和負(fù)荷通量的3類影響效應(yīng),計(jì)算公式如下:

式中:k為考核斷面污染物濃度變化率,%；C0、Ct分別為工程實(shí)施前、后考核斷面污染物濃度,mg∕L；CΔ為污染物濃度變化系數(shù)；i為水質(zhì)達(dá)標(biāo)率,%；Ds、DT分別為污染物達(dá)標(biāo)天數(shù)和模擬總天數(shù),d；W為污染物負(fù)荷削減量,t∕a；Q0、Qt分別為工程實(shí)施前、后考核斷面的流量,m3∕s；WΔ為污染負(fù)荷削減系數(shù)；Wn＋1、Wn分別為不同工程量條件下的污染負(fù)荷削減量,t∕a。

考慮流域水環(huán)境監(jiān)管實(shí)際,針對(duì)全年、雨季(6月1日—9月15日)、冬季(12月1日—次年3月31日)、非雨季(4月1日—5月31日、9月16日—11月30日)4個(gè)時(shí)段進(jìn)行模擬并開(kāi)展治理工程環(huán)境效應(yīng)評(píng)估,以系統(tǒng)識(shí)別治理工程對(duì)水環(huán)境效應(yīng)的影響特征。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究采用的數(shù)據(jù)包括流域水系分布、土地利用和DEM等地理空間數(shù)據(jù),降水量和蒸發(fā)量等氣象數(shù)據(jù),流量等水文數(shù)據(jù)和污染源、水質(zhì)等水環(huán)境數(shù)據(jù)。其中水系分布由水系圖提取,土地利用與土壤數(shù)據(jù)來(lái)自資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(http:∕∕www.resdc.cn∕),降水量數(shù)據(jù)來(lái)自黃村、馬駒橋2個(gè)氣象站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),其他數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查或?qū)崪y(cè)獲得。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型率定

SWMM模型以新鳳河干流上游和支流南苑灌渠水文站分別按照長(zhǎng)序列(包括雨期與非雨期)和短序列(單場(chǎng)或多場(chǎng)連續(xù)降雨)進(jìn)行率定,率定參數(shù)包括子匯水區(qū)洼蓄量、污染物的累積和沖刷指數(shù),以及管道的曼寧系數(shù)。SWMM與EFDC耦合模型以燒餅莊閘水文站進(jìn)行率定,水動(dòng)力水質(zhì)過(guò)程率定的參數(shù)主要包括河道的糙率和污染物的降解速率。由SWMM模擬結(jié)果可知,水量模擬納什系數(shù)(NSE)均達(dá)到0.7以上,南苑灌渠長(zhǎng)序列降雨日尺度實(shí)測(cè)值與模擬值的擬合精度(R2)達(dá)0.86,短序列R2可達(dá)0.96,新鳳河上游長(zhǎng)序列降雨日尺度R2為0.83,短序列R2能達(dá)到0.77,模型模擬值與實(shí)測(cè)值率定效果較好(圖5)。依據(jù)模型精度要求(R2>0.6,NSE>0.5)[48],認(rèn)為建立的SWMM模型科學(xué)適用。

圖5 SWMM模型水量率定結(jié)果Fig.5 Water quantity calibration results of SWMM model

根據(jù)SWMM與EFDC耦合模型的率定結(jié)果(圖6),流量實(shí)測(cè)值與模擬值R2為0.81,且COD與氨氮、TP濃度模擬的平均誤差分別為13.4%、13.2%和13.6%,均控制在20%以內(nèi)?？梢?jiàn),基于SWMM與EFDC的流域一體化模型可較為準(zhǔn)確地反映新鳳河流域的水量與水質(zhì)。

圖6 SWMM與EFDC耦合模型率定Fig.6 Calibration of coupling model with SWMM and EFDC

2.2 工程影響因子

2.2.1 截污工程

根據(jù)截污工程不同情景污染物濃度和負(fù)荷削減量變化情況(圖7),當(dāng)截污率達(dá)到80%時(shí),新鳳河考核斷面COD降低率可達(dá)50%,氨氮和TP濃度降低率可達(dá)70%；隨著截污率的提高,COD、氨氮與TN濃度逐漸降低,但降低的趨勢(shì)變緩。以80%截污率為基準(zhǔn)點(diǎn),提高截污率至90%和95%時(shí),3種污染物平均負(fù)荷削減系數(shù)達(dá)1.07和1.12,隨著截污率的提高,污染負(fù)荷削減能力越來(lái)越大。可見(jiàn)提高截污率,能在很大程度上降低新鳳河考核斷面水質(zhì)濃度和污染負(fù)荷,該結(jié)果與李業(yè)輝等[49]在沈陽(yáng)市南北運(yùn)河排污口控制中的研究結(jié)果一致。但截污率存在臨界效應(yīng),當(dāng)截污率達(dá)到臨界值之后,污染物濃度和污染負(fù)荷削減量的下降速率受到一定的限制。

圖7 截污率對(duì)考核斷面污染物濃度及負(fù)荷的影響Fig.7 Influence of interception rate on the pollutant concentration and load of assessment section

2.2.2 濕地工程

濕地工程不同情景下對(duì)新鳳河考核斷面水質(zhì)的影響結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,維持其中一塊濕地處理水量和出水標(biāo)準(zhǔn)不變,增加另一塊濕地的處理水量,新鳳河考核斷面COD、氨氮與TP濃度均呈下降趨勢(shì),可見(jiàn),增大濕地的處理規(guī)?？筛纳扑|(zhì)狀況。維持濕地的處理水量不變,控制濕地出水標(biāo)準(zhǔn)為Ⅲ類,新鳳河考核斷面COD、氨氮與TP濃度分別降低12.3%、9.9%和11.1%,可見(jiàn),濕地處理標(biāo)準(zhǔn)的提高能夠顯著降低新鳳河考核斷面的污染物濃度,該結(jié)論與侯曉輝等[50]在人工濕地的環(huán)境效應(yīng)研究中的結(jié)論相一致。因此,在濕地設(shè)計(jì)過(guò)程中可考慮增加濕地的處理水量和采用先進(jìn)技術(shù)工藝、填料等提升濕地的處理標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 濕地處理水量及出水標(biāo)準(zhǔn)對(duì)考核斷面水質(zhì)的影響Fig.8 Impact of wetland treatment capacity and effluent standards on the water quality of assessment section

2.2.3 補(bǔ)水工程

補(bǔ)水工程不同情景下新鳳河考核斷面達(dá)標(biāo)率變化如圖9所示。由圖9可知,考慮小紅門(mén)補(bǔ)水的情況下,當(dāng)補(bǔ)水氨氮濃度從2.4 mg∕L降至2.2 mg∕L時(shí),考核斷面氨氮Ⅴ類達(dá)標(biāo)率從0躍升至97.8%；當(dāng)補(bǔ)水氨氮濃度從1.0 mg∕L降至0.8 mg∕L時(shí),考核斷面氨氮Ⅳ類達(dá)標(biāo)率從0躍升至97.8%。不考慮小紅門(mén)補(bǔ)水的情況下,當(dāng)補(bǔ)水氨氮濃度從2.0 mg∕L降至1.8 mg∕L時(shí),考核斷面氨氮Ⅴ類達(dá)標(biāo)率從61.9%躍升至95.9%；當(dāng)補(bǔ)水氨氮濃度從1.2 mg∕L降至1.0 mg∕L時(shí),考核斷面氨氮Ⅳ類達(dá)標(biāo)率從0躍升至94.2%。

圖9 補(bǔ)水水質(zhì)對(duì)考核斷面達(dá)標(biāo)率的影響Fig.9 Influence of supplied water quality on compliance rate of assessment section

可見(jiàn),提高補(bǔ)水水質(zhì),對(duì)考核斷面的達(dá)標(biāo)有促進(jìn)作用,這與胡琪勇[51]的研究結(jié)論一致?？紤]小紅門(mén)補(bǔ)水條件下,考核斷面氨氮要達(dá)到Ⅳ類和Ⅴ類,污水處理廠氨氮出水濃度需至少分別降至0.8和2.2 mg∕L；不考慮小紅門(mén)補(bǔ)水的條件下,考核斷面氨氮要達(dá)到Ⅳ類和Ⅴ類,污水處理廠氨氮出水濃度需至少分別至1.0和1.8 mg∕L。因此,從補(bǔ)水工程角度可知,補(bǔ)水水量越大,水質(zhì)越好,對(duì)河道水質(zhì)改善效果越佳,流域內(nèi)主要污水處理廠的升級(jí)改造是改善水體質(zhì)量有效途徑,需優(yōu)先提高污水處理能力,其次提高出水標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.4 調(diào)蓄工程

不同調(diào)蓄能力條件下考核斷面污染物負(fù)荷變化如圖10所示。

圖10 不同調(diào)蓄能力下考核斷面污染物負(fù)荷變化Fig.10 Variation of pollutant load of assessment section under different storage capacity

由圖10可知,當(dāng)調(diào)蓄能力為8 000 m3時(shí),輸入新鳳河河道的COD、氨氮和TP污染負(fù)荷量分別為311.6、35.3和4.4 t∕a,負(fù)荷量峰值出現(xiàn)在第6天；當(dāng)調(diào)蓄能力提高至20 000 m3時(shí),輸入新鳳河河道的COD、氨氮和TP污染負(fù)荷量分別為232.1、25.4和2.7 t∕a,負(fù)荷量峰值出現(xiàn)在第7天。可見(jiàn),隨著調(diào)蓄能力提高,污染物負(fù)荷總量較少,負(fù)荷量峰值也減小且呈現(xiàn)滯后的趨勢(shì)?？梢?jiàn),調(diào)蓄池能夠在一定時(shí)間內(nèi)容納初期降雨沖刷產(chǎn)生的污染物,且調(diào)蓄能力越大,污染物進(jìn)入河道的時(shí)間滯后效應(yīng)越顯著。

2.3 工程環(huán)境效應(yīng)

2.3.1 水質(zhì)濃度效應(yīng)

不同工程情景下新鳳河考核斷面水質(zhì)如圖11所示。由圖11可知,工程實(shí)施前考核斷面水質(zhì)COD、氨氮和TP全年平均濃度分別為59.28、9.82和1.14 mg∕L,調(diào)蓄工程的實(shí)施可使這3項(xiàng)指標(biāo)分別降低2.8%、3.3%和5.3%,考核斷面水質(zhì)達(dá)劣Ⅴ類；補(bǔ)水工程的實(shí)施可使3項(xiàng)指標(biāo)分別降低41.1%、58.6%和55.3%,濕地工程的實(shí)施可降低41.7%、55.3%和54.4%,二者均可使COD達(dá)Ⅳ類,氨氮和TP為劣Ⅴ類。相較濕地、補(bǔ)水和調(diào)蓄工程,截污工程對(duì)水質(zhì)提升的效果更明顯,3項(xiàng)指標(biāo)分別降低46.2%、76.9%和66.3%,COD為Ⅳ類,但氨氮和TP難以實(shí)現(xiàn)Ⅳ類達(dá)標(biāo)。單項(xiàng)工程中,綜合3項(xiàng)指標(biāo)的濃度平均降低率可見(jiàn),截污工程效果較顯著,平均降低率為63.1%,其次是補(bǔ)水和濕地工程,平均降低率分別為51.7%和50.5%,調(diào)蓄工程的改善效果最小,平均降低率僅為3.8%；與各單項(xiàng)工程相比,綜合工程的實(shí)施對(duì)水質(zhì)濃度改善效果最佳,可使3項(xiàng)指標(biāo)分別降低53.4%、83.7%和72.4%,平均降低率僅為69.8%,COD可達(dá)Ⅲ類,氨氮和TP部分時(shí)間可達(dá)Ⅳ類。

圖11 不同工程情景下的考核斷面水質(zhì)濃度Fig.11 Water quality concentration of assessment section under different project scenarios

不同的工程情景下,全年水質(zhì)變化與冬季類似,雨季水質(zhì)與非雨季略顯差異。在QJ3~QJ6情景下雨季COD均高于其他時(shí)間段,且均能達(dá)到Ⅴ類水質(zhì),在QJ6情景下甚至可達(dá)Ⅳ類水質(zhì)。氨氮僅在QJ6情景下全年能達(dá)到Ⅴ類水質(zhì),冬季和非雨季為Ⅳ類水質(zhì),雨季濃度為2.05 mg∕L,超過(guò)Ⅴ類水質(zhì),其他情景下均為劣Ⅴ類水質(zhì)。TP在QJ5情景下全年、冬季和非雨季達(dá)到Ⅴ類水質(zhì),在QJ6情景下全年、冬季和非雨季達(dá)到Ⅳ類水質(zhì),但QJ5和QJ6情景下雨季TP濃度分別為0.43和0.35 mg∕L,均超Ⅳ類,其他情景下均為劣Ⅴ類。可見(jiàn),雨季COD、氨氮和TP濃度均高于非雨季,實(shí)現(xiàn)Ⅴ類水達(dá)標(biāo)困難。綜上,降雨徑流產(chǎn)生的面源對(duì)新鳳河考核斷面的水質(zhì)達(dá)標(biāo)有較大影響,加強(qiáng)對(duì)流域面源污染的控制非常必要。

2.3.2 水質(zhì)達(dá)標(biāo)效應(yīng)

不同工程情景下新鳳河考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率結(jié)果如表4所示。由表4可知,按照Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估,實(shí)施綜合工程對(duì)水質(zhì)達(dá)標(biāo)的貢獻(xiàn)最大,3項(xiàng)指標(biāo)的平均達(dá)標(biāo)率為96.7%,其次是平均達(dá)標(biāo)率為85.2%的截污工程,而補(bǔ)水工程、濕地工程和調(diào)蓄工程貢獻(xiàn)較小,3項(xiàng)指標(biāo)的平均達(dá)標(biāo)率分別為32.5%、32.6%和0.9%。按照Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估,QJ2~QJ6能實(shí)現(xiàn)COD達(dá)標(biāo)率分別為0.3%、1.6%、1.9%、96.4%和97.0%,能實(shí)現(xiàn)氨氮達(dá)標(biāo)的情景只有QJ6,且達(dá)標(biāo)率僅為58.1%,能實(shí)現(xiàn)TP達(dá)標(biāo)的情景包括QJ2、QJ5和QJ6,達(dá)標(biāo)率分別為1.1%、1.6%和93.4%?？梢?jiàn),綜合工程基本可實(shí)現(xiàn)考核斷面水質(zhì)COD和TP滿足Ⅳ類水質(zhì)的考核要求,但難以實(shí)現(xiàn)氨氮達(dá)標(biāo)。

表4 不同工程情景下考核斷面水質(zhì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)率Table 4 Water qualification rate in assessment section under different project scenarios %

按照Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估,QJ2~QJ6情景能實(shí)現(xiàn)COD達(dá)標(biāo)率分別為1.6%、97.5%、97.5%、97.8%和98.1%；能實(shí)現(xiàn)氨氮達(dá)標(biāo)的情景包括QJ5和QJ6,達(dá)標(biāo)率分別為61.4%和95.3%；能實(shí)現(xiàn)TP達(dá)標(biāo)的情景包括QJ2、QJ4、QJ5和QJ6,達(dá)標(biāo)率分別為1.1%、0.3%、96.4%和96.7%?？梢?jiàn),綜合工程可使COD、氨氮和TP基本滿足斷面水質(zhì)至少不低于Ⅴ類水質(zhì)的考核要求。

2.3.3 負(fù)荷減排效應(yīng)

不同工程情景下污染負(fù)荷削減量如圖12所示。由圖12可知,污染負(fù)荷削減量排序?yàn)镼J5>QJ6>QJ4>QJ2>QJ3,3項(xiàng)指標(biāo)的平均負(fù)荷削減量分別為512.4、319.3、89.9、21.9和 －62.6 t∕a。 其中,QJ5削減COD、氨氮和TP分別為1 198、307.1和32.1 t∕a；QJ6分別為644.9、286.5和26.6 t∕a；QJ4分別為197、50.3和22.3 t∕a；QJ2分別為50.8、8.7和6.2 t∕a；QJ3分別為 －125、 －50.3和 －12.4 t∕a。

圖12 不同工程情景下考核斷面污染負(fù)荷削減量Fig.12 Reduction of pollution load of assessment section under different projects scenarios

不同時(shí)段的污染負(fù)荷削減量差異表明,非雨季對(duì)污染負(fù)荷的削減效果優(yōu)于冬季和雨季。主要原因在于污水處理廠在冬季執(zhí)行DB 11∕307—2013《水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》,其余時(shí)間執(zhí)行GB 3838—2002,如氨氮一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)為2.5 mg∕L,高于GB 3838—2002Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(2.0 mg∕L)。此外,降雨徑流攜帶的污染物匯入管道或者漫流進(jìn)入河道,增加了河道的面源污染負(fù)荷,使得雨季污染負(fù)荷削減量減少。

對(duì)比各項(xiàng)工程污染負(fù)荷削減量可知,補(bǔ)水工程對(duì)污染負(fù)荷削減呈現(xiàn)負(fù)貢獻(xiàn),綜合工程對(duì)污染負(fù)荷的削減量低于截污工程,該結(jié)果與水質(zhì)濃度、達(dá)標(biāo)率分析結(jié)果差異較大。其主要原因在于補(bǔ)水工程引入的是污水處理廠尾水,尾水排放執(zhí)行地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),且引入水量大,盡管引入的水量具有稀釋作用,但總體增加的污染負(fù)荷高于工程削減的負(fù)荷。因而,補(bǔ)水工程污染負(fù)荷削減量為負(fù)值,綜合工程也因大量補(bǔ)水導(dǎo)致負(fù)荷削減量減小。補(bǔ)水工程涉及的參數(shù)包括補(bǔ)水水質(zhì)和補(bǔ)水水量:從水質(zhì)改善的角度,優(yōu)質(zhì)水的引入對(duì)河道水體的稀釋作用較強(qiáng),因此對(duì)高濃度河道水體水質(zhì)的改善效果較好；從污染負(fù)荷的角度,無(wú)論是優(yōu)質(zhì)水還是劣質(zhì)水的引入,補(bǔ)水無(wú)疑都是增加水體污染負(fù)荷的,只是這部分負(fù)荷與水體中其他的污染負(fù)荷相比,如果較大的話,則是增加水體壓力,如果較小的話,則是緩解水體壓力。因此,補(bǔ)水工程是否實(shí)施主要取決于補(bǔ)水水質(zhì)和水量,如何確定最佳的補(bǔ)水水量和水質(zhì)是補(bǔ)水工程需要考慮的因素。單從補(bǔ)水的角度來(lái)看,補(bǔ)水對(duì)水質(zhì)指標(biāo)具有改善作用,但卻增加了水體的污染負(fù)荷,因此在水環(huán)境治理過(guò)程中應(yīng)保證補(bǔ)水水質(zhì)優(yōu)良,若污水處理廠尾水水質(zhì)較差,則不建議對(duì)河道進(jìn)行補(bǔ)水。

3 結(jié)論與建議

(1)不同工程對(duì)河道水質(zhì)影響特征不一。其中影響截污工程效果的主要因子為截污率,截污率越高,水質(zhì)改善效果越好；影響濕地和補(bǔ)水工程效果的主要因子分別為濕地處理標(biāo)準(zhǔn)和補(bǔ)水水質(zhì),隨著處理標(biāo)準(zhǔn)和補(bǔ)水水質(zhì)的提高,河道水質(zhì)濃度降低顯著；影響調(diào)蓄工程效果的主要因子為調(diào)蓄能力,調(diào)蓄能力越大對(duì)初期雨水影響的緩解效果越突出。

(2)單項(xiàng)工程和綜合工程對(duì)新鳳河水環(huán)境改善效應(yīng)各異,綜合工程優(yōu)于各單項(xiàng)工程。以水質(zhì)污染物濃度平均降低率評(píng)價(jià)工程貢獻(xiàn)結(jié)構(gòu)為綜合工程(69.8%)>截污工程(63.1%)>補(bǔ)水工程(51.7%)>濕地工程(50.5%)>調(diào)蓄工程(3.8%),以平均達(dá)標(biāo)率評(píng)價(jià)工程貢獻(xiàn)結(jié)構(gòu)為綜合工程(96.7%)>截污工程(85.2%)>濕地工程(32.6%)>補(bǔ)水工程(32.5%)>調(diào)蓄工程(0.9%),以負(fù)荷減排評(píng)價(jià)工程貢獻(xiàn)結(jié)構(gòu)為截污工程(512.4 t∕a)>綜合工程(319.3 t∕a)>濕地工程(89.9 t∕a)>調(diào)蓄工程(21.9 t∕a)>補(bǔ)水工程(－62.6 t∕a)。

(3)提出的基于SWMM-EFDC耦合模型的水環(huán)境治理工程環(huán)境效應(yīng)定量評(píng)估技術(shù)方法,可實(shí)現(xiàn)不同治理工程條件下的流域一體化模擬與環(huán)境效應(yīng)定量評(píng)估,科學(xué)解析不同工程的水環(huán)境改善效果,為其他流域水環(huán)境治理工程效應(yīng)評(píng)估與方案優(yōu)化提供技術(shù)支撐或借鑒。

建議基于不同治理工程效應(yīng)統(tǒng)籌開(kāi)展新鳳河治理工程優(yōu)化布局,推動(dòng)水環(huán)境質(zhì)量的提升。首先,加強(qiáng)截污納管建設(shè),控制污水廠溢流、排污口或生活直排等點(diǎn)源的輸入。其次,重點(diǎn)針對(duì)雨季考核斷面達(dá)標(biāo)困難的問(wèn)題,通過(guò)建立調(diào)蓄池和濕地等截留初期雨水,降低其對(duì)河道污染的貢獻(xiàn)。同時(shí),輔以污水處理廠達(dá)標(biāo)的尾水補(bǔ)給,稀釋和凈化河道水質(zhì),實(shí)現(xiàn)斷面達(dá)標(biāo),改善新鳳河水環(huán)境質(zhì)量。