沱江流域(成都段)水環(huán)境質(zhì)量改善方案研究

張 倩，佘 佳，石 清

(成都市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，成都 610072)

引 言

沱江流域是重要種植業(yè)基地，其流域人口約占四川省的20%，經(jīng)濟(jì)總量約占四川省的25%[1]，在四川國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定、糧食安全等起到了不可取代的作用。但是沱江流域水資源總量為29.90億m3，人均水資源量?jī)H為525m3，屬于極度缺水區(qū)。沱江流域成都段作為上游，其水生態(tài)環(huán)境改善是打造長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)地的根本保證。近兩年在沱江流域治理的進(jìn)行下，流域水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，但西江河水質(zhì)仍然較差，以IV～V類為主，劣V類情況時(shí)常發(fā)生，流域的主要污染物質(zhì)為氨氮、總磷。

隨著“成德眉資同城化”的提出，成都將在東泉山東側(cè)和德眉資共同打造為增量人口的主要聚集地，努力形成承載3 000～4 000萬人口規(guī)模、面向世界面向未來的現(xiàn)代化大都市區(qū)，形成全球競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)筑西部戰(zhàn)略腹地。沱江流域?qū)⒊蔀槌啥际薪?jīng)濟(jì)未來的重要增長(zhǎng)極，區(qū)域內(nèi)人口的不斷增加和經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)會(huì)給沱江流域的水生態(tài)環(huán)境帶來巨大的壓力，如何在經(jīng)濟(jì)社會(huì)增長(zhǎng)的同時(shí)持續(xù)保障水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)迫切需要研究的問題。

目前，國內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量改善的相關(guān)研究主要是圍繞“減排”和“增容”兩大方面內(nèi)容進(jìn)行的，吳俊峰、高爽等[2～4]學(xué)者對(duì)以改善水環(huán)境質(zhì)量為核心下流域污染控制的方法論、體系等進(jìn)展進(jìn)行了研究；范楚婷、王民浩等[5～7]學(xué)者以污染負(fù)荷削減為重點(diǎn)，評(píng)價(jià)方案對(duì)水環(huán)境質(zhì)量改善效果；許益新、廖軼鵬等[8～11]學(xué)者以數(shù)值模擬為手段，研究了調(diào)水引流對(duì)研究流域水質(zhì)的改善效果。然而，結(jié)合沱江流域(成都段)的水資源條件和水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀來看，單單通過污染物減排來改善水環(huán)境質(zhì)量，在枯水年可能無法保證考核斷面達(dá)標(biāo)，如何統(tǒng)籌“減排”與“增容”來實(shí)現(xiàn)水環(huán)境治理改善，在推動(dòng)沱江流域水環(huán)境治理方面具有重要的指導(dǎo)意義。

本文以MIKE11模型為手段，構(gòu)建了沱江流域(成都段)水動(dòng)力、水質(zhì)模型，通過污染物減排方案以及毗河和西江河引水方案的擬定，對(duì)沱江流域的水質(zhì)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，提出了沱江流域水環(huán)境改善的方案，希望為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展下未來沱江流域的水環(huán)境治理提供參考依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 研究范圍

沱江流域(成都段)貫穿成都市東北部和東南部，介于東經(jīng)103°60′～104°89′和北緯30°22′～31°44′之間，流域東西長(zhǎng)125km，南北寬133km，總面積約6 331.84km2。東北與德陽市、東南與資陽市毗鄰，南面與眉山市相連，西 南緊鄰中心城區(qū)、西北與阿壩藏族羌族自治州接壤[12]。沱江流域(成都段)區(qū)位如圖1所示。沱江流域地勢(shì)西北高、東南低，分為龍門山山地、成都平原和川中低山丘陵三個(gè)地貌區(qū)。沱江上游為龍門山山地，山高谷深，連綿不斷，多為北東—南西向山脈，海拔3 000～4 000m。以關(guān)山口為界，沱江進(jìn)入成都平原，平原呈西北高東南低，地面坡度大，沱江水系交織成水網(wǎng)，并在金堂匯入沱江干流。沱江干支流金堂以下段主要為構(gòu)造剝蝕低山和丘陵，龍泉山呈北東—南西走向的條狀山脈，海拔500～800m，其余均為紅色丘陵，一般海拔350～450m。

圖1 成都市沱江流域區(qū)位及斷面分布圖Fig.1 Location and section distribution of Tuojiang River basin in Chengdu

1.2 水系概況

沱江屬長(zhǎng)江一級(jí)支流，綿遠(yuǎn)河(北河)、青白江(中河)、毗河在成都金堂縣境內(nèi)匯流后始稱沱江，沱江干流成都段長(zhǎng)度124km，流域面積6 331.84km2。

沱江基本呈南北流向穿越成都市域東隅。沱江上源有綿遠(yuǎn)河、石亭江、湔江三支，綿遠(yuǎn)河通常被視為正源。三源相匯后的干流自201醫(yī)院進(jìn)入金堂縣境，改稱北河。北河自北向南流自金堂縣趙鎮(zhèn)，與都江堰內(nèi)江渠系的青白江(中河)、毗河先后相匯后始稱沱江。南行至金堂峽穿龍泉山入丘陵區(qū)，納黃水河后，東流3km進(jìn)入簡(jiǎn)陽市境內(nèi)，在簡(jiǎn)陽市區(qū)納絳溪河后，向南偏東流至臨江寺出成都境。

建立模型時(shí)將流量較小的河道進(jìn)行合并、概化，河道縱比降通過實(shí)測(cè)控制斷面的河底高程進(jìn)行控制，并根據(jù)模型需要進(jìn)行適當(dāng)平順處理。計(jì)算區(qū)域的主要河流為沱江干流、支流水系，包括沱江干流、毗河、青白江、西江河、清溪河及絳溪河等37條河流，模型計(jì)算范圍內(nèi)的河網(wǎng)概化示意圖見圖2。

圖2 MIKE11模型中沱江流域(成都段)河網(wǎng)概化示意圖Fig.2 Schematic diagram of river network generalization of Tuojiang River Basin (Chengdu Section) in MIKE11 model

1.3 水動(dòng)力模型

一維水動(dòng)力模型的控制方程采用Saint-Venant 方程組, 其離散采用Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式格式，可在相當(dāng)大的Courant 數(shù)下保持計(jì)算穩(wěn)定。其數(shù)值計(jì)算采用傳統(tǒng)的追趕法。該離散格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)并不同時(shí)計(jì)算水位和流量, 而是按順序交替計(jì)算[13～15]。

上游流量邊界水文條件主要采用沱江流域2016年逐月水文實(shí)測(cè)資料，部分邊界條件通過降雨資料、蒸發(fā)資料采用產(chǎn)匯流模型計(jì)算得到。

1.4 水質(zhì)模型

水質(zhì)模型是基于水動(dòng)力模型模擬的水動(dòng)力結(jié)果，應(yīng)用對(duì)流擴(kuò)散方程，對(duì)河流可溶性物質(zhì)和懸浮性物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散過程進(jìn)行計(jì)算[16]。其基本方程如下：

(1)

公式(1)中：C為模擬物質(zhì)的濃度；u為河流平均流速；Ex為對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)；K為模擬物質(zhì)的一級(jí)衰減系數(shù)；x為空間坐標(biāo)；t為時(shí)間坐標(biāo)。

水質(zhì)邊界條件根據(jù)2016年成都市環(huán)境監(jiān)測(cè)站進(jìn)行的逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果確定。成都市沱江流域的主要超標(biāo)因子為氨氮和總磷，基于對(duì)沱江流域區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀工業(yè)、污水處理廠、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖以及農(nóng)田面積分布等信息的調(diào)查，共概化排污口41個(gè)，進(jìn)行了氨氮、總磷污染負(fù)荷計(jì)算。從氨氮指標(biāo)來看，城鎮(zhèn)生活源(6 139.65t)、農(nóng)田徑流(1 424.16t)、散養(yǎng)畜禽(1 141.3t)和農(nóng)村生活源(797.45t)分別排名前4位。從總磷指標(biāo)來看，城鎮(zhèn)生活源(878.81t)、散養(yǎng)畜禽(549.09t)、規(guī)?；B(yǎng)殖(387.03t)和農(nóng)田徑流(256.66t)分別排名前4位。因此，沱江流域養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流、城鎮(zhèn)生活源是治理的重點(diǎn)行業(yè)。

1.5 模型的率定與驗(yàn)證

河床糙率是表征河道底部和岸壁影響水流阻力的各種因素的綜合系數(shù)，是影響水動(dòng)力模擬結(jié)果的重要因素[17]，按天然河道經(jīng)驗(yàn)值確定河道糙率為0.021。采用2016年逐月三皇廟水文實(shí)測(cè)資料進(jìn)行水動(dòng)力模型率定，模型計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比見圖3，三皇廟斷面流量平均相對(duì)誤差小于9.56%，所建模型能夠模擬沱江流域水文變化過程。

采用2016年成都市環(huán)境監(jiān)測(cè)站進(jìn)行的逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)水質(zhì)模型進(jìn)行率定，NH3-N降解系數(shù)為0.15d-1，TP降解系數(shù)為0.1d-1。去除監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中個(gè)別極值數(shù)據(jù)，主要斷面NH3-N模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值平均相對(duì)誤差均在28.01%以內(nèi)，主要斷面TP模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值平均相對(duì)誤差均在28.17%以內(nèi)。主要斷面各水質(zhì)指標(biāo)模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見圖4、圖5。由圖表可看出，主要污染物計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合性較好，模型基本可靠，可用于預(yù)測(cè)。

圖3 主要斷面流量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖Fig.3 Comparison diagram of calculated and measured flow of main sections

圖4 主要斷面NH3-N計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖Fig.4 Comparison of calculated and measured values of NH3-N in main sections

圖5 主要斷面TP計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖Fig.5 Comparison of calculated TP values and measured TP values in main sections

2 水環(huán)境改善方案

在近兩年沱江水環(huán)境綜合治理的大力推進(jìn)下，沱江流域的水質(zhì)情況有所好轉(zhuǎn)，但在未來沱江流域的發(fā)展格局下，水質(zhì)達(dá)標(biāo)的壓力不言而喻。鑒于沱江流域養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流、城鎮(zhèn)生活源污染負(fù)荷較高，為改善成都市沱江流域的水環(huán)境，在提升城鎮(zhèn)污水收集率、再生水利用率、農(nóng)業(yè)面源污染治理等措施基礎(chǔ)上，用模型分析計(jì)算水環(huán)境的改善效果。若水環(huán)境質(zhì)量考核斷面仍無法達(dá)標(biāo)，設(shè)定引水方案，分析計(jì)算達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)所需的引水流量。

2.1 改善水質(zhì)目標(biāo)

本文西河天平、毗河二橋、三皇廟、愛民橋、宏緣斷面水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類。

2.2 設(shè)計(jì)條件設(shè)定

水環(huán)境模擬的水文計(jì)算條件一般選取90%保證率最枯月流量或近10年最枯月流量，但一般在該設(shè)計(jì)流量的情況下，河道水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果極小。為使理論結(jié)果具有可操作性，本方案選取成都市新橋、關(guān)口、三皇廟等6個(gè)水文站點(diǎn)1954年至2016年時(shí)間序列的90%，50%，10%保證率年過程枯水流量作為設(shè)計(jì)水文條件，具體水文條件設(shè)置見表1，其余缺少水文站點(diǎn)的河流邊界采用水文比擬法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)邊界的水質(zhì)現(xiàn)狀條件，都江堰、石堤堰分水質(zhì)邊界?、蝾悾缃绾恿魉|(zhì)邊界均按照地表功能區(qū)要求按Ⅲ類選取。

根據(jù)沱江流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、污染負(fù)荷現(xiàn)狀水平制定污染源預(yù)測(cè)方案如表2所示。

表1 水文條件設(shè)置Tab.1 Hydrological condition setting (m3/s)

表2 污染源預(yù)測(cè)情景設(shè)定Tab.2 Pollution source prediction scenario setting

2.3 減排方案

首先通過模型計(jì)算分析在不補(bǔ)水的情況下，各斷面水質(zhì)情況，不同設(shè)計(jì)水文條件下的斷面污染物濃度模擬值見表3。

表3 不同設(shè)計(jì)水文條件下的斷面污染物濃度模擬值Tab.3 Simulation value of sectional pollutant concentration under different design hydrological conditions

由表3可見，在城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水收集處理率分別達(dá)100%、95%，中心城區(qū)、郊區(qū)(市)縣再生水利用率分別達(dá)60%、40%，農(nóng)村生活污水處理率達(dá)60%，農(nóng)田徑流污染治理面積比達(dá)50%，規(guī)?；B(yǎng)殖比例達(dá)80%，建成區(qū)海綿化比例達(dá)80%的污染物治理水平下，西河天平、毗河二橋、三皇廟、宏源斷面在90%保證率下仍不能達(dá)標(biāo)。因此，為使西河天平、毗河二橋、三皇廟、宏緣斷面水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，需考慮引水方案。

2.4 引水方案

由于毗河干流、毗河重要一級(jí)支流西江河斷面達(dá)標(biāo)情況不容樂觀，考慮從毗河干流及西江河同時(shí)引水，通過“增容”的方式改善毗河、西江河、沱江水質(zhì)，從西江河源頭引水，可改善西河天平斷面及沱江干流三皇廟、宏緣斷面水質(zhì)情況，從毗河石堤堰引水，可改善毗河二橋斷面及沱江干流三皇廟、宏緣斷面水質(zhì)情況。由于流域內(nèi)大部分降水集中在5至10月間，徑流量較大，因此方案擬定僅在枯水期(1～4月以及11、12月)進(jìn)行引水。從表4可知，若引水水質(zhì)為地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，西江河源加大引水流量至10m3/s，西河天平斷面水質(zhì)仍無法達(dá)標(biāo)，同理，若毗河引水水質(zhì)為地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，毗河二橋、三皇廟、宏緣斷面達(dá)標(biāo)所需的引水水量將非常大。在成都市水資源相對(duì)不足的基礎(chǔ)下，考慮補(bǔ)水方案的可實(shí)施性后，制定方案如下：毗河從石堤堰處引水，西江河從源頭引水，引水水質(zhì)為地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

表4 引水Ⅲ類水質(zhì)下西河天平斷面污染物濃度模擬值Tab.4 Simulation value of pollutant concentration in xihe river Tianping section under class Ⅲ water quality (mg/L)

經(jīng)過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，西河天平斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需的臨界引水水量為1.1m3/s，毗河二橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需的臨界引水水量為4.8m3/s，但此時(shí)，宏緣斷面水質(zhì)仍無法達(dá)標(biāo)，需加大引水水量。為確定引水最佳方案，進(jìn)行了斷面均達(dá)標(biāo)時(shí)，毗河、西江河的引水方案擬定，結(jié)果如表5所示?？梢钥吹?，在滿足西河天平斷面水質(zhì)剛好達(dá)標(biāo)的前提下，毗河需引水14.9m3/s，共需引水16 m3/s才能滿足所有斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，若適當(dāng)加大西江河源頭引水量，在保證所有斷面達(dá)標(biāo)情況下，所需引水量小于16m3/s，故在西江河源頭引水效果略好于在毗河引水的效果。

表5 不同引水方案下各斷面污染物濃度模擬值Tab.5 Simulated values of pollutant concentrations at each section under different water diversion schemes

3 結(jié) 語

本文采用MIKE11構(gòu)建了沱江流域(成都段)水動(dòng)力、水質(zhì)模型，模擬了污染物減排方案及引水方案對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的改善效果，得到了如下的結(jié)論：

在城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水收集處理率分別達(dá)100%、95%，中心城區(qū)、郊區(qū)(市)縣再生水利用率分別達(dá)60%、40%，農(nóng)村生活污水處理率達(dá)60%，農(nóng)田徑流污染治理面積比達(dá)50%，規(guī)?；B(yǎng)殖比例達(dá)80%，建成區(qū)海綿化比例達(dá)80%的污染物治理水平下，在50%、10%證率年過程枯水流量下，西河天平、毗河二橋、三皇廟、宏源、愛民橋斷面水質(zhì)均可達(dá)標(biāo)。在90%保證率年過程枯水流量下僅愛民橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，此情況下，通過合理引水，可改善無法達(dá)標(biāo)的斷面水質(zhì)情況，西河天平斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的臨界引水流量為1.1 m3/s，毗河二橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需的臨界引水水量為4.8m3/s，在滿足所有斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，共需引水16 m3/s，從西江河引水對(duì)水環(huán)境質(zhì)量改善的效果略好于毗河。