太滆運河水環(huán)境容量研究

李冰陽

（上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海，200434）

0 引言

水環(huán)境容量是指在給定水域范圍內(nèi)，根據(jù)水體水質(zhì)目標(biāo)及入河排污口排污方式，在特定水文條件下所計算的單位時間內(nèi)該水域的最大允許納污量[1]。其值與水域特性、環(huán)境功能要求、污染物質(zhì)類型和排污方式等諸多因素有關(guān)[2，3]。水環(huán)境容量作為資源環(huán)境承載力的重要組成部分，是鏈接水質(zhì)目標(biāo)管理與污染總量控制的核心紐帶[4]，科學(xué)合理地測算流域水環(huán)境容量可為水污染精準(zhǔn)防治及水環(huán)境精細管理提供科學(xué)的依據(jù)。

以往的大量研究多關(guān)注于點源污染排放對區(qū)域水環(huán)境的影響，以及不同水文條件下水環(huán)境容量的動態(tài)變化，而忽視了點、面源污染入河的季節(jié)性特征；枯水期，由地表徑流裹挾入河的面源污染物較少，點源污染對區(qū)域水環(huán)境的影響占主導(dǎo)作用；豐水期，隨著徑流增大，面源污染入河量的比重升高，對周邊水體的影響不容忽視。因此，需要綜合考慮不同水情條件下點、面源的污染特征來確定點、面源污染協(xié)同影響的水環(huán)境容量[5]。

本文選取太滆運河匯水區(qū)為研究區(qū)域，考慮上游來水水質(zhì)、區(qū)域點源污染、區(qū)域面源污染，利用解析公式法計算水環(huán)境容量，并通過建立一維河網(wǎng)水量、水質(zhì)模型，驗證該方法具有合理性，為后續(xù)區(qū)域水污染防治及水生態(tài)治理提供可靠基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域概況

1.1 水系及水文特征概況

1.1.1 水系概況

太滆運河是江蘇省常州市武進區(qū)內(nèi)的骨干河道，也是貫通滆湖和太湖的主要河道之一，河道總長22.45km，河道底寬20 ～50m，河底高程-1.60m ～-1.20m（黃海高程），坡比1：3[6]。正常情況下水流由西向東，西段主要是滆湖出水、上游武宜運河來水在坊前橋匯合，中段與增產(chǎn)河交匯，并接納武進城區(qū)永安河來水，東段與錫溧漕河、漕橋河匯合后入太湖。本次研究區(qū)域為太滆運河匯水區(qū)域，主要涉及太滆運河、武宜運河、永安河、增產(chǎn)河以及錫溧漕河。研究區(qū)域內(nèi)水系見圖1。

圖1 研究區(qū)域水系、水文站、測驗斷面及水質(zhì)監(jiān)測斷面示意圖

1.1.2 水文調(diào)查

（1）歷史水文數(shù)據(jù)調(diào)查。本次研究收集到的水文數(shù)據(jù)有：研究區(qū)域內(nèi)1 個水文監(jiān)測站黃埝橋站和1 個水位監(jiān)測站坊前（二）站2007 年逐日流量及水位數(shù)據(jù)。位置分布見圖1。

（2）水文特征現(xiàn)場調(diào)查。2019 年10 月21 日～10 月22 日開展每日兩次水文測驗，測驗斷面見圖1，測驗要素為河道流向、河寬、水深、流速以及流量，水文測驗結(jié)果見表1。

表1 水文測驗成果

1.2 水環(huán)境功能區(qū)劃

根據(jù)《江蘇省地表水（環(huán)境）功能區(qū)劃》，太滆運河匯水區(qū)域內(nèi)涉及七個水（環(huán)境）功能區(qū)，相關(guān)情況見表2。

表2 匯水區(qū)域地表水（環(huán)境）功能區(qū)劃

1.3 水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀

2018 年對太滆運河及匯水區(qū)域內(nèi)骨干河道進行水質(zhì)監(jiān)測，共有19 個水質(zhì)監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面涉及出入湖泊、太滆運河以及各骨干河道，各斷面位置如圖1 所示。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，太滆運河匯水區(qū)域內(nèi)高錳酸鹽指數(shù)基本穩(wěn)定達標(biāo)，主要污染因子為氨氮、總磷、總氮，各斷面具體水質(zhì)達標(biāo)情況見圖2。

圖2 太滆運河匯水區(qū)域內(nèi)河流水環(huán)境質(zhì)量情況

1.4 污染源現(xiàn)狀

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，太滆運河匯水區(qū)域內(nèi)COD、氨氮、總磷排放總量分別為570.55 t/a、47.79 t/a、16.02 t/a，詳見表3。前黃鎮(zhèn)COD、氨氮、總磷排放比重較高，分別占匯水區(qū)域排放總量的57.76%、54.21%、66.32%。匯水區(qū)域內(nèi)COD、氨氮排放主要來源于生活污染，分別占排放總量的52.70%、61.28%，其次是農(nóng)業(yè)面源污染、工業(yè)污染；總磷排放主要來源于農(nóng)業(yè)面源污染，占排放總量的68.54%，其次是生活污染、工業(yè)污染。

表3 匯水區(qū)域污染物排放情況 t/a

2 河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

2.1 河網(wǎng)水量模型構(gòu)建

2.1.1 控制方程

水量計算的微分方程是建立在質(zhì)量和動量守恒定律基礎(chǔ)上的圣維南方程組，以流量Q（x，t）和水位Z（x，t）為未知變量，并補充考慮了漫灘和旁側(cè)入流的一維形式[7]。圣維南方程組見式（1）。

式中：Q 為流量，m3/s；x 為沿水流方向空間坐標(biāo)；BW為調(diào)蓄寬度，m，指包括灘地在內(nèi)的全部河寬；Z 為水位，m；t 為時間坐標(biāo)，d；q 為旁側(cè)入流流量，m3/s，入流為正，出流為負；u 為斷面平均流速，m/s；g 為重力加速度，m/s2；A 為主槽過水?dāng)嗝婷娣e，m2；B 為主流斷面寬度，m；n 為糙率；R 為水力半徑，m。

方程組求解方法：Abbott-Ionescu 六點隱式有限差分法。按照網(wǎng)格點的計算順序交替計算水位或流量，2類計算點又被稱為h 點和Q 點。首先求解各節(jié)點處的水位，然后將各節(jié)點水位回代至單一的河道方程中，并最終求得各單一河道各斷面水位及流量。

2.1.2 河網(wǎng)概化

太滆運河匯水區(qū)域內(nèi)河道縱橫交錯，本次研究以太滆運河、武宜運河、永安河、增產(chǎn)河、錫溧漕河為主要研究對象，河網(wǎng)概化如圖3 所示。河道總長度約45km，河道斷面間距（計算水位點）在300～600m 之間，模型計算網(wǎng)格（計算水位點、流量點）總數(shù)為380 個。

圖3 河網(wǎng)概化圖

2.1.3 邊界條件設(shè)置

研究區(qū)域河網(wǎng)水量模型開邊界按上游流量下游水位的原則設(shè)置，共設(shè)置4 個流量邊界（圖3 編號1-4）和3 個水位邊界（圖3 編號5-7）。根據(jù)收集到的研究區(qū)域內(nèi)水文、水位觀測站點2007 年流量、水位監(jiān)測資料對其賦值，部分無法收集到的資料采用枯水期實測水文數(shù)據(jù)，同時參考全太湖流域水量水質(zhì)模型計算值，綜合確定設(shè)計水文條件。

2.1.4 模型參數(shù)率定

受現(xiàn)有資料所限，采用2007 年1 月1 日～3 月31日黃埝橋水文站平均水位監(jiān)測資料對模型參數(shù)進行率定，率定得河道糙率值為0.022 6～0.023 0。黃埝橋水文站水位計算值和實測值分別為3.13m 和3.136m。

兩數(shù)值吻合良好，絕對誤差為0.006m，該模型可用于描述研究區(qū)域內(nèi)主要河流的水文變化過程。

2.2 河網(wǎng)水質(zhì)模型構(gòu)建

2.2.1 控制方程

河網(wǎng)區(qū)水體中污染物對流擴散基本方程見式（2）和（3）。其中，式（2）是河道方程，式（3）是河道叉點方程[8]。

式（2）和（3）中：Q 為流量，m3/s；Z 為水位，m；A 為河道面積，m2；Ex為縱向分散系數(shù)；C 為水流輸送的物質(zhì)濃度，mg/L；Ω 為河道叉點－節(jié)點的水面面積，m2；j 為節(jié)點編號；I 為與節(jié)點j 相聯(lián)接的河道編號；Sc為與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項，例如可寫為Sc=KdAC；Kd為衰減因子；S 為外部的源或匯項。

在對方程求解時，時間項采用向前差分的方式，對流項則采用上風(fēng)格式求解，擴散項采用中心差分格式。

2.2.2 邊界條件設(shè)置

研究區(qū)域水質(zhì)模型與水動力模型基本一致。上邊界取滆湖入太滆運河斷面，下邊界取太滆運河出雪堰鎮(zhèn)斷面。水質(zhì)模型水動力邊界條件設(shè)置均與水動力模型相同，水質(zhì)邊界條件根據(jù)2018 年太滆運河流域水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)確定水質(zhì)模型入流斷面邊界條件，出流斷面按第二類邊界條件控制。

2.2.3 模型參數(shù)確定

根據(jù)對蘇南河網(wǎng)地區(qū)水質(zhì)降解系數(shù)的研究，COD綜合降解系數(shù)取0.09～0.13d-1、氨氮綜合降解系數(shù)取0.06～0.09d-1、總磷綜合降解系數(shù)取0.06～0.10d-1。

2.2.4 排污口概化

研究區(qū)域污染負荷包括點源污染負荷及面源污染負荷。點源污染主要體現(xiàn)在枯水期，按入河排污口位置將點源污染負荷劃分到各河段中，共概化點源排污口14 個，其中6 個直排企業(yè)排污口，1 個污水處理廠排污口，7 個生活污水排污口；面源污染主要集中在豐水期，本次研究以河道長度為權(quán)重因子，將面源污染劃分到各個包圍該陸域區(qū)域的河段中，共概化面源排污口14 個。

3 水環(huán)境容量計算及分析

3.1 水環(huán)境容量計算方法

目前水環(huán)境容量常見的計算方法有解析公式法[9]、系統(tǒng)最優(yōu)化法[10]、概率稀釋模型法[11]、模型試錯法[12]等。本次研究按照污染物降解機理，采用解析公式法將水環(huán)境容量劃分為稀釋容量和自凈容量兩部分。稀釋容量是指在給定水域的來水污染物濃度低于出水水質(zhì)目標(biāo)時，依靠稀釋作用達到水質(zhì)目標(biāo)所能承納的污染物量。自凈容量是指由于沉降、生化、吸附等物理、化學(xué)和生物作用，給定水域達到水質(zhì)目標(biāo)所能自凈的污染物量。其計算公式如下：

式（4）中：Q0為進口斷面的入流流量，m3/s；CS為該水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；C0為進口斷面的水質(zhì)濃度，mg/L；K 為水質(zhì)降解系數(shù)，1/d；V 為水體體積，m3；q 為旁側(cè)入流流量，m3/s；C0′為旁側(cè)支流進口斷面的水質(zhì)濃度，mg/L。

河網(wǎng)地區(qū)河道縱橫交錯，研究區(qū)域內(nèi)上、下游河道水質(zhì)互相影響，水環(huán)境容量應(yīng)采用系統(tǒng)的方法分析計算。區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量總體上與上游來水水質(zhì)、區(qū)域點源污染負荷、面源污染負荷有關(guān)。其中，點源污染主要體現(xiàn)在枯水期，面源污染主要集中在降雨期。據(jù)此，從管理的角度，可分別針對不同水情對應(yīng)的點源、面源污染負荷計算允許排放量，兩者綜合為區(qū)域水環(huán)境容量。即根據(jù)點源污染特征及相應(yīng)的水文條件確定點源污染物允許排放量；根據(jù)面源污染產(chǎn)污機制及時間特征確定面源污染物允許排放量；綜合考慮點、面源污染特征確定點、面源污染協(xié)同影響的水環(huán)境容量[5]。

3.2 參數(shù)選取

太滆運河進口斷面及旁側(cè)支河入流流量選用水文特征現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)；水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為《江蘇省地表水（環(huán)境）功能區(qū)劃》中規(guī)定的目標(biāo)值；進口斷面水質(zhì)濃度采用太滆運河實測數(shù)據(jù)；水質(zhì)降解系數(shù)參考蘇南河網(wǎng)地區(qū)經(jīng)驗系數(shù)，COD 取0.1d-1、NH3-N 取0.08d-1、TP 取0.06d-1。

3.3 水環(huán)境容量計算結(jié)果

在進行水環(huán)境容量的計算時，考慮到旁側(cè)支流的匯入會帶來一定的水量及污染物，故對太滆運河分段計算水環(huán)境容量，分段示意圖見圖3。根據(jù)公式（4）水環(huán)境容量計算公式，研究范圍內(nèi)太滆運河COD、氨氮、總磷水環(huán)境容量核算結(jié)果見表4。

表4 太滆運河水環(huán)境容量核算表 t/a

由于點源污染主要體現(xiàn)在枯水期，面源污染主要集中在降雨期，故太滆運河枯水期水環(huán)境容量即為點源污染物允許排放量，豐水期水環(huán)境容量除去點源污染物允許排放量后即為面源污染物允許排放量。綜上所述，點源污染物允許排放量為COD 4 725.60 t/a，氨氮77.93 t/a，總磷51.82 t/a，面源污染物允許排放量為COD 17 968.92 t/a，氨氮776.11 t/a，總磷143.76 t/a，二者綜合即為區(qū)域水環(huán)境容量，詳見表5。

表5 太滆運河匯水區(qū)域點、面源污染物允許排放量 t/a

3.4 合理性分析

在考慮水質(zhì)安全性的基礎(chǔ)上，按現(xiàn)狀等比例分配原則，將點、面源污染物允許排放量分配到各個點、面源[13]。根據(jù)點源污染特征、面源污染產(chǎn)污機制以及點、面源污染物允許排放量核算與分配，利用已建立的一維水量水質(zhì)模型，按相應(yīng)的設(shè)計水文條件及參數(shù)取值，預(yù)測太滆運河各典型斷面主要污染物濃度值，預(yù)測結(jié)果見表6。

表6 太滆運河各典型斷面水質(zhì)影響預(yù)測 mg/L

預(yù)測結(jié)果顯示：點源及面源污染物排放將對太滆運河水質(zhì)產(chǎn)生一定程度的影響，COD 濃度范圍為17.569～18.731 mg/L，氨氮濃度范圍為0.834～0.924 mg/L，總磷濃度范圍為0.183～0.185 mg/L。各預(yù)測斷面污染物濃度均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）規(guī)定的III 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，由此可知，上述面源污染物允許排放量核算及分配方法基本合理。

4 結(jié)論

（1）本文提出考慮點、面源入河季節(jié)性特征的水環(huán)境容量計算方法，并利用MIKE11 軟件建立水動力、水質(zhì)模型以驗證其合理性。結(jié)果表明：太滆運河水環(huán)境容量為COD 22 694.52 t/a、氨氮854.04 t/a、總磷195.58 t/a，其中，點源污染物允許排放量為COD 4 725.60 t/a，氨氮77.93 t/a，總磷51.82 t/a，面源污染物允許排放量為COD 17 968.92 t/a，氨氮776.11 t/a，總磷143.76 t/a。在此最大污染物排放量下，典型斷面均能滿足水質(zhì)目標(biāo)，該水環(huán)境容量計算方法合理可行。

（2）受現(xiàn)有資料限制，無法進行水質(zhì)模型參數(shù)率定驗證，僅采用蘇南河網(wǎng)地區(qū)水質(zhì)降解系數(shù)的經(jīng)驗值存在一定誤差，同時，因缺少長時間序列邊界條件，無法輸出典型斷面水質(zhì)影響的動態(tài)變化，分析水質(zhì)達標(biāo)頻率，后續(xù)待充分收集資料后將進一步完善。

（3）建議根據(jù)點、面源允許排放量，實施不同水文時期水污染精準(zhǔn)防治，進一步完善管網(wǎng)設(shè)施，實施污水處理設(shè)施全覆蓋，提高污水納管率，同時，加強面源污染防治，提高農(nóng)村污水治理技術(shù)水平。