崇明島河網(wǎng)水污染特征及防治研究

劉宏寬，趙庚潤，滕 飛

(1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司規(guī)劃科研分院，上海 200061；2.上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心，上海 200061)

河網(wǎng)水污染極易引發(fā)區(qū)域水生生物死亡、水體黑臭等一系列問題，嚴(yán)重影響附近人員生活生產(chǎn)安全。近年來，河網(wǎng)水污染已成為社會(huì)及公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。受潮汐影響，感潮河網(wǎng)地區(qū)多依靠閘泵控制調(diào)度，水體流動(dòng)性弱，自凈能力較差，更易發(fā)生水污染事件[1-2]。2022年1月7日，上海市人民政府發(fā)布《崇明世界級(jí)生態(tài)島發(fā)展規(guī)劃綱要(2021年～2035年)》，要求在2035年前，島內(nèi)市、區(qū)級(jí)河道達(dá)到或好于Ⅲ類水體的比例為100%，鎮(zhèn)級(jí)河道達(dá)到或好于Ⅲ類水體的比例不低于95%[3]。

通過水質(zhì)監(jiān)測(cè)調(diào)查，分析模擬河網(wǎng)水質(zhì)變化規(guī)律，進(jìn)而掌握水質(zhì)污染特征，在河網(wǎng)水質(zhì)污染防治工作中具有至關(guān)重要的作用。根據(jù)現(xiàn)狀水質(zhì)監(jiān)測(cè)進(jìn)行污染溯源，對(duì)流域污染變化規(guī)律及其組成和空間分布特征進(jìn)行分析，可找出潛在問題并針對(duì)水污染特征提出相應(yīng)防治措施[4-7]；通過構(gòu)建數(shù)值模型研究區(qū)域內(nèi)各水質(zhì)要素的時(shí)空分布規(guī)律，可提出相應(yīng)防治措施，并分析預(yù)期成效[8-11]。

目前，對(duì)崇明島從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析到數(shù)值模擬再現(xiàn)的深入研究較少。因此，本研究基于2020年崇明島779個(gè)河長辦斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探尋崇明島河網(wǎng)水質(zhì)污染時(shí)空分布規(guī)律，通過構(gòu)建水動(dòng)力水質(zhì)模型，進(jìn)一步剖析河網(wǎng)水質(zhì)污染特征及原因，并提出相應(yīng)的治理對(duì)策建議，以期為推動(dòng)崇明島水污染防治，服務(wù)世界級(jí)生態(tài)島建設(shè)提供重要的技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究中涉及的人口、經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)、氣象數(shù)據(jù)來源于《崇明區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國縣域統(tǒng)計(jì)年鑒》及崇明區(qū)統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)，崇明區(qū)河長辦監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于崇明區(qū)水務(wù)局。

1.2 研究范圍

崇明島地處長江入?？?，是世界最大的河口沖積島。崇明島河網(wǎng)水系密布，由32條骨干河道(市管及區(qū)管)，600余條橫向鎮(zhèn)管河道與之溝通，中間另有15 000條村級(jí)河道及泯溝與之相連，現(xiàn)狀(2020年)河湖水面率9.07%[12]。崇明島779個(gè)河長辦監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)位空間分布及2020年全年年均水質(zhì)情況見圖1。

1.3 研究方法

1.3.1 污染物評(píng)價(jià)及核算

本研究水質(zhì)評(píng)價(jià)依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[13]進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)，即

(1)

(2)

式中，pi為單項(xiàng)指標(biāo)污染指數(shù)；Pi為斷面綜合污染指數(shù)；ci為評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)濃度；c0為對(duì)應(yīng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)濃度允許的最高值；n為該斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)總指標(biāo)總數(shù)。

生活污染、種植業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)非點(diǎn)源污染物入河量依據(jù)《排放源統(tǒng)計(jì)調(diào)查產(chǎn)排污核算方法和系數(shù)手冊(cè)》(2021)附表2及附表3進(jìn)行核算[14]。

地表徑流污染負(fù)荷計(jì)算采用輸出系統(tǒng)模型法進(jìn)行核算[15-16]，核算公式為

Q=0.001·EMC·R·A·P

(3)

式中，Q為面源負(fù)荷量，kg；EMC為下墊面降雨徑流事件平均濃度，mg/L；R為年徑流系數(shù)；A為集雨面積，km2；P為降雨量，mm。

1.3.2 污染物遷移轉(zhuǎn)化過程模擬

本研究通過一維非恒定流Saint-Venant方程組及對(duì)流-擴(kuò)散方程，構(gòu)建一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型，對(duì)崇明島河網(wǎng)水流狀態(tài)及污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行模擬。

水流連續(xù)方程為

式中，B為水面寬，m；h為水深，m；t為時(shí)間，s；Q為流量，m3/s；x為河段長，m；q為旁側(cè)入流或出流，m3/s。

水流動(dòng)量方程為

式中，u為斷面平均流速，m/s；g為重力加速度，m2/s；n為糙率；A為河道斷面面積，m2；z為水位，m；R為水力半徑，m。

污染物遷移轉(zhuǎn)化方程為

式中，ci為水質(zhì)指標(biāo)濃度，mg/L；Ex為河流污染物擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Sci為源漏項(xiàng)，Sci=-kihci，其中ki為對(duì)應(yīng)于ci的降解系數(shù)，d-1。

1.3.3 污染物平衡關(guān)系

河網(wǎng)納污量是源(入量)和匯(出量)交替的動(dòng)態(tài)存量，依據(jù)質(zhì)量守恒關(guān)系，即

ΔW=(Wj+Wo)-(Qi+Qp)

(7)

式中，ΔW為河網(wǎng)納污通量；Wj為時(shí)段降解量；Wo為河網(wǎng)外排污染物通量；Qi為引水口門污染物匯入通量；Qp為污染物入河量。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)測(cè)水質(zhì)分析

由圖1可知，III類及以上水體測(cè)點(diǎn)共539個(gè)，占比69.2%；Ⅳ類水體測(cè)點(diǎn)237個(gè)，占比30.4%；Ⅴ類水體測(cè)點(diǎn)3個(gè)，占比0.4%。現(xiàn)狀水質(zhì)情況離要求差距較大，其中26個(gè)國考、市考斷面中，Ⅲ類及以上水體占比80.8%，Ⅳ類水體占比15.4%，Ⅴ類水體占比3.8%。崇明島2020年溶解氧基本達(dá)標(biāo)，總磷超標(biāo)(IV類、Ⅴ類、劣Ⅴ類)嚴(yán)重，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮濃度大面積范圍已越過III類水體指標(biāo)下線，如圖2所示。

圖2 崇明島污染監(jiān)測(cè)插值(水質(zhì)指標(biāo))

崇明島不同月份水質(zhì)評(píng)價(jià)成果如表1所示。由表1可知，崇明島水質(zhì)隨季節(jié)呈現(xiàn)出顯著的變化，冬春季水質(zhì)較好，11月～翌年3月超標(biāo)水體占比低于45%，水質(zhì)2月份超標(biāo)最少，超標(biāo)點(diǎn)位占比27.08%；夏秋季水質(zhì)較差，4月～10月超標(biāo)水體占比均超過50%，尤以夏秋季4個(gè)月(6月～9月)超標(biāo)最為嚴(yán)重，7月份超標(biāo)點(diǎn)位占比96.27%。

崇明島河網(wǎng)月際水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)評(píng)價(jià)分布情況如圖3所示。由圖3可知，高污染集中在城橋鎮(zhèn)(西北區(qū)域)、陳家鎮(zhèn)(東南區(qū)域)、新海農(nóng)場(北部)等種植區(qū)，污染強(qiáng)度較高的地區(qū)與糧食產(chǎn)區(qū)及中心城鎮(zhèn)高度吻合，其余地區(qū)污染分布分散。全島既有集中污染區(qū)域，又存在大面積面源污染，污染防治難度較大。

圖3 崇明島逐月水質(zhì)污染分布

2.2 河網(wǎng)納污分析

崇明區(qū)2020年高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷的非點(diǎn)源污染來源統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，污染主要來源于種植業(yè)，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷3個(gè)水質(zhì)指標(biāo)污染種植業(yè)負(fù)荷量占比均超80%。

圖4 崇明島非點(diǎn)源污染來源分布

統(tǒng)計(jì)崇明島2020年降雨情況，并以蔬菜產(chǎn)量為指標(biāo)衡量崇明島肥料施用情況，如圖5所示。由圖5可知，崇明島主要污染(以主要污染物總磷為例)情況與降雨及施肥情況顯著相關(guān)，施肥月份與水質(zhì)較差的時(shí)段保持一致，水質(zhì)濃度隨降雨量季節(jié)性變化。春季及夏季過度施肥，冗余的氮、磷元素沉積和吸附在土壤中，6月～8月伴隨農(nóng)田漫灌及強(qiáng)降雨，污染物大量進(jìn)入河網(wǎng)。種植業(yè)是崇明島河網(wǎng)污染的來源，降雨是污染物進(jìn)入河網(wǎng)的催化劑。

圖5 崇明島總磷濃度-降雨量-蔬菜產(chǎn)量關(guān)系

依據(jù)水動(dòng)力水質(zhì)模型結(jié)果，分骨干河道(市管及區(qū)管河道)及支級(jí)河道(鎮(zhèn)管及以下河道)提取各河段水量及納污量，崇明島骨干河道年均水量約9.54萬m3，年納污量約7.8 t；支級(jí)河道年均水量約11.32萬m3，年納污量約20.0 t，如圖6所示。由圖6可知，環(huán)島運(yùn)河等骨干河道占河網(wǎng)總水量的46%，納污量僅占比28%；而鎮(zhèn)管等支級(jí)河道占總水量的54%，納污量卻占比高達(dá)72%。說明骨干河道水量略低于支級(jí)河道水量，但污染物主要存在于支級(jí)河道中，且骨干河道納污量年內(nèi)變化較小，基本能維持在一個(gè)穩(wěn)定且不超標(biāo)的水平上，而支級(jí)河道納污量年內(nèi)變化較大，污染水平較高的夏秋季納污量約是污染水平較低的冬春季納污量的2倍。

圖6 崇明島骨干及支級(jí)河道納污量

崇明島河網(wǎng)污染物引排水削減量為河網(wǎng)排出和攝入污染物的差值，依據(jù)公式(7)計(jì)算河網(wǎng)自凈降解量，其與引排水削減量的關(guān)系如圖7所示，各月引調(diào)水及河網(wǎng)自凈削減量及占比如表2所示。崇明島河網(wǎng)污染物削減主要依靠自凈降解，且春秋兩季流動(dòng)性強(qiáng)的月份，自凈降解量較高；引排水能起到一定的削減作用，在水動(dòng)力強(qiáng)、污染高的夏秋季削減量高，占比約25%～30%，在流動(dòng)性低的冬季削減量低，占比約10%～15%，其余的月份占比15%～20%。

2.3 河網(wǎng)污染防治對(duì)策

崇明島河網(wǎng)水質(zhì)污染主要來源為種植業(yè)污染，污染物主要囤積在支級(jí)河道，呈典型的季節(jié)性變化及降雨正相關(guān)性，污染削減方式主要依靠河網(wǎng)自身降解。因此，為治理崇明島河網(wǎng)水質(zhì)污染，須從外部污染削減攔截、內(nèi)部污染重點(diǎn)治理和河網(wǎng)自凈能力提升3個(gè)方面開展。

通過增加有機(jī)肥施放量、節(jié)水灌溉、治理農(nóng)田末端尾水等方式，削減農(nóng)業(yè)面源負(fù)荷量及污染物入河量，可有效降低土壤中囤積的氮磷物質(zhì)含量；通過疏浚和加寬支級(jí)河道，連通斷頭河道，發(fā)揮崇明島現(xiàn)有涵閘的引排功效，在保障防洪安全情況下抬升河網(wǎng)水位，增加引排頻次等方式提升河網(wǎng)流通性，增加河網(wǎng)自凈能力。

此外，增強(qiáng)崇明島支級(jí)河網(wǎng)流動(dòng)性的同時(shí)，支級(jí)河道內(nèi)部囤積的污染物大量擴(kuò)散至骨干河道，短期內(nèi)有引發(fā)河網(wǎng)污染加劇的可能，應(yīng)在重點(diǎn)地區(qū)開展集中水污染治理，盡量削減污染擴(kuò)散程度。

3 結(jié) 論

(1)崇明島水質(zhì)達(dá)標(biāo)率69.2%，污染強(qiáng)度較高的地區(qū)與糧食產(chǎn)區(qū)、城橋鎮(zhèn)等中心城區(qū)高度吻合，其余地區(qū)污染分布分散；水質(zhì)月際差異明顯，4月～10月超標(biāo)水體占比51.69%～96.27%，11月～3月超標(biāo)水體占比27.08%～44.46%。

(2)種植業(yè)是崇明島河網(wǎng)污染的來源，冗余的氮、磷元素沉積和吸附在土壤中，夏秋季伴隨農(nóng)田漫灌及強(qiáng)降雨進(jìn)入河網(wǎng)；污染物主要囤積于支級(jí)河道內(nèi)部，骨干河道水量占比46%，納污量占比28%，支級(jí)河道水量占比54%，納污量占比72%。

(3)崇明島河網(wǎng)污染物削減主要依靠自凈降解，且春秋兩季流動(dòng)性強(qiáng)的月份，自凈降解量較高；引排水能起到一定的削減作用，在水動(dòng)力強(qiáng)、污染高的月份削減量高，占比約30%，冬季等流動(dòng)性低的月份削減量低，占比約10%。

(4)針對(duì)崇明島河網(wǎng)水質(zhì)污染特征，治理須從外擋源漏、重點(diǎn)治理、內(nèi)提動(dòng)力出發(fā)，削減河網(wǎng)納污量，重點(diǎn)開展支級(jí)河道污染治理，提升河網(wǎng)水動(dòng)力，增強(qiáng)河網(wǎng)自凈能力。建議通過凈化支級(jí)流域末端尾水、提升支級(jí)河道流動(dòng)性、開展高污染片區(qū)集中治理、加大引排能力及頻次等針對(duì)性措施有效改善污染程度。