王思遠, 許有鵬, 王丹青, 高 斌, 王 強, 溫海燕

(1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023; 2.無錫市城市防洪工程管理處, 江蘇 無錫 214000)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的不斷推進，太湖流域生態(tài)環(huán)境急劇惡化，尤其是水域污染和富營養(yǎng)化日趨嚴重，總氮、總磷、生化需氧量(BOD)、化學(xué)需氧量(COD)等多項污染物指標超標，水質(zhì)的急劇惡化逐漸成為經(jīng)濟發(fā)展的制約因素[1-2]。為此各地政府開展了大量的河流污染治理工作，雖然局部水域污染狀況得到一定程度改善，但是水環(huán)境惡化趨勢并未得到有效遏制[3]。水環(huán)境容量是水體中污染物總量控制的重要依據(jù)，尤其是對于高度城市化平原河網(wǎng)地區(qū)，其影響因素復(fù)雜多變，因此充分利用污染物在水體中的遷移、轉(zhuǎn)化等機理，研究和控制水環(huán)境容量成為了國內(nèi)外學(xué)者的熱點話題[4]。

水環(huán)境容量一般指水體在滿足特定功能條件下所能容納污染物的最大負荷量，其大小與水體特征、水質(zhì)目標及污染物特性有關(guān)，因此，又稱水域負荷量或納污能力[5]。水環(huán)境容量的計算及其在各功能區(qū)間的分配，是水污染總量控制的基礎(chǔ)和核心[6]。目前，國內(nèi)外對河流水環(huán)境容量計算和研究主要是通過公式法[7]、模型試錯法[8]、概率稀釋模型[9]和盲數(shù)理論[10]等方法。如李昆等人對豐水期不同程度富營養(yǎng)化的洪湖全湖，采用GIS 空間插值技術(shù)，分析豐水期各污染物的變化趨勢[11]；為改善山區(qū)水環(huán)境狀況，陳玥等人對臨海市COD和NH3—N的水環(huán)境容量進行計算分析，并提出污染物排放總量控制方案[12]；馮利忠等采用MIKE三維水動力和水質(zhì)耦合模型，對“引黃入呼”取水口水環(huán)境容量進行動態(tài)分析[13]。但是，這些研究多是基于實測流量作為設(shè)計水文條件進行計算，并且大多研究未考慮引排水對水環(huán)境容量的影響。對于太湖平原河網(wǎng)地區(qū)，各個河流流速緩慢，流向和流態(tài)呈現(xiàn)出隨機性變化，河流流向不定，相較于流量控制，基于水位作為控制條件，計算設(shè)計流量，更適于太湖平原河網(wǎng)水環(huán)境容量的計算。

太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)是我國經(jīng)濟最發(fā)達和最活躍的地區(qū)之一，但是城市化、工業(yè)化的快速推進也使得區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和水環(huán)境保護的矛盾十分突出。在此背景下，以流域典型區(qū)域錫澄地區(qū)為例，從多角度探討分析平原河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境容量的影響因素對區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究選取CODMn和TP兩個典型污染因子開展一系列研究工作，旨在從年內(nèi)四季、典型年、引水量三方面揭示錫澄地區(qū)骨干河流的典型因子的水環(huán)境容量變化規(guī)律及影響因素，以期為城市化下平原河網(wǎng)地區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)治理，河道水環(huán)境容量的控制與分配提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)，覆蓋錫澄地區(qū)的北塘區(qū)、南長區(qū)、惠山區(qū)、崇安區(qū)、濱湖區(qū)、錫山區(qū)、江陰市7個行政區(qū)，總面積2 625.31 km2，其中水域面積占40%左右，擁有各級河道2 000多條，以具有引排作用的縱向河道和調(diào)節(jié)作用的橫向河道為框架，構(gòu)成了研究區(qū)骨干河網(wǎng)(圖1)。該地區(qū)氣候?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，四季分明，降水豐沛，根據(jù)近30 a的統(tǒng)計資料，年均降水量達1 121.7 mm。區(qū)域經(jīng)濟較為發(fā)達，人民生活水平較高，據(jù)2017年統(tǒng)計資料，人均生產(chǎn)總值達到16.07萬元，但水質(zhì)狀況不容樂觀，在2014年，部分水質(zhì)站點的污染物的濃度已低于Ⅴ類水質(zhì)，選擇易導(dǎo)致河流富營養(yǎng)化的磷元素以及表示水體中有機物污染的高錳酸鹽指數(shù)，開展對錫澄地區(qū)骨干河道水環(huán)境容量的研究。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究涉及資料包括太湖流域錫澄地區(qū)的水系、水文、氣象資料以及水質(zhì)數(shù)據(jù)。水系資料包括基于矢量地形圖獲取的無錫市2010s 水系圖，以及根據(jù)無錫市河湖普查獲取的8條骨干河道的斷面與河長信息。水文、氣象資料包括水位、雨量、引水量數(shù)據(jù)，水位數(shù)據(jù)包含研究區(qū)內(nèi)的白芍站、無錫站、甘露站、陳墅站、青旸站5個水位站2005—2014年的水位資料，雨量數(shù)據(jù)是通過收集具有代表性的雨量站點的2005—2014年雨量資料獲得的，引排水?dāng)?shù)據(jù)主要根據(jù)《長江流域水文資料》2010—2014年年鑒綜合整理分析獲得，進而確定研究區(qū)骨干河流的引水量。水質(zhì)資料為無錫市主要河道上的8個水質(zhì)監(jiān)測斷面2005—2014年的月實測數(shù)據(jù)，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測點的水質(zhì)數(shù)據(jù)，選取對河流水質(zhì)影響較為突出的常規(guī)監(jiān)測指標總磷(TP)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)分析其水環(huán)境容量。

1.3 研究方法

由于本研究基于整條河流作為控制單元，是從較為宏觀的角度對研究區(qū)的8條河流的水環(huán)境容量進行研究。完全混合計算法是指污染物進入到河流水體后，在斷面上污染物完全均勻混合，較好的符合本次研究的需求。在采用此方法的基礎(chǔ)上，考慮河道寬度等河道特征以及不同污染物的降解系數(shù)，探討該區(qū)域TP和CODMn水環(huán)境容量及其影響因素。主要從以下3個方面展開：(1) 考慮研究區(qū)功能區(qū)劃分的復(fù)雜性，確定8條骨干河流作為研究對象；(2) 以近十年最枯月平均水位(90%保證率)作為設(shè)計水位，計算2010—2014年的水環(huán)境容量，分別從四季、引水量兩方面考慮水環(huán)境容量的影響因素。(3) 根據(jù)近十年雨量觀測數(shù)據(jù)，確定研究區(qū)枯、平和豐3種年型，計算對應(yīng)年型的水環(huán)境容量。

考慮平原河網(wǎng)分布特征，參考研究區(qū)的水環(huán)境功能區(qū)劃，將天然河道進行概化，確定研究區(qū)河網(wǎng)。將水體水質(zhì)看作完全均勻混合類型，基于水位控制，完成對研究區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境容量數(shù)學(xué)計算模型的構(gòu)建。在2020年水質(zhì)目標控制下，基于設(shè)計水文條件，利用研究區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境容量數(shù)學(xué)模型，對研究區(qū)域最小空間單元(河段)和最小時間單元(月)的水環(huán)境容量進行計算，公式如下：

(1)

式中:αji為不均勻系數(shù)，范圍為(0,1]；wji為控制單元水環(huán)境容量(t/月)。

wji=Q0i(Csji-C0ji)+K(Sji·li)Csji

(2)

式中：Q0i為i河段的設(shè)計流量(m3/s)；Csji為不同控制單元的水質(zhì)標準下的水質(zhì)濃度(mg/L)；C0ji為不同河斷面的每個月的水質(zhì)濃度(mg/L)；K為污染物綜合降解系數(shù)(d-1)；Sji為河道斷面面積(m3)；li為河長(km)。

1.4 水環(huán)境容量數(shù)學(xué)模型參數(shù)率定

(1) 近十年最枯月的平均流量。通過謝才—曼寧公式求得流速分布：

(3)

式中：vi為平均流速(m/s)；n為河道糙率；Hi為水深(m)；Ji為水面比降。

(2) 水質(zhì)目標。依據(jù)江蘇省地表水功能區(qū)劃所規(guī)定的水質(zhì)目標，計算研究區(qū)骨干河道的水環(huán)境容量。確定8條河流的水質(zhì)目標等級，進而得到每種污染物的水質(zhì)目標濃度。

(3) 污染物的降解系數(shù)。污染物的降解系數(shù)是計算水環(huán)境容量的基礎(chǔ)參數(shù)。本研究根據(jù)江蘇省太湖流域污染物降解系數(shù)的研究成果，確定研究區(qū)主要河段的TP降解系數(shù)的變化范圍為0.05～0.1，CODMn的降解系數(shù)的變化范圍為0.1～0.29[15]。各河流的污染物降解系數(shù)是不同的，但相差甚微，故取其在各河段均值，以從宏觀角度估算河流水環(huán)境容量。

(4) 不均勻系數(shù)。考慮到水資源時空分布的不均勻性，對每條河流求得的水環(huán)境容量進行修訂。影響研究區(qū)水環(huán)境容量計算結(jié)果的主要因素是河寬、流量以及水深。根據(jù)太湖流域河流的調(diào)查結(jié)果表明，河寬基本上可以表征河流的水文特征，依據(jù)河寬和不均勻系數(shù)的關(guān)系，確定不同河道的不均勻系數(shù)[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)性差異分析

根據(jù)我國在氣候上劃分四季的標準，一般以3—5月為春季、6—8月為夏季、9至11月為秋季、12月到次年2月為冬季，以此標準劃分研究區(qū)的四季。根據(jù)2010—2014年TP和CODMn的水環(huán)境容量計算結(jié)果，得到兩種污染物四季水環(huán)境容量年均值，分別用WTP和WCODMn表示，單位為t。

TP水環(huán)境容量的季節(jié)性差異較為明顯，呈現(xiàn)出秋季較高，冬季較低的特征。春季TP水環(huán)境容量范圍為-1.66～3.42 t，均值為0.37 t；夏季的變化范圍為-1.33～3.38 t，均值為0.82 t；秋季的變化范圍為0.21～3.43 t，均值最大為1.11 t；冬季的變化范圍為-2.7～3.33 t，均值最小為0.24 t，并且TP四季水環(huán)境容量顯示為負值的河流百分比分別為37.5%(春)，37.5%(夏)，0%(秋)，50%(冬)，這充分表明大部分河流在秋季對磷的納污能力較強，冬季有一半左右的河流水環(huán)境容量為負值，表明TP排放量已超出水體容納能力，水環(huán)境質(zhì)量較差。每年5—10月為太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)的汛期，根據(jù)近十年的雨量資料，研究區(qū)汛期、非汛期的年平均降雨量分別為740.73 mm，352.35 mm，降雨量對水位有一定的貢獻，而夏、秋季節(jié)正處于汛期，長歷時雨量的積累有助于河道水位上漲，使河流水量有增大趨勢，進而間接影響了TP的水環(huán)境容量的大小，因此降雨量的差異性對水環(huán)境容量具有一定的影響。另外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水田與旱地主要污染來源于種植過程中化肥和農(nóng)藥的施用，造成磷元素的污染較為嚴重。有研究表明氮磷肥料的使用和水產(chǎn)養(yǎng)殖的農(nóng)業(yè)方式對環(huán)境的磷污染貢獻很大[16-17]。水域面積較大的太湖平原河網(wǎng)地區(qū)，種植水稻、水產(chǎn)養(yǎng)殖就是主要的農(nóng)業(yè)方式，餌料是磷污染產(chǎn)生的原因之一，非點源污染主要以降雨為載體遷移到河流中，影響磷的濃度，而夏、秋季正是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)進行的重要時期，這就導(dǎo)致磷濃度有一定季節(jié)性差異，但結(jié)果顯示秋季磷的水環(huán)境容量相對較大，水體中磷濃度相對較低，這可能是因為降雨對水環(huán)境容量的影響程度可能要大于水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響(表1)。

表1 無錫骨干河流TP水環(huán)境容量的季節(jié)性分布t

CODMn水環(huán)境容量的季節(jié)性差異不顯著，根據(jù)四季CODMn水環(huán)境容量的變化范圍，春、夏、秋、冬的變化范圍分別為17.49～151.16 t，17.72～163.75 t，19.60～155.15 t，23.19～165.01 t，呈現(xiàn)出春季偏低，夏、秋季節(jié)偏高的特征。在太陽輻射強度相對較高的季節(jié)(夏、秋季節(jié))，水體中有機物更易發(fā)生降解，使其濃度降低[18]，并且夏、秋季節(jié)降水較多，水位相對升高，水體體積也會隨之變大，使得相應(yīng)水體的水環(huán)境容量數(shù)值增大。在空間上，CODMn水環(huán)境容量存在一定的季節(jié)性特征，京杭運河四季的水環(huán)境容量均處于中低值范圍，而伯瀆港的水環(huán)境容量四季均高于85 t，即處于中高值偏上。京杭運河是江浙地區(qū)的水利重要樞紐，流經(jīng)鎮(zhèn)江、常州、無錫等經(jīng)濟較為發(fā)達的城市，京杭運河的水質(zhì)受到的工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活污水的影響要遠高于伯瀆港這樣的小型河道[19]，導(dǎo)致京杭運河的有機物的濃度也相對較高，故京杭運河的CODMn水環(huán)境容量要低于伯瀆港(表2)。

表2 無錫骨干河流CODMn水環(huán)境容量的季節(jié)性分布 t

2.2 引水量對水環(huán)境容量影響分析

在2007年太湖流域藍藻爆發(fā)后，“引江濟太”調(diào)水試驗工程開始啟動，以期改善太湖平原河網(wǎng)的水質(zhì)。定波閘位于錫澄運河與長江交接處，在“引江濟太”工程中發(fā)揮著重要作用，2010—2014年，年平均引水量為1.05×107m3，最大年引水量為1.64×107m3。以定波閘為例，分析引水量對錫澄運河水環(huán)境容量的影響。由于降雨量的不同，年內(nèi)各月引水量存在一定的差異，為了更加準確的呈現(xiàn)引水量與水環(huán)境容量的關(guān)系，對2010—2014年引水量與水環(huán)境容量的五年月均值進行研究，兩種污染物的水環(huán)境容量與引水量的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 錫澄運河水環(huán)境容量與引水量的關(guān)系

通過觀察分析，對于太湖平原河網(wǎng)區(qū)典型河道錫澄運河，引水量越大，污染物的水環(huán)境容量也越大，就TP而言，由于部分河流中磷的濃度較高，超出水質(zhì)目標，故水環(huán)境容量表現(xiàn)為負值，表明磷的排放量大于河流對磷的容納能力。圖2中顯示錫澄運河的TP水環(huán)境容量為負值的月份，對應(yīng)的該月份的引水量也相對較少，但TP的水環(huán)境容量呈現(xiàn)出正值的月份，引水量也較大。圖2中錫澄運河的CODMn水環(huán)境容量均是正值，引水量較大的月份，CODMn水環(huán)境容量也相對較大。以上現(xiàn)象表明閘壩引水較大時，在一定程度上可以提高污染物的水環(huán)境容量，間接說明“引江濟太”工程的啟動對于改善平原河網(wǎng)的水質(zhì)有一定作用[20]。引水調(diào)控措施不僅可以增加水體的稀釋能力，還能促進水體流動和交換，進而增強水體的自凈能力，從而增大水體對污染物的容納能力，近年實踐表明其是一種行之有效的改善水環(huán)境的措施[21]，張聃等人也曾就引配水對京杭運河水質(zhì)的影響進行研究，得出引配水對河流水質(zhì)具有一定的改善作用[22]。

2.3 不同典型年下水環(huán)境容量差異分析

根據(jù)2005—2014年雨量資料，選擇2010年為枯水年、2012年為平水年、2013年為豐水年，利用3種年型的水質(zhì)資料，分別計算TP和CODMn典型年的水環(huán)境容量，結(jié)果見圖3。

通過分析八條河流兩種污染物典型年的水環(huán)境容量，得出TP和CODMn的水環(huán)境容量在豐水年均高于枯水年。對于TP而言，3種典型年均有河流的水環(huán)境容量為負值的情況，以枯水年較為顯著，這些河流包括北興塘河、古運河、錫澄運河等，且主要分布于無錫市市區(qū)，由此說明磷含量的超標不僅與農(nóng)業(yè)污染有關(guān)，與生活污水和工業(yè)廢水的大量排放也有很大關(guān)系。CODMn代表河流中有機物的污染狀況，對于不同的典型年，CODMn的水環(huán)境容量呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，九里河和京杭運河均較小，北興塘河、伯瀆港和古運河均較大。這種現(xiàn)象可能與河流所處的位置與功能區(qū)劃有關(guān)。

圖3 錫澄地區(qū)主要河流各典型年TP和CODMn水環(huán)境容量分布

3 結(jié) 論

(1) TP四季水環(huán)境容量顯示為負值的河流百分比分別為37.5%(春)，37.5%(夏)，0%(秋)，50%(冬)，這充分表明大部分河流在秋季對磷的納污能力較強，夏季次之，春、冬季均有一半左右的河流水環(huán)境容量為負值，表明TP排放量已超出水體納污能力，水環(huán)境質(zhì)量較差。CODMn水環(huán)境容量的季節(jié)性差異不太明顯，相對而言，夏、秋季節(jié)較好，且無錫市夏季水體對其的容納能力最強。

(2) 兩種污染物的水環(huán)境容量與引水量的對應(yīng)關(guān)系較為明顯。污染物的水環(huán)境容量大的月份，引水量也較大。且引水量較大的月份大都處于非汛期，降雨量較少的月份，水體中污染物濃度較高，需要靠引水，增加河流的水量，污染物濃度被稀釋，以達到降低污染物濃度的目的，改善了平原河網(wǎng)的水質(zhì)，間接提高了水體對污染物的容納能力。

(3) 通過分析八條河流兩種污染物典型年的水環(huán)境容量，總的規(guī)律是豐水年的水環(huán)境容量較大，水體所能容納的污染物的負荷量較多。研究的大部分河流位于市中心位置，其水功能區(qū)劃大部分是工業(yè)用水，表明所研究主要河流的主導(dǎo)功能是用于工業(yè)發(fā)展，這與市區(qū)工業(yè)化的快速發(fā)展是分不開的，進而導(dǎo)致的水體污染也較為嚴重，相關(guān)部門需采取一定的措施，對工廠排放的廢水廢氣處理達標再排放，從源頭上防止污染趨勢進一步惡化。

(4) 基于本研究已有數(shù)據(jù)，僅研究了總磷和高錳酸鹽指數(shù)的水環(huán)境容量，對于濃度已經(jīng)嚴重超標的總氮以及氨氮的水環(huán)境容量，其影響機制還有待進行較為深入的研究分析工作。