華 晨，王德維，胡尊樂

(1.江蘇省水文水資源勘測局常州分局，江蘇 常州 213022；2.江蘇省水文水資源勘測局連云港分局，江蘇 連云港 222000)

武宜運河是太湖流域上游骨干河道，北接京杭運河與長江，南接滆湖與太湖，兼具供水、排澇和航運的功能，其河流水質狀況對入太湖河流的水質有直接的影響。由于兩岸經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)田徑流及水產(chǎn)養(yǎng)殖排放的污染物質排入武宜運河，導致其水環(huán)境容量始終處于過載狀態(tài)，河道沿程水質均不能達到水功能區(qū)的要求。在此背景下，開展武宜運河及其影響河流水量水質演變的監(jiān)測與研究工作，為查清武宜運河污染物的來源和類型、分析推算武宜運河及其影響河流水量水質分布情況和變化規(guī)律、研究武宜運河與太湖的相互影響和流域水環(huán)境保護提供數(shù)據(jù)和技術支撐[1- 3]。

1 區(qū)域概況

1.1 流域概況

武宜運河北起京杭運河，流經(jīng)常州市武進區(qū)、宜興市后流入太湖，流域面積約170km2，流域地形以平原、圩區(qū)為主，兼有部分低山丘陵，河網(wǎng)密布，水系縱橫。武宜運河全長約51.3km，沿程穿越太滆運河、錫溧漕河、漕橋河、殷村港、燒香港、湛瀆港以及新湛瀆港。京杭運河來水匯入武宜運河后，一部分通過太滆運河流入滆湖，大部分通過漕橋河、殷村港、燒香港以及湛瀆港流向太湖。各運河地理位置如圖1所示。

1.2 水環(huán)境現(xiàn)狀

項目區(qū)所在的武進區(qū)、宜興市幾十年來圍湖(河、塘)造田、圍網(wǎng)養(yǎng)殖以及農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城鎮(zhèn)建設的高速發(fā)展，大量廢污水排入河湖水系，對水環(huán)境造成了嚴重污染。2014年武宜運河及周邊諸河水質為IV類、V類、劣V類的分別占22.4%、26.8%、50.8%，主要超標項目為氨氮、化學需氧量、五日生化需氧量、總磷、溶解氧和CODMn(高錳酸鹽指數(shù))[4]。

2 研究方法

對武宜運河及其影響河流斷面水流水位、流向、流量和水質實施同步監(jiān)測，分析研究武宜運河沿程河流水量、水質的分布情況及變化規(guī)律，確定主要污染物來源和數(shù)量，分析研判武宜運河與周邊水系相互影響規(guī)律[5]。研究共分為3個部分：沿程水量演變的主要規(guī)律；沿程水質演變的主要規(guī)律；流域綜合分析，研究方法主要有實測數(shù)據(jù)分析、一維河道非恒定水流運動模型和一維河流水質模型推算對比等。

3 研究過程

3.1 氣象水文與監(jiān)測基礎情況

2014—2015年項目區(qū)降水較常年偏多，2a逐月降水量與多年平均降水量比較如圖2所示。武宜運河水情變化與降水情況大致相應，水位變化較為平穩(wěn)，年平均水位比常年偏高，其中2014年最高水位4.24m(7月27日)、最低水位3.01m(2月3日)；2015年1—9月，受降雨偏多影響，水文情勢較為復雜，水位始終偏高[6]。

圖1 武宜運河及周邊河流地理位置圖

圖2 2014—2015年武宜運河地區(qū)逐月降水量比較圖

滆湖水位變化主要受區(qū)域降水和上游來水影響，漲落相對平緩。滆湖一方面接受武宜運河補水，另一方面湖泊水位高低又影響武宜運河補水，在區(qū)域暴雨洪水情況下，尤其是滆湖上游普降暴雨后，滆湖水位抬升，反向武宜運河排泄?jié)乘?。滆湖月平均水位與降水量關系如圖3所示[7]。

圖3 2014年10月—2015年9月滆湖月平均水位與降水量關系圖

根據(jù)武宜運河地區(qū)水網(wǎng)及水文情勢，共布設水量水質同步監(jiān)測站點26處，其中由北向南，武宜運河與太滆運河、錫溧漕河、漕橋河、殷村港、燒香港、湛瀆港交匯處各布設4處，與新湛瀆港、蕪申運河交匯處各布設1處[8]，同步監(jiān)測統(tǒng)計情況詳見表1[9]。

3.2 沿程水量演變規(guī)律分析

3.2.1沿程水位流量演變

武宜運河向南至坊前橋時，太滆運河和滆湖分流，武宜運河向南流量減小，水位降低；向南至鐘溪大橋時，錫溧漕河匯流，武宜運河流量上升，但水位仍繼續(xù)下降；繼續(xù)向南至錫溧漕河大橋途中，沿程依次經(jīng)漕橋河、殷村港、燒香港、湛瀆港分流，流量不斷減小，水位不斷下降[10]。

表1 武宜運河地區(qū)2014年10月—2015年9月水量水質同步監(jiān)測情況統(tǒng)計表

以2015年4月2日各斷面實測水量為例，如圖4所示，4月2日為農(nóng)歷二月十四，中潮汛日，沿江口門引江水量較小，坊前站水位為3.48m。從武宜運河入口到鐘溪大橋，流量緩慢減小，表明區(qū)間有支流將水分出。在漕橋河南，流量出現(xiàn)小幅“突跳”現(xiàn)象，表明區(qū)間漕橋河來水匯入[11]。從漕橋河南到燒香港南，流量沿程減小，表明區(qū)間有支流不斷將水流分出。從燒香港南到武宜運河出口(錫溧漕河大橋)，流量先增后減，并在湛瀆港南達到最大，表明區(qū)間湛瀆港西段(滆湖)有大量來水匯入。

3.2.2沿程水量分配

以武宜運河和各支流交接中點為原點，建立平面直角坐標系并利用動量守恒原理和質量守恒原理建立以下方程：

(1)

圖4 武宜運河沿程流量演變圖(2015年4月2日)

式中，S1、S2、S3、S4—武宜運河上游、武宜運河下游、支流上游、支流下游斷面面積；V1、V2、V3、V4—武宜運河上游、武宜運河下游、支流上游、支流下游斷面平均流速。計算得到武宜運河沿程水量分配統(tǒng)計情況見表2[12]。

3.2.3沿程水量演變規(guī)律分析結論

當區(qū)域無強降水時，武宜運河來水主要受沿江口門引長江水影響，來水是武宜運河沿程和滆湖重要的補水水源[13]。在鐘溪大橋處，當武宜運河上游來水較大時，出口流量主要受上游來水影響；來水較小時，出口流量受錫溧漕河匯水影響較大。在鐘溪大橋以南至錫溧漕河大橋處，沿程漕橋河、殷村港、燒香港、湛瀆港分流，部分水量匯入太湖。

表2 武宜運河沿程水量分配統(tǒng)計表 單位：%

當遭遇區(qū)域暴雨時，武宜運河來水主要受上游降水徑流以及沿江口門向長江排水的綜合影響。暴雨較大時，滆湖水位較高，通過太滆運河、增產(chǎn)河等向武宜運河排水，沿程小支流一般向武宜運河排水。在流出武宜運河出口的水量中，滆湖來水(即增產(chǎn)河、漕橋河西段、殷村港西段、燒香港西段、湛瀆港西段)約占47.9%[14]。

3.3 沿程水質演變規(guī)律分析

3.3.1沿程水質演變

對武宜運河沿程坊前橋等7處斷面的CODMn、氨氮、總磷這三個指標的時空演變進行分析，并與同一時期滆湖的對應指標(CODMn、總氮、氨氮、總磷)進行比較。以2015年5月28日為例，如圖5所示。變化規(guī)律如下：

CODMn：武宜運河從入口(坊前橋)到鐘溪大橋，濃度沿程變化平穩(wěn)，緩慢下降。從鐘溪大橋到殷村港南，濃度穩(wěn)中有降，總體變化不大。從殷村港南到湛瀆港南，流量和CODMn濃度均呈現(xiàn)先減后增的趨勢，但濃度變化梯度小于流量變化梯度，表明區(qū)間支流的分流一方面帶走了部分污染物，一方面促使污染物富集，減緩了CODMn濃度的降低。從湛瀆港南到錫溧漕河大橋，流量和CODMn濃度變化一致，均有所下降[15]。

氨氮：武宜運河從入口到漕橋河南，濃度呈沿程上升趨勢，主要是因為區(qū)間錫溧漕河來水中氨氮濃度較高。從漕橋河南到殷村港南，濃度呈沿程衰減趨勢。從殷村港南到湛瀆港南，氨氮濃度有所增加，表明區(qū)間來水匯入，且來水中氨氮濃度較高。從湛瀆港南到錫溧漕河大橋，氨氮濃度呈下降趨勢，主要是因為區(qū)間湛瀆港西段的滆湖來水匯入促進了污染物的擴散降解。

總磷：武宜運河從入口(坊前橋)到鐘溪大橋，總磷濃度呈沿程上升趨勢。從鐘溪大橋到錫溧漕河大橋，總磷濃度沿程變化情況及原因與氨氮分析相似。

滆湖：CODMn、氨氮濃度均遠小于武宜運河沿程主要斷面的相應濃度，其總磷、總氮濃度均略小于各斷面相應濃度的平均值，表明滆湖水質更好[16]。

3.3.2沿程水質時空變化

采用水質綜合指數(shù)法進行評價，將用水體各監(jiān)測項目的監(jiān)測值與其評價標準之比作為單項污染標準指數(shù)。各單項標準指數(shù)按下式計算：

(2)

式中，Sij—標準指數(shù)；Cij—評價因子i在j點的實測濃度值；Csi—評價因子i的地表水水質標準，mg/L。

水質綜合指數(shù)由累加各標準指數(shù)的和除以項目數(shù)所得，按下式計算：

(3)

以Ⅲ類水作為水質標準，得到各監(jiān)測斷面污染物變化趨勢，此處以鐘溪大橋斷面為例，其污染物變化趨勢如圖6所示[17]。

圖5 武宜運河沿程水質演變圖

圖6 鐘溪大橋污染物變化趨勢圖

3.3.3沿程水質演變規(guī)律分析結論

當區(qū)域無強降水時，武宜運河沿程水質變化主要受上游來水的影響，也與區(qū)間匯水、集中污染源排放有密切關系。滆湖水質好于武宜運河，總磷濃度在一定時期相對較高，表現(xiàn)為季節(jié)性；當遭遇區(qū)域暴雨時，武宜運河沿程水質變化主要受上游降水徑流影響，也與區(qū)間降水徑流、面源排放以及集中的污染源排放有密切關系，暴雨過后一段時期內，武宜運河上游來水水質好于滆湖。

降水徑流對武宜運河各斷面各污染物通量演變影響最大，表現(xiàn)為各斷面污染物通量最大值基本都出現(xiàn)在降水徑流量最多的6月，下游燒香港以南(鐘溪大橋)的部分斷面污染物通量最大值出現(xiàn)在7月，表明污染物從上游到下游需要一定的傳播時間；季節(jié)性排污(如魚塘排水、農(nóng)田施肥排水等)對武宜運河水質為次要影響因素，但受污染源分布和區(qū)間匯水位置等因素，多造成污染物通量突變，如武宜運河從入口到燒香港沿程魚塘排水，可導致武宜運河水體中CODMn、總磷濃度短時間內迅速上升，水質惡化；從燒香港到湛瀆港沿程集中式污染源排放，到武宜運河水體中氨氮濃度迅速上升，水質惡化。干流各斷面污染物通量演變與入口的污染物通量演變相關關系呈沿程遞減趨勢，支流各斷面污染物通量與入口的污染物通量演變關系不大。各污染物通量演變與水量演變有一定的相關性。CODMn、氨氮、總磷從武宜運河入口到出口，衰減率分別為0.92、0.82、0.86，表明京杭運河原水進入武宜運河后，由于自身降解，同時受滆湖水量影響，出口處各污染物輸出量有所降低[18]。

3.4 流域綜合分析

3.4.1沿程響應時間分析

武宜運河北承京杭運河來水后，水流向南依次影響到沿程各斷面，采用一維圣維南方程組計算沿程各斷面響應時間：

(4)

式中，Q—河道斷面流量；A—過水斷面面積；B—水面寬；BT—灘地調蓄寬度；Z—水位；q—旁側入流；vx—旁側入流流速在干流水流方向上的分量；K—流量模數(shù)；α—動量校正系數(shù)。計算結果見表3。

表3 各節(jié)點對武宜運河上游來水響應時間 單位：h

圖7 2014—2015年武宜運河出入口水量、污染物通量對比圖

3.4.2出入口水量、污染物通量對比分析

上游來水進入武宜運河后，經(jīng)過25.8km、歷時約60～70h，才到達出口，沿程水量、水質有了很大變化，對2014年10月—2015年9月武宜運河入口、出口水量和污染物通量進行對比分析，結果如圖7所示。

3.4.3污染物來源分析

按地理位置分，武宜運河鐘溪大橋以上河段主要污染為支流線源污染、少量的工業(yè)點源污染和生活污染，鐘溪大橋到燒香港河段主要污染為工業(yè)點源污染和生活污染，燒香港以下河段主要污染為沿程的農(nóng)業(yè)面源污染和零散分布的工業(yè)點源污染[19]。

按季節(jié)分，武宜運河沿程水量、污染物通量在6—8月增量較大，面源污染也較大，11—12月，魚塘排水導致的增產(chǎn)河等支流污染物排放也較大。

按污染物來源分，點源污染主要為雨污水以及化工企業(yè)排放的廢污水，非點源污染主要為沿程支流污水，面源污染主要為沿程的農(nóng)業(yè)水土流失。

按污染物分布分，CODMn主要來源于沿程的工業(yè)點源排放，集中在武宜運河坊前橋到鐘溪大橋一段和燒香港南到湛瀆港南一段；氨氮主要來源于沿程的農(nóng)業(yè)面源排放，集中在夏坊橋到鐘溪大橋一段；總磷主要來源于沿程的生活污水排放，主要集中在鐘溪大橋到燒香港一段。

3.4.4沿程污染物降解的影響

由于化學和生物化學反應，河流中某些擴散的物質會自動降解，水體中污染物的濃度降低，污染物降解按下式計算：

(5)

式中，C—下游斷面濃度值，mg/L；C0—上游斷面濃度值，mg/L；x(t)—上、下游斷面距離，m；u—平均流速，m/s；K—衰減系數(shù)，I/d。

計算得到京杭運河原水進入武宜運河入口后沿程CODMn、氨氮、總磷的衰減情況，見表4。

3.4.5武宜運河與周邊水系的關系分析

武宜運河沿程水量、污染物通量分配統(tǒng)計如見表5，沿程各支流入太水量占比統(tǒng)計見表6，武宜運河沿程各支流受水量占比情況見表7。

表4 武宜運河沿程各污染物衰減情況表

表5 2014—2015年武宜運河沿程水量、污染物通量分配統(tǒng)計表

表6 2014—2015年武宜運河沿程各支流入太水量占比統(tǒng)計表

表7 2014—2015年武宜運河沿程各支流受水量來源占比統(tǒng)計表 單位：億m3

3.4.6流域綜合分析結論

武宜運河沿程通過太滆運河、漕橋河、殷村港、燒香港、湛瀆港等河道的西段承接滆湖來水總量約為10.95億m3，滆湖是武宜運河沿程重要水源。武宜運河沿程自上而下，滆湖來水量所占比重不斷增加，錫溧漕河來水量所占比重不斷減少。絕大部分時期，滆湖各項指標優(yōu)于武宜運河，通過滆湖水量的不斷匯入，武宜運河污染物濃度沿程逐步降低，出口處各污染物的輸出量有效減少，但同時通過與滆湖、太湖的水量交換，武宜運河也間接地影響了滆湖、太滆運河、漕橋河、殷村港、燒香港、湛瀆港的水質。

4 結語

本次水量水質監(jiān)測分析和研究結論清晰地揭示了武宜運河及周邊水系河流的相互影響關系，為有針對性地治理武宜運河及周邊水系河流污染提供了技術支持。從源頭治理和傳播治理2個角度出發(fā)，根據(jù)沿程水量水質演變規(guī)律分析結論，充分考慮污染物來源、降解和傳播的規(guī)律，在控制沿程污染排放的基礎上，可以通過在匯流處建設閘門的方式，在不同雨情、水情和污染情況下對水量分配進行調度，可以有效地緩解下游河道甚至是太湖的污染防治壓力。

本次工作仍存在一定不足，監(jiān)測期區(qū)域暴雨偏少，難以完全反映較大暴雨洪水時滆湖、太湖與武宜運河之間的水量、污染物通量的交換關系。下一步要繼續(xù)開展區(qū)域暴雨情況下水量水質時空分布特征和演變規(guī)律分析。