尹海龍，林夷媛，趙東華，石澤敏

（1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092；2.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200120）

我國(guó)南方河網(wǎng)地區(qū)河流縱橫，降雨豐富。隨著污水收集率的不斷提高，在城鎮(zhèn)點(diǎn)源污染排放得到有效治理的情況下，村鎮(zhèn)小流域地區(qū)的點(diǎn)源、面源污染排放成為水環(huán)境治理關(guān)注的問題。為此，需要建立耦合點(diǎn)源、面源排放與河道水質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，評(píng)估小流域內(nèi)各類污染排放造成的水質(zhì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為污染物減排方案的制定提供科學(xué)依據(jù)［1-4］。

由于河網(wǎng)模擬范圍較大，大多數(shù)情況下只能采用數(shù)值方法進(jìn)行模擬［5］。河道水動(dòng)力水質(zhì)模型可以全面描述水體中的水動(dòng)力—水質(zhì)過程，但是難以準(zhǔn)確獲得面源污染的動(dòng)態(tài)輸入。因此，非常有必要將降雨產(chǎn)匯流模型和河道水動(dòng)力水質(zhì)模型耦合，以此建立河流和流域間的水力聯(lián)系。Liu等［6］集成運(yùn)用HSPF模型和EFDC模型模擬圣路易斯灣河口的水力水質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)圣路易斯灣河口對(duì)密西西比河的水質(zhì)具有重大影響；Li等［7］采用SWAT和EFDC耦合方法，研究了長(zhǎng)潭水庫(kù)1952—2010年間58年降水資料的頻率響應(yīng)與水質(zhì)模擬分析；Thompson等［8］將水文模型MIKE SHE和水力學(xué)模型MIKE11進(jìn)行耦合，每個(gè)時(shí)間段都進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換和迭代計(jì)算，通過這種模擬方式反映了坡面與河道洪泛區(qū)之間的相互作用關(guān)系；Narasimhan等［9］基于SWAT和WASP建立了水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)綜合管理模型，結(jié)果表明需要削減35%的TN和TP才能明顯減少水庫(kù)葉綠素a的濃度；朱瑤［10］等耦合運(yùn)用SWAT與WASP模型，模擬苕溪流域面源污染負(fù)荷與水質(zhì)響應(yīng)情況。然而，物理性分布式水文模型還存在水文過程描述的過參數(shù)化問題，對(duì)空間信息的精度要求也很大程度上限制了模型的整體效果。

為了克服水文過程過參數(shù)帶來的不確定問題并提高空間尺度上的模擬精度，本文采用柵格基礎(chǔ)的數(shù)字高程模型（Raster-based Digital Elevation Model，DEM）構(gòu)建方法，自動(dòng)提取水系和劃分子流域，以DEM柵格單元為基本模擬單元進(jìn)行產(chǎn)流和產(chǎn)污計(jì)算，精細(xì)化描述降雨徑流導(dǎo)致的面源污染排放與受納水體間的空間響應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)用方便。在自主研發(fā)的柵格化徑流污染模型的基礎(chǔ)上耦合開放式的河道水動(dòng)力水質(zhì)模型。開放式模型的優(yōu)勢(shì)在于有助于克服傳統(tǒng)商業(yè)軟件建模面臨的智能通訊和系統(tǒng)集成性能差的問題，可進(jìn)一步耦合智能算法，為實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)率定、污染物精準(zhǔn)溯源等奠定基礎(chǔ)［11-12］。以常州市武進(jìn)港小流域?yàn)槔_展實(shí)證研究，對(duì)河網(wǎng)水質(zhì)進(jìn)行日尺度的動(dòng)態(tài)模擬和精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

1 模型的基本原理

1.1 水動(dòng)力水質(zhì)模型

1.1.1 一維非恒定流模型

對(duì)于河網(wǎng)地區(qū)而言，河道縱向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度和深度，可將河網(wǎng)概化為一維問題。根據(jù)質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律，可建立描述河網(wǎng)水動(dòng)力過程的一維圣維南方程組，如下所示：

式中：z為河道水位；x為河道縱向距離；t為時(shí)間；Q為斷面過流流量；A為橫斷面面積；Bt為河道橫斷面的非流動(dòng)調(diào)蓄面積；ql為單位長(zhǎng)度上的旁側(cè)入流量，包括點(diǎn)源產(chǎn)生的污水排放量和降雨徑流入河量，其中降雨徑流入河量由柵格化降雨徑流污染模型計(jì)算確定，如1.2節(jié)所述；g為重力加速度；R為河道橫斷面的水力半徑；n為河道粗糙系數(shù)。

1.1.2 水質(zhì)模型

河網(wǎng)水質(zhì)模型控制方程由如下公式描述：

式中：φ為水質(zhì)組分質(zhì)量濃度；E為縱向離散系數(shù)；SE為點(diǎn)源和面源污染負(fù)荷排放匯入，其中面源污染負(fù)荷由柵格化面源模型計(jì)算確定，如1.2節(jié)所述；SI是描述水體中生物化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，其作用機(jī)理架構(gòu)如圖1所示。

圖1 水質(zhì)模擬組分的耦合作用關(guān)系描述Fig.1 Description of coupling effect of components in water quality simulation

在圖1中，水質(zhì)模型描述了水體溶解氧平衡為核心的模型組分之間的相互作用關(guān)系。溶解氧的消耗考慮了含碳有機(jī)物生化降解耗氧和氨氮硝化作用耗氧以及河道底泥有機(jī)質(zhì)分解耗氧；溶解氧的補(bǔ)充考慮了大氣向水體中的復(fù)氧過程。其中氨氮的轉(zhuǎn)化又涉及到氮的循環(huán)過程，即有機(jī)氮、氨氮、硝酸鹽之間的轉(zhuǎn)化。因此，水質(zhì)模擬組分主要包括碳化BOD（CBOD）、有機(jī)氮、氨氮、硝酸鹽和溶解氧及其之間的降解、轉(zhuǎn)化速率等。

考慮到水動(dòng)力和水質(zhì)模型的開放性以及將來進(jìn)一步建立智慧水務(wù)平臺(tái)的需要，水動(dòng)力和水質(zhì)模型的模擬計(jì)算由開放式的模擬工具HEC-RAS模型系統(tǒng)（Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System）實(shí)現(xiàn)［13-14］。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)與自主開發(fā)的柵格化降雨徑流污染模型的集成，滿足河網(wǎng)地區(qū)水質(zhì)動(dòng)態(tài)模擬和水質(zhì)動(dòng)態(tài)達(dá)標(biāo)分析的功能。

1.2 柵格化降雨徑流污染模型

柵格化降雨徑流污染模型以數(shù)字等高模型（Digital Elevation Model，DEM）為基礎(chǔ)，自動(dòng)提取水系和劃分子流域，然后以子流域?yàn)榛A(chǔ)計(jì)算降雨徑流產(chǎn)流、產(chǎn)污量，并最終分配到對(duì)應(yīng)的河道計(jì)算單元。模型的主要功能包括柵格降雨量插值計(jì)算提取、柵格徑流深度計(jì)算、柵格徑流污染物量計(jì)算和柵格水流匯流計(jì)算4個(gè)模塊，計(jì)算思路如圖2a所示。

圖2 柵格化降雨徑流污染模型原理Fig.2 Principles of precipitation-runoff nonpoint pollution model based on DEM raster

（1）降雨量柵格分布計(jì)算。由于降雨量站點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)僅為站點(diǎn)所處位置的降雨量，采用反向距離加權(quán)法（IDW）進(jìn)行插值獲得整個(gè)流域內(nèi)每個(gè)柵格的降雨量［15］。

（2）降雨徑流深度柵格分布計(jì)算。采用SCS曲線值法計(jì)算對(duì)應(yīng)不同用地類型的柵格徑流深度。SCS法為降雨徑流關(guān)系法，能反映不同土壤類型、不同土地利用方式及前期土壤含水量對(duì)降雨徑流的影響，具有參數(shù)少、簡(jiǎn)單易行等特點(diǎn)［16］。SCS曲線值法的方程為

其中

式中：S為潛在最大入滲量；P為一次降雨總量；Q為實(shí)際徑流深；CN為該日的曲線值；Ia為由于地表儲(chǔ)存、截留和下滲而導(dǎo)致的地表徑流的初始損失量，與S呈一定的正比關(guān)系，通常可取λ為0.2。

（3）降雨徑流污染物柵格分布計(jì)算。進(jìn)一步，柵格像元上的降雨徑流攜帶污染物量采用如下公式計(jì)算：

式中：L是柵格像元的污染物排放量；Cland為柵格像元的對(duì)應(yīng)土地利用類型污染物徑流質(zhì)量濃度。

（4）柵格徑流和污染物匯流計(jì)算。采用8點(diǎn)重力流向算法（deterministic eight-node，D8），基于數(shù)字地形高差進(jìn)行匯流流向判斷，自動(dòng)提取水系，劃分匯水區(qū)域［17］。為避免匯流過程模擬的失真，確定水流方向前需要進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)無凹陷處理。D8算法的基本思想是：在3×3窗口中，計(jì)算中心網(wǎng)格與鄰域8個(gè)格網(wǎng)之間的距離權(quán)落差，具有最大權(quán)落差值的鄰域格網(wǎng)方向即定義為水流方向，并且規(guī)定一個(gè)柵格單元的水流方向用一個(gè)特征碼表示，如圖2b所示。距離權(quán)落差計(jì)算公式如下：

式中：Δhi是中心柵格與鄰域柵格的高程差值，柵格間的距離d與方向有關(guān)，在對(duì)角線方向?yàn)?倍柵格間距，在其他方向?yàn)?倍柵格間距。

根據(jù)流向計(jì)算結(jié)果分析每一柵格單元對(duì)應(yīng)的上游匯水面積值。通過從上游到下游的匯水面積累加，建立河道計(jì)算單元與匯水面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)合柵格徑流量和污染物計(jì)算結(jié)果，將降雨徑流污染分配到對(duì)應(yīng)的河道計(jì)算單元。

自主開發(fā)的降雨徑流污染模型優(yōu)勢(shì)在于：①產(chǎn)流計(jì)算基于柵格式SCS模型，同時(shí)考慮了降雨和下墊面條件的空間不均勻性，具有空間尺度上計(jì)算精度高的特點(diǎn)；②產(chǎn)污計(jì)算基于輸出系數(shù)模型，避免了面源污染形成機(jī)理的復(fù)雜性，所需參數(shù)少、操作簡(jiǎn)便。

2 模型的建立與率定

2.1 研究區(qū)域概況

武進(jìn)地處長(zhǎng)三角地理中心，位于常州、無錫及宜興三市交界處。武進(jìn)港是太湖梅梁灣的主要入湖河流之一，是連通京杭大運(yùn)河和太湖的主要水上通道。武進(jìn)港全長(zhǎng)29 km，水深2～3 m，河寬25～30 m，流入太湖水量枯水年為2.72×108m3·a-1，豐水年為4.36×108m3·a-1。

本文將模型從武進(jìn)港干流擴(kuò)展到整個(gè)流域范圍內(nèi)的河網(wǎng)地區(qū)，研究區(qū)域土地利用類型以農(nóng)業(yè)用地、居住用地、工業(yè)用地為主。概化河道包括武進(jìn)港及武進(jìn)港兩岸采菱港、武南河、永安河、錫漂漕河、雅浦港5條主要河流，另外還有禮嘉大河、小留河、虎臣河、政平河、東陽(yáng)岸河等28條支流。武進(jìn)港及其流域概況如圖3所示。

圖3 研究區(qū)域概況Fig.3 Description of the site studied

2.2 模型邊界條件

水動(dòng)力模型上游和下游邊界均采用水位過程線，數(shù)據(jù)來自坊前、常州、百瀆口等水文站2018年日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

水質(zhì)模型邊界條件包括點(diǎn)源和面源污染負(fù)荷的輸入，點(diǎn)源又可分為集中式點(diǎn)源和分散式點(diǎn)源。研究區(qū)域內(nèi)集中式點(diǎn)源主要包括7座城鎮(zhèn)污水處理廠尾水排放。分散式點(diǎn)源主要包括未經(jīng)處理直排的農(nóng)村生活污水和畜禽養(yǎng)殖廢水，依據(jù)《太湖流域主要入湖河流水環(huán)境綜合整治規(guī)劃編制技術(shù)規(guī)范》［18］，采用排污系數(shù)法對(duì)分散式點(diǎn)源的化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）負(fù)荷量進(jìn)行估算，計(jì)算公式如下：

式中：W為分散式點(diǎn)源污染負(fù)荷量；Np為人口數(shù)；NL為畜禽養(yǎng)殖量；αp為農(nóng)村生活污水排污系數(shù)，其中COD取27 g·人-1·d-1，NH3-N取4 g·人-1·d-1，TN取6 g·人-1·d-1，TP取0.2 g·人-1·d-1；αL為畜禽養(yǎng)殖排污系數(shù)，換算成生豬計(jì)算，COD取40.55 g·頭-1·d-1，NH3-N取1.31 g·頭-1·d-1，TN取3.05 g·頭-1·d-1，TP取0.38 g·頭-1·d-1；βP為農(nóng)村生活污水入河系數(shù)，取0.7；βL為畜禽養(yǎng)殖入河系數(shù)，取0.6。

面源邊界條件輸入采用降雨徑流污染模型的模擬結(jié)果，降雨徑流污染模型中污染排放系數(shù)取值如表1所示。需要注意的是，污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)參數(shù)COD需與水質(zhì)模型輸入?yún)?shù)CBOD進(jìn)行換算，換算系數(shù)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值：取5日生化需氧量BOD5與碳的生化需氧量CBOD的比值為0.70，BOD5與COD的比值為0.50，可 推 算 得CBOD與COD的 比 值為0.71［19］。

表1 研究區(qū)域不同土地利用類型徑流面源污染輸出系數(shù)Tab.1 Runoff nonpoint pollution export coefficients from different land use types in the catchments studied

計(jì)算得研究區(qū)域排放總流量為1.6×108t·a-1，COD、NH3-N、TN、TP污染負(fù)荷排放總量分別為9 024.1 t·a-1、621.4 t·a-1、1 275.8 t·a-1、80.8 t·a-1，圖4給出了集中式點(diǎn)源、分散式點(diǎn)源和徑流面源污染的負(fù)荷排放占比?？梢婋m然分散式點(diǎn)源排放流量很小，但排放污染負(fù)荷量占比卻很高，COD、NH3-N、TN、TP占 比 分 別 為42.1%、46.3%、58.5%、45.2%。對(duì)于NH3-N，降雨徑流污染占比也較高。

圖4 研究區(qū)域各污染類型組成比例Fig.4 Discharge and proportion of each pollution type in the catchments studied

圖5進(jìn)一步展示了武進(jìn)港流域以高精度DEM 5m分辨率柵格為單位的氨氮產(chǎn)生量以及不同河段的污染物空間分布，可以看出，雨季（8月）的降雨徑流污染負(fù)荷入河量明顯高于旱季（1月）。

2.3 模型率定驗(yàn)證

水質(zhì)模型率定包括以下幾個(gè)步驟：①輸入上下游水動(dòng)力邊界及旁側(cè)入流量，通過圣維南方程建立河道水動(dòng)力模型；②輸入點(diǎn)源和面源污染負(fù)荷以及各水質(zhì)參數(shù)以模擬河道中水質(zhì)的時(shí)空變化；③比較河道斷面水質(zhì)的實(shí)測(cè)值和模擬值，必要時(shí)調(diào)整水質(zhì)參數(shù)。

分別采用納什效率系數(shù)（Nash-Sutcliffe efficiency，NSE）和決定系數(shù)（R2）來評(píng)價(jià)水動(dòng)力模型和水質(zhì)模型質(zhì)量的好壞，計(jì)算公式如下：

式中：Qsimi、Qobsi分別為日均流量模擬值和實(shí)測(cè)值；為日均流量實(shí)測(cè)值的平均值；n代表總共匹配的天數(shù)。NSE取值為負(fù)無窮至1，NSE越接近1，表示模型質(zhì)量越好，模型可信度高。通常認(rèn)為NSE達(dá)到0.75以上代表模擬結(jié)果很理想，NSE值在0.75～0.36之間模擬結(jié)果也是可以接受的，當(dāng)NSE低于0.36代表模擬結(jié)果不理想［20］。

式中：fsimi、fobsi分別為月均水質(zhì)濃度模擬值和月水質(zhì)濃度實(shí)測(cè)值分別為月均水質(zhì)濃度模擬值和實(shí)測(cè)值的平均值；m代表計(jì)算時(shí)間段內(nèi)的月份數(shù)。R2取值為0至1，R2越接近1，表示模擬精度越好。通常認(rèn)為R2大于0.6代表模擬結(jié)果理想，R2在0.6～0.5之間認(rèn)為模擬結(jié)果總體上可以接受［21］。

研究區(qū)域河網(wǎng)水動(dòng)力模型采用黃埝橋水文站2018年1—12月的日監(jiān)測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，如圖6所示?？梢钥闯觯M值與實(shí)測(cè)值吻合情況較好，計(jì)算得NSE值為0.71，模擬誤差在允許范圍之內(nèi)，率定后的河道粗糙系數(shù)取值為0.030～0.035。

圖6 黃埝橋斷面流量率定結(jié)果Fig.6 Modeling calibration result for flow discharge at Huangnian Bridge station

水質(zhì)模型采用武進(jìn)港月采樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（2018年4—12月），率定溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、高錳酸鹽（CODMn）和總磷（TP）4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，同樣水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)CODMn需與水質(zhì)模型中的率定參數(shù)CBOD進(jìn)行換算，取BOD5/CBOD=0.70、BOD5/CODMn=0.89，可推算得：CODMn/CBOD=0.79［22］。選取慈瀆橋（CDQ2）和武南河下游（WN7）2個(gè)典型斷面進(jìn)行年尺度模擬。CDQ2斷面位于武進(jìn)港上游，主要污染源為上游客水，未受支流匯入污染影響；WN7斷面位于武南河和武進(jìn)港交匯處，水質(zhì)受采菱港、武南河等匯入支流污染影響，總體而言水質(zhì)差于CDQ2斷面。由率定結(jié)果（圖7）可以看出，模擬值與實(shí)測(cè)值吻合情況較好。依據(jù)式（9）計(jì)算得：①針對(duì)CDQ2斷面，DO、NH3-N、CODMn和TP的R2值分別為0.82、0.69、0.61和0.71；②針對(duì)WN7斷面，DO、NH3-N、CODMn和TP的R2值 分 別 為0.88、0.63、0.59和0.66，說明模擬誤差均在允許范圍之內(nèi)，水質(zhì)模型中主要參數(shù)率定結(jié)果如表2。率定結(jié)果顯示，降雨強(qiáng)度較大時(shí)，受降雨徑流匯入負(fù)荷的沖擊，河道斷面水質(zhì)短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)急劇升高的現(xiàn)象，降雨結(jié)束后又恢復(fù)至常態(tài)。

圖7 CDQ2、WN7斷面水質(zhì)參數(shù)率定結(jié)果Fig.7 Calibration results of parameters for water quality modeling at CDQ2 and WN7 station

表2 水質(zhì)模型主要參數(shù)率定結(jié)果Tab.2 Calibrated results of main parameters for water quality modeling

3 水質(zhì)改善方案評(píng)估

3.1 污染削減方案比選

針對(duì)流域內(nèi)分散點(diǎn)源占比高的特點(diǎn)，提出優(yōu)先削減分散實(shí)點(diǎn)源污染排放，分析污染削減效果與入湖考核斷面之間的水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系。

由2.2節(jié)討論可知，雖然分散式點(diǎn)源排放流量很小，但排放污染負(fù)荷量占比卻最高。因此優(yōu)化考慮農(nóng)村分散式點(diǎn)源污染的削減方案，并評(píng)估污染削減前后的河道水質(zhì)動(dòng)態(tài)達(dá)標(biāo)頻次。

3.2 畜禽養(yǎng)殖污染控制

通過全面清理整頓非法和不符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)殖場(chǎng)，進(jìn)行養(yǎng)殖專業(yè)化，可實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖接近“零排放”。模擬研究片區(qū)內(nèi)畜禽養(yǎng)殖全部關(guān)停或通過還田再利用實(shí)現(xiàn)畜禽污染零排河，即片區(qū)內(nèi)畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷削減率100%的情況下姚巷橋斷面水質(zhì)的響應(yīng)情況，模擬結(jié)果見圖8和表3。

圖8 畜禽養(yǎng)殖負(fù)荷削減前后入湖斷面水質(zhì)響應(yīng)情況Fig.8 Predicted water quality at lake inflow station before and after livestock pollution reduction

削減畜禽養(yǎng)殖負(fù)荷后水質(zhì)得到了一定程度的提升，特別是CODMn改善顯著，年達(dá)標(biāo)頻次（地表水III類標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱III類）從23.0%提升至64.9%，但是NH3-N仍無法達(dá)標(biāo)。

3.3 農(nóng)村污水處理

收集未經(jīng)處理的農(nóng)村生活污水，經(jīng)處理后以一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)排放。在畜禽養(yǎng)殖“零排放”基礎(chǔ)上，結(jié)合流域內(nèi)污染物空間分布特征，比選出對(duì)水質(zhì)影響大的污染優(yōu)先控制村落群，優(yōu)先削減該村落群80%農(nóng)村生活污水，以期進(jìn)一步提高水質(zhì)年達(dá)標(biāo)頻次。

共設(shè)計(jì)了3種污染優(yōu)先控制村落比選方案：①工況1。選取片區(qū)內(nèi)農(nóng)村生活污水排放量最高的區(qū)域7個(gè)村落為污染優(yōu)先控制村落，共削減COD 2 591.7t·a-1、NH3-N 120.4 t·a-1、TP 12.9 t·a-1；②工況2。在工況1的基礎(chǔ)上，增加排入武進(jìn)港干流的10個(gè) 村 落，共 削 減COD 3 330.4t·a-1、NH3-N 178.9 t·a-1、TP 30.3 t·a-1；③工況3。在工況1的基礎(chǔ)上，增加排入上游來水京杭大運(yùn)河的7個(gè)村落，共削 減COD 3 205.4 t·a-1、NH3-N 170.9 t·a-1、TP 29.1 t·a-1。分別模擬3種工況下姚巷橋斷面水質(zhì)的響應(yīng)情況，模擬結(jié)果見圖9和表3。

圖9 不同農(nóng)村污水削減工況下入湖斷面水質(zhì)響應(yīng)情況Fig.9 Predicted water quality at lake inflow station of different rural sewage reduction schemes

表3 不同負(fù)荷削減工況下姚巷橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況分析Tab.3 Annual attainment rates of NH3-N,CODMn,and TP at Yaoxiang Bridge station of different load reduction schemes

模擬結(jié)果可知，進(jìn)一步削減污染優(yōu)先控制村落相應(yīng)農(nóng)村生活污水后，姚巷橋斷面水質(zhì)得到明顯改善。針對(duì)工況1，CODMn和TP改善效果較明顯，CODMn年均值降至5.86 mg·L-1，年達(dá)天數(shù)（III類）從84 d提升至252d；TP的年均值降至0.22 mg·L-1，年達(dá)天數(shù)（III類）也從60 d提升至142 d，但是NH3-N仍無法達(dá)到地表水III類標(biāo)準(zhǔn)。工況2、3在工況1基礎(chǔ)上分別削減排入武進(jìn)港和京杭大運(yùn)河村落群的入河負(fù)荷，針對(duì)CODMn和TP，工況2、3模擬結(jié)果相差不大；但是針對(duì)NH3-N，工況3的模擬結(jié)果明顯優(yōu)于工況2，NH3-N年均值降低至1.06 mg·L-1，年達(dá)標(biāo)頻次（III類）達(dá)66.3%，年達(dá)標(biāo)天數(shù)（III類）達(dá)242 d。綜上可得工況3為相對(duì)最優(yōu)工況。

綜上，改善客水水質(zhì)、加強(qiáng)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施建設(shè)以及分散畜禽養(yǎng)殖污染治理可有效改善武進(jìn)港水質(zhì)；其中改善上游來水京杭大運(yùn)河對(duì)提高姚巷橋斷面年達(dá)標(biāo)率效果尤為顯著。相對(duì)最優(yōu)工況下仍存在不達(dá)標(biāo)天數(shù)主要是因?yàn)橛晏焓芙涤陱搅鲄R入負(fù)荷的沖擊，河道斷面水質(zhì)短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)急劇升高的現(xiàn)象。因此從水質(zhì)動(dòng)態(tài)達(dá)標(biāo)的角度考慮，若要實(shí)現(xiàn)考核斷面全面、穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)農(nóng)田徑流和地表徑流污染的控制，如推進(jìn)面源污染的河道生態(tài)攔截等工程措施，從而確保在雨后一段時(shí)間內(nèi)能盡快恢復(fù)水質(zhì)。

4 結(jié)論

建立了適用于河網(wǎng)小流域水環(huán)境系統(tǒng)模擬的水文—水動(dòng)力—水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型，并在常州市武進(jìn)港流域進(jìn)行了實(shí)證研究。

（1）建立的耦合模型中，降雨徑流污染模型采用自主開發(fā)的模型系統(tǒng)，以DEM柵格單元為基本模擬單位，可以對(duì)降雨徑流導(dǎo)致的面源污染時(shí)空分布和匯流去向進(jìn)行精準(zhǔn)模擬。在此基礎(chǔ)上，河道水動(dòng)力水質(zhì)模型采用開源模型HEC-RAS，構(gòu)建了流域污染物排放與河道水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)地區(qū)日尺度的水質(zhì)模擬和動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)。模型系統(tǒng)同時(shí)具有開放性，能夠?yàn)樾×饔蛑腔郾O(jiān)管平臺(tái)提供技術(shù)支撐。

（2）針對(duì)武進(jìn)港小流域分散式點(diǎn)源污染負(fù)荷高、部分匯入支流水質(zhì)較差、長(zhǎng)期難以達(dá)標(biāo)的問題，將水動(dòng)力水質(zhì)模型從武進(jìn)港干流擴(kuò)展到整個(gè)流域范圍內(nèi)的河網(wǎng)地區(qū)，從而能夠?qū)ξ溥M(jìn)港流域內(nèi)的污染總量控制進(jìn)行定量評(píng)估。結(jié)合流域內(nèi)入河污染源組分和空間分布特點(diǎn)，模擬不同負(fù)荷削減工況下入湖考核斷面姚巷橋的水質(zhì)響應(yīng)情況。從動(dòng)態(tài)達(dá)標(biāo)角度分析考慮，對(duì)不同水質(zhì)方案進(jìn)行評(píng)估。最優(yōu)工況下，針對(duì)水質(zhì)指標(biāo)CODMn、NH3-N和TP，考核斷面姚巷橋的年達(dá)標(biāo)頻次（III類）分別從23.0%、0、16.4%升高至71.8%、66.3%、75.9%。

作者貢獻(xiàn)說明：

尹海龍：數(shù)學(xué)模型建立、論文撰寫。

林夷媛：數(shù)學(xué)模型建立、論文撰寫。

趙東華：技術(shù)和材料支持。

石澤敏：技術(shù)和材料支持。