李 丹，曾 慧，張明珠，李 泉

（廣州市水務(wù)科學(xué)研究所，廣東廣州 510220）

0 引 言

國(guó)家實(shí)施水污染防治的總量控制制度，包括重點(diǎn)水污染物排放總量控制和水功能區(qū)限制納污總量控制，前者是目標(biāo)總量控制，以水質(zhì)改善為期望。后者是容量總量控制，以水質(zhì)達(dá)標(biāo)為出發(fā)和歸宿。目標(biāo)總量管理對(duì)流域水質(zhì)改善發(fā)揮了明顯作用，但同時(shí)存在沒(méi)有建立水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系、與水質(zhì)目標(biāo)關(guān)聯(lián)度低等問(wèn)題。在實(shí)行目標(biāo)總量控制管理的同時(shí)，容量總量的理論和技術(shù)方法研究也在不斷拓展，許多研究學(xué)者對(duì)于水文水動(dòng)力及水質(zhì)模型［1-4］、污染物總量控制及分解［5-9］、污染排放與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系［10-15］進(jìn)行了研究，但現(xiàn)行計(jì)算與分配技術(shù)需要改進(jìn)的問(wèn)題包括：排污控制單元與流域不協(xié)調(diào)、用最枯流量條件計(jì)算的靜態(tài)容量與實(shí)際水文條件差異大、沒(méi)有綜合考慮水域與陸域等。

潮汐河網(wǎng)區(qū)人口密集，城鎮(zhèn)化程度高，相對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，污水收集處理能力滯后，入河污染物總量接近或超過(guò)水體納污能力，污染控制面臨削減存量與控制增量的雙重壓力。潮汐河網(wǎng)區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度高，依靠豐富的過(guò)境水量和河口潮流量彌補(bǔ)本地水資源的不足，潮汐導(dǎo)致水體水動(dòng)力及自凈能力減弱，污染物在枯水期感潮往復(fù)流區(qū)域累積。聯(lián)圍筑閘、河岸改造、群閘聯(lián)控、河涌整治等人為干預(yù)強(qiáng)烈，加上潮汐導(dǎo)致的流向流速差異明顯，使污染物的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程更為復(fù)雜，污染問(wèn)題識(shí)別及量化具有較大不確定性。本文通過(guò)構(gòu)建感潮河網(wǎng)區(qū)水動(dòng)力與水質(zhì)模型，建立“污染源—控制單位—水功能區(qū)”之間的輸入響應(yīng)關(guān)系，研究污染物“排放量—入河量—斷面水質(zhì)”之間的反饋機(jī)制，為明確監(jiān)管責(zé)任、推進(jìn)污水屬地處理、倒逼地方削減排污量提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及模型范圍

研究區(qū)以廣州-佛山跨界主要干支流為中心，北至蘆苞涌水閘，南至陳村水道勒竹，西至佛山南海區(qū)西南水閘和佛山水道沙口水閘，東至珠江后航道墩頭基，見(jiàn)圖1。研究區(qū)來(lái)水主要來(lái)自流溪河、白坭河、西南涌等3 個(gè)流域：流溪河流域?yàn)楠?dú)立流域，其徑流主要依靠上游水庫(kù)放水及區(qū)間降水；西南涌、白坭河則以北江來(lái)水為主要水源，通過(guò)蘆苞水閘、西南水閘控制北江分水，蘆苞水閘引水在九曲河、蘆苞涌分叉后分別注入白坭河、西南涌，并最終匯入鴉崗。

圖1 主要水系及斷面分布圖Fig.1 Distribution of main water systems and sections

近年來(lái)，研究區(qū)以主要污染貢獻(xiàn)支流流域?yàn)榕盼劭刂茊卧谕瓿煽卦唇匚鄣幕A(chǔ)上，研究暢流活水方案，流溪河開(kāi)展大中型水庫(kù)調(diào)度，北江蘆苞、西南兩座水閘利用潮汐規(guī)律進(jìn)行自流引水調(diào)度，流域內(nèi)河涌通過(guò)群閘聯(lián)控，漲潮引水濟(jì)涌、落潮置換河涌水體，有效提升河流水動(dòng)力條件和自凈能力。2017-2019年水質(zhì)考核斷面達(dá)標(biāo)率明顯提升，提升幅度達(dá)到8.4%～66.7%，其中鴉崗斷面從劣Ⅴ類提升到Ⅲ類，大坳斷面、海珠橋斷面從劣Ⅴ類提升到Ⅳ類，白鶴洞斷面從劣Ⅴ類提升到Ⅴ類。盡管水質(zhì)提升明顯，但斷面連續(xù)幾年水質(zhì)不達(dá)標(biāo)問(wèn)題一直存在，距離考核目標(biāo)差距較大，治理難度較大。

2 材料與方法

2.1 地形概化及網(wǎng)格剖分

為合理模擬珠江感潮河網(wǎng)的水動(dòng)力情況，研究采用曲線貼體網(wǎng)格擬合復(fù)雜岸線，將眾多匯入河涌概化為旁側(cè)入流計(jì)入。采用Delft3D 軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為760行×628列，共13 005個(gè)計(jì)算網(wǎng)格。為突出重要斷面局部流場(chǎng)特征，對(duì)局部水域進(jìn)行了網(wǎng)格加密。

2.2 支流概化與污染源強(qiáng)統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)共有205 條一級(jí)支流，本文篩選了對(duì)干流水質(zhì)有較大影響且水質(zhì)和水量數(shù)據(jù)較齊全的113 條支流，計(jì)算其CODCr和氨氮的入河總量，并以點(diǎn)源形式納入模型，見(jiàn)圖2。

圖2 支流及污染源概化分布圖Fig.2 Distribution map of tributaries and pollution sources

2.3 模型邊界及參數(shù)設(shè)置

2.3.1 邊界設(shè)置

模型上游流量邊界采用人和壩、蘆苞涌閘、西南涌閘的調(diào)度數(shù)據(jù)，模型下游水位邊界采用五斗、勒竹、黃埔水位站的逐時(shí)水位數(shù)據(jù)。結(jié)合常規(guī)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，模擬及驗(yàn)研究區(qū)污染物濃度變化過(guò)程，水質(zhì)數(shù)據(jù)均來(lái)自廣州、佛山兩市環(huán)保部門(mén)常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。邊界示意圖見(jiàn)圖3，斷面水質(zhì)情況及水動(dòng)力邊界、水質(zhì)邊界信息見(jiàn)表1～表3。

圖3 模型邊界設(shè)置示意圖Fig.3 Model boundary setting

表1 主要斷面水質(zhì)情況一覽表Tab.1 List of water quality of main sections

表2 水動(dòng)力邊界基礎(chǔ)信息Tab.2 Basic information of hydrodynamic boundary

表3 水質(zhì)邊界斷面基礎(chǔ)信息Tab.3 Basic information of water quality boundary section

2.3.2 參數(shù)設(shè)置

河道糙率及污染物衰減系數(shù)是水動(dòng)力水質(zhì)模型的重要參數(shù)。根據(jù)《珠江三角洲河網(wǎng)與河口水質(zhì)模型連接計(jì)算研究報(bào)告》，珠江河網(wǎng)河道糙率變化范圍為0.018～0.035。本文使用水文聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)在上述糙率值基礎(chǔ)上進(jìn)行率定，最終得到河道糙率取值為0.01～0.02。在《珠江三角洲水環(huán)境容量與水質(zhì)規(guī)劃研究》中，華南環(huán)境科學(xué)研究所采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)珠江三角洲的主要污染物衰減規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，本文CODCr衰減系數(shù)采用上述研究成果。根據(jù)“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“珠江廣州段水質(zhì)數(shù)學(xué)模型研究”，氨氮的衰減系數(shù)為0.1 ∕d，本文根據(jù)實(shí)測(cè)水質(zhì)進(jìn)行率定，最終確定氨氮的衰減系數(shù)為0.08 ∕d。污染物衰減系數(shù)取值如表4所示。

表4 污染物衰減系數(shù)率定取值Tab.4 Calibration value of pollutant attenuation coefficient

3 結(jié)果與分析

3.1 水動(dòng)力模型驗(yàn)證效果

以2001年2月水文聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)水動(dòng)力模型的主要參數(shù)進(jìn)行率定，結(jié)果表明：2001年2月率定過(guò)程中，水位模擬誤差在2.7 cm（大石）～12.6 cm（鴉崗）間，5個(gè)站點(diǎn)平均水位誤差6.6 cm；大石和沙洛圍的流量絕對(duì)誤差分別為28.1%和29.7%。

以1999年豐水期、2017年枯水期和2017年豐水期數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：1999年豐水期水位模擬誤差在3.7 cm（沙洛圍）～7.8 cm（大石）間，6個(gè)站點(diǎn)平均水位誤差為6.0 cm。大石、沙洛圍、黃沙、浮標(biāo)廠的流量誤差分別為17.2%、16.0%、22.7%和42.9%（圖4）。其中，浮標(biāo)廠的相對(duì)誤差超過(guò)30%，主要由于浮標(biāo)廠斷面處于潮流界內(nèi)，流量變幅較大，憩潮時(shí)流量幾近于0，即時(shí)較小的模擬流量絕對(duì)偏差除以極低的實(shí)測(cè)流量，其相對(duì)誤差被放大，從而增大了整體平均誤差。2017年枯水期、豐水期水位絕對(duì)誤差均值分別為11.4、10.5 cm（表5）。

圖4 枯水期、豐水期水位模擬結(jié)果圖Fig.4 Simulation results of water level in dry season and wet season

表5 水動(dòng)力模擬誤差統(tǒng)計(jì)Tab.5 Error statistics of hydrodynamic simulation

3.2 水質(zhì)模型驗(yàn)證效果

4 個(gè)常規(guī)水質(zhì)斷面的氨氮和CODCr基本在驗(yàn)證斷面單月模擬的最小～最大值之間，與模擬眾數(shù)基本吻合。模型具備較好的模擬精度，氨氮枯水期、豐水期的平均絕對(duì)誤差分別為19.5%、33.2%，CODCr枯水期、豐水期的平均絕對(duì)誤差分別為26.4%、29.1%，枯水期模擬效果優(yōu)于豐水期，總體平均誤差為27.1%（表6）。

表6 水質(zhì)模擬誤差統(tǒng)計(jì)Tab.6 Error statistics of water quality simulation

3.3 污染排放與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)CODCr入河排放總量為156 926.38 t∕a，氨氮入河排放總量為18 797.64 t∕a。CODCr一級(jí)支流匯入口排放量“前十”河涌的排放量總和為81 909.58 t∕a，占總?cè)牒恿康?2.2%，“前十”河涌分別是新街河、雅瑤水道、棠下涌、佛山涌、石井河、東濠涌、沙河涌、躍進(jìn)河、海珠涌、葫蘆涌；氨氮一級(jí)支流匯入口排放量“前十”河涌的排放量總和為11 375.37 t∕a，占總?cè)牒恿康?6.7%，“前十”河涌分別是新街河、石井河、雅瑤水道、棠下涌、佛山涌、東濠涌、沙河涌、白海面涌、泥坑涌、沙坑河。

大坳斷面的污染負(fù)荷主要來(lái)自新街河、九曲河入境處，從流域角度看，主要污染源自白坭河流域；鴉崗斷面的污染負(fù)荷主要來(lái)自和順大橋邊界、人和壩邊界以及新街河，從流域角度看，主要污染源自廣佛邊界輸入、流溪河流域及白坭河流域，三者污染貢獻(xiàn)總和的比值約為3∶2∶1；海珠橋斷面的污染負(fù)荷主要來(lái)自石井河和廣佛邊界輸入，從流域角度看，主要污染源自石井河流域，邊界的污染貢獻(xiàn)主要源于人和壩邊界、和順大橋邊界以及泌沖大橋邊界；白鶴洞斷面的污染負(fù)荷主要來(lái)自廣佛邊界輸入和石井河，邊界的污染貢獻(xiàn)主要源于泌沖大橋邊界、和順大橋邊界、人和壩邊界、五斗邊界、平洲邊界。

圖5 氨氮、CODCr模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of NH3-N and CODcr

3.4 水體污染物削減及水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析

不足，自凈缺水主要發(fā)生在枯水期。

通過(guò)貢獻(xiàn)率結(jié)果可以看到，“前十”名的支流污染負(fù)荷基本占了總污染負(fù)荷排放的80%以上，因此本次最優(yōu)化模型計(jì)算，只單獨(dú)考慮污染貢獻(xiàn)率“前十”名支流，其他支流均歸類到“其他”。

通過(guò)matlab 的linprog 函數(shù)計(jì)算最優(yōu)化模型的最優(yōu)解，計(jì)算結(jié)果顯示：在現(xiàn)狀邊界下，各支流氨氮達(dá)到Ⅴ類且CODCr達(dá)到Ⅳ類時(shí)，鴉崗、海珠橋和白鶴洞斷面氨氮及CODCr均能達(dá)到Ⅲ類，然而大坳斷面僅CODCr達(dá)到Ⅲ類，氨氮在豐水期及枯水期均為Ⅳ類。要大坳斷面的氨氮達(dá)到Ⅲ類，則豐水期新街河需達(dá)到Ⅳ類，枯水期新街河需達(dá)到Ⅲ類。可見(jiàn)新街河的水質(zhì)提升對(duì)大坳斷面乃至鴉崗斷面達(dá)標(biāo)至關(guān)重要，這主要是因?yàn)樾陆趾訉?duì)大坳斷面的污染貢獻(xiàn)比重大，且匯入口離斷面距離近，自凈需水量

4 結(jié) 論

（1）基于EFDC 構(gòu)建潮汐河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，建立113 條支流污染通量與4 個(gè)斷面水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系，經(jīng)率定驗(yàn)證，驗(yàn)證期水位誤差平均值為9.3 cm，流量誤差平均值為24.7%，4個(gè)水質(zhì)斷面氨氮、CODCr絕對(duì)誤差平均值分別為26.3%、27.8%，考慮到水下地形資料滯后、感潮區(qū)流量變幅較大、支流水質(zhì)數(shù)據(jù)密度不足對(duì)水位、流量及水質(zhì)的影響，模型具有較好的模擬精度。

（2）大坳斷面的污染負(fù)荷主要來(lái)自新街河、九曲河入境處，鴉崗斷面的污染負(fù)荷主要來(lái)自于廣佛邊界輸入、流溪河流域及白坭河流域，三者污染貢獻(xiàn)總和的比值約為3∶2∶1；海珠橋斷面的污染負(fù)荷主要來(lái)自石井河和廣佛邊界輸入，白鶴洞斷面的污染負(fù)荷主要來(lái)自廣佛邊界輸入和石井河。

圖6 “90%累計(jì)總和”支流入河排放量柱狀圖Fig.6 “ 90%cumulative sum ”tributary discharge into the river histogram

表7 重要斷面污染貢獻(xiàn)表Tab.7 Pollution contribution of important sections

表8 “前十”支流污染物允許排放量及削減量 t∕aTab.8 Allowable emission and reduction of pollutants from“top ten”tributaries

圖7 模擬濃度場(chǎng)示意圖Fig.7 Simulated concentration diagram

（3）統(tǒng)籌“大小”齊治，深入推動(dòng)水環(huán)境治理向各級(jí)支涌“毛細(xì)血管”延伸，實(shí)現(xiàn)自上游往下游有效削減污染物入河量，利用潮汐動(dòng)力暢流活水，是維護(hù)重要斷面水質(zhì)穩(wěn)定的重要保障。在現(xiàn)狀邊界下，各支流水質(zhì)目標(biāo)應(yīng)為氨氮達(dá)到Ⅴ類且CODCr達(dá)到Ⅳ類，新街河的水質(zhì)提升對(duì)大坳、鴉崗斷面達(dá)標(biāo)至關(guān)重要，其水質(zhì)目標(biāo)應(yīng)提升為豐水期Ⅳ類、枯水期Ⅲ類。 □