牛先玄

摘要：胥河支流椏溪河出口下游300 m處為落蓬灣國家水質(zhì)考核斷面。為進一步改善椏溪河水質(zhì)，確保國考斷面水質(zhì)達標，根據(jù)椏溪河流域污染源成因分析及整治條件，擬定了流域水環(huán)境綜合治理方案，并基于MIKE11水動力與水質(zhì)模型，以超標因子COD為特征指標，在不同水平年下模擬計算年水質(zhì)達標天數(shù)，分析水質(zhì)目標可達性。計算結(jié)果表明：枯水年考核斷面年水質(zhì)達標率可提高至81.9%，平水年考核斷面年水質(zhì)達標率可提高至79.4%。分析結(jié)果可為椏溪河流域工程建設(shè)及其他同類工程提供依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)分析; 水質(zhì)達標率; MIKE11; 椏溪河流域; 江蘇省

中圖法分類號：X832 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.013

文章編號：1006 - 0081（2022）01 - 0071 - 05

0 引 言

為貫徹落實《水污染防治行動計劃》[1]，全國各省市進一步加強跟蹤分析和督查督辦，全面推動斷面水質(zhì)改善。逄勇等[2]利用一維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型研究東官河河網(wǎng)水質(zhì)水量變化規(guī)律，并設(shè)計了近、中、遠期方案，對不同保證率下的水量水質(zhì)進行推薦方案的可行性分析;花月等[3]在張家港河干流設(shè)置了3個控制斷面，制定不同計算方案，最終確定了控制斷面在達標前提下的污染削減量;劉媛等[4]基于水文、水質(zhì)和污染源資料，建立了湯水河流域一維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，利用控制斷面達標法計算得到湯水河水環(huán)境容量，根據(jù)水文水質(zhì)同步監(jiān)測資料進行了后橋頭路橋考核斷面污染溯源分析，進而制定出近、遠期水質(zhì)達標方案;胡開明[5]基于水文、水質(zhì)和污染源資料，建立了大豐區(qū)通榆河流域一維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，利用控制斷面達標法計算得到通榆河水環(huán)境容量，進而與斷面現(xiàn)狀污染物入河量對比，確定了研究區(qū)域內(nèi)各類污染物的削減量，并對草堰大橋考核斷面污染源進行解析，最終制定斷面水質(zhì)達標方案并進行可行性分析;展永興[6]以常熟市東環(huán)河虞東路橋斷面為例，建立東環(huán)河水質(zhì)模型，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)率定，計算得出區(qū)域水環(huán)境容量，提出斷面水質(zhì)達標方案;畢良芹等[7]采用控制斷面達標法計算得到入胥河的水環(huán)境容量，結(jié)合污染物入河量，確定了研究區(qū)域各類污染物的削減比例;宋為威等[8]綜合考慮水文、水質(zhì)、污染源等因素，建立影響區(qū)域水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)最不利水文條件（典型枯水年）和邊界水質(zhì)，建立了考核斷面水質(zhì)與概化排口污染源響應(yīng)關(guān)系，通過響應(yīng)關(guān)系計算出控制斷面水質(zhì)達標時各個概化排口所允許的排污量，得到本控制單元的水環(huán)境容量。綜上，目前學(xué)者多是從總的環(huán)境容量來分析各類措施對水環(huán)境的改善效果，鮮有從日水質(zhì)變化的角度來分析工程措施的可行性。因此，本文通過對椏溪河流域的污染物來源分析，擬定了相應(yīng)的工程措施，并建立了一維水動力水質(zhì)模型計算枯水年、平水年逐日水質(zhì)變化，進而評估了考核斷面水質(zhì)目標可達性。

1 研究區(qū)概況

1.1 椏溪河流域基本情況

椏溪河位于江蘇省南京市高淳區(qū)椏溪街道，流域面積46.7 km2，其中山丘區(qū)面積27.7 km2，圩區(qū)面積19 km2。椏溪河全長7.7 km，為胥河支流，橫穿椏溪街道，出口上游300 m處有一區(qū)考斷面——下圩橋考核斷面，水質(zhì)目標為Ⅲ類水;胥河椏溪支流下游300 m處有一斷面，椏溪河與胥河的相對位置關(guān)系及考核斷面位置見圖1。

下圩橋考核斷面14個月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，有10個月水質(zhì)超標，超標因子為COD。為了摸清沿線水質(zhì)變化情況，2019年4月對椏溪河布設(shè)11個水質(zhì)監(jiān)測取樣點，由上游至下游依次編號為1～11，取樣期間水體流動不明顯，水質(zhì)沿程變化曲線見圖2。由圖2可以看出，COD濃度大體上沿程逐步下降。

1.2 污染物來源分析

造成椏溪河水質(zhì)超標的成因較為復(fù)雜，經(jīng)分析主要有以下幾個方面。

（1） 農(nóng)村生活污水處理站和污水處理廠排放標準相對于地表Ⅲ類水標準偏低。椏溪河流域農(nóng)村總?cè)丝?7 637人，實施農(nóng)村生活污水治理的人口為16 224人，農(nóng)村生活污水處理站排放標準為城市污水排放一級B標準，未處理和處理后的生活污水排入周邊溝渠或水塘。COD年排放量約17 402.9 kg。此外，根據(jù)椏溪污水處理廠生產(chǎn)月報統(tǒng)計計算，COD年排放量約12 793.3 kg。

（2） 農(nóng)業(yè)面源污染。流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用地面積共2 025.4 hm2，COD年排放量約30 471.0 kg。

（3） 禽畜、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染。流域內(nèi)禽畜養(yǎng)殖污染主要是居民散養(yǎng)，水產(chǎn)養(yǎng)殖面積約852.1 hm2，主要有青蝦、河蟹、水草養(yǎng)殖，COD年排放量約12 167.9 kg。

（4） 其他污染。流域內(nèi)其他用地（包括林地、荒地、公共用地等）的濕沉降污染。參考《南京市不同功能區(qū)干濕沉降物污染特征研究》[4]及《南京市典型區(qū)域城市濕沉降污染成分特征分析》[2]，并結(jié)合椏溪街道實際情況，濕沉降污染物COD濃度為3.5 mg/L。根據(jù)計算，COD年排放量約3 942.1 kg（表1）。

由表1可知，椏溪河流域非降雨期最主要的污染源為農(nóng)村生活污水和污水處理廠尾水排放，而雨季產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)面源污染加重了水體污染。農(nóng)村生活污水排放標準（一級B）、污水處理廠污水排放標準（一級A）相對于Ⅲ類水標準偏低。

2 流域水環(huán)境綜合治理方案

根據(jù)椏溪河流域污染源成因分析及整治條件，流域水環(huán)境綜合治理措施主要包括構(gòu)建生態(tài)補水工程、生活污水和污水處理廠尾水提標改造、水系循環(huán)連通工程、農(nóng)業(yè)面源污染治理、生態(tài)清淤以及建立統(tǒng)一的調(diào)控管理機制等綜合治理措施。規(guī)劃工程位置示意見圖1，溝渠型垂直潛流濕地由于較為分散，圖中未標示。

2.1 生態(tài)補水工程

非降雨期椏溪河流域生態(tài)流量較小，生活污水和污水處理廠尾水入河，導(dǎo)致椏溪河水質(zhì)超標。在椏溪河上游北岸征地新建生態(tài)補水塘壩，塘壩下游新建人工濕地凈化水體使塘壩出水水質(zhì)控制在優(yōu)于Ⅲ類水，補水至椏溪河。生態(tài)補水塘壩庫容為25萬m3，對應(yīng)的河口人工濕地處理能力為1.2萬m3/d。

2.2 污水處理廠尾水提標改造

污水處理廠排放標準為城市污水排放一級A標準，結(jié)合用地情況，在椏溪河對岸建人工濕地，將椏溪污水處理廠尾水引至人工濕地，降雨期將石家壩壩上來水引至人工濕地，經(jīng)人工濕地凈化至Ⅲ類水后補入椏溪河。污水處理廠尾水提標人工濕地處理能力為2 500 m3/d，其中，處理污水處理廠尾水1 500 m3/d、處理降雨期石家壩水量1 000 m3/d。

2.3 水系循環(huán)連通工程

胥河與椏溪河、胥河與湖西灌溉總渠的水力關(guān)系為胥河-湖西灌溉總渠、椏溪河-胥河，根據(jù)3條水系的地理位置，實施“胥湖椏”連通工程，利用胥河豐富水資源量，通過湖西灌溉總渠水系連通，水質(zhì)通過河口濕地凈化后補水至椏溪河。湖西灌溉總渠水質(zhì)劣于Ⅲ類水時，引入河口人工濕地流量1 000 m3/d。

2.4 農(nóng)業(yè)面源污染治理

擬在椏溪河支流邊溝渠或沿著椏溪河支流新建溝渠型垂直潛流濕地收集農(nóng)田徑流，流入垂直潛流濕地后，溝渠中種植的水生植物攔截農(nóng)田徑流污染物，達到控制污染物向水體遷移的目的，通過閥門進行水位調(diào)節(jié)，使經(jīng)過凈化的農(nóng)田低污染水排入河道。溝渠型潛流人工濕地工程處理規(guī)模共計9 000 m3/d。

3 典型年水質(zhì)目標可達性分析

3.1 水環(huán)境模型模擬分析

3.1.1 代表年選擇

本次規(guī)劃采用設(shè)計平水年（50%）和干旱年（90%）的代表年和降雨量情況，見表2。

3.1.2 設(shè)計水文條件

胥河僅有2016年至今的實測水位，椏溪河朱家橋處枯水年最枯月平均水位取年最低水位平均值2.93 m。平水年年降雨量與2018年年降雨量1 158 m較接近，故平水年平均水位和最枯月平均水位可按2018年取值。椏溪河五塭壩以上水位設(shè)置活水閘壩后的常水位。椏溪河設(shè)計水文條件見表3。

3.2 水環(huán)境模型模擬分析

椏溪河水面寬8～20 m，水深3～4 m，可以認為污染物在橫斷面上均勻混合，采用河流一維水質(zhì)模型計算。鑒于丹麥水力研究所（簡稱“DHI”，下同）開發(fā)的MIKE11模型在對流擴散數(shù)值模擬方面的強大功能，本研究采用MIKE11來建立椏溪河一維水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型。

3.2.1 分析目的

在椏溪河水環(huán)境綜合治理研究中，水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的建立和應(yīng)用作為研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，利用所建立的河流數(shù)學(xué)模型模擬河流水動力水質(zhì)輸送變化規(guī)律。

對生態(tài)補水工程、胥湖椏水系連通工程、污水處理廠尾水提標改造工程改善水環(huán)境效果進行計算與分析。通過建立河流一維水動力水質(zhì)模型，開展椏溪河水質(zhì)改善數(shù)值模擬與分析，確定不同方案實施效果。

3.2.2 河流一維水動力模型

MIKE11 HD模型用于河網(wǎng)調(diào)蓄計算的理論基礎(chǔ)是圣維南方程，通過6點中心隱式格式進行差分，利用“追趕法”求解，其計算網(wǎng)格由水位點和流量點交叉組成，匯流計算時河網(wǎng)被概化為節(jié)點、河段、斷面3類要素。

3.2.2.1 河道一維水動力基本方程

MIKE11作為一款一維水動力模型，其控制方程為圣維南方程：

[?Q?x+BT?Z?t=ql?Q?t+2u?Q?x+（gA-Bu2）?Z?x-u2?A?x+gn2|u|QR3/4=0]

（1）

式中：Q為流量，m3/s;Z為水位，m;R為水力半徑，m;u為流速，m/s;ql為旁側(cè)入流;n為糙率系數(shù)，可用謝才公式計算;BT為包括主河道泄流寬度和僅起調(diào)蓄作用的附加寬度，m;B為過流河寬，m;A為過水斷面面積，m2;g為重力加速度，m/s2;x為空間坐標，m;t為時間坐標，s。

3.2.2.2 模型建立

MIKE 11 AD水動力部分輸入數(shù)據(jù)可以分成以下幾個部分：① 斷面數(shù)據(jù);② 初始條件，如水面高程;③ 邊界條件，包括水位邊界和流量邊界。

3.2.2.3 水質(zhì)模型

根據(jù)椏溪河水環(huán)境現(xiàn)狀分析，椏溪河鎮(zhèn)區(qū)段水質(zhì)較差，大部分時間處于Ⅴ類水標準，五塭壩上水質(zhì)為Ⅲ～Ⅳ類水，下圩橋長時間也處于Ⅲ～Ⅳ類水，主要超標因子為COD。因此，對椏溪河水環(huán)境改善分析應(yīng)主要對COD的分布變化進行模擬分析。

（1） 基本原理。利用對流擴散方程，模擬水體中溶解或懸浮物質(zhì)的輸運。可用于模擬河道鹽水入侵、水溫變化、污染物傳輸，并可考慮一級衰減。

[?C?t+ux?C?t=??tEx?C?x-KC] （2）

式中：C為污染物濃度，mg/L;x為沿河段的縱向距離，m;ux為水流的縱向流速，m/s;Ex為縱向離散系數(shù)，m2/s;K為污染物綜合衰減系數(shù)，1/s。

（2） 模型建立。MIKE11 AD水質(zhì)模型基于水動力模型計算成果進行水質(zhì)模擬計算，輸入數(shù)據(jù)可以分成以下幾個部分：① 校準要素，包括污染物擴散和衰減系數(shù)，一般基于經(jīng)驗值進行校準;② 初始條件，一般為模型計算一個周期末最后一個計算步長的成果;③ 外源邊界條件，包括開邊界的水質(zhì)濃度。

椏溪河COD主要來源是生活污水入河帶來的污染。近年來高淳區(qū)為加強水資源質(zhì)量監(jiān)控，對椏溪河進行了水質(zhì)監(jiān)測，但監(jiān)測點位于椏溪河下游，且位于五塭壩下，受胥河水質(zhì)影響較大，不能作為水質(zhì)模型的邊界。

對擬定方案在平水年和枯水年進行水質(zhì)目標可達性分析。椏溪河水動力模型及水質(zhì)輸出斷面位置見圖3。

（3） 模型率定。水質(zhì)模型率定目的是為了調(diào)整模型，使模型對指定計算期內(nèi)進行計算模擬的結(jié)果與實際測量的結(jié)果盡量吻合。調(diào)整后的模型可通過運行一個或多個指定時間段（在此時間段內(nèi)必須具有實測值）的模擬來進行檢驗。

基于一維椏溪河水動力模型、一維水質(zhì)模型對COD進行模擬，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行校準參數(shù)率定。不同位置水質(zhì)模型模擬值與實測值的比較結(jié)果見圖4。結(jié)果表明，所建水質(zhì)模型可以較好地反映椏溪河的水質(zhì)變化情況。

（4） 模型驗證。同樣基于一維椏溪河水動力模型、一維水質(zhì)模型對2019年4月16～18日椏溪河的COD進行模擬，并以實測數(shù)據(jù)進行驗證。不同位置水質(zhì)模型模擬值與實測值的比較結(jié)果見圖5。結(jié)果表明，椏溪河水質(zhì)模型模擬值與水質(zhì)監(jiān)測值基本一致。

考慮到水質(zhì)監(jiān)測的頻次較低及水質(zhì)濃度分布在時間上的不確定性，本文所建立的一維水質(zhì)模型基本上可以較好地反椏溪河水質(zhì)變化情況，可以用于“生態(tài)補水塘壩工程+污水處理廠尾水提標改造工程”方案對水環(huán)境改善效果的研究工作。

3.3 水質(zhì)目標可達性分析

以驗證計算的2019年4月18日COD水質(zhì)濃度分布場為初始條件，以不同代表年降雨和2018年胥河實測水位條件為輸入條件，入河污染物濃度采用2019年4月18日監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對來水較大月份的入河污染濃度進行適當調(diào)整，模型計算步長取0.5 d，針對不同工況進行水環(huán)境改善模擬分析。

通過計算分析，現(xiàn)狀情況下，枯水年椏溪河五塭壩上斷面水質(zhì)達標天數(shù)為194 d，達標率53%;下圩橋斷面水質(zhì)達標天數(shù)為228 d，達標率62.4%;胥河口斷面水質(zhì)達標天數(shù)為235 d，達標率為64.4%。平水年椏溪河五塭壩上斷面水質(zhì)達標天數(shù)為191 d，達標率52.3%;下圩橋斷面水質(zhì)達標天數(shù)為237 d，達標率64.9%;胥河口斷面水質(zhì)達標天數(shù)為252 d，達標率為69%。

規(guī)劃工程實施后，枯水年椏溪河五塭壩斷面水質(zhì)達標天數(shù)290 d、下圩橋斷面水質(zhì)達標天數(shù)299 d、胥河口斷面水質(zhì)達標天數(shù)303 d，枯水年椏溪河不同位置濃度歷時曲線見圖6。平水年椏溪河五塭壩斷面水質(zhì)達標天數(shù)281 d、下圩橋斷面水質(zhì)達標天數(shù)290 d、胥河口斷面水質(zhì)達標天數(shù)292 d，平水年椏溪河不同位置濃度歷時曲線見圖7?？菟晁|(zhì)達標天數(shù)高于平水年水質(zhì)達標天數(shù)的主要原因是生態(tài)補水塘壩的調(diào)蓄作用，枯水年桂圓壩支流大部分水量都可以通過生態(tài)補水塘壩調(diào)蓄流經(jīng)由人工濕地處理后達標排放至椏溪河，而平水年需大量棄水不經(jīng)人工濕地處理直接排至椏溪河。

4 結(jié) 語

（1） 規(guī)劃工程實施后，枯水年椏溪河五塭壩斷面水質(zhì)達標天數(shù)290 d，達標率79.4%、下圩橋斷面水質(zhì)達標天數(shù)299 d，達標率81.9%、胥河口斷面水質(zhì)達標天數(shù)303 d，達標率提高至83%;平水年椏溪河五塭壩斷面水質(zhì)達標天數(shù)281 d，達標率77%、下圩橋斷面水質(zhì)達標天數(shù)290 d，達標率79.4%、胥河口斷面水質(zhì)達標天數(shù)292 d，達標率提高至80%。

（2） 規(guī)劃工程實施后，枯水年下圩橋考核斷面水質(zhì)達標率由62.4%提高81.9%，平水年下圩橋考核斷面水質(zhì)達標率由52.3%提高至79.4%，大幅提高了考核斷面的水質(zhì)達標率。

（3） 本文通過對椏溪河流域的污染物來源分析，擬定相應(yīng)的工程措施，并建立一維水動力水質(zhì)模型計算枯水年、平水年逐日水質(zhì)變化，進而評估考核斷面水質(zhì)目標可達性，可為其他同類工程提供參考。

（4） 生態(tài)補水工程對水質(zhì)改善尤為關(guān)鍵，建議根據(jù)水文預(yù)報科學(xué)合理的做好塘壩工程的調(diào)度運行管理。此外，還應(yīng)提高污水處理廠和農(nóng)村生活污水設(shè)施的收集率。

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（編輯：李 晗）

Accessibility analysis on water quality objectives at assessment section of Yaxi River Basin in Nanjing

NIU Xianxuan

（Shanghai Branch of Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Shanghai 200439， China）

Abstract：Luopengwan cross-section of the Xuhe river is a national water quality assessment cross-section，which is at 300 m downstream from the branch river of the Yaxi river. In order to further improve the water quality of the Yaxi River and ensure the water quality of national assessment cross-section up to the standard， according to the cause analysis and treatment conditions of pollution sources in the Yaxi River Basin， the comprehensive treatment scheme of water environment in the basin was formulated. Based on MIKE11 HD and AD model， the annual average water quality was simulated under different level years with the over standard factor COD as the characteristic index. The days meeting the water quality standard was analyzed. According to the calculation and analysis results， the annual water quality compliance rate of the assessment section can be increased to 81.9% in dry year and 79.4% in normal year， which can provide basis and reference for the project constrction in the Yaxi River Basin and other similar projects.

Key words： water quality analysis; water quality compliance rate; MIKE 11; Yaxi River Basin; Jiangsu Province