孫 凡，逄 勇，于競?cè)?，吳昌淦

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

1 背景與方法

1.1 研究背景及區(qū)域概況

流域水環(huán)境規(guī)劃以國家有關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)導(dǎo)向，來進(jìn)行流域水環(huán)境控制和治理規(guī)劃，主要工作有以下幾方面：提出流域水體功能區(qū)劃和水質(zhì)控制指標(biāo)、確定水質(zhì)超標(biāo)河段和主要污染物、確定各河段主要污染物的環(huán)境容量、確定各排污口的允許排放量，并提出最佳治理方案、預(yù)測污染治理費(fèi)用等[1]。

靖江屬于長江流域，南部緊鄰長江，研究區(qū)域位置見圖1，有著優(yōu)越的氣候條件及潮汐之利，長江大保護(hù)行動實(shí)施前后，全國選取兩個典型示范點(diǎn)來整治沿江城市污染源，上游為重慶，下游為靖江，來修復(fù)長江沿岸的生態(tài)環(huán)境。靖江市水系眾多，整個市共有39條河流與長江相通，其中新十圩港大橋斷面考核斷面為唯一省考斷面，該斷面的水質(zhì)達(dá)標(biāo)成為了重中之重。十圩港的三元橋、豐產(chǎn)橋、新十圩港大橋斷面涉及靖江市季市鎮(zhèn)、孤山鎮(zhèn)、靖城街道辦和城南辦事處四個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，具體位置見圖2。近幾年來，三個斷面的COD、氨氮及總磷水質(zhì)因子年均值均滿足地表Ⅲ類水水質(zhì)要求，但部分月份氨氮和總磷超標(biāo)，水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

本研究以十圩港為研究對象，建立十圩港水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，計算十圩港周邊季市鎮(zhèn)、孤山鎮(zhèn)、靖城街道辦及城南辦事處區(qū)域入十圩港污染影響分擔(dān)率，從而有效界定各行政區(qū)責(zé)任，強(qiáng)化與相關(guān)行政區(qū)的對話機(jī)制。

圖1 靖江市區(qū)域位置圖Fig.1 Location map of Jingjiang City

圖2 十圩港斷面位置分布圖Fig.2 Shiwei gang section location distribution

1.2 研究方法

近年來，為改善靖江市現(xiàn)狀水環(huán)境污染，解決通江河流所帶來的長江污染矛盾糾紛，對考核斷面水質(zhì)超標(biāo)的原因進(jìn)行溯源分析以及計算各鎮(zhèn)區(qū)的污染影響權(quán)重顯得尤為重要。相對而言，前人在對水質(zhì)超標(biāo)污染來源分擔(dān)率方面的研究仍然較少。

在國外的流域治理研究相關(guān)領(lǐng)域，Kannel、Noh等學(xué)者[2～6]以下游水質(zhì)達(dá)標(biāo)為前提，通過建立水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，對水質(zhì)和污染物負(fù)荷進(jìn)行模擬計算，從而得到流域的水質(zhì)預(yù)測值和允許污染負(fù)荷。近年來，我國創(chuàng)新流域規(guī)劃治理思路，根據(jù)國家制定“水十條”的相關(guān)要求[7]，未達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)要求的地區(qū)需要制定達(dá)標(biāo)方案，其中多數(shù)以考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)為整治目標(biāo)。國內(nèi)學(xué)者采用多種水環(huán)境數(shù)學(xué)模型及分析方法對斷面水質(zhì)進(jìn)行了多項研究。逄勇[8]構(gòu)建多種水環(huán)境數(shù)學(xué)模型計算方法，其中以秦淮河流域水環(huán)境數(shù)學(xué)模型為例，得出斷面水質(zhì)與概化排口之間的響應(yīng)關(guān)系等；展永興等[9]以常熟市東環(huán)河虞東路橋斷面為例，建立水質(zhì)模型，通過水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)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(dá)標(biāo)方案；胡開明等[10]以通榆河草堰大橋斷面為例，基于斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水環(huán)境容量計算方法，并利用一維穩(wěn)態(tài)水環(huán)境模型模擬考核斷面水質(zhì)和污染源之間的關(guān)系，確保斷面水環(huán)境質(zhì)量達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)要求。

因此，本文通過建立靖江市十圩港一維穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，利用控制十圩港三個斷面達(dá)標(biāo)方法，計算十圩港河道的水環(huán)境容量，以此來計算十圩港三個斷面達(dá)標(biāo)時周邊污染物所需的削減量以及每個鎮(zhèn)的削減比例。

2 計算方法

2.1 一維模型計算方法

2.1.1 概化排口

根據(jù)整治范圍內(nèi)靖江市4個街道鄉(xiāng)鎮(zhèn)地形條件以及各類入十圩港污染源的空間分布，本模型綜合考慮了點(diǎn)源和面源的綜合污染，點(diǎn)源和面源量化后放在里面，可以稱為環(huán)境容量。十圩港周邊的污染源包括點(diǎn)源和面源，點(diǎn)源包括了直排入十圩港的污水廠及工業(yè)企業(yè)，面源包括了河流周邊的城鎮(zhèn)生活源、農(nóng)村生活源、畜禽養(yǎng)殖面源、農(nóng)田面源等。本文中這些污染源均以概化排口的形式概化為了污染點(diǎn)源進(jìn)入十圩港河道中。

根據(jù)概化原則，對十圩港河流進(jìn)行概化，進(jìn)行污染源的排污口概化時，應(yīng)遵循以下原則：

(1)當(dāng)工業(yè)企業(yè)排污口污染物排放流量較大(超過單元總量的10%)，必須作為獨(dú)立的概化排污口處理；

(2)其他排污口若距離較近，可把多個排污口簡化成集中的排污口；

(3)距離較遠(yuǎn)并且排污量均比較小的分散排污口，可概化為非點(diǎn)源入河；

(4)污水處理廠需作為概化排污口考慮；

(5)城市人口聚集地需概化排污口。

將周邊污染源概化為28個排污口，包括一級概化排污口15個，二級概化排污口13個。具體概化排口見圖3。

圖3 十圩港區(qū)域概化排口圖Fig.3 Shiwei gang regional general layout

2.1.2 模型計算

利用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)計算公式，建立十圩港流域水質(zhì)進(jìn)行計算。對于有多個排污口及支流匯入情況，采用逐段累加法進(jìn)行計算，每一個計算段上邊界水質(zhì)值采用上一段水質(zhì)計算結(jié)果。具體公式[11]為：

(1)

(2)

其中：C0——排放污水或入流支流與上游來水稀釋后的混合濃度，mg/L；

k——污染物的降解系數(shù)，d-1；

x——河道沿程距離，m；

u——河道水流流速，m/s；

C上——河道上游來水水質(zhì)，mg/L；

Cq——排污口污染物排放濃度或匯入支流水質(zhì)濃度，mg/L；

Q上——河道上游來水水量，m3/s；

q——排污口污水排放量或流入支流的流量，m3/s。

2.1.3 構(gòu)建響應(yīng)關(guān)系

通過構(gòu)建概化排口，運(yùn)用十圩港水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建出斷面水質(zhì)與概化排口之間的響應(yīng)關(guān)系。響應(yīng)關(guān)系:C控制斷面=C(W1，W2，…)，先構(gòu)建支流排口與入河支流之間的響應(yīng)關(guān)系，支流與水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系，再而構(gòu)建干流排口與控制斷面水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系[11]。三個斷面與概化排口響應(yīng)關(guān)系構(gòu)建見以下公式：

C三元橋=C(W1，W2)

(3)

C豐產(chǎn)橋=C(W3，W4，…W9，W16，W17，…W19)

(4)

C新十圩港大橋=C(W10，W11，…W15，W22，W23，…W28)

(5)

2.2 基于斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水環(huán)境容量計算方法

十圩港研究區(qū)域位于平原河網(wǎng)地區(qū)，河流坡降相對平緩，本文采用以環(huán)境容量定義法為基礎(chǔ)，斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水環(huán)境容量計算方法，計算得到各概化排口的允許排污量即水環(huán)境容量，計算得到各概化排口的削減量，并利用一維穩(wěn)態(tài)水環(huán)境模型模擬各斷面水質(zhì)和響應(yīng)污染源之間的關(guān)系，保證相關(guān)計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，使得后期控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的方案切實(shí)可行。

根據(jù)水功能區(qū)的水質(zhì)、邊界條件，在設(shè)計水文條件時，考核斷面達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時該研究區(qū)域內(nèi)的污染源最大允許排放量即為水環(huán)境容量，具體見下公式：

W= (C-C’)·Q0+kVCs

(6)

式中：W為水環(huán)境容量，kg/d；C為混合后下游水質(zhì)濃度，下同，mg/L；C’為初始斷面混合水質(zhì)濃度，下同，mg/L；Q0為水體流量，下同，m3/s；k為水質(zhì)降解系數(shù)，下同，1/d；V 為水體體積，m3；CS為該水體相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下的濃度，mg/L。

2.3 分擔(dān)率計算方法

現(xiàn)在研究采用的大多數(shù)為水文站的連續(xù)流量資料或時段通量的計算方法，但在實(shí)際的監(jiān)測中，無法準(zhǔn)確的獲取瞬時的流量值和濃度值，只能獲取相對來說時間跨度較大的離散分布監(jiān)測值。由于十圩港研究區(qū)域下游支流較少且上下游分布支流差距大，因此本研究不采用時段通量的計算方法，而是根據(jù)2020年污染物統(tǒng)計年鑒，將各類入河污染物來源按行政區(qū)劃分，來計算其分擔(dān)率。本研究中分擔(dān)率以各行政區(qū)的入河污染物通量之和占總通量比例的形式表達(dá)，計算公式為：

(7)

式中:Ki為第i項污染物在某行政區(qū)的分擔(dān)率；Pi為某行政區(qū)入十圩港的污染物通量；n為某行政區(qū)入十圩港污染物計算數(shù)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 率定驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)公式(1)～(2)，模型的水文、水質(zhì)邊界條件均采用匯水面積、2020年降雨資料及實(shí)測水質(zhì)資料。按照水資源論證、水環(huán)境容量計算及河流水體納污能力的導(dǎo)則及規(guī)范要求，選取長序列降雨量資料計算地表徑流量，其中在90%水文保證率下的枯水期地表徑流作為最不利工況，在最不利工況下水環(huán)境容量才是合理的。而河流的流量的統(tǒng)計特征值計算依據(jù)是具有10年以上的持續(xù)不間斷的流量值，在我國長江、黃河這樣大河流域才具備持續(xù)不間斷的監(jiān)測條件，而我國小河流域未能實(shí)施持續(xù)監(jiān)測。因此，國家在相關(guān)的導(dǎo)則和規(guī)范中提出利用降雨長序列數(shù)據(jù)的90%保證率下的地表徑流量計算較為合理。根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)近37年的降雨量資料進(jìn)行P-Ⅲ頻率曲線計算，其頻率分布圖見圖4。結(jié)果表明P=90%時的降雨量為800mm左右，而2020年研究區(qū)域內(nèi)的降雨量為805mm，故2020年為90%降雨保證率的典型年，選取該年降雨量資料進(jìn)行相關(guān)計算。

圖4 近37年研究區(qū)域內(nèi)降雨量P-Ⅲ頻率曲線圖Fig.4 P - Ⅲ frequency curve of rainfall in the study area in recent 37 years

對建立的十圩港水環(huán)境數(shù)學(xué)模型進(jìn)行合理性分析，選取考核斷面作為模型驗(yàn)證點(diǎn)位，結(jié)合三元橋、豐產(chǎn)橋和新十圩港大橋的流速、流量及水質(zhì)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行率定，率定公式見以下公式[12]：

(8)

采用試錯法進(jìn)行斷面水質(zhì)率定，并用新十圩港大橋斷面進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)公式率定得到氨氮降解系數(shù)為0.06 d-1，總磷降解系數(shù)為0.06 d-1。率定及驗(yàn)證結(jié)果見表1。由表1可知，模型計算結(jié)果與實(shí)測值相對誤差均在25%以內(nèi)，滿足要求，濃度值吻合較好。故該模型可用于十圩港流域水質(zhì)變化計算過程。

表1 各主要控制斷面氨氮、總磷濃度計算值與實(shí)測值相對誤差對比表Tab.1 Comparison of relative errors between calculated and measured values of ammonia nitrogen and total phosphorus concentrations in main control sections

由表1可知，模型計算結(jié)果與實(shí)測值相對誤差均在30%以內(nèi)，濃度值吻合較好。故該模型可用于十圩港流域水質(zhì)變化計算過程。

3.2 水環(huán)境容量計算結(jié)果

十圩港水質(zhì)現(xiàn)狀氨氮及總磷因子超標(biāo)，需要進(jìn)行相應(yīng)削減，削減率分別為37.6%和59.1%。COD因子水質(zhì)達(dá)標(biāo)，因此COD現(xiàn)狀排放量為水環(huán)境容量，為5 505.1t/a。詳細(xì)計算結(jié)果見表2、圖5～圖7。

表2 水環(huán)境容量計算表Tab.2 Calculation of water environment capacity (t/a)

續(xù)表2

圖5 COD現(xiàn)狀排污量與水環(huán)境容量對比圖Fig.5 Comparison of COD current discharge and water environmental capacity

圖6 氨氮現(xiàn)狀排污量與水環(huán)境容量對比圖Fig.6 Comparison of ammonia nitrogen current discharge and water environmental capacity

圖7 總磷現(xiàn)狀排污量與水環(huán)境容量對比圖Fig.7 Comparison of current total phosphorus discharge and water environmental capacity

由圖5～圖7可知，前15個概化排口現(xiàn)狀排放量與水環(huán)境容量相差較大，后13個排口現(xiàn)狀排放量與水環(huán)境容量相差較小，這是由于前15的排口大都處于主城區(qū)，周邊諸多污染源，靠近十圩港的小餐館大排檔等尤其多，造成了大量污染物入河水質(zhì)超標(biāo)的現(xiàn)象。而后13個排口大都處于農(nóng)村，只有農(nóng)田徑流污染及少量畜禽散養(yǎng)污染，污染量較少。

3.3 污染物分擔(dān)率研究結(jié)果

污染物入河量分擔(dān)率計算結(jié)果如圖8～圖10。由圖8可知，靖城街道辦的COD分擔(dān)率最高，約為50%，城北園區(qū)最低，約為9%，但由于COD排放量未超標(biāo)，所以本研究不進(jìn)行相關(guān)分析；由圖9可知，孤山鎮(zhèn)的氨氮分擔(dān)率最高，約為39%，其他三個區(qū)差別不大，從高到低依次是靖城街道辦、季市鎮(zhèn)、城北園區(qū)；由圖10可知，孤山鎮(zhèn)的總磷分擔(dān)率最高，約為45%，靖城街道辦最低，約為5%。由此可得，孤山鎮(zhèn)氨氮及總磷分擔(dān)率均為最高，其區(qū)域內(nèi)污染物入河量應(yīng)作為調(diào)整斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的主要對象。

圖8 COD分擔(dān)率圖Fig.8 COD sharing rate

圖9 氨氮分擔(dān)率圖Fig.9 NH3-N sharing rate

圖10 總磷分擔(dān)率圖Fig.10 TP sharing rate

4 結(jié) 論

基于水文水質(zhì)污染源等資料，建立了靖江市十圩港區(qū)域一維穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，基于控制斷面達(dá)標(biāo)法最終得到十圩港水環(huán)境容量，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，進(jìn)而對十圩港三個斷面污染源解析，最終制定斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案及可行性分析，得出結(jié)論如下。

4.1 三元橋、豐產(chǎn)橋、新十圩港大橋斷面達(dá)到Ⅲ類水要求時，十圩港研究河段COD、氨氮及總磷的水環(huán)境容量分別為5 505.1t/a、699.5t/a和195.3t/a。目前十圩港研究河段化學(xué)需氧量因子滿足要求，而氨氮、總磷現(xiàn)狀排放量超過水環(huán)境容量，需分別削減37.6%和59.1%。

4.2 新十圩港大橋斷面水質(zhì)受外部污染源影響較大，主要是上游各鎮(zhèn)污染物輸入的結(jié)果，其上游各鎮(zhèn)來水水質(zhì)若得到提升且匯入的污染源得到削減，新十圩港大橋斷面水質(zhì)濃度將逐步降低，抵御風(fēng)險能力更高。

4.3 十圩港三個考核斷面COD因子均達(dá)地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，而氨氮和總磷水質(zhì)超標(biāo)，孤山鎮(zhèn)的氨氮及總磷分擔(dān)率均是最高，所以整治重點(diǎn)在于孤山鎮(zhèn)的各項污染源。此外，應(yīng)綜合提高各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的接管率及污水處理設(shè)備，積極開展水生態(tài)綜合整治工程。