基于國考七橋甕斷面水質達標秦淮河流域水環境容量計算

宋為威，逄 勇

(1. 河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，南京 210098；2. 河海大學 環境學院，南京 210098；3. 河海大學 水文水資源學院，南京 210098)

0 前 言

水環境容量是指水體在規定的環境目標下所能容納的污染物的最大負荷，其大小與水體特征、水質目標及污染物特性有關，通常以單位時間內水體所能承受的污染物總量表示。計算方法是水環境容量研究的重要組成部分，研究方法[1]主要有解析法、模型試錯法、系統分析法、概率稀釋模型法。其適當與否直接影響著計算結果的準確性。

胡開明等[2]對大型淺水湖泊太湖受風場影響顯著的特點，建立了二維非穩態水量水質數學模型，提出考慮風向風速聯合頻率訂正及污染帶控制的水環境容量計算方法。鮑琨等[1]根據研究區域水系的水文特征提出將水環境容量進行按月分配的計算方法。逄勇等[3,4]通過河網區非穩態水量數學模型計算珠江東四口門的入海水量，得到每年豐、平、枯三季從東四口門下泄到伶仃洋的污染物總量。通過二維非穩態水量、水質數學模型率定驗證，研究陸源污染物以及香港水域排污對伶仃洋水域的影響。馮啟申[5]等闡述了水環境容量的概念、分類等基本理論，簡述了我國水環境容量研究的發展狀況。周剛[6]等提出了動態水文條件下基于WESC2D(Two Dimensional Water Environment Simulation Code)模型水質模擬和粒子群算法中RPSM(Repulsive Particle Swarm Method)非線性優化的河流水環境容量計算方法。董飛[7]等歸納出中國地表水水環境容量研究過程中產生的五大類計算方法: 公式法、模型試錯法、系統最優化法(線性規劃法和隨機規劃法)、概率稀釋模型法和未確知數學法，評述了各類方法的優缺點及適用范圍。逄勇[8]等基于MIKE11河網水環境數學模型,考慮水文條件、污染物削減和引水3個方面因素，結合官河水環境綜合整治，提出了9套研究區域模型計算方案。分別在近期削減60%污染物，在遠期削減90%污染物，東官河水質基本可達功能區水質目標。前面的研究多從非調水情況下計算污染物削減量，本文將從調水與非調水的兩個方面來計算污染物的削減量。

1 污染控制單元劃分及控制斷面水質達標技術

1.1 控制單元劃分技術

控制單元是確保控制斷面水體達標的污染物主要控制區域。在劃分控制單元，需要考慮流域的水文情勢和污染源的分布情況，并同時兼顧到行政單元。秦淮河水系有南北兩源，兩河在南京市江寧區方山合成秦淮河干流，到達東山橋后分成兩條分汊河道(秦淮新河和外秦淮河)，分別注入長江。秦淮河流域總面積2 659 km2，南京境內1 708 km2(占64%)，鎮江句容境內951 km2(占36%)。在正常情況下，秦淮河自南向北自流；生態調水期間，從秦淮新河分汊河道節制閘引水(水閘自引或泵站抽引)，經過外秦淮河分汊河道回到長江。根據劃分原則，結合研究區域的實際情況，確定國考七橋甕斷面水質的控制單元如圖1所示。

圖1 七橋甕斷面污染控制單元示意圖Fig.1 Schematic diagram of pollution control unit of QB-CS

1.2 控制斷面水質計算模型

控制斷面水質計算模型計算公式如下：

W=(C-C′)·Q0+kVCs

(1)

(2)

(3)

式中：C′混合后水質濃度，按零維模型求解；W為入秦淮河排污量，kg/d；C為混合后下游水質濃度,mg/L；V為水體容積,m3；C1為排污口廢水氨氮濃度，mg/L；q為排污口廢水量，m3/s；C0為長江水氨氮濃度，mg/L；Q0為長江水流量，m3/s；Cs為水質目標濃度，mg/L；k為水質降解系數，1/d；x為節制閘到七橋甕的距離，m；u為流速，m/s。

水質降解參數參考秦淮河流域模型參數率定結果，COD、氨氮、總磷降解系數相同。均為在秦淮河段為0.06/d，在秦淮新河段為0.1/d，在外秦淮河段為0.08/d C。

1.3 控制單元合理性分析

控制單元內的控制斷面水質的影響因素主要有兩方面，一是控制單元的邊界水質，二是控制單元內源污染物的排放量。控制單元內、外源污染物對控制斷面水質影響權重計算公式：

(4)

(5)

式中：n內是在控制單元之內的污染物所占的權重，%；n外是在控制單元之外的污染物所占的權重，%；C內是邊界水質選用功能區水質目標的時候，考慮控制單元之內的污染物排放情況通過一維水質模型計算的控制斷面水質濃度，mg/L；C外是邊界水質取實測水質時，不考慮控制單元之內的污染物排放情況下通過一維水質模型計算的控制斷面的水質濃度，mg/L。

上述方法計算得到七橋甕控制單元內、外污染物對水質的影響權重見表1。

表1 七橋甕斷面控制單元內、外污染物影響權重 %

2 七橋甕斷面控制單元水環境容量計算方法

2.1 控制單元排口概化

概化排口的入河污染物來源包括工業、城鎮生活、農村生活、農田、畜禽養殖、徑流，其中工業按雙80%原則(結合各單元污染物總量的80%與占各鎮污染物總量的80%)進行篩選。將入河支流及沿河排污泵站概化為排口，在人口密集區域附近水體、污水廠、工業企業的密集區域進行概化排口，若排污口之間的距離較近，可以將多個排污口概化為1個排污口；若排口之間距離較遠并且排污量都較小時，可將排口概化為非點源入河。概化排口及控制斷面見圖2。

圖2 控制單元概化排口及控制斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of generalized drain outlet and control section

2.2 控制斷面水質與概化排口之間響應關系構建

通過概化排口的構建，運用秦淮河流域水環境數學模型[9]，構建出斷面水質與概化排口之間的響應關系。響應關系：C控制斷面=C(C邊界,C支流,W1,W2,…)。先構建入河支流與水質之間的響應關系，再而構建干流排口與控制斷面水質之間的響應關系。在支流匯入時功能區的水質要求達標，邊界的水質值取實測資料。國考七橋甕控制斷面與概化排口響應關系構建如下：

圖3 調水與非調水期排水流向圖Fig.3 Flow arrow in diversion and No-diversion period

調水期間：

秦淮河：C東山橋=C(C洋橋,W1,W2,W3,…,W9,W面);

秦淮新河：C河定橋=C(C節制閘,W10,W11,W12,…,W24,W面)；

外秦淮河：C七橋甕=C(C25,C東山橋,C河定橋,W25,W26,W27,…,W32,W面)。

非調水期間：

秦淮河：C東山橋=C(C洋橋,W1,W2,W3,…,W9,W面);

秦淮新河：C節制閘=C(C河定橋,W10,W11,W12,…,W24,W面)；

外秦淮河：C七橋甕=C(C25,C東山橋,W25,W26,W27,…,W32,W面)。

3 水質達標分析及水環境容量計算

3.1 水質達標分析

在近期(2017-2019年)控制單元內僅能削減35%的排污量，通過秦淮新河調水30 m3/s，在洋橋斷面為功能區水質Ⅳ類水情況下，計算得到調水期間七橋甕斷面及沿線水質見表2。

表2 調水期間七橋甕及沿線斷面水質 mg/L

通過水環境數學模型，計算在設計水文條件下全年七橋甕及沿線斷面氨氮濃度過程線，從長江引水氨氮的濃度為0.1 mg/L，即為節制閘斷面氨氮濃度，鐵心橋斷面全年氨氮濃度在0.35 mg/L上下浮動，其全年的平均值為0.35 mg/L，七橋甕斷面的全年氨氮濃度在0.6～1.8 mg/L之間浮動，其全年平均值為1.44 mg/L，計算結果見圖4。

根據2017-2019年南京市排水達標行動計劃文件，近期2017-2019年進行全市整治沿河排口、街巷污水管網、片區雨污分流、點源處理裝置、整治河道排口、現狀污水管道問題整改、片區雨污分流問題整改、現狀污水管道問題整改、片區雨污分流問題整改、拆遷區域待拆管控區域、保留片區雨污分流等項目。經過計算，近期的工程項目實施后僅能削減約35%的污水直排，此時仍然不能達標。而為了在不引水僅通過削減直排污水達標，需要余額削減80%的污水排放，而何時能削減了80%的直排污水，難以計算，本文以遠期(2020年以后)來描述。

在遠期(2020年以后)控制單元內僅能削減80%的排污量，在洋橋斷面為功能區水質Ⅳ類水情況下，計算得到非調水期間七橋甕斷面及沿線水質見表3。

圖4 七橋甕及沿線斷面設計水文條件下全年氨氮濃度過程線計算結果圖Fig.4 Calculation results of NH3-N concentration process line in design hydrological condition of QB-CS and others

3.2 控制單元水環境容量計算

《江蘇省地表水(環境)功能區劃》文件要求國考七橋甕斷面在2017年應達到Ⅳ類水。根據2016年的南京市污染源普查資料及南京市秦淮河流域各主干及支流的水文水質及野外調查實測河道斷面資料，運用已構建的控制斷面與概化排口之間的響應關系模型，計算當七橋甕斷面在近期和遠期水質達標時其概化排口的削減量，從而計算得到控制單元內的允許排放量，即控制斷面的水質達標控制與功能區整體的水質達標控制(“雙控”)條件下本控制單元的水環境容量。國考七橋甕斷面控制單元內各概化排口的現狀排污量與在近期、遠期斷面水質達標下的概化排口削減量見表4。由近期及遠期污染物削減量表計算出近期和遠期污染源的削減率，對控制單元內各種污染源按照計算得到的削減率進行削減，進而得到本控制單元內近期和遠期的水環境容量見表5。

通過模型計算得到各概化排口近期允許排放量和遠期的允許排放量，得到控制單元內近期的水環境容量和遠期水環境容量，而根據近期和遠期的水環境容量可以得到近期和遠期的削減量，從而計算得到近期和遠期的削減率，見表5。

表4 在近期和遠期概化排口污染物現狀排放量及允許排放量 t/a

續表4 在近期和遠期概化排口污染物現狀排放量及允許排放量 t/a

表5 在近期和遠期控制單元內水環境容量計算結果Tab.5 Water environmental capacity of control unit in the near and long term

4 結 論

(1)通過控制單元內、外源污染物對控制斷面水質影響權重分析得到，在控制單元內污染物對國考七橋甕斷面的貢獻率約為67.8%～75.3%，影響國考七橋甕斷面的控制單元劃分合理。

(2)在國考七橋甕斷面水質達標的情況下，在近期(2017-2019年)七橋甕污染物控制單元內COD水環境容量為24 536 t/a，氨氮水環境容量為2 132 t/a，總磷水環境容量為173.7 t/a，需要調水30 m3/s，國考七橋甕斷面水質才達標。在遠期(2020年以后)七橋甕污染物控制單元內COD水環境容量為24 536 t/a，氨氮水環境容量為609 t/a，總磷水環境容量為49.6 t/a，無須調水，國考七橋甕斷面水質達標。

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[5] 馮啟申, 李彥偉. 水環境容量研究概述[J]. 水科學與工程技術, 2010,(1):11-13.

[6] 周 剛, 雷 坤, 富 國,等. 河流水環境容量計算方法研究[J]. 水利學報, 2014,45(2):227-234.

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