不同行政區(qū)入秦淮河污染物通量分擔(dān)率研究

宋為威，逄 勇

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 2. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；3. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

秦淮河是貫穿南京城區(qū)的骨干河流，由于區(qū)域人口迅速增加、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)滯后，造成秦淮河七橋甕和秦淮新河節(jié)制閘兩個(gè)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》考核斷面水質(zhì)波動(dòng)較大，秦淮河水污染問(wèn)題較為嚴(yán)重。隨著河長(zhǎng)制的實(shí)施，各級(jí)黨政主要負(fù)責(zé)人擔(dān)任“河長(zhǎng)”，負(fù)責(zé)組織領(lǐng)導(dǎo)相應(yīng)河湖的管理和保護(hù)工作。為確保秦淮河水質(zhì)達(dá)標(biāo)，除進(jìn)行污染治理之外，減少污染物排放也十分重要，保證各行政區(qū)入河水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

1 研究區(qū)概況

秦淮河水系有南北兩源，北源句容河發(fā)源于句容市寶華山南麓，南源溧水河發(fā)源于南京市溧水區(qū)東廬山，兩河在南京市江寧區(qū)方山埭西北村匯合成秦淮河干流，繞過(guò)方山向西北至外城城門(mén)上坊門(mén)從東水關(guān)流入南京城，由東向西橫貫市區(qū)，從西水關(guān)流出，注入長(zhǎng)江。流域總面積2 659 km2，1 708 km2位于南京境內(nèi)，約占64%，951 km2位于鎮(zhèn)江、句容境內(nèi)，約占36%。

基于秦淮河下游國(guó)考七橋甕斷面達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算各行政區(qū)入秦淮河污染物的通量及其分擔(dān)率。對(duì)七橋甕斷面產(chǎn)業(yè)直接影響的行政區(qū)有江寧區(qū)、秦淮區(qū)、雨花臺(tái)區(qū)、建鄴區(qū)，河道有外秦淮河、秦淮新河、秦淮河；對(duì)其產(chǎn)生間接影響的行政區(qū)有句容市、溧水區(qū)，河道有句容河、溧水河。

2 模型建立

2.1 基本方程

水動(dòng)力計(jì)算的控制方程是描述明渠一維非恒定流的圣維南方程組，包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，并補(bǔ)充考慮了漫灘和旁側(cè)入流：

(1)

式中：Q為流量；x為沿水流方向空間坐標(biāo)；b為調(diào)蓄寬度，指包括灘地在內(nèi)的全部河寬；h為水位；t為時(shí)間坐標(biāo)；q為旁側(cè)入流流量，入流為正，出流為負(fù)；α為動(dòng)量校正系數(shù)；A為主槽過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；g為重力加速度；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑。方程組利用Abboptt-lonescu六點(diǎn)隱式有限差分格式求解，該方法具有穩(wěn)定性好、計(jì)算精度高的特點(diǎn)，離散后的線性方程組用追趕法求解。

秦淮河流域流量邊界水文條件通過(guò)降雨資料、蒸發(fā)資料采用產(chǎn)匯流模型計(jì)算得到，洋橋斷面流量為37 m3/s。水位邊界為秦淮河入江口處的水位，其中節(jié)制閘水位為5.4 m，三岔河口水位為5.2 m。根據(jù)實(shí)測(cè)流速設(shè)置初始條件，初始水位為5 m，初始水平流速-0.06 m/s，初始豎直流速-0.08 m/s。

污染物在水中的分布與濃度主要取決于污染物的降解、隨水流的運(yùn)動(dòng)以及污染物的擴(kuò)散。對(duì)流擴(kuò)散模塊的控制方程為一維對(duì)流擴(kuò)散方程：

(2)

式中：ρ為物質(zhì)濃度；D為縱向擴(kuò)散系數(shù)；K為線性衰減系數(shù)；ρ2為源匯濃度。對(duì)流擴(kuò)散方程的數(shù)值解法與水動(dòng)力方程組類(lèi)似，采用六點(diǎn)隱式差分格式求解，最后求解采用Thomas追趕法。

水質(zhì)邊界條件根據(jù)2016年秦淮河流域的水文水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)結(jié)果確定，洋橋斷面COD、NH3-N、TP的質(zhì)量濃度分別為13.0 mg/L、1.39 mg/L、0.12 mg/L；節(jié)制閘斷面COD、NH3-N、TP的質(zhì)量濃度分別為14.0 mg/L、3.39 mg/L、0.23 mg/L；七橋甕斷面COD、NH3-N、TP的質(zhì)量濃度分別為17.3 mg/L、2.85 mg/L、0.26 mg/L。設(shè)置COD、NH3-N、TP的初始質(zhì)量濃度分別為10 mg/L、1.2 mg/L、0.1 mg/L。

2.2 模型率定

利用2016年的水文水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)資料采用試錯(cuò)法進(jìn)行水動(dòng)力模型參數(shù)率定[8-9]，即根據(jù)各水文站、水位站實(shí)測(cè)的流量、水位資料，調(diào)試模型中各河道的糙率，使模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相吻合。率定得到的河道糙率值為0.025～0.032，率定結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可見(jiàn)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，故建立的水動(dòng)力模型能夠模擬秦淮河流域水文變化過(guò)程。

(a) 湯銅橋

(b) 洋橋

(c) 天元橋

秦淮河流域?yàn)槠皆泳W(wǎng)區(qū)，主要污染物來(lái)源為生活及三產(chǎn)污染，主要的水質(zhì)超標(biāo)因子為NH3-N和TP。因此，選擇NH3-N和TP兩個(gè)污染因子作為水質(zhì)模擬對(duì)象，采用2016年的水文水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行模型參數(shù)率定，計(jì)算鐵心橋、七橋甕斷面NH3-N和TP的質(zhì)量濃度，率定得到的NH3-N降解系數(shù)為0.05～0.07 d-1，TP降解系數(shù)為0.05～0.08 d-1。率定結(jié)果見(jiàn)圖2。

(a) 鐵心橋NH3-N

(b) 鐵心橋TP

(f) 七橋甕NH3-N

(g) 七橋甕TP

由圖2可知，模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差在30%以?xún)?nèi)，吻合結(jié)果較好，故該模型可用于描述秦淮河流域河網(wǎng)區(qū)水質(zhì)變化過(guò)程。

3 分擔(dān)率計(jì)算方法

大多數(shù)水文站長(zhǎng)期的連續(xù)流量資料相對(duì)容易獲得，而水質(zhì)監(jiān)測(cè)周期短則一周、長(zhǎng)則兩月，因此計(jì)算通量時(shí)運(yùn)用時(shí)段通量計(jì)算方法。因?yàn)樵趯?shí)際的監(jiān)測(cè)中，無(wú)法獲取每個(gè)瞬間的流量值和濃度值，只能獲取時(shí)間跨度較大的離散分布監(jiān)測(cè)值，因而將通量計(jì)算方法簡(jiǎn)化為

圖3 控制單元及流域內(nèi)行政區(qū)分布

(3)

根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，秦淮河流域非點(diǎn)源污染和徑流總量對(duì)控制單元的污染物排放和達(dá)標(biāo)起著重要作用，基于七橋甕斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，劃分秦淮河流域控制單元，圖3為控制單元及流域內(nèi)行政區(qū)分布。本研究中分擔(dān)率以各行政區(qū)的入河支流通量之和占總通量比例的形式表達(dá)，計(jì)算公式為

(4)

式中：I為某行政區(qū)的分擔(dān)率；Wj為某行政區(qū)支流j對(duì)秦淮河的污染物通量；m為某行政區(qū)入秦淮河支流數(shù)量。

4 結(jié)果與分析

2016年有32條支流直接流入秦淮河，分布在不同的行政區(qū)，其污染物通量及分擔(dān)率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，對(duì)七橋甕斷面直接影響的江寧區(qū)分擔(dān)率最高，兩種污染物的分擔(dān)率均為75%左右；其次為雨花臺(tái)區(qū)，兩種污染物的分擔(dān)率均為20%左右；由于秦淮區(qū)和建鄴區(qū)計(jì)算范圍是在七橋甕斷面上游，所以這兩個(gè)區(qū)對(duì)污染物排放的分擔(dān)率最小。

表1 2016年各行政區(qū)直接流入秦淮河污染物模型計(jì)算通量及分擔(dān)率

考慮到對(duì)秦淮河產(chǎn)生間接影響的行政區(qū)還有句容市和溧水區(qū)，河道有句容河、溧水河。綜合考慮秦淮河全流域水系的污染物通量對(duì)七橋甕斷面的影響，從而計(jì)算出全流域內(nèi)各行政區(qū)通過(guò)直接或間接的方式排入秦淮河污染物通量和分擔(dān)率(表2)。由表2可見(jiàn)，七橋甕斷面水質(zhì)受到江寧區(qū)的影響最大，分擔(dān)率超過(guò)全流域的50%；句容市的貢獻(xiàn)率為17%，江寧區(qū)與句容市對(duì)全流域的總貢獻(xiàn)率為70%，與控制單元的江寧區(qū)貢獻(xiàn)率75%近似相等，原因是控制單元的江寧區(qū)貢獻(xiàn)率已經(jīng)將句容市概化在內(nèi)。上游溧水區(qū)貢獻(xiàn)率為2%，說(shuō)明秦淮河上游對(duì)全流域基本無(wú)影響，而真正的水質(zhì)污染是從江寧區(qū)和句容市開(kāi)始的，這兩個(gè)市區(qū)的污染物貢獻(xiàn)率占據(jù)全流域的約75%。秦淮區(qū)的貢獻(xiàn)率變大，由于前面計(jì)算的直接流入秦淮河支流中考慮的是七橋甕斷面上游，而未考慮秦淮區(qū)下游的污染物入河。通過(guò)控制單元與全流域污染物通量可以看出，控制單元內(nèi)的通量約占全流域通量的50%。

表2 2016年全流域行政區(qū)入秦淮河污染物通量及分擔(dān)率

5 結(jié) 論

基于七橋甕斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，劃分秦淮河流域控制單元，2016年對(duì)秦淮河流域直接影響的主要污染物通中， NH3-N入河總量為3 045.16 t，TP入河總量為248.13 t。秦淮河流域內(nèi)各行政區(qū)對(duì)七橋甕斷面主要超標(biāo)因子的分擔(dān)率為：秦淮區(qū)的NH3-N平均分擔(dān)率為12%、TP平均分擔(dān)率為13%；雨花臺(tái)區(qū)的NH3-N平均分擔(dān)率為20%、TP平均分擔(dān)率為15%；建鄴區(qū)的NH3-N平均分擔(dān)率為2%；江寧區(qū)的NH3-N 平均分擔(dān)率為55%、TP平均分擔(dān)率為53%，溧水區(qū)的NH3-N平均分擔(dān)率為1%、TP平均分擔(dān)率為2%；句容市的NH3-N平均分擔(dān)率為10%、TP平均分擔(dān)率為17%。在秦淮河全流域內(nèi)，水環(huán)境整治需要從江寧區(qū)著手，這樣可以大大提高整治效率。

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