基于河長制需求的河道斷面達標控制設計
——以常熟市東環河虞東路橋斷面為例

展永興

(江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128)

1 研究背景

常熟市東環河位于虞山鎮與古里鎮交界處，隨著經濟社會的發展，長期受到生活污水、工業廢水等點源污染，以及養殖業、農村面源污染影響，河道水體情況日趨惡劣。東環河是太湖流域治理的骨干河道之一，其水環境和生態問題已成為制約當地經濟社會持續發展的瓶頸之一；對東環河實施“河長制”管理是改善其水環境質量的重要舉措。

“河長制”是在我國嚴峻的水環境問題背景下河道管理模式的創新，通過“河長制”，能成功改善河道水質及水環境、提升政府的執政能力并且獲得群眾的認可。在“河長制”的推行過程中，如何完善其管理模式已成為當前研究的熱點。艾小榆等提出了在程序設計、組織設計和考核指標體系設計等方面對“河長制”進行完善，構建了小河流“河長制”長效管理模式；李成艾等分析了河長制實施過程中存在的困境及內在缺陷，探索如何進一步創新和完善，構建水環境治理的長效機制；劉元沛等提出“河長制”從“人治”到“法治”的轉變，建立依法治水的中國特色的流域綜合管理模式。目前國內學者對于河長制的研究多集中于短河流，但對于長河流，由于聯通水系的污染，相同的管理模式僅能短期控制而無法長效維護，實現長河流斷面及交匯河道斷面水質達標是對各河道河長協作管理模式新的考驗。

本文以常熟市東環河為例，依托于“河長制”管理模式，劃分東環河流域，對干流流域整體及各片區支流流域水質進行同步監測，同時利用一維穩態水環境數學模型，模擬東環河流域水環境，提出水資源合理配置的污染量控制方案，在實現各支流水體水質達標的同時實現東環河整體流域水質長效管理，對完善河長制管理機制、推動其全面實施具有重要意義。

2 東環河現狀

2.1 東環河虞東路橋斷面干流水質狀況

2016年東環河虞東路橋斷面的監測數據如圖1所示，其中CODMn、NH3-N、TP達標率分別只有75%、27.7%、33.3%。

NH3-N濃度介于0.84～1.86mg/L之間，平均濃度為1.31mg/L，共出現6次不達標現象。

TP濃度介于0.15～0.52mg/L之間，平均濃度為0.28mg/L，共出現5次不達標現象，TP最大濃度出現于8月30號，最低濃度出現于7月份，

圖1 2016年虞東路橋斷面水質情況

總體達標率僅為37.5%。

CODMn濃度介于4.00～6.35mg/L之間，平均濃度為5.44mg/L，共出現2次不達標現象，CODMn最大濃度出現于9月20號，最低濃度出現于7月份，總體達標率為75.0%。

2.2 東環河虞東路橋斷面支流水質狀況

在東環河虞東路橋斷面相關的河段上設置10個監測點位見圖2，進行水質監測。

圖2 東環河虞東路橋斷面支流監測點位置圖

對10個監測點的CODMn、NH3-N和TP監測，結果如圖3所示，由此得出如下結論：

(1)東環河虞東路橋斷面匯水范圍內的周家河、朱家河、陸石涇、淼西河、落水涇等支流河道CODMn不超標，只有石灣里、青墩塘等河流CODMn指數接近于Ⅲ類水指標。虞東路橋斷面支流河道水系連通性較好，周邊主要以農田和水產養殖業為主，生活污染源相對較少，CODMn指標維持在達標范圍內。

圖3 東環河CODMn、NH3-H、TP監測柱狀圖

(2)東環河虞東路橋斷面匯水范圍內支流河道存在NH3-N超標現象，其中超標倍數介于1.16～1.54之間，東涇河對虞東路橋斷面NH3-N超標影響最大。周家河、石灣里、陸石涇、淼西河等支流河道周邊存在較大范圍農田和養殖業塘，農業面源污染和養殖業污染是支流河道NH3-N指數超標的主要原因。由此可知，河道的NH3-N污染源治理對于虞東路橋斷面整治具有重要意義。

(3)TP超標情況和NH3-N類似，支流河道中石灣里、淼西河TP指數接近于Ⅲ類水指標，然而周家河、朱家河、陸石涇、東涇河、落水涇等出現TP超標現象，其中東涇河超標倍數達到1.70倍。

綜上所述，NH3-N和TP超標是東環河虞東路橋斷面支流主要存在問題，其中落水涇等支流對斷面污染負荷貢獻較大，在達標整治過程中應作為重點工程。

3 實施河長制對河道斷面設計的需求

3.1 “河長制”目標

“河長制”是各級黨政負責人直接負責組織領導相應河湖的管理和保護工作，實現河道長效管理，維護河道健康?！昂娱L制”的實施不僅有利于明確各級黨委政府的生態責任，也整合了各級黨委政府的執行力，調動各種力量和資源參與水污染治理，營造全社會共同治水的良好氛圍。到2020年，通過“河長制”的全面實施，在江蘇省實現現代河湖管理保護規劃體系的基本建立，全面遏制人為侵占河湖的行為，基本消除地表水劣V類水體和太湖流域內的城鄉黑臭水體，顯著提升供水、防洪、水生態功能，明顯提升群眾對水生態環境的滿意度。

3.2 東環河“河長制”實施對河道斷面設計的需求

“河長制”既是河道治理新模式，同時也是水文學、水力學、水資源、水環境理論的統一。河道治理過程中，要將這些理論與河道實際情況相結合，開發出既有共性又有個性的河道設計方案。

(1)水質監控滿足河道斷面達標控制的需求

通過水質分析監測，可以研究出污染物質的來源、分布、遷移和變化的規律，正確評價水環境質量，確定水環境污染的主控因素。東環河支流眾多，水質狀況瞬時變化很不穩定，監測過程時間段必須保持連續，以免破壞監測數據的完整性和規律性；同時為保證空間范圍的連續性，其上游到下游需要統一且完整的檢測體系。水質監控指標選擇，既要反映東環河整體狀況，也要反映不同支流的水體情況。

(2)水環境容量總量控制需滿足對河道斷面達標控制的要求

以水環境容量為出發點，將污染總量逐級分解，從點到線再發展至面，由局部水環境質量提升，最終達到水環境全面改善。東環河區域功能性不同，造成了不同地區的水污染指標超標系數的差異性：12個控制單元中朱家河，東涇河、落水涇污染因子超標倍數高，但石灣里、西塘河、青墩塘還存在一定容納污染物的富余。所以在東環河斷面整治過程中，要結合河道區域內功能性，為各流域預留相應的水環境容量，并對排污總量進行合理地分配，規定不同河段及污染源的排放限制。

(3)污染物入河量需滿足河道斷面達標控制的要求

通過估算進入水體的污染物負荷，能夠掌握研究區域的污染現狀，為水污染防治和水環境保護提供基礎數據。在進行污染物排放量的估算時，應該結合污染源的差異分區域統計，將流域內的農田、農村和城鎮區域分開，找出研究區域內的主要污染源，有針對性地制定削減方案。東環河流域內經濟發展不均勻，部分區域城鎮率高，下墊面多為水泥地面，徑流系數大，且污染源種類多，污染物入河系數高；有些區域為農村，仍保持著土壤下墊面，在土壤滲透過程中，對污染物有一定的削減，污染物入河系數小，所以要結合不同區域的類型進行污染入河量計算。

(4)水資源配置應滿足河道斷面達標控制的需求

水資源合理配置能夠加強水資源與社會、經濟、生態、環境等要素的聯系，實現水資源高效利用。同時，基于污染控制的水資源配置，能夠實現污染的源頭控制。主體功能區結構類型差異會對水資源配置總量分配產生影響，水污染物的削減能力也與污染源的來源密切相關，所以水資源的配置要與功能區及污染源機密結合。東環河流域內東環村等存在著大范圍農田種植和湖蕩養殖業，污染源來源為化肥，所以在水資源配置過程中要考慮到農業灌溉以及水產養殖的耗水量及相應的面源污染量；但新橋村產業結構主要為工業制造，其污染源要結合企業產業結構，具體分析，水資源配置也不同于其他村落。

4 常熟市東環河斷面達標方案設計

水環境問題診斷過程中，首先應對污染物進行分類，通常以耗氧污染(COD、氨氮)，營養鹽污染(氮、磷等)和毒害污染(重金屬、有機污染物等)進行劃分。對各類型污染利用不同水環境評價模型進行污染程度評價，如單因子評價法、污染指數法、模糊評價法等。其中單因子評價法具有能直接反應出水質狀況與評價標準之間關系的優點，能快速的反應出各河道污染指數的變化。結合東環河流域長，范圍廣的特點，本次研究選取單因子評價法，選用有機污染指標(高錳酸鹽指數CODMn)、氨氮和富營養化指標(總磷)3個指標作為評價標準。

4.1 單因子評價指標

單因子評價法的公式如下：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi—單項水質評價因子；Ci—實測濃度的平均值,mg/L；Si—評價標準值，mg/L，參照GB 3838—2002《地表水環境質量標準》標準以及監測斷面隸屬的功能區選定。

4.2 水環境容量計算

針對東環河流域，選取合適的水質模型對污染物的變化進行模擬，根據污染物的特性及相應的水質目標，結合污染物的時空分布和排放方式來計算水環境容量。將水環境容量計算結果與東環河污染物年入河總量進行對比，對于超標排放的污染物選用合適的分配模型對污染源進行控制，以減輕東環河流域內的水質污染狀況。

常用的水質模型包括WASP、EFDC、SWAT、HSPF、SPARROW、MIKE等，涵蓋從機理到經驗、從一維到三維的多種模擬過程和空間尺度。不同模型在資料需求、模擬組分、時空尺度上存在較大差異，因而適用于不同的情形。由于東環河污染物濃度在橫向斷面和垂向斷面的變化都很小，僅在縱向斷面上變化明顯。本方案選擇河流一維穩態水質模型計算水環境容量，如圖4所示。

圖4 一維水質模型示意圖

排污口下游某處的水質濃度為：

C=C′exp(-Kx/86400μ)

(2)

式中，C′—污染物的混合濃度，mg/L；C0—上游污染物濃度，mg/L；Q0—上游河水流量，m3/s；W—排污口或支流的污染物排放量，kg/d；Cq—排污口或支流的污染物濃度，mg/L；q—排污口或支流的流量，m3/s；C—混合處下游x米處斷面污染物的濃度，mg/L；K—污染物的降解系數，1/d；x—斷面距離混合處的距離，m；μ—流速，m/s。

如果僅存在一個排污口時：

(3)

式中，W容量—水環境容量，kg/d；Cs—水質標準，mg/L。

如果存在多個排放口時，由于排污量和控制斷面水質濃度為線性關系，只需要將計算的結果疊加。

4.3 削減量計算

(1)污染物削減量：污染物入河的總量減去河道的環境容量，即

W削減=W入河—W容量

(4)

式中，W容量—環境容量；W削減—污染物削減量；W入河—現狀污染物入河量。

計算結果為正，為污染物削減量；結果為負，為剩余容量。

(2)削減率：指削減量與現狀污染物入河量的比值，即：

削減率=W削減/W入河

(5)

式中，W削減—污染物削減量；W入河—現狀污染物入河量。

根據東環河虞東路橋斷面流域地形地貌特征和污染源分布特征，通過與鎮村級行政邊界的結合，將東環河虞東路橋斷面匯水區以村為單位劃分為了12個控制單元，分析得出，COD入河量主要來源于農村垃圾污染源；NH3-N入河量主要來源于工業生產污染源；；TP入河量主要來源于農業面源污染。所以東環河河道斷面設計過程中，要匯總流域內工業企業廢水接管情況及流域內城鎮及農村面源污染量；排查污水廠廢水接納量，最終得出東環河虞東路橋斷面匯水范圍內COD、NH3-N、TP的入河量，農村及城鎮生活污染物入河量采用以下公式計算：

農村生活污染物入河量

W生1=W生1p×β2

(6)

式中，W生1—入河的農村污染物總量；W生1p—排放的農村污染物總量；β2—農村污染物的入河系數，通常為0.8。

W生1p=N農×α1

(7)

式中，N農—農村人口數；α1—農村生活排污系數。

城鎮生活污染物入河量

W生2=(W生2p-θ2)×β3

(8)

式中，W生2—入河的城鎮污染物總量；W生2p—排放的城鎮污染物總量；β3—城鎮污染物的入河系數，通常為0.8；θ2—被污水廠去除的城鎮污染物總量。

W生2p=N城×α2

(9)

式中，N城—城市人口數；α2—城市生活排污量。

農田類污染物入河量

W農=W農p×β4

(10)

式中，W農—入河的農田污染物總量；W農p—排放的農田污染物總量；β4—農田污染物的入河系數，通常為0.1。

W農p=M×α3

(11)

式中，M—耕地面積；α3—農田排污系數。

經計算，東環河虞東路橋斷面各污染物年入河總量分別為：CODMn為704.1549t、NH3-N為76.4744t、TP為10.5341t。

4.4 水資源配置

等比例分配法是一種較為簡單公平的分配方法。該方法在污染源達標排放量的基礎上，將允許排放量按照污染物的達標排放量等比例地分配到各排污單元。假設參與分配的排污單位數目為n，各排污單位的達標排放量分別為W1、W2、W3、Wn，環境允許排放量為Q，則每個排污單位分配到的許可排放量為：

(12)

式中，Qi—第i個排污單位的許可排放量；Q—該控制單元的環境允許排放量；Wi—第i個排污單位的達標排放量。

其中，分配基本原則為：①重點源重點削減原則，城鎮生活污染源與工業污染源作為優先削減的重點；②分配可行性原則，即總量分配與削減要優先考慮易削減的區域與行業，分配的結果要兼顧到未來控制方案的可行性；③反饋調整原則，即總量分配與削減的方案要通過規劃方案的設計、評估和反饋調整來保證其實施的可行性。

4.5 設計結果分析

(1)東環河虞東路橋斷面2016年6—9月的數值監測指標及各因子單項指數表1。

表1 東環河虞東路橋斷面2016年6—9月的數值監測指標及各因子單項指數

由表1知：東環河虞東路橋斷面的首要污染因子為氨氮；總磷超標頻繁且超標倍數較高；斷面高錳酸鹽指數在Ⅲ類達標線上下波動。

(2)東環河虞東路橋斷面水環境容量、污染物入河量及污染物削減率，見表2。

針對整個東環河虞東路橋斷面，將水環境容量與污染入河量對比，高錳酸鉀作為污染因子指數依然有余量，但氨氮及總磷超標量大，需要對這兩個污染因子進行削減，削減率分別為35.52%、42.9%。

表2 東環河虞東路橋斷面污染物削量

(3)虞東路橋斷面匯水區計算得到水質達標情況下的總量分配結果見表3。

表3 東環河虞東路橋斷面水質達標的許可量分配結果

為確保東環河虞東路橋斷面水質達到III類水質目標，將東環河流域分為4個大區，分別為虞山鎮琴湖管理區、虞山鎮虹橋管理區、古里鎮及高新區。以村為單位采用等比例分配法進行分配，實現東環河各流域內水質均穩定達標。

5 結論

(1)本文以“河長制”為依托，對東環河流域進行斷面劃分，并對各斷面水質進行長期監測，分析表明氨氮和總磷超標是虞東路橋斷面污染的主要因素；

(2)運用動態水質模型和水環境容量分析，得出可以通過削減東環河35.52%氨氮及42.9%總磷污染來實現東環河整條河道的水質達標。

以上研究通過將傳統的河道總量控制方法納入到“河長制”管理模式的實施過程中，為“河長制”實施過程中的河道治理提供了參考依據，對推動“河長制”管理機制的完善具有重要意義。