基于城南河同步監(jiān)測與水環(huán)境模型的區(qū)域水環(huán)境容量研究

徐博文，逄 勇，胥瑞晨，汪靜嫻

（1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學環(huán)境學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

長江因其重要的航運功能及豐富的水電、漁業(yè)資源，其水資源及水生態(tài)保護一直是我國水環(huán)境保護工作中的關鍵課題[1]。作為南京市主要的通江河流之一，城南河水環(huán)境治理、省考斷面提標工作對于保障長江流域水環(huán)境質(zhì)量有著重要意義。目前，常在確定河流水環(huán)境容量的基礎上，通過削減污染物入河量、制定污染整治方案確保控制斷面水質(zhì)達標[2]。應用較為普遍的水環(huán)境容量研究方法大致為5 種：模型試錯法[3]、系統(tǒng)最優(yōu)化法[4]、公式法[5]及概率稀釋模型法[6]。在地表水方面，用于計算水環(huán)境容量的水環(huán)境數(shù)學模型也不斷進步，從一維到三維[7]、從穩(wěn)態(tài)到動態(tài)[8]，可模擬污染物類型日益豐富[9]。水環(huán)境數(shù)學模型已在國內(nèi)相關研究中得到廣泛應用，朱瑤[10]將SWAT 模型非點源模型及WASP 模型水質(zhì)耦合進行苕溪流域水環(huán)境容量核算。趙串串等[11]采用WASP模型建立灞河流域一維水質(zhì)模擬預測模型，制定流域水質(zhì)達標管理方案。吳睿等[12]利用MIKE11 水質(zhì)模型水動力模塊和對流擴散模塊計算金寨路斷面NH3-N 和TP月均水環(huán)境容量。但大多數(shù)研究所構建的水環(huán)境數(shù)學模型中污染物衰減系數(shù)來源于其他文獻或經(jīng)驗值，不具有地域性和較高的精確度。

本文以城南河為研究對象，對其省考斷面——龍王廟斷面進行水質(zhì)監(jiān)測及入河污染物分析，構建一維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學模型，并依據(jù)城南河主要水系水質(zhì)實測數(shù)據(jù)率定得到污染物降解系數(shù)，在此基礎上進行區(qū)域水環(huán)境容量計算及控制斷面達標方案制定，為南京市城南河水環(huán)境整治提升工作提供一定參考。

1 研究區(qū)域概況

城南河位于南京市浦口區(qū)江浦街道，發(fā)源于老山南部黃山嶺，河道全長約11 km，干流長約4.6 km[13]。整體河道呈“Y”型，上游為極樂河、護城河2 條支流，與西面干流雨山河于鳳凰臺處匯合后流入長江[14]。根據(jù)水系流向以及地形高程資料，得出城南河流域匯水面積為62.8 km2，本次研究區(qū)域介于北緯32°1'39"～32°4'44"，東經(jīng)118°35'57"～118°41'2"，屬長江下游流域區(qū)。該流域區(qū)氣候溫潤多雨，根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，得到南京市1986～2017年逐月降雨量及蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，計算出南京市年平均降雨量為1 151 mm，年平均蒸發(fā)量為1 014 mm，研究區(qū)域基本信息概況見圖1。

圖1 研究區(qū)域基本信息概況

近年來，浦口區(qū)城市化建設步伐的加快，截至2018年末，區(qū)內(nèi)常住人口達83.86 萬，較2017年增長5%；各類產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，地區(qū)生產(chǎn)總值達1 050.11億元[15]。浦口區(qū)社會事業(yè)得到長足發(fā)展的同時，也產(chǎn)生了更為嚴重的區(qū)域水環(huán)境污染問題。以位于城南河河首的江蘇省省考斷面——龍王廟斷面為例，水質(zhì)目標截至2020年應達到Ⅳ類水標準，但2019年該斷面達標率僅為75%。根據(jù)水質(zhì)現(xiàn)狀和污染源統(tǒng)計分析結(jié)果，NH3-N 和TP 為造成龍王廟斷面水質(zhì)超標的主要污染因子，城鎮(zhèn)生活源為貢獻率最高的污染源，這與瞿一清等[16]的結(jié)論一致。

2 研究方法

2.1 水質(zhì)監(jiān)測材料與方法

根據(jù)城南河流域的地形及污染源分布特征，對NH3-N 和TP 因子進行實地水質(zhì)監(jiān)測。由圖1 可以看出，監(jiān)測共布設7 個點位，分別為W0（新勝河已建補水點）、W1（城南河鳳悅橋）、W2（城南河雨山路橋）、W3（城南河南門橋）、W4（城南河珠泉路橋）、W5（城南河浦濱路橋）和D1（龍王廟斷面）。采樣時間為2018年1～12月每月中旬，將采集水樣存于玻璃瓶內(nèi)帶回實驗室，當天分別采用納氏試劑分光光度法及鉬酸銨分光光度法測定NH3-N 和TP。測定步驟方法及所用藥品等見圖2。

圖2 監(jiān)測水樣中NH3-N 和TP 濃度測定流程示意

2.2 一維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境模型構建

河流數(shù)學模型是研究水體隨時間和空間運動的重要手段之一[17]，非恒定流計算方法能較好地反映城南河水系實際情況。計算采用一維非恒定水動力學及水質(zhì)模型，對城南河地區(qū)進行模型計算，所構建河網(wǎng)概化模型見圖3。

圖3 城南河水系河網(wǎng)概化示意

采用一維非恒定流Saint-Venant 方程組作為水動力控制方程[18]，方程如下：

式中：x為空間坐標，m；t為時間坐標，s；Q為斷面流量，m3/s；h為水位，m；A為斷面過流面積，m2；R為水力半徑，m；BS為河寬，m；q為旁側(cè)入流量，m3/s；C為謝才系數(shù)，m1/2/s；g為重力加速度，m/s2。

水質(zhì)模型基于水動力模型構建，用于模擬可溶性物質(zhì)和懸浮物質(zhì)在水體中的對流擴散過程。一維河流水質(zhì)模型基本方程為：

式中：C為模擬物質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/L；υ 為河流平均流速，m/s；Ex為對流擴散系數(shù)，m2/s；K為模擬物質(zhì)的一級衰減系數(shù)，d-1；x為空間坐標，m；t為時間坐標，s。

2.3 水環(huán)境容量計算方法

根據(jù)龍王廟斷面水質(zhì)影響區(qū)域地形條件以及各類污染源的空間分布特征，共概化6 個排污口，具體位置見圖1。參考吳睿等[12]基于MIKE11 水質(zhì)模型的水環(huán)境容量計算方法，利用已構建的水環(huán)境模型進行水質(zhì)模擬，模型中污染物的衰減系數(shù)取值為水質(zhì)實測監(jiān)測數(shù)據(jù)率定結(jié)果，相較經(jīng)驗值具有更高的精準度。研究區(qū)域內(nèi)城南河水環(huán)境容量計算公式為：

式中：CS為計算單元河段水質(zhì)目標質(zhì)量濃度，mg/L；C1為河段污水排放質(zhì)量濃度，mg/L；Wi為計算單元河段水環(huán)境容量，g/s；Q為流量，m3/s；q為計算單元內(nèi)污水排放量，m3/s；C0為上游來水中的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；L為排污口與計算斷面的縱向距離，m。

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)及污染現(xiàn)狀分析

根據(jù)南京監(jiān)測站2019年龍王廟斷面逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析城南河水質(zhì)現(xiàn)狀，城南河斷面達標率僅為75%，其中NH3-N 超標率為25%，TP 超標率為8%，兩者是導致龍王廟斷面水質(zhì)不達標的主要污染因子，與2016年瞿一清等[14]所得城南河水質(zhì)評價結(jié)果相近，說明近年來城南河水質(zhì)改善效果并不明顯。基于《南京統(tǒng)計年鑒（2019）》以及環(huán)保局提供的環(huán)統(tǒng)資料，分析浦口區(qū)人口、耕地面積、畜牧業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)點源及污水處理廠等情況，由污染物入河量估算公式[19]得到研究區(qū)域內(nèi)NH3-N 和TP 污染物入河量中各類污染源貢獻比例，見圖4。由圖4 可以看出，城鎮(zhèn)生活源因年排量大且污水中NH3-N 濃度較高的特性，導致其對TP 入河量貢獻率為26%，對NH3-N 入河量貢獻率高達43%，成為城南河龍王廟斷面水質(zhì)超標的主要污染源。

圖4 入河污染物各類污染源年排放量占比示意

通過實地水樣采集及水質(zhì)監(jiān)測，得出2018年城南河主要水系7 個斷面的NH3-N 和TP 的質(zhì)量濃度，斷面水質(zhì)監(jiān)測現(xiàn)狀及研究區(qū)域內(nèi)6 個概化排口入河污染物排放量見圖5。結(jié)合城南河水系周邊污染源位置分布特征，可發(fā)現(xiàn)實測水質(zhì)結(jié)果總體呈上游優(yōu)于下游的趨勢，這與實際情況基本吻合。其中，W0 和W1 等上游監(jiān)測斷面水質(zhì)能夠達到地表Ⅲ類水標準，說明雨山河及極樂河上游來水水質(zhì)均較好；但經(jīng)過中下游城區(qū)河段時，由于河道沿線遍布居民住宅區(qū)、商業(yè)中心及企事業(yè)單位等城鎮(zhèn)生活源，加之人口增長導致的城區(qū)下墊面硬化比例增高[20]，愈來愈多的城市污染物隨地表徑流及小型入河支流進入城南河，使得W4，W5 和D1 等位于河道中下游的監(jiān)測斷面水質(zhì)相對較差，僅為地表Ⅳ類甚至Ⅴ類水水質(zhì)標準。水質(zhì)實測結(jié)果進一步證明了密集分布于城南河主要水系沿岸的城鎮(zhèn)生活源是城南河有機污染負荷的重要來源，同時也反映了城南河中下游河段水環(huán)境容量不足的問題亟待解決。

圖5 城南河水系監(jiān)測斷面水質(zhì)現(xiàn)狀及各概化排口污染物排放量

3.2 水環(huán)境數(shù)學模型關鍵參數(shù)率定及驗證

水環(huán)境測算模型的確定是水環(huán)境容量和目標削減量估算的關鍵[21]。對已構建的城南河水系水環(huán)境數(shù)學模型，采用2018年城南河主要水系水質(zhì)實測數(shù)據(jù)作為水質(zhì)邊界數(shù)據(jù)進行模型污染物降解系數(shù)率定，并根據(jù)南京市監(jiān)測站2019年城南河水質(zhì)監(jiān)測資料進行驗證，其NH3-N，TP 濃度模擬值與實測值對比結(jié)果見圖6。

圖6 城南河NH3-N，TP 降解系數(shù)驗證結(jié)果

為了對城南河斷面水質(zhì)模擬結(jié)果與真實值進行比較，采用平均相對誤差(MRE)、均方根誤差(RMSE)以及相關系數(shù)分析(R2)等3 種模型評價法對實測值與模擬值之間做誤差及相關性分析[22]，結(jié)果見表1。從數(shù)值對比及誤差分析結(jié)果來看，模擬水質(zhì)與實測水質(zhì)擬合情況良好，平均水質(zhì)相對誤差均不超過15%，模擬水質(zhì)情況能解釋超過95%的實測數(shù)據(jù)，因此所構建的水環(huán)境數(shù)學模型能滿足計算水環(huán)境容量的研究要求。率定得到城南河NH3-N，TP 降解系數(shù)分別為0.09，0.12 d-1。

表1 模型關于水質(zhì)的計算評價

3.3 區(qū)域水環(huán)境容量分析及達標方案確定

在確定城南河水環(huán)境數(shù)學模型主要污染物降解系數(shù)的基礎上，以實現(xiàn)龍王廟省考斷面水質(zhì)滿足地表Ⅳ類水質(zhì)標準為目標，將基于各概化排口污染源現(xiàn)狀排放量、削減潛力大小以及排水對龍王廟段水質(zhì)影響程度，確定將概化排口2，3，5 作為主要污染物削減對象，相對概化排口1，4，6 的削減程度較大。削減工況見表2。通過5 種不同的污染物削減工況構建模型計算得到各工況下龍王廟斷面水質(zhì)變化及達標情況，結(jié)果見圖7。

表2 各概化排口污染物削減工況

圖7 各工況下龍王廟斷面水質(zhì)變化及達標情況

由圖7 可以看出，當主要污染物削減排口2，3，5的削減率達到30%，次要污染物削減排口1，4，6的削減率達20%時，龍王廟斷面水體中ρ（NH3-N）及ρ（TP）能達到地表Ⅳ類水水質(zhì)目標，此時各概化排口排污量為其允許排污量，并可進一步計算出龍王廟斷面滿足2020年水質(zhì)目標時城南河水環(huán)境容量，具體見表3。

表3 基于斷面達標的概化排口允許排污量及城南河水環(huán)境容量

由表3 可以看出，龍王廟斷面達標時城南河中NH3-N，TP 的水環(huán)境容量分別為68.6，17.2 t/a，研究區(qū)域內(nèi)城南河主要水系污染源需總體削減約25%。基于瞿一清等[16]對城南河匯水區(qū)內(nèi)較為精細的污染源調(diào)查結(jié)果，城南河全線有多處排污溝、一家水上餐廳及若干公共廁所，且部分住宅、企事業(yè)單位、學校和多數(shù)三產(chǎn)服務業(yè)的生活、生產(chǎn)污水直排入河道，因此針對污水接管率不高、雨污合流排放的現(xiàn)狀可制定污染源削減方案[23]。首先，根據(jù)城南河所在主城區(qū)內(nèi)的污染源分布特征，優(yōu)化調(diào)整污水處理設施布局，加快完善污水收集管網(wǎng)，著力提高污水收集率和處理率。其次，對于入河排污口、排污溝及直排企業(yè)開展溯源排查工作，整改或取締不符合相關規(guī)范的污染源。最后，結(jié)合城區(qū)的排水管網(wǎng)現(xiàn)狀，對排水系統(tǒng)進行雨污分流規(guī)劃設計，在保持老城片區(qū)部分合流制的基礎上，最大限度地進行雨污分流式改造[24]。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)統(tǒng)計年鑒及環(huán)統(tǒng)資料分析城南河流域水污染負荷情況，確定NH3-N 和TP 是造成城南河龍王廟斷面超標的主要因子，城鎮(zhèn)生活污染源是城南河水污染負荷的主要來源。通過實地水樣采集及水質(zhì)監(jiān)測，得到城南河主要水系共7 個斷面的NH3-N和TP 濃度，總體呈上游優(yōu)于下游、污染源密集處下游水質(zhì)較差的特征，基本符合研究區(qū)域內(nèi)實際污染源分布情況。

（2）建立研究區(qū)域內(nèi)城南河水系一維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學模型，并基于2019年逐月水質(zhì)實測數(shù)據(jù)率定得到NH3-N 和TP 降解系數(shù)分別為0.09 和0.12 d-1，使參數(shù)值更具地域性及準確性。模擬值與實測值擬合情況良好，平均水質(zhì)相對誤差均不超過15%，模擬水質(zhì)情況能解釋超過95 %的實測數(shù)據(jù)，所建模型可滿足水質(zhì)數(shù)值模擬和進一步的水環(huán)境容量研究。

（3）基于所構建的水環(huán)境數(shù)學模型得出城南河省考斷面龍王廟斷面水質(zhì)達地表Ⅳ類水標準時的城南河水環(huán)境容量，將污水現(xiàn)狀排放量與水環(huán)境容量計算結(jié)果進行對比，確定各概化排污染源削減比例。城南河干流河道中下游污染源排放區(qū)段以居民區(qū)、企事業(yè)單位等城鎮(zhèn)生活污染源為主，存在生活污水未全面接管、雨污管網(wǎng)覆蓋率低等導致的截污不徹底等現(xiàn)象，因此應依據(jù)區(qū)域污染源分布特征，提高污水收集率和處理率，整改或取締不符合相關規(guī)范的污染源從源頭上減少污染排放，同時最大限度地推進雨污管網(wǎng)更新和分流式改造，爭取龍王廟斷面水質(zhì)的穩(wěn)定達標。