潮汐河網區污染排放與水質響應關系的模擬研究

李 丹，曾 慧，張明珠，李 泉

（廣州市水務科學研究所，廣東廣州 510220）

0 引 言

國家實施水污染防治的總量控制制度，包括重點水污染物排放總量控制和水功能區限制納污總量控制，前者是目標總量控制，以水質改善為期望。后者是容量總量控制，以水質達標為出發和歸宿。目標總量管理對流域水質改善發揮了明顯作用，但同時存在沒有建立水質響應關系、與水質目標關聯度低等問題。在實行目標總量控制管理的同時，容量總量的理論和技術方法研究也在不斷拓展，許多研究學者對于水文水動力及水質模型［1-4］、污染物總量控制及分解［5-9］、污染排放與水質響應關系［10-15］進行了研究，但現行計算與分配技術需要改進的問題包括：排污控制單元與流域不協調、用最枯流量條件計算的靜態容量與實際水文條件差異大、沒有綜合考慮水域與陸域等。

潮汐河網區人口密集，城鎮化程度高，相對于社會經濟快速發展，污水收集處理能力滯后，入河污染物總量接近或超過水體納污能力，污染控制面臨削減存量與控制增量的雙重壓力。潮汐河網區水資源開發利用強度高，依靠豐富的過境水量和河口潮流量彌補本地水資源的不足，潮汐導致水體水動力及自凈能力減弱，污染物在枯水期感潮往復流區域累積。聯圍筑閘、河岸改造、群閘聯控、河涌整治等人為干預強烈，加上潮汐導致的流向流速差異明顯，使污染物的遷移轉化過程更為復雜，污染問題識別及量化具有較大不確定性。本文通過構建感潮河網區水動力與水質模型，建立“污染源—控制單位—水功能區”之間的輸入響應關系，研究污染物“排放量—入河量—斷面水質”之間的反饋機制，為明確監管責任、推進污水屬地處理、倒逼地方削減排污量提供技術依據。

1 研究區概況及模型范圍

研究區以廣州-佛山跨界主要干支流為中心，北至蘆苞涌水閘，南至陳村水道勒竹，西至佛山南海區西南水閘和佛山水道沙口水閘，東至珠江后航道墩頭基，見圖1。研究區來水主要來自流溪河、白坭河、西南涌等3 個流域：流溪河流域為獨立流域，其徑流主要依靠上游水庫放水及區間降水；西南涌、白坭河則以北江來水為主要水源，通過蘆苞水閘、西南水閘控制北江分水，蘆苞水閘引水在九曲河、蘆苞涌分叉后分別注入白坭河、西南涌，并最終匯入鴉崗。

圖1 主要水系及斷面分布圖Fig.1 Distribution of main water systems and sections

近年來，研究區以主要污染貢獻支流流域為排污控制單元，在完成控源截污的基礎上，研究暢流活水方案，流溪河開展大中型水庫調度，北江蘆苞、西南兩座水閘利用潮汐規律進行自流引水調度，流域內河涌通過群閘聯控，漲潮引水濟涌、落潮置換河涌水體，有效提升河流水動力條件和自凈能力。2017-2019年水質考核斷面達標率明顯提升，提升幅度達到8.4%～66.7%，其中鴉崗斷面從劣Ⅴ類提升到Ⅲ類，大坳斷面、海珠橋斷面從劣Ⅴ類提升到Ⅳ類，白鶴洞斷面從劣Ⅴ類提升到Ⅴ類。盡管水質提升明顯，但斷面連續幾年水質不達標問題一直存在，距離考核目標差距較大，治理難度較大。

2 材料與方法

2.1 地形概化及網格剖分

為合理模擬珠江感潮河網的水動力情況，研究采用曲線貼體網格擬合復雜岸線，將眾多匯入河涌概化為旁側入流計入。采用Delft3D 軟件對計算域進行了網格劃分，網格大小為760行×628列，共13 005個計算網格。為突出重要斷面局部流場特征，對局部水域進行了網格加密。

2.2 支流概化與污染源強統計

研究區共有205 條一級支流，本文篩選了對干流水質有較大影響且水質和水量數據較齊全的113 條支流，計算其CODCr和氨氮的入河總量，并以點源形式納入模型，見圖2。

圖2 支流及污染源概化分布圖Fig.2 Distribution map of tributaries and pollution sources

2.3 模型邊界及參數設置

2.3.1 邊界設置

模型上游流量邊界采用人和壩、蘆苞涌閘、西南涌閘的調度數據，模型下游水位邊界采用五斗、勒竹、黃埔水位站的逐時水位數據。結合常規與自動監測水質數據，模擬及驗研究區污染物濃度變化過程，水質數據均來自廣州、佛山兩市環保部門常規水質監測數據。邊界示意圖見圖3，斷面水質情況及水動力邊界、水質邊界信息見表1～表3。

圖3 模型邊界設置示意圖Fig.3 Model boundary setting

表1 主要斷面水質情況一覽表Tab.1 List of water quality of main sections

表2 水動力邊界基礎信息Tab.2 Basic information of hydrodynamic boundary

表3 水質邊界斷面基礎信息Tab.3 Basic information of water quality boundary section

2.3.2 參數設置

河道糙率及污染物衰減系數是水動力水質模型的重要參數。根據《珠江三角洲河網與河口水質模型連接計算研究報告》，珠江河網河道糙率變化范圍為0.018～0.035。本文使用水文聯測數據在上述糙率值基礎上進行率定，最終得到河道糙率取值為0.01～0.02。在《珠江三角洲水環境容量與水質規劃研究》中，華南環境科學研究所采用現場監測和實驗室實驗相結合的方法對珠江三角洲的主要污染物衰減規律進行了系統的研究，本文CODCr衰減系數采用上述研究成果。根據“七五”科技攻關項目“珠江廣州段水質數學模型研究”，氨氮的衰減系數為0.1 ∕d，本文根據實測水質進行率定，最終確定氨氮的衰減系數為0.08 ∕d。污染物衰減系數取值如表4所示。

表4 污染物衰減系數率定取值Tab.4 Calibration value of pollutant attenuation coefficient

3 結果與分析

3.1 水動力模型驗證效果

以2001年2月水文聯測數據對水動力模型的主要參數進行率定，結果表明：2001年2月率定過程中，水位模擬誤差在2.7 cm（大石）～12.6 cm（鴉崗）間，5個站點平均水位誤差6.6 cm；大石和沙洛圍的流量絕對誤差分別為28.1%和29.7%。

以1999年豐水期、2017年枯水期和2017年豐水期數據對模型進行驗證，結果表明：1999年豐水期水位模擬誤差在3.7 cm（沙洛圍）～7.8 cm（大石）間，6個站點平均水位誤差為6.0 cm。大石、沙洛圍、黃沙、浮標廠的流量誤差分別為17.2%、16.0%、22.7%和42.9%（圖4）。其中，浮標廠的相對誤差超過30%，主要由于浮標廠斷面處于潮流界內，流量變幅較大，憩潮時流量幾近于0，即時較小的模擬流量絕對偏差除以極低的實測流量，其相對誤差被放大，從而增大了整體平均誤差。2017年枯水期、豐水期水位絕對誤差均值分別為11.4、10.5 cm（表5）。

圖4 枯水期、豐水期水位模擬結果圖Fig.4 Simulation results of water level in dry season and wet season

表5 水動力模擬誤差統計Tab.5 Error statistics of hydrodynamic simulation

3.2 水質模型驗證效果

4 個常規水質斷面的氨氮和CODCr基本在驗證斷面單月模擬的最小～最大值之間，與模擬眾數基本吻合。模型具備較好的模擬精度，氨氮枯水期、豐水期的平均絕對誤差分別為19.5%、33.2%，CODCr枯水期、豐水期的平均絕對誤差分別為26.4%、29.1%，枯水期模擬效果優于豐水期，總體平均誤差為27.1%（表6）。

表6 水質模擬誤差統計Tab.6 Error statistics of water quality simulation

3.3 污染排放與水質響應關系分析

經統計，研究區CODCr入河排放總量為156 926.38 t∕a，氨氮入河排放總量為18 797.64 t∕a。CODCr一級支流匯入口排放量“前十”河涌的排放量總和為81 909.58 t∕a，占總入河量的52.2%，“前十”河涌分別是新街河、雅瑤水道、棠下涌、佛山涌、石井河、東濠涌、沙河涌、躍進河、海珠涌、葫蘆涌；氨氮一級支流匯入口排放量“前十”河涌的排放量總和為11 375.37 t∕a，占總入河量的56.7%，“前十”河涌分別是新街河、石井河、雅瑤水道、棠下涌、佛山涌、東濠涌、沙河涌、白海面涌、泥坑涌、沙坑河。

大坳斷面的污染負荷主要來自新街河、九曲河入境處，從流域角度看，主要污染源自白坭河流域；鴉崗斷面的污染負荷主要來自和順大橋邊界、人和壩邊界以及新街河，從流域角度看，主要污染源自廣佛邊界輸入、流溪河流域及白坭河流域，三者污染貢獻總和的比值約為3∶2∶1；海珠橋斷面的污染負荷主要來自石井河和廣佛邊界輸入，從流域角度看，主要污染源自石井河流域，邊界的污染貢獻主要源于人和壩邊界、和順大橋邊界以及泌沖大橋邊界；白鶴洞斷面的污染負荷主要來自廣佛邊界輸入和石井河，邊界的污染貢獻主要源于泌沖大橋邊界、和順大橋邊界、人和壩邊界、五斗邊界、平洲邊界。

圖5 氨氮、CODCr模擬結果Fig.5 Simulation results of NH3-N and CODcr

3.4 水體污染物削減及水質達標分析

不足，自凈缺水主要發生在枯水期。

通過貢獻率結果可以看到，“前十”名的支流污染負荷基本占了總污染負荷排放的80%以上，因此本次最優化模型計算，只單獨考慮污染貢獻率“前十”名支流，其他支流均歸類到“其他”。

通過matlab 的linprog 函數計算最優化模型的最優解，計算結果顯示：在現狀邊界下，各支流氨氮達到Ⅴ類且CODCr達到Ⅳ類時，鴉崗、海珠橋和白鶴洞斷面氨氮及CODCr均能達到Ⅲ類，然而大坳斷面僅CODCr達到Ⅲ類，氨氮在豐水期及枯水期均為Ⅳ類。要大坳斷面的氨氮達到Ⅲ類，則豐水期新街河需達到Ⅳ類，枯水期新街河需達到Ⅲ類?？梢娦陆趾拥乃|提升對大坳斷面乃至鴉崗斷面達標至關重要，這主要是因為新街河對大坳斷面的污染貢獻比重大，且匯入口離斷面距離近，自凈需水量

4 結 論

（1）基于EFDC 構建潮汐河網水動力水質數學模型，建立113 條支流污染通量與4 個斷面水質的響應關系，經率定驗證，驗證期水位誤差平均值為9.3 cm，流量誤差平均值為24.7%，4個水質斷面氨氮、CODCr絕對誤差平均值分別為26.3%、27.8%，考慮到水下地形資料滯后、感潮區流量變幅較大、支流水質數據密度不足對水位、流量及水質的影響，模型具有較好的模擬精度。

（2）大坳斷面的污染負荷主要來自新街河、九曲河入境處，鴉崗斷面的污染負荷主要來自于廣佛邊界輸入、流溪河流域及白坭河流域，三者污染貢獻總和的比值約為3∶2∶1；海珠橋斷面的污染負荷主要來自石井河和廣佛邊界輸入，白鶴洞斷面的污染負荷主要來自廣佛邊界輸入和石井河。

圖6 “90%累計總和”支流入河排放量柱狀圖Fig.6 “ 90%cumulative sum ”tributary discharge into the river histogram

表7 重要斷面污染貢獻表Tab.7 Pollution contribution of important sections

表8 “前十”支流污染物允許排放量及削減量 t∕aTab.8 Allowable emission and reduction of pollutants from“top ten”tributaries

圖7 模擬濃度場示意圖Fig.7 Simulated concentration diagram

（3）統籌“大小”齊治，深入推動水環境治理向各級支涌“毛細血管”延伸，實現自上游往下游有效削減污染物入河量，利用潮汐動力暢流活水，是維護重要斷面水質穩定的重要保障。在現狀邊界下，各支流水質目標應為氨氮達到Ⅴ類且CODCr達到Ⅳ類，新街河的水質提升對大坳、鴉崗斷面達標至關重要，其水質目標應提升為豐水期Ⅳ類、枯水期Ⅲ類。 □