南京市椏溪河流域考核斷面水質目標可達性分析

牛先玄

摘要：胥河支流椏溪河出口下游300 m處為落蓬灣國家水質考核斷面。為進一步改善椏溪河水質，確保國考斷面水質達標，根據椏溪河流域污染源成因分析及整治條件，擬定了流域水環境綜合治理方案，并基于MIKE11水動力與水質模型，以超標因子COD為特征指標，在不同水平年下模擬計算年水質達標天數，分析水質目標可達性。計算結果表明：枯水年考核斷面年水質達標率可提高至81.9%，平水年考核斷面年水質達標率可提高至79.4%。分析結果可為椏溪河流域工程建設及其他同類工程提供依據和參考。

關鍵詞：水質分析; 水質達標率; MIKE11; 椏溪河流域; 江蘇省

中圖法分類號：X832 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.013

文章編號：1006 - 0081（2022）01 - 0071 - 05

0 引 言

為貫徹落實《水污染防治行動計劃》[1]，全國各省市進一步加強跟蹤分析和督查督辦，全面推動斷面水質改善。逄勇等[2]利用一維非穩態水環境數學模型研究東官河河網水質水量變化規律，并設計了近、中、遠期方案，對不同保證率下的水量水質進行推薦方案的可行性分析;花月等[3]在張家港河干流設置了3個控制斷面，制定不同計算方案，最終確定了控制斷面在達標前提下的污染削減量;劉媛等[4]基于水文、水質和污染源資料，建立了湯水河流域一維水環境數學模型，利用控制斷面達標法計算得到湯水河水環境容量，根據水文水質同步監測資料進行了后橋頭路橋考核斷面污染溯源分析，進而制定出近、遠期水質達標方案;胡開明[5]基于水文、水質和污染源資料，建立了大豐區通榆河流域一維水環境數學模型，利用控制斷面達標法計算得到通榆河水環境容量，進而與斷面現狀污染物入河量對比，確定了研究區域內各類污染物的削減量，并對草堰大橋考核斷面污染源進行解析，最終制定斷面水質達標方案并進行可行性分析;展永興[6]以常熟市東環河虞東路橋斷面為例，建立東環河水質模型，根據水質監測數據進行模型參數率定，計算得出區域水環境容量，提出斷面水質達標方案;畢良芹等[7]采用控制斷面達標法計算得到入胥河的水環境容量，結合污染物入河量，確定了研究區域各類污染物的削減比例;宋為威等[8]綜合考慮水文、水質、污染源等因素，建立影響區域水環境數學模型，并根據最不利水文條件（典型枯水年）和邊界水質，建立了考核斷面水質與概化排口污染源響應關系，通過響應關系計算出控制斷面水質達標時各個概化排口所允許的排污量，得到本控制單元的水環境容量。綜上，目前學者多是從總的環境容量來分析各類措施對水環境的改善效果，鮮有從日水質變化的角度來分析工程措施的可行性。因此，本文通過對椏溪河流域的污染物來源分析，擬定了相應的工程措施，并建立了一維水動力水質模型計算枯水年、平水年逐日水質變化，進而評估了考核斷面水質目標可達性。

1 研究區概況

1.1 椏溪河流域基本情況

椏溪河位于江蘇省南京市高淳區椏溪街道，流域面積46.7 km2，其中山丘區面積27.7 km2，圩區面積19 km2。椏溪河全長7.7 km，為胥河支流，橫穿椏溪街道，出口上游300 m處有一區考斷面——下圩橋考核斷面，水質目標為Ⅲ類水;胥河椏溪支流下游300 m處有一斷面，椏溪河與胥河的相對位置關系及考核斷面位置見圖1。

下圩橋考核斷面14個月水質監測數據統計表明，有10個月水質超標，超標因子為COD。為了摸清沿線水質變化情況，2019年4月對椏溪河布設11個水質監測取樣點，由上游至下游依次編號為1～11，取樣期間水體流動不明顯，水質沿程變化曲線見圖2。由圖2可以看出，COD濃度大體上沿程逐步下降。

1.2 污染物來源分析

造成椏溪河水質超標的成因較為復雜，經分析主要有以下幾個方面。

（1） 農村生活污水處理站和污水處理廠排放標準相對于地表Ⅲ類水標準偏低。椏溪河流域農村總人口17 637人，實施農村生活污水治理的人口為16 224人，農村生活污水處理站排放標準為城市污水排放一級B標準，未處理和處理后的生活污水排入周邊溝渠或水塘。COD年排放量約17 402.9 kg。此外，根據椏溪污水處理廠生產月報統計計算，COD年排放量約12 793.3 kg。

（2） 農業面源污染。流域內農業用地面積共2 025.4 hm2，COD年排放量約30 471.0 kg。

（3） 禽畜、水產養殖污染。流域內禽畜養殖污染主要是居民散養，水產養殖面積約852.1 hm2，主要有青蝦、河蟹、水草養殖，COD年排放量約12 167.9 kg。

（4） 其他污染。流域內其他用地（包括林地、荒地、公共用地等）的濕沉降污染。參考《南京市不同功能區干濕沉降物污染特征研究》[4]及《南京市典型區域城市濕沉降污染成分特征分析》[2]，并結合椏溪街道實際情況，濕沉降污染物COD濃度為3.5 mg/L。根據計算，COD年排放量約3 942.1 kg（表1）。

由表1可知，椏溪河流域非降雨期最主要的污染源為農村生活污水和污水處理廠尾水排放，而雨季產生的農業面源污染加重了水體污染。農村生活污水排放標準（一級B）、污水處理廠污水排放標準（一級A）相對于Ⅲ類水標準偏低。

2 流域水環境綜合治理方案

根據椏溪河流域污染源成因分析及整治條件，流域水環境綜合治理措施主要包括構建生態補水工程、生活污水和污水處理廠尾水提標改造、水系循環連通工程、農業面源污染治理、生態清淤以及建立統一的調控管理機制等綜合治理措施。規劃工程位置示意見圖1，溝渠型垂直潛流濕地由于較為分散，圖中未標示。

2.1 生態補水工程

非降雨期椏溪河流域生態流量較小，生活污水和污水處理廠尾水入河，導致椏溪河水質超標。在椏溪河上游北岸征地新建生態補水塘壩，塘壩下游新建人工濕地凈化水體使塘壩出水水質控制在優于Ⅲ類水，補水至椏溪河。生態補水塘壩庫容為25萬m3，對應的河口人工濕地處理能力為1.2萬m3/d。

2.2 污水處理廠尾水提標改造

污水處理廠排放標準為城市污水排放一級A標準，結合用地情況，在椏溪河對岸建人工濕地，將椏溪污水處理廠尾水引至人工濕地，降雨期將石家壩壩上來水引至人工濕地，經人工濕地凈化至Ⅲ類水后補入椏溪河。污水處理廠尾水提標人工濕地處理能力為2 500 m3/d，其中，處理污水處理廠尾水1 500 m3/d、處理降雨期石家壩水量1 000 m3/d。

2.3 水系循環連通工程

胥河與椏溪河、胥河與湖西灌溉總渠的水力關系為胥河-湖西灌溉總渠、椏溪河-胥河，根據3條水系的地理位置，實施“胥湖椏”連通工程，利用胥河豐富水資源量，通過湖西灌溉總渠水系連通，水質通過河口濕地凈化后補水至椏溪河。湖西灌溉總渠水質劣于Ⅲ類水時，引入河口人工濕地流量1 000 m3/d。

2.4 農業面源污染治理

擬在椏溪河支流邊溝渠或沿著椏溪河支流新建溝渠型垂直潛流濕地收集農田徑流，流入垂直潛流濕地后，溝渠中種植的水生植物攔截農田徑流污染物，達到控制污染物向水體遷移的目的，通過閥門進行水位調節，使經過凈化的農田低污染水排入河道。溝渠型潛流人工濕地工程處理規模共計9 000 m3/d。

3 典型年水質目標可達性分析

3.1 水環境模型模擬分析

3.1.1 代表年選擇

本次規劃采用設計平水年（50%）和干旱年（90%）的代表年和降雨量情況，見表2。

3.1.2 設計水文條件

胥河僅有2016年至今的實測水位，椏溪河朱家橋處枯水年最枯月平均水位取年最低水位平均值2.93 m。平水年年降雨量與2018年年降雨量1 158 m較接近，故平水年平均水位和最枯月平均水位可按2018年取值。椏溪河五塭壩以上水位設置活水閘壩后的常水位。椏溪河設計水文條件見表3。

3.2 水環境模型模擬分析

椏溪河水面寬8～20 m，水深3～4 m，可以認為污染物在橫斷面上均勻混合，采用河流一維水質模型計算。鑒于丹麥水力研究所（簡稱“DHI”，下同）開發的MIKE11模型在對流擴散數值模擬方面的強大功能，本研究采用MIKE11來建立椏溪河一維水動力水質數學模型。

3.2.1 分析目的

在椏溪河水環境綜合治理研究中，水動力水質數學模型的建立和應用作為研究的關鍵技術之一，利用所建立的河流數學模型模擬河流水動力水質輸送變化規律。

對生態補水工程、胥湖椏水系連通工程、污水處理廠尾水提標改造工程改善水環境效果進行計算與分析。通過建立河流一維水動力水質模型，開展椏溪河水質改善數值模擬與分析，確定不同方案實施效果。

3.2.2 河流一維水動力模型

MIKE11 HD模型用于河網調蓄計算的理論基礎是圣維南方程，通過6點中心隱式格式進行差分，利用“追趕法”求解，其計算網格由水位點和流量點交叉組成，匯流計算時河網被概化為節點、河段、斷面3類要素。

3.2.2.1 河道一維水動力基本方程

MIKE11作為一款一維水動力模型，其控制方程為圣維南方程：

[?Q?x+BT?Z?t=ql?Q?t+2u?Q?x+（gA-Bu2）?Z?x-u2?A?x+gn2|u|QR3/4=0]

（1）

式中：Q為流量，m3/s;Z為水位，m;R為水力半徑，m;u為流速，m/s;ql為旁側入流;n為糙率系數，可用謝才公式計算;BT為包括主河道泄流寬度和僅起調蓄作用的附加寬度，m;B為過流河寬，m;A為過水斷面面積，m2;g為重力加速度，m/s2;x為空間坐標，m;t為時間坐標，s。

3.2.2.2 模型建立

MIKE 11 AD水動力部分輸入數據可以分成以下幾個部分：① 斷面數據;② 初始條件，如水面高程;③ 邊界條件，包括水位邊界和流量邊界。

3.2.2.3 水質模型

根據椏溪河水環境現狀分析，椏溪河鎮區段水質較差，大部分時間處于Ⅴ類水標準，五塭壩上水質為Ⅲ～Ⅳ類水，下圩橋長時間也處于Ⅲ～Ⅳ類水，主要超標因子為COD。因此，對椏溪河水環境改善分析應主要對COD的分布變化進行模擬分析。

（1） 基本原理。利用對流擴散方程，模擬水體中溶解或懸浮物質的輸運。可用于模擬河道鹽水入侵、水溫變化、污染物傳輸，并可考慮一級衰減。

[?C?t+ux?C?t=??tEx?C?x-KC] （2）

式中：C為污染物濃度，mg/L;x為沿河段的縱向距離，m;ux為水流的縱向流速，m/s;Ex為縱向離散系數，m2/s;K為污染物綜合衰減系數，1/s。

（2） 模型建立。MIKE11 AD水質模型基于水動力模型計算成果進行水質模擬計算，輸入數據可以分成以下幾個部分：① 校準要素，包括污染物擴散和衰減系數，一般基于經驗值進行校準;② 初始條件，一般為模型計算一個周期末最后一個計算步長的成果;③ 外源邊界條件，包括開邊界的水質濃度。

椏溪河COD主要來源是生活污水入河帶來的污染。近年來高淳區為加強水資源質量監控，對椏溪河進行了水質監測，但監測點位于椏溪河下游，且位于五塭壩下，受胥河水質影響較大，不能作為水質模型的邊界。

對擬定方案在平水年和枯水年進行水質目標可達性分析。椏溪河水動力模型及水質輸出斷面位置見圖3。

（3） 模型率定。水質模型率定目的是為了調整模型，使模型對指定計算期內進行計算模擬的結果與實際測量的結果盡量吻合。調整后的模型可通過運行一個或多個指定時間段（在此時間段內必須具有實測值）的模擬來進行檢驗。

基于一維椏溪河水動力模型、一維水質模型對COD進行模擬，并根據監測數據進行校準參數率定。不同位置水質模型模擬值與實測值的比較結果見圖4。結果表明，所建水質模型可以較好地反映椏溪河的水質變化情況。

（4） 模型驗證。同樣基于一維椏溪河水動力模型、一維水質模型對2019年4月16～18日椏溪河的COD進行模擬，并以實測數據進行驗證。不同位置水質模型模擬值與實測值的比較結果見圖5。結果表明，椏溪河水質模型模擬值與水質監測值基本一致。

考慮到水質監測的頻次較低及水質濃度分布在時間上的不確定性，本文所建立的一維水質模型基本上可以較好地反椏溪河水質變化情況，可以用于“生態補水塘壩工程+污水處理廠尾水提標改造工程”方案對水環境改善效果的研究工作。

3.3 水質目標可達性分析

以驗證計算的2019年4月18日COD水質濃度分布場為初始條件，以不同代表年降雨和2018年胥河實測水位條件為輸入條件，入河污染物濃度采用2019年4月18日監測數據，并對來水較大月份的入河污染濃度進行適當調整，模型計算步長取0.5 d，針對不同工況進行水環境改善模擬分析。

通過計算分析，現狀情況下，枯水年椏溪河五塭壩上斷面水質達標天數為194 d，達標率53%;下圩橋斷面水質達標天數為228 d，達標率62.4%;胥河口斷面水質達標天數為235 d，達標率為64.4%。平水年椏溪河五塭壩上斷面水質達標天數為191 d，達標率52.3%;下圩橋斷面水質達標天數為237 d，達標率64.9%;胥河口斷面水質達標天數為252 d，達標率為69%。

規劃工程實施后，枯水年椏溪河五塭壩斷面水質達標天數290 d、下圩橋斷面水質達標天數299 d、胥河口斷面水質達標天數303 d，枯水年椏溪河不同位置濃度歷時曲線見圖6。平水年椏溪河五塭壩斷面水質達標天數281 d、下圩橋斷面水質達標天數290 d、胥河口斷面水質達標天數292 d，平水年椏溪河不同位置濃度歷時曲線見圖7。枯水年水質達標天數高于平水年水質達標天數的主要原因是生態補水塘壩的調蓄作用，枯水年桂圓壩支流大部分水量都可以通過生態補水塘壩調蓄流經由人工濕地處理后達標排放至椏溪河，而平水年需大量棄水不經人工濕地處理直接排至椏溪河。

4 結 語

（1） 規劃工程實施后，枯水年椏溪河五塭壩斷面水質達標天數290 d，達標率79.4%、下圩橋斷面水質達標天數299 d，達標率81.9%、胥河口斷面水質達標天數303 d，達標率提高至83%;平水年椏溪河五塭壩斷面水質達標天數281 d，達標率77%、下圩橋斷面水質達標天數290 d，達標率79.4%、胥河口斷面水質達標天數292 d，達標率提高至80%。

（2） 規劃工程實施后，枯水年下圩橋考核斷面水質達標率由62.4%提高81.9%，平水年下圩橋考核斷面水質達標率由52.3%提高至79.4%，大幅提高了考核斷面的水質達標率。

（3） 本文通過對椏溪河流域的污染物來源分析，擬定相應的工程措施，并建立一維水動力水質模型計算枯水年、平水年逐日水質變化，進而評估考核斷面水質目標可達性，可為其他同類工程提供參考。

（4） 生態補水工程對水質改善尤為關鍵，建議根據水文預報科學合理的做好塘壩工程的調度運行管理。此外，還應提高污水處理廠和農村生活污水設施的收集率。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國生態環境部.國務院關于印發水污染防治行動計劃的通知[R]. 北京：中華人民共和國生態環境部，2015：4.

[2] 逄勇，王瑤瑤，胡綺玉，等.浙江溫黃平原典型河流水質改善方案研究[J]. 水資源保護，2016，32（2）：100-105.

[3] 花月，王金龍，劉洋，等. 陽澄湖人湖河流張家港河控制斷面水質達標分析[J]. 污染防治技術，2016（1）：30-34.

[4] 劉媛，逄勇，王子軒，等. ?基于污染溯源分析的湯水河考核斷面水質達標方案研究[J]. ?四川環境，2019，38（5）：83-88.

[5] 胡開明，董錦云，馮彬，等. ?基于污染溯源分析的通榆河考核斷面水質達標方案研究[J]. ?環境與發展，2020，32（11）：50-53.

[6] 展永興，吳心藝. ?基于水環境容量分析的斷面達標控制研究——以常熟市東環河虞東路橋斷面為例[J]. ?江蘇水利，2019（1）：1-6，11.

[7] 畢良芹，逄勇，羅縉. ?落蓬灣斷面水質達標及胥河水環境容量研究[J]. ?水資源與水工程學報，2017，28（5）：124-128.

[8] 宋為威，逄勇. ?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[J]. ?中國農村水利水電，2017（10）：80-84.

（編輯：李 晗）

Accessibility analysis on water quality objectives at assessment section of Yaxi River Basin in Nanjing

NIU Xianxuan

（Shanghai Branch of Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Shanghai 200439， China）

Abstract：Luopengwan cross-section of the Xuhe river is a national water quality assessment cross-section，which is at 300 m downstream from the branch river of the Yaxi river. In order to further improve the water quality of the Yaxi River and ensure the water quality of national assessment cross-section up to the standard， according to the cause analysis and treatment conditions of pollution sources in the Yaxi River Basin， the comprehensive treatment scheme of water environment in the basin was formulated. Based on MIKE11 HD and AD model， the annual average water quality was simulated under different level years with the over standard factor COD as the characteristic index. The days meeting the water quality standard was analyzed. According to the calculation and analysis results， the annual water quality compliance rate of the assessment section can be increased to 81.9% in dry year and 79.4% in normal year， which can provide basis and reference for the project constrction in the Yaxi River Basin and other similar projects.

Key words： water quality analysis; water quality compliance rate; MIKE 11; Yaxi River Basin; Jiangsu Province