不同控源截污水平下平原圩區活水效果研究

張澍　柳志亮　陳瑤雪　李俊龍　王安亭

摘要：平原圩區河網普遍存在水動力不足、自凈能力弱的特點，水環境問題突出。控源截污和暢流活水是平原圩區河網常用的水環境治理措施，但大規模控源截污技術條件困難，實施周期較長；暢流活水雖見效快，但持續時間短，因此需兩者配合進行。以無錫市錫山區云林街道為研究區，建立水量水質耦合模型，探究不同截污水平下活水調度對區域水環境的影響。結果表明：不同活水調度方式對區域河道水環境影響不同，部分調度方式甚至會使河道水質惡化；控源截污能有效提升全斷面水質；當控源截污和暢流活水兩種措施結合時，改善效果超過單一手段，且能改善因調度而導致的水質惡化現象。研究成果可為研究區及其他平原圩區河網有效全面地治理水環境問題提供科學依據。

關 鍵 詞：控源截污； 暢流活水； 水質改善； 平原圩區

中圖法分類號： TV121；X522

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.009

0 引 言

平原地區地勢平坦，河道縱比降較小，區域水系普遍存在流動性較差的現象［1-2］，加之近年來各大城市廣建圩區以防洪澇，大部分內河被閘泵控制，水體的自然流動性和連通性遭到進一步破壞，導致河道水體置換能力差［3-5］，自凈能力低，同時工業化的快速推進使城區入河污染物急劇增加。平原圩區河道水動力不足、自凈能力低、水體置換周期長、污染因子易入難出的水環境問題日益嚴重，亟待解決。針對上述問題，凌濤等［6］提出采取調水、截污清淤等措施改善城市河道水環境；胡琦玉等［7］在考慮圩區內水利工程的調度規則和污水處理廠運行工況的基礎上制定了污水處理廠尾水排放影響預測方案，并提出了對受納水體影響最小的排放方案；陸一維等［8］構建了一維非穩態水動力水質模型，模擬各引水方案及調度規則對研究區域的水質改善效果。可以看出，平原圩區水環境整治措施主要為控源截污和暢流活水，從單一手段上看，控源截污可以從源頭上控制污染源，但想要完全控制污染生產源頭、攔截污染物的排放在當前經濟和技術條件下非常困難，需長期規劃［9-10］。而暢流活水可在短時間內快速改善城市河網水動力條件及水質情況［11］，但維持時間短、效果有限。因此，要想切實改善平原圩區水環境，需要控源截污和暢流活水兩種措施同步進行，以確保穩定、持續提升區域水環境質量。為盡快改善區域水環境狀況，目前無錫市錫山區政府在加大控源截污力度的同時，開展了區內活水實踐，但兩種措施相結合相關研究成果較少，尚處于探索階段。本文以錫山工業集中區——云林街道為研究區，建立水量水質耦合模型探究不同截污水平下活水調度對區域水環境的影響，為研究區及其他相似區域的水環境治理提供依據。

1 研究區概況

無錫市錫山區云林街道位于長江三角洲腹地，太湖流域錫澄片河網中部，為長江下游典型的平原河網地區，且街道內大部分河段處于運東大包圍內部。街道整體呈南北高、中間低走勢；區域內現狀及規劃閘站共13處，區域內閘泵位置見圖1。

研究區現狀水環境存在較多問題，如：區域內的攔水工程一定程度上改變了河流的形態，破壞了水系的自然連通性；骨干河網自然高程差幾乎為零，水體水動力條件差，部分河道滯留，河道自凈能力低下；隨著區域城市化、工業化進程的推進，入河污染物不斷增加；經過清淤、控源截污工作，區域河道水質有所提升，然而整體水環境狀況依然較差，仍有Ⅴ類和劣Ⅴ類水質的河道，其中位于運東大包圍內部河網區水環境形勢尤為嚴峻，亟待解決。

2 研究方法

2.1 模型原理

通過MIKE 11水動力模塊HD和對流擴散模塊AD建立研究區水環境的水量水質耦合模型。

式中：C為污染物質量濃度，mg/L；j為節點編號；I為與j節點相聯接的河道編號；Sc為污染物濃度衰減項；S為污染物源項；Ex為縱向分散系數，m2/s；Ω為節點的水面面積，m2。

2.2 模型構建

為確保能有效降低模擬的誤差，提高模擬結果的準確性，模型應具有完整的流域范圍和穩定的邊界條件，故將模型的模擬范圍擴展至整個錫澄片骨干河網：對望虞河以西、澡港-武進港以東、太湖以北、長江以南的骨干河道進行概化，以作為河網模型的計算區域；對云林街道內河道進行細化，以作為研究區域。

2.3 模型率定

暢流活水主要在枯水期實施，為確保模型參數設置的合理性、準確性，選取非汛期資料作為水量率定時模型的邊界。以2015年10～11月長江、太湖的實測潮位、水位等資料作為模型的邊界條件進行率定。選取計算區域內有實測水位數據的陳墅、青旸兩個水位站的實測水位作為率定的目標水位。在進行水量的率定時，以均方根誤差（RMSE）作為量衡標準，率定結果見圖2，

陳墅、青旸水位站的RMSE分別為0.058和0.059。由水量的率定結果來看，模型的計算結果較為可靠，模型可用于描述區域河網的水量變化過程。

在進行水質率定時，以百分標準偏差（%BIAS）作為量衡標準。根據近幾年無錫市錫山區水質評價結果，NH3-N為錫山區云林街道主要污染物，故本次研究以NH3-N作為水質模擬的對象，選擇2019年區域內15個監測斷面非汛期水質平均值對水質進行率定，率定結果見圖3。水質率定結果顯示15個監測斷面的NH3-N百分標準偏差最大值為13.8%，均小于20%，模型計算值與實測值基本吻合，說明模型可用于描述區域河網的水質變化過程。

2.4 方案設定

研究區外部環境水利工程調度情況較為復雜，本文中將其設置為常規狀態：白屈港引水泵以80 m3/s開啟；“引江濟太”常熟、望亭水利樞紐關泵關閘；望虞河“西控”工程羊尖塘樞紐開泵（1 m3/s），黃塘河、楊安港、豐涇河、九里河衛浜樞紐開閘；宛山蕩活水工程南橋港、潘墅塘、桑葉橋港、九里河東樞紐按規模開泵。

以研究區外部水利工程常規調度為背景條件，設定3種現狀控源截污水平下活水調度方式，各調度方式閘泵啟閉情況見表1。考慮在現狀污染源基礎上控源截污水平提升（入河污染物被削減）10%，20%，30%，40%四種情況；并分別模擬在上述活水調度方式下結合不同控源截污水平河網的水質變化情況，以分析控源截污和暢流活水兩種措施相結合對研究區水環境質量的影響。

3 結果分析

3.1 活水調度效果分析

在現狀控源截污水平下無調度時，研究區整體水質狀況為較差，Ⅴ類、劣Ⅴ類水質斷面占比達到40%，Ⅲ類及以上水質斷面占比僅33.3%，離目標水質差距較大。在現狀控源截污水平下實施活水調度時，因不同活水調度方式的站泵啟閉情況不同，各調度方式下進水通道、退水通道以及清水在研究區流動路徑有所不同，導致不同調度方式對研究區水質改善效果略有不同，具體調度效果見表2。

分析水質得到改善斷面的NH3-N濃度隨時間變化情況可知，當調水開始進行后，斷面污染物濃度均有不同程度地降低，且隨著調水推進，污染物濃度降低的速率開始變慢，甚至達到穩定不變；但當調水一旦停止，污染物濃度迅速回升。可見暢流活水雖能快速地提升河網的水動力和水質，但改善效果有限、維持時間較短。圖4為調度方式1下水質得到改善的5個斷面NH3-N濃度隨時間的變化情況。

在各活水調度方式下，研究區也有出現水質惡化（水質提升率為負）的斷面，位置均位于退水通道及周邊。經分析可知，九里河西部如何污染物較多、水質較差，加上清水流經河道路程較遠，在調水期間因污染物轉移，導致位于退水通道及周邊的斷面出現水質惡化的現象。圖5為調度方式1下水質惡化的7個斷面NH3-N濃度隨時間的變化情況。綜上，當某區域周邊河道入河污染物較多、水環境較差時，單一采用暢流活水措施可能會導致河道水質惡化，并不能達到預期目標，因此在實際操作中應充分考慮調度的進水通道、退水通道以及清水的流動路徑，并結合控源截污措施，以有效改善區域河道水質。

3.2 控源截污效果分析

在無調度情況下，模擬區域控源截污水平逐漸提高的情況，得到現狀控源截污水平和控源截污水平分別為10%，20%，30%，40%五種情況下各監測斷面的水質變化情況（見圖6）。由圖6可知，隨著控源截污水平不斷提高，所有監測斷面NH3-N濃度不斷下降；雖然本底水質較好的斷面改善效果一般，但本底水質較差的斷面改善程度尤為明顯。當控源截污水平提升20%時，研究區整體斷面水質比現狀控源截污水平提升了14.9%，達到Ⅲ類水標準的監測斷面個數較現狀增加2個；當控源截污水平提升40%時，河道水環境已經有明顯的改善，研究區整體斷面水質比現狀控源截污水平提升了27.2%，且有2個斷面脫離劣Ⅴ類。

3.3 結合措施效果分析

前兩節分別采用活水調度和控源截污的單一手段對斷面水質情況進行了分析，其中不同活水調度方案對研究區域的水質改善情況差異較大，有的甚至出現負面作用；控源截污對全斷面水質均有改善，但考慮到大幅提升控源截污水平在技術與經濟方面難度較大，現綜合考慮將兩種措施結合使用。

圖7為研究區域平均水質在不同控源截污水平下不同活水調度方式的變化情況。可以看出，隨著控源截污水平的提高，不同調度方式的平均水質均穩定提高，其中調度方式1的平均水質由惡化變為改善，當控源截污水平達到40%時調度方式3的平均水質提升率達到37.25%，說明兩者結合對水質的改善效果大于單一的活水調度方案。進一步發現，在5種控源截污水平下，不同活水調度方案的平均水質提升率均是方式3>方式2>方式0>方式1，說明控源截污提升但并不影響暢流活水方案對河道水質的改變。在實際操作中若能通過模型模擬和大量實踐確定平原河網當地最優活水調度方式，并積極推進控源截污，將能快速、有效、經濟可行、穩定地提升水質，改善河道水環境。

4 結 論

（1） 不同活水調度方式對區域河道水質改善效果略有不同，部分調度方式可有效改善水環境，一定程度上提升了平原圩區河網的水動力和水質；部分調度方式將使區域河道出現水體內循環、污染物轉移的現象，導致部分河段水質發生惡化。

（2） 對于水環境得到改善的河段，活水調度作用有效且維持時間較短，一旦停止調水，河道污染物濃度將會迅速回升，甚至在短時間內變回調水前的狀態，需要配合控源截污長久穩定提升水質。

（3） 控源截污能有效改善全斷面的水質，在無調水時，當控源截污水平提升40%，能使研究區域全部消除劣Ⅴ水質監測斷面，大部分河道達到Ⅳ類水及以上，改善效果較好。

（4） 當控源截污和暢流活水兩種措施結合時，改善效果超過單一手段；在同一種調水模式下，隨著控源截污水平的提升，已得到改善的河道水質可得到進一步的改善；由于污染物轉移使部分河道斷面水質惡化的現象得到控制。

（5） 隨著調水的持續進行，在污染物濃度達到某一最高值后逐漸開始降低，初步推測若能適當延長調水周期，研究區河道污染物得到進一步轉移、稀釋、凈化，最終污染物濃度會降至理想水平，使區域所有河道的水環境均可得到較為明顯的改善。

本論文調水周期為5 d，后續可繼續探究適當延長調水周期時，更長周期調水對區域水環境的改善效果，以及現狀調度周期與更長調度周期在停止調度后水質還原速度與還原程度。

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（編輯：劉 媛）

Study on effect of water transfer under different levels of source control and pollution interception in plain polder areas

ZHANG Shu，LIU Zhiliang，CHEN Yaoxue，LI Junlong，WANG Anting

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The river networks in the polder areas are generally characterized as insufficient hydrodynamic force and low self-purification capacity，and water environment problems are prominent.Source control and pollution interception and water transfer are common water environment control measures in river networks in polder areas，but it is difficult to realize the large-scale source control and pollution interception and the implementation period is long，and although the water transfer works rapidly，its duration is short，so it is necessary to combine these two measures.Yunlin Street，Xishan District in Wuxi City was taken as the study area，and a coupling model of water quality and water quantity was established to study the effect of water transfer under different levels of source control and pollution interception.Results showed that different water transfer methods had different impacts on the river water environment，and some methods would even worsen the river water quality；source control and pollution interception could effectively improve the water quality of the whole river；when combining two measures，the effect was better than that of using single method，and it could improve the deterioration of water quality caused by water transfer.The study can provide a scientific basis for effective and comprehensive treatment of water environment problems in the study area and other plain polder areas.

Key words： source control and pollution interception；water transfer；water quality improvement；plain polder area

收稿日期：2022-01-25

作者簡介：張 澍，男，高級工程師，主要從事水利水電工程規劃設計相關工作。E-mail：zhangshu@cjwsjy.com.cn

通信作者：陳瑤雪，女，助理工程師，碩士，主要從事水利水電工程規劃設計相關工作。E-mail：chenyaoxue@cjwsjy.com.cn