薔薇河支河尾水導流對水質影響研究

魏從貴 席志 劉浩 金鑫

摘 要：薔薇河是沂北地區重要的防洪排澇骨干河道，也是連云港市主要的飲用水源地。受區域內工業、農業和生活污染影響，薔薇河水質逐年下降，多次發生污染事件，市區居民生活用水受到影響。為了有效應對水源污染，改善薔薇河水生態環境，利用MIKE軟件構建薔薇河流域水動力和水質模型，分析了薔北截水溝、馬河、民主河、黃泥河調尾工程對薔薇河水質的影響。結果表明，調尾工程能夠有效改善薔薇河水質，水廠取水口河段各項水質指標濃度下降接近50%，除了總磷、總氮外的各指標均能達到III水質標準，能夠進一步保障連云港市用水安全。

關鍵詞：薔薇河；尾水導流；水質

中圖分類號：X522 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

薔薇河是沂北地區重要的防洪排澇骨干河道，發源于徐州市的馬陵山、踢球山，流經徐州市新沂市、宿遷市沭陽縣、連云港東海縣和海州區、連云區，于臨洪樞紐下游匯入新沭河，干線河道自小許莊至新沭河全長59 km，流域面積為1 143.9 km2。20世紀50年代淮沭新河開辟后，隨著江水北調、淮水北送工程的實施，江淮水從洪澤湖二河閘送出，經二河、淮沭河，穿新沂河，入沭新河，送至薔薇河，有效地緩解了連云港市用水緊張狀況，薔薇河逐漸成為連云港市的主要水源地，水質保護目標為Ⅲ類。淮沭河與新沂河在沭陽樞紐上游清污分流，上游尾水通過地涵排入下游新沂河中泓，淮沭河清水通過上部明渠入沭新河、薔薇河。新沂河尾水地涵工程規劃實施后，減輕了新沂河上游尾水對薔薇河水質的影響。由于薔薇河沿線鄉鎮大多沒有配套截污管網，工業、農業和生活污染源聚集在幾條支流中，汛期同雨水一起進入薔薇河，嚴重影響薔薇河水質，河道水質逐年下降，多次發生污染事件，1998年以來已發生15次較大的水污染事件，不同程度地影響了市區居民生活用水。目前，連云港市自來水主要由海州水廠、茅口水廠和第三水廠供給，三個水廠取水口均設置在薔薇河上，其中茅口水廠和第三水廠取水口設置在薔北截水溝河口下游，水質受上游尾水影響較大，發生突發性污染時，只能采用投加粉末活性炭的方法進行應急處理。隨著社會經濟發展，連云港市對薔薇河水質水環境提出了更高的要求。研究薔薇河支河尾水導流工程對改善薔薇河水質，進一步保障連云港市用水安全具有重要意義。

1 污染源調查與分析

根據連云港市生態環境局調查資料，對工業、農業和生活污染源進行統計分析。

1.1 污染源調查[1-3]

1.1.1 工業污染

2015年薔薇河流域范圍內有工業企業約1 027家，污染源普查的重點工業企業共有112家，其中有83家企業尾水排入薔薇河，年排放廢水量為271.5萬m?，COD排放量為602.9 t/a，NH3-N排放量為39.7 t/a，氟化物排放量為8.6 t/a。

1.1.2 農業污染

2015年農村面源污染包括農村居民生活污水、農田退水和徑流、農村畜禽養殖、水產養殖等污染物流失，薔薇河流域的農村面源污染物入河量分別為：COD為2 838.4 t/a、氨氮為357.03 t/a、總磷為105.74 t/a、總氮為970.70 t/a。

1.1.3 生活污染

2015年薔薇河流域城鎮生活污染物入河量分別為：COD為401.6 t/a、氨氮為40.16 t/a、總磷為4.68 t/a、總氮為53.54 t/a。

1.2 污染源分析

薔薇河流域各污染物入河總量分別為：COD為3 928.83 t/a、氨氮為437.81 t/a、總磷為110.42 t/a、總氮為1 024.27 t/a。其中，COD入河量中農村生活污水占比最大，為27.5%；氨氮和總氮入河量中種植業占比最大，分別為36.9%、55.2%；總磷入河量中畜禽養殖占比最大，為45.7%。可知，薔薇河流域的入河污染負荷量以面源污染為主要來源，面源污染與區域的降水產匯流密切相關。面源污染負荷的最高峰大多出現在7月份，主汛期6—9月份種植業的面源污染占到全年的90%。

1.3 水質狀況分析[4-6]

河長制實施之后，薔薇河污染物排放控制更加嚴格，水質監測站點、監測頻次逐步增加，因此，分兩個時段進行分析評價。河長制實施之前，選取監測資料比較齊全的2014—2015年水質狀況進行分析，河長制實施之后，選取2018—2019年水質狀況進行分析。

1.3.1 2014—2015年水質狀況

根據2014—2015年研究區域內各水質監測站的監測數據，薔薇河上游小許莊斷面水質基本能夠達到Ⅲ類水質標準，水質達標率超過了70%，說明上游河道水質較好。薔薇河小許莊以下河段，由于民主河、馬河、薔北截水溝、魯蘭河以及烏龍河等多條支流的匯入，水質達標率不高，2014—2015年全年達標率不足50%，超標指標主要為氨氮和總磷。

1.3.2 2018—2019年水質狀況

根據2018—2019年各站點水質監測成果，薔薇河沿線友誼橋、張灣橋、劉頂取水口、新浦大道橋、洪門大橋、臨洪閘和臨洪東站等7個監測點的水質達標率依次為81%、72%、74%、56%、57%、53%和58%，從上游至下游呈逐漸下降趨勢。306次監測中，Ⅴ類、劣Ⅴ類水質共32次，占總監測次數的10.5%。在Ⅴ類、劣Ⅴ類監測成果中，薔北截水溝以下共23次，占72%。

1.4 薔薇河沿線水質分析

隨著民主河、馬河、薔北截水溝等支流匯入，薔薇河各類污染物指標濃度變幅較為明顯。高錳酸鹽指數（CODMn）、五日生化需氧量（ BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）以及總氮（TN）的平均濃度詳見表1。

可知，民主河站、馬河站、薔北截水溝站與小許莊站相比較，各類污染指標濃度增加較明顯，海州站、茅口站與薔北截水溝站相比較，變幅較小且呈逐漸降低趨勢。

從年內污染變化看，隨著汛期降雨量增多，薔薇河沿線水質下降明顯。BOD5濃度季節變化不明顯，2月份和7月份濃度偏高；由于雨熱同期，主汛期6—9月份降雨較多，溫度較高，水質指標下降明顯，季節變化顯著，其中7月份CODMn、NH3-N、TP和TN濃度值最高。從年際變化看，六大水質指標年平均濃度與年降雨量的關系不明顯。

2 水動力和水質模型

采用MIKE系列軟件，構建薔薇河流域水動力和水質模型，進行多方案計算分析。MIKE11 HD模型基于垂向積分的物質和動量守恒方程，采用該模型模擬薔薇河干河、支河的水流狀態，能夠反映河道的水動力和水質特性。采用NAM模型模擬流域內的降雨徑流過程。由于薔薇河流域內各支河口無水文站點，缺少實測水位、流量資料，因此采用水文比擬法，選取地形地貌和河道特征相近的青口河上游流域模型中已率定的水文參數，作為薔薇河流域NAM模型水文參數。MIKE11 AD（對流擴散模型）以MIKE11 HD的計算結果為基礎，給定水質邊界條件和相關參數，主要用于模擬可溶性物質和懸浮性物質在水體中的對流擴散過程。薔薇河干河沿線設置有多個水質監測站，本研究重點對小許莊、民主河口、馬河口、薔北截水溝口、海州水廠取水口、茅口水廠取水口共6個干河節點進行水質計算分析。概化后的區域水動力和尾水導流工程見圖1。

2.1 水動力模型率定

根據區域內河道實際情況以及規劃設計資料，初步確定糙率，再通過模擬計算進行糙率率定。水動力模型率定應選擇降雨時間長、雨量大、河道流量持續時間長的時段。根據相關資料，率定時段選取2007年9月17日至9月30日，新沭河流量采用石梁河站實測流量過程，根據小許莊站實測水位和模擬水位對模型進行率定。根據計算結果（見圖2），小許莊站平均水位差0.02 m，最大水位差0.09 m，水位漲落趨勢一致，所設糙率等參數基本合理，新沭河太平莊閘下泓道糙率0.022、灘面糙率0.035，其他骨干河道泓道糙率0.022、灘面糙率0.030。

2.2 水質模型率定

水質模型以水動力模型為基礎進行構建。水質模型率定應選擇河道流量持續時間較長、水質變化較明顯且監測資料較完善的時段。根據水質監測和降雨資料，率定時段選取2017年7月1日至8月5日，采用同期水質監測數據作為邊界條件和率定站點的對比分析數據，率定水質數學模型的主要參數。

薔薇河干流上CODMn、BOD5、NH3-N、TP和TN五種水質指標濃度的實測值與計算值相近，相對誤差均小于20%（見表2），變化趨勢基本一致，水質模擬效果較好，基本能夠代表水質指標在河流中的流動擴散過程，水質模型率定參數基本合理。

2.3 模型驗證

驗證時段選取2017年7月1日至8月5日。小許莊站實測水位與計算水位對比見圖3。根據驗證結果，小許莊站平均水位差0.06 m，最大水位差0.15 m，水位漲落趨勢一致，基本滿足計算精度要求，模型計算能夠反映流域水動力狀況，可用于模擬薔薇河流域水力計算。

3 水質保護工程措施方案

薔薇河水質保護措施為薔北截水溝調尾、民主河和馬河調尾、黃泥河和友誼河調尾等三個調尾規劃[7]。

3.1 方案一

結合防洪除澇規劃續建5 m截水溝，對薔北截水溝進行調尾，攔截5～18 m之間270.3 km2的尾水經葉蕩大溝、高橋河入魯蘭河，再經臨洪閘入新沭河，攔截面積約占薔薇河流域面積的24%，改善薔薇河水質。

3.2 方案二

實施薔北截水溝調尾方案后，再將薔薇河支流民主河、馬河澇水調尾，建站抽排入5 m截水溝，經魯蘭河入新沭河，兩河匯水面積共110.8 km2，占薔薇河流域面積的10%，持續改善薔薇河水質。

3.3 方案三

實施前兩個調尾方案后，在友誼河口下游新建攔河堰，將黃泥河、友誼河尾水調入薔北截水溝，進一步改善薔薇河水質。

4 計算結果及分析

基于研究區域內一維河網水動力及水質模型，選取2017年7月8日至29日為研究時段，總面雨量為150 mm，略小于區域5年一遇設計暴雨，按三個方案分別計算薔薇河干流各節點主要水質指標濃度，分析各方案對于改善薔薇河干流水質的效果，主要計算成果見表3。

由表3可知，方案一對于薔北截水溝口以下段河道水質有一定程度的改善，各項水質指標平均濃度減小超過20%，海州水廠和茅口水廠取水口河段CODMn平均濃度分別減小2.25 mg/L、2.13 mg/L，但仍為Ⅳ類水；BOD5平均濃度分別減小0.86 mg/L、0.85 mg/L，達到Ⅲ類水質標準；NH3-N平均濃度分別減小0.36 mg/L、0.34 mg/L；TP平均濃度分別減小0.09 mg/L、0.08 mg/L，分別由劣Ⅴ、Ⅴ類水變為Ⅴ、Ⅳ類水；TN平均濃度分別減小0.55 mg/L、0.53 mg/L。

方案二在方案一的基礎上，民主河口以下河段水質進一步改善，民主河口至薔北截水溝口各項水質指標平均濃度減少超過15%，薔北截水溝口以下河段各項水質指標平均濃度減少超過40%，海州水廠和茅口水廠取水口河段水質進一步改善。民主河口以下河段，CODMn平均濃度減少1.38～4.27 mg/L，由Ⅳ類水變為Ⅲ類水；BOD5平均濃度減少0.81～1.58 mg/L，達到Ⅱ類水質標準；NH3-N平均濃度減少0.45～0.66 mg/L；TP平均濃度減少0.07～0.20 mg/L，分別由劣Ⅴ、Ⅴ類水變為Ⅴ、Ⅳ類水，達到Ⅴ類水質標準；TN平均濃度減少0.33～1.02 mg/L。

方案三在方案一、方案二的基礎上，民主河口以上河段各項水質指標平均濃度減少超過10%，民主河口至薔北截水溝口各項水質指標平均濃度減少超過30%，薔北截水溝口以下河段各項水質指標平均濃度減少接近50%，海州水廠和茅口水廠取水口河段水質進一步改善。民主河口以下河段，CODMn平均濃度減少1.24～4.98 mg/L，由Ⅳ類水變為Ⅲ類水；BOD5平均濃度減少0.44～1.93 mg/L，達到Ⅱ類水質標準；NH3-N平均濃度減少0.14～0.89 mg/L；TP平均濃度減少0.03～0.23 mg/L，分別由劣Ⅴ、Ⅴ類水變為Ⅴ、Ⅲ類水；TN平均濃度減少0.26～1.16 mg/L。

綜上所述，不同尾水導流方案通過減少降雨徑流造成的面源污染匯入薔薇河干流中，使薔薇河干流各項水質指標濃度有了不同程度的降低。三個調尾方案實施后，薔薇河全線水質都明顯改善，尤其是海州水廠至茅口水廠取水口河段各項水質指標濃度減少接近50%，TN平均濃度明顯降低，除了TP外，其余各指標均能達到III水質標準。

5 結束語

（1）薔薇河流域的面源污染是連云港市飲用水源地的的主要污染源，面源污染負荷的最高峰一般出現在7月份，主汛期9月份的面源污染占到全年的90%。區域內各支流的水質達標率不到50%，水質狀況整體較差，非汛期水質略好于汛期，主要水質指標中氨氮和總磷超標。

（2）薔北截水溝、民主河和馬河、黃泥河和友誼河三個調尾方案實施后，入河污染源減少，薔薇河干線水質污染指標濃度明顯減小，民主河口以上河段平均減小超過10%，民主河口至薔北截水溝口段平均減小超過30%，薔北截水溝口以下段平均減小接近50%。

（3）由于薔薇河沿線污染源主要為農業面源污染，污染因子主要是氨氮和總磷，建議進一步調整和優化產業結構，改進種植方式，減少農業面源污染。

（4）長江、淮河下游平原地區河網密布，河道之間水質影響較大，地表水保護目標不同。實施尾水導流工程，可以避免不同河道之間的污染影響，對于河道分類運行管理、重要河道及飲用水源地保護具有借鑒意義。

參考文獻：

[1] 連云港市生態環境局.連云港市水質監測報告（2014）[R].連云港：連云港市生態環境局，2014.

[2] 連云港市生態環境局.連云港市水質監測報告（2015）[R].連云港：連云港市生態環境局，2015.

[3] 連云港市生態環境局.連云港市水質監測報告（2016）[R].連云港：連云港市生態環境局，2016.

[4] 連云港市生態環境局.連云港市水質監測報告（2017）[R].連云港：連云港市生態環境局，2017.

[5] 連云港市生態環境局.連云港市水質監測報告（2018）[R].連云港：連云港市生態環境局，2018.

[6] 連云港市生態環境局.連云港市水質監測報告（2019）[R].連云港：連云港市生態環境局，2019.

[7] 連云港市水利局. 連云港市薔薇河清水通道建設規劃方案[R].連云港：連云港市水利局，2015.

Abstract：Qiangwei River is a crucial flood control and drainage backbone in the Yibei area and a primary source of drinking water for the city of Lianyungang. Due to industrial，agricultural，and domestic pollution in the region，the water quality of the Qiangwei River has deteriorated over the years with multiple pollution incidents affecting the water used for the residents daily lives. To effectively cope with water source pollution and improve the ecological environment of the Qiangwei River，we constructed hydrodynamic and water quality models for the Qiangwei River basin by using MIKE software and analyzed the influence of the Qiangbei diversion canal，Mahe river，Minzhu river，and Huangni river tail projects on the water quality of the Qiangwei River. Results manifest that the tail projects can effectively improve the water quality of the Qiangwei River. The concentration of various water quality indicators in the river segment near the water intake of water plant has decreased by nearly 50%. Except for total phosphorus and total nitrogen，all indicators meet water quality standard III，thus further ensuring the safety of Lianyungangs drinking water supply.

Key words：Qiangwei River；tail water diversion；water quality