基于動態水環境模型的龍王港流域綜合治理方案及評估

彭麗紅,代洪亮

(1.長沙市規劃設計院有限責任公司,湖南長沙 410125;2.江蘇科技大學環境與化學工程學院,江蘇鎮江 212003)

流域生態環境是區域經濟可持續、高質量發展的關鍵[1]。根據《2020年中國生態環境狀況公報》[2],全國3.0%的地表水、1.7%的流域水質為Ⅴ類及劣Ⅴ類,5.4%的重要湖泊(水庫)水質為劣Ⅴ類,水環境質量仍然較差。隨著城市高強度開發建設,流域生態環境面臨巨大壓力,水資源、水環境問題凸顯,呈現流域性、系統性特點,局部化、碎片化的傳統單一治理模式難以解決流域水環境面臨的結構性、根源性矛盾[3-5],需要更為系統、綜合、先進的流域治理技術手段。2021年12月,國家發展和改革委員會印發的《“十四五”重點流域水環境綜合治理規劃》中明確指出,需加快流域水環境綜合治理思路和模式創新,深化流域水環境綜合治理試點,推進農村水環境協同治理。

本文以龍王港流域為研究區域,以現狀調查為基礎、以問題為導向,按照“流域統籌、系統治理、以效定案、分片分期、精準施策”的流域水環境治理思路,將流域分為龍王港上游、雷鋒河、肖河及龍王港中下游四大片區。并利用基于MIKE工具構建的動態水環境模型,以水環境容量和污染負荷控制為核心,根據農村區域、未建城區、新建城區、老城區等類型,因地制宜地提出各區域、各階段的治理目標,科學合理地制定分片、分期的水環境治理方案,實現多目標融合、遠近期結合、差異化施策。另外從污染削減、水質改善等方面對流域水環境治理方案進行評估,為特征相近的流域水環境治理及評估提供參考,對水環境改善及工程實施具有借鑒意義。

1 區域概況及研究方法

1.1 流域概況

龍王港流域位于長沙市湘江新區核心區域,流域面積為173 km2。流域內水系發達,主要涉及龍王港及其支流雷峰河、肖河共3條河流,雷鋒湖、梅溪湖、咸嘉湖共3處湖泊,魚婆塘、大沖、石沖、牌樓壩、新華、蓮花塘、石塘及洪寺庵共8座水庫,水系分布如圖1所示。龍王港由西向東至岳麓區溁銀橋匯入湘江,屬于長江一級支流,全長達28.9 km,多年平均流量為3.67 m3/s,多年平均地表水資源量為1.15億m3。

圖1 流域水系及分區Fig.1 Drainage System and Zoning

1.2 技術路線

根據現狀水環境調研數據和水環境功能區劃,利用ArcGIS和MIKE工具搭建管網及河網的水文、水動力、水質耦合模型,結合負荷計算模型和環境容量評估模型,開展流域現狀水環境動態評估,明確污染排放與水體水質變化的響應關系,研究流域水環境變化規律。在此基礎上,提出流域水環境治理目標,制定綜合、系統的分期分片治理方案,并評估方案的目標可達性。技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線Fig.2 Technical Route

2 動態水環境模型構建

2.1 模型構建

2.1.1 水文、水動力及水質模型

本次研究采用丹麥水力研究所(Danish Hydraulic Institute,DHI)研發的MIKE系列軟件對流域管網、河網構建水文、水動力、水質模型,是用于模擬城市集水區和排水系統的地表徑流、管流、水質和泥沙傳輸的專業工程軟件包,可研究管網各排口不同條件下水量、水質的時空變化特征。梳理修正后的地形、下墊面、水系及排水管網數據,導入MIKE URBAN模型進行概化。在此基礎上,根據泰森多邊形法為管道每個節點分配子集水區,并利用GIS和MIKE工具建立排水管網、流域河網、水工建筑物一維拓撲關系,結合污染負荷模型,構建一維MIKE URBAN管網水文、水動力、水質模型和一維MIKE 11河網水文、水動力及水質模型,模擬區域的典型降雨徑流、污染負荷及時空分布特性,評估污染源對流域水質影響。

2.1.2 污染負荷模型

參考《第一次全國污染源普查公報》,采用入河系數法,通過各片區常住人口、單位人口污染負荷產生量及入河系數進行污染源入河負荷估算。建模時,晴天溢流量、農村生活污染、畜禽養殖、內源污染均按全年均勻入河,雨污混流和農田徑流污染隨降雨徑流均勻入河。污染負荷模型如式(1)～式(2)[3]。

Wp,j=∑φpiθpi,j·C·T

(1)

Wn,j=∑φniθni,j·Sni·T

(2)

其中:Wp,j、Wn,j——點、面源污染物j單位時間內的污染排放量,t/a;

φpi、φni——i點處點、面源污染物入河系數;

θpi,j、θni,j——i點處點、面源污染物j的排污系數;

C——i點的單位產生量,mg/L;

T——計算時段,d;

Sni——污染物類型i的面積或人數,m2或人。

2.1.3 水環境容量模型

根據水環境功能區劃,結合流域特性、污染源分布情況,將流域劃分為4個控制計算單元,包括雷鋒河、龍王港上游、肖河及龍王港中下游。利用《全國水環境容量核定技術指南》中推薦的一維河流模型,如式(3)～式(4),按照多年平均最枯月90%保證率的設計流量條件來計算流域水環境容量。

(3)

(4)

其中:Wi——第i個排污口允許排放量,t/a;

Ci——河段第i個節點處的水質本底質量濃度,mg/L;

Cn——沿程質量濃度,mg/L;

Qi——河道節點后流量,m3/s;

Qj——第i節點處廢水入河量,m3/s;

K——綜合降解系數,d-1;

u——第i個河段的設計流速,m/s;

x——計算點到第i節點的距離,m;

W——環境功能區內的水環境容量,t/a。

2.2 模型輸入條件

2.2.1 設計降雨

根據《降水量等級》(GB/T 28592—2012)并結合長沙20年降雨資料,將日降雨進行劃分為小雨(<10 mm)、中雨(10～25 mm)、大雨(25～50 mm)、暴雨(50～250 mm)、大暴雨(>250 mm)共5等級。以2017年為評估基準年,全年降雨量為1 515 mm,全年有超過1/3為雨天,主要為小于10 mm的小雨,約占70%,大暴雨僅有一場,占全年雨量的8.4%,各等級降雨的雨量分布較為均勻。基于最不利原則,選取各等級中降雨強度偏大的場次作為該等級典型降雨(圖3)。

圖3 不同等級典型降雨過程Fig.3 Typical Rainstorm Process of Different Grades

2.2.2 監測數據

在龍王港干流、支流、河口及上游水庫等位置選取31個監測點,于2018年3月—5月分別進行晴天、雨天水質采樣,前綴QH、QG、XYH、XYG的監測點分別為晴天河道、晴天管網排口、雨天河道及管網排口水質采樣點,對監測點水質的CODCr、氨氮、TP 3類指標進行檢測。

2.2.3 管網及下墊面概化

管網和下墊面是水環境模型的重要輸入數據,需對收集到的管網及下墊面普查數據進行梳理概化,保證模型的精度[6]。流域排水系統復雜,存在雨污合流與分流共存、節點位置偏移、流向反向、管線缺失、管線逆坡或重復等情況,利用AutoCAD軟件進行概化處理后,導入ArcGIS軟件進行拓撲檢查與修正。最終模型輸入排水管道總長為812.6 km,其中污水管為350.7 km,雨水管及合流管為461.9 km。同時,利用ArcGIS工具將下墊面概化為植被、水體、道路、建筑物和其他5大類,以便于MIKE建模和地表徑流污染累積計算。圖4為流域管網及下墊面概化結果。

圖4 管網及下墊面概化Fig.4 Generalization of Pipe Network and Underlying Surface

2.2.4 水位水質邊界

流域水文水動力模型的上游邊界選取各個水庫的下泄流量,下游邊界選取湘江的水位。水質模型邊界包括開邊界和污染負荷邊界,上游邊界采用各個水庫晴天監測的CODCr、氨氮及TP平均值,下游開邊界按湘江Ⅱ類水質標準給定,CODCr、氨氮、TP取值為15.0、0.5、0.1 mg/L;污染負荷邊界按點源和面源的污染負荷年均值設置。

2.3 模型參數設置

模型參數設置決定模型模擬的準確度,流域水文水動力模型主要涉及的參數為平均坡面流速、模擬時間步長、管道曼寧系數、檢查井局部水頭損失,流域水質模型主要涉及的參數為衰減系數和擴散系數;水環境容量模型主要涉及參數為污染因子綜合降解系數,模型參數設置如表1所示。

表1 模型參數設置Tab.1 Model Parameter Setting

2.4 模型率定與驗證

采用2017年3月26日場次的晴天監測點QG1、QG2、QG3進行水量率定,在此基礎上,采用2017年4月22日場次的雨天監測點XYG10、XYG11、XYG13及XYG14率定管網水質模型。同時,采用梅溪湖水文站流量和水位率定流域水文水動力模型,通過27處河道監測斷面數據率定流域水質模型。以CODCr為率定因子、QG1、XYG10、QH3為例的模型率定結果如圖5所示。采用納什系數(NS)和相對誤差(RE)作為水質水量模型模擬精度的評價指標,經分析,QG1、河道的水量率定NS分別為0.77、0.83,XYG10、QH3的水質率定RE分別為9.1%、4.5%,皆滿足NS>0.75、RE<10%的要求,表明模型模擬結果較為準確,與實測數據吻合度較高,建立了污染負荷、水動力條件與水質之間的響應關系,可滿足污染評估的需求。

圖5 模型率定Fig.5 Model Calibration

3 水環境現狀評估

3.1 溢流污染分析

基于MIKE URBAN管網水質水量模型,根據水質水量調查結果,選取典型場次的小雨、中雨、大雨及暴雨模擬現狀水平年區域排口的污染溢流情況,以CODCr、氨氮及TP作為水質參數,分析溢流濃度變化及其年負荷分配特性,評估溢流污染對流域水質的影響。經分析,流域CODCr、氨氮、TP溢流污染負荷總量分別為6 055.1、677.3、81.1 t/a,晴天溢流占54%～65%,主要溢流點為南園路排口和財經泵站。35%以上的污染負荷來源于雨季溢流污染,以小雨、中雨為主,主要集中在龍王港中下游及肖河區域,由于肖河流域內管網分流建設較完善、地勢較高且位于截污干管上游,入河負荷較龍王港中下游更低。各排口污染負荷分布不均,南園路排口、咸嘉湖排口為污染負荷較大的2個排口,約占所有排口降雨負荷的53%、21%。

3.2 污染負荷評估

基于區域土地利用強度和晴雨天水質水量調查,識別和統計各區污染來源、類型及時空變化特征。點源污染主要包括生活污染、晴天溢流以及雨污混流污染;面源污染主要包括農村生活污染、農村徑流污染以及畜禽養殖污染;內源污染主要為污染物沉積于底泥中重新釋放的污染。據模型估算,流域CODCr、氨氮、TP污染負荷總量分別為8 293.902、932.752、121.720 t/a,其中晴天溢流及雨污混流溢流貢獻率最高,占流域總負荷的70%～78%,主要影響河段為肖河及龍王港中下游;其次分別是農村徑流污染及生活污染,占總負荷20%～28%,主要影響了雷峰河及龍王港上游河段;內源污染、畜禽養殖污染占比最低,各河段污染分布如圖6所示。

考慮到污染的產生機制,流域污染負荷隨降雨呈現顯著的季節性分布,如圖7所示。雨季污染負荷約占全年的60%,以農村和建成區的徑流污染為主,受降雨強度影響,6月、7月污染負荷最大;晴天溢流、農村生活污染、內源污染以及畜禽養殖污染則不受降雨影響,全年均勻下河,其中肖河基本無晴天負荷,溢流負荷隨降雨呈顯著變化,龍王港中下游晴天溢流量較大,負荷年內變幅不大。

圖7 污染負荷年內變化Fig.7 Annual Changes of Pollution Load

3.3 水環境容量核算

經模型模擬評估,污染指標為CODCr、氨氮、TP的水環境容量如表2所示。受到上游來流的影響,區域水環境容量與其匯水面積相關,龍王港中下游河道由于具有較大的來流流量及區間匯流,CODCr、氨氮、TP水環境容量最大,雷鋒河次之,龍王港上游位居第3,肖河匯水面積小,水環境容量最小。由于龍王港流域上游為山區河道,中下游為城市河道,主要來水為本地的降雨徑流,其水量呈明顯的豐水期、枯水期變化特征。6月、7月隨降雨強度增大,水環境容量達最大,加之流域為季風性氣候,降雨時間分布不均勻,因此,水環境容量在年內有較大的變化,如圖8所示。另外,污染物質在水環境中的自凈能力受到水力停留時間、流域特性等影響,各河道水質指標環境容量存在一定差異,CODCr具有較大的自凈能力,TP自凈能力較差。

表2 水環境容量計算Tab.2 Calculation of Water Environment Capacity

圖8 水環境容量年內變化Fig.8 Annual Variation of Water Environmental Capacity

3.4 水環境現狀評估

隨著流域人口和經濟的持續增長,生活污水、工業廢水及農業農村污水排放量劇增,污染物排放總量超過了龍王港流域水環境容量,水環境問題突出。龍王港、雷鋒河上游等未建成區主要污染來源于農村生活垃圾、農村徑流、生活污水、畜禽養殖廢水以及農藥化肥等面源污染,排放的氮、磷造成水體富營養化;龍王港、雷鋒河、肖河中下游等已建城區人口密集,由于污水收集和處理設施不完善,雨污分流不徹底,部分污水未經處理直排水體,溢流污染嚴重。而流域徑流主要由降雨補給,自然徑流量季節性強,雨季4月—7月徑流量占全年70%以上,上游水庫共855萬m3的興利庫容在滿足農田灌溉后,難以保證枯水季節最小生態流量,斷流時有發生,季節性缺水問題突出。

如表3和圖9所示,晴天流域內除龍王港、雷鋒河上游為Ⅲ～Ⅳ類地表水標準,其他河段水質與水環境功能區劃要求執行的地表Ⅲ類水質標準相差甚遠,現狀基本為Ⅴ類或劣Ⅴ類,Ⅴ類及以下水質的河段占64.5%,主要為雷鋒河松柏路支流及除上游水庫的全河段、肖河全河段、龍王港干流自馬頭壩河下游至入湘江口的全河段。流域整體水質狀況較差,氨氮、TP均有不同程度超標。雨天流域水質全面不達標,水質峰值明顯,河道水質受排口污染溢流影響較大。

表3 流域水環境現狀(Ⅳ類)Tab.3 Current Situation of Water Environment in the Basin (Class IV)

圖9 水質分布現狀Fig.9 Existing Water Quality Distribution

4 水環境治理方案與評估

4.1 治理目標

基于流域的水質模型、負荷計算模型、環境容量評估模型,從河道水環境承載力出發,綜合考慮城市發展、工程可實施性等因素,確定近期、中期和遠期的水環境治理目標(表4),以流域統籌、分片治理、分期建設、以效定案的原則,制定綜合治理方案,逐一實施治理。

表4 分期治理目標Tab.4 Treatment Objectives in Phases

4.2 水環境治理方案概述

針對現狀不同區域在不同階段存在的水環境問題,提出流域水環境綜合治理方案,如表5所示。雷鋒河及龍王港上游現狀主要污染源為農村生活污染、農村徑流污染,伴隨區域開發,逐步變成建成區徑流污染、農村生活污染及徑流污染。因而,龍王港上游建成區以生活截污及徑流控制方案為主,農村采用限制性開發,在農村區域污染控制的基礎上,實行新開發區域雨污分流。結合城鎮發展,雷鋒河近期以建成區生活污水納入市政管網、農村生活污染分散收集治理、農村徑流污染控制為主;遠期在建成區面積擴大、完全雨污分流的情況下,利用中期建設工程收集處理初期雨水徑流污染。肖河及龍王港中下游開發建設空間基本飽和,隨著人口密度不斷增加,以生活污水及建成區徑流為主的污染負荷增加,在污水處理廠提標擴建的基礎上,分期開展市政管網分流改造和末端調蓄設施建設,以實現溢流和徑流污染控制。

表5 水環境治理方案Tab.5 Water Environment Treatment Scheme

上述方案中,近期完善市政管網27.5 km,封堵現狀截污坎、槽,新建截污管網39.5 km,市政雨污錯混接分流及截污改造共824處,增設4處污水提升及分布式污水處理設施,對截流污水及初期雨水進行全處理;晴天利用50萬t/a的雷鋒污水廠尾水(Ⅳ類)對肖河及龍王港中下游分別補水1.00、4.79 m3/s,雨天全部尾水就近直排龍王港。中期完善市政管網達30.0 km,封堵末端截污槽共37處,市政雨污錯接點改造23處,小區內部雨污錯接點共398處,新建山水分離管共29 km、截洪溝共131 km、初雨截流管道共26.6 km,建設調蓄池共24個,調蓄規模為22.6萬m3,配套4處雨水凈化區建設;同時,完成262個建成及未建成小區的海綿城市建設,另在龍王港河口處設置泵站,對雷鋒河進行補水,規模為1.5 m3/s。遠期基于近、中期方案,結合區域發展,進一步雨污分流,肖河完成85%,龍王港下游完成80%,雷鋒河及龍王港上游新建成區100%雨污分流。

4.3 方案評估

規劃方案實施后,通過模型模擬評估龍王港流域的污染削減和水質改善情況,如圖10和圖11所示。結果表明,按多年平均最枯月90%保證率的設計流量條件,基于典型年的降雨條件和邊界條件,近期方案實施后流域年CODCr、氨氮、TP污染分別削減了62.2%(5 162.0 t/a)、78.7%(733.9 t/a)、70.1%(85.5 t/a),龍王港上游水質基本達Ⅳ類標準,雷鋒河、肖河及龍王港中下游受氨氮、TP限制性指標影響難以達到Ⅳ類標準;中期方案實施后流域年CODCr、氨氮、TP污染分別削減了78.5%(6 515 t/a)、84.1%(793.8 t/a)、77.6%(94.6 t/a),區域基本達到Ⅳ類水質標準,CODCr、氨氮、TP達標率提高至91.5%、64.1%、82.7%,雷鋒河上游及龍王港上游滿足Ⅲ類水質標準;遠期方案實施后流域年CODCr、氨氮、TP污染分別削減了82.0%(6 801 t/a)、92.0%(858.3 t/a)、86.2%(105.1 t/a),CODCr、氨氮、TP的Ⅲ類水質達標率為80.8%、64.1%、84.1%,流域基本達到地表水Ⅳ類水質標準,龍王港上游達到地表水Ⅲ類水水質標準,典型小雨工況下水質情況如圖11所示。雷鋒污水廠提標改造是遠期達到Ⅲ類水質標準的前提條件。總體上,流域實際污染削減量高于目標削減量,不同階段區域污染負荷皆低于對應水環境容量要求限值,水環境改善效果逐漸明顯,滿足污染削減和水質改善目標,表明龍王港流域采用的綜合水環境治理思路及技術方案可行。

圖10 方案目標可達性分析Fig.10 Accessibility Analysis of Scheme Objectives

圖11 典型小雨工況下水質分布Fig.11 Water Quality Distribution under Typical Light Rain Conditions

5 結論

本文針對龍王港流域現狀水環境問題,基于MIKE模型建立全流域動態水環境數學模型,對污染負荷和治理方案進行評估。

(1)根據收集到的地形及下墊面、水文氣象、排水系統、水工建筑物等基礎數據,結合污染源調查及水質監測數據,利用MIKE模型對管網、河網搭建一維水文、水動力、水質模型,結合污染負荷模型和水環境容量模型,分析現狀污染負荷和水質時空分布及變化規律。

(2)根據水環境功能區劃要求,結合城市發展,因地制宜地提出分區分期水環境治理方案,近期主要圍繞污染削減和跨流域生態補水展開,中期以徑流污染控制為治理重點,遠期在近、中期的基礎上,提高補水水質標準,進一步控源截污。

(3)基于模型分析,流域現狀全年CODCr、氨氮、TP污染負荷總量分別為8 293.902、932.752、121.720 t/a,以晴天溢流污染及徑流污染為主。綜合方案實施后,CODCr、氨氮、TP污染負荷分別削減了82.0%(6 801 t/a)、92.0%(858.3 t/a)、86.2%(105.1 t/a),水質基本達到Ⅲ類地表水標準,水環境改善效果明顯。