崇明島河網水污染特征及防治研究

劉宏寬，趙庚潤，滕 飛

(1.上海市水利工程設計研究院有限公司規劃科研分院，上海 200061；2.上海灘涂海岸工程技術研究中心，上海 200061)

河網水污染極易引發區域水生生物死亡、水體黑臭等一系列問題，嚴重影響附近人員生活生產安全。近年來，河網水污染已成為社會及公眾關注的焦點。受潮汐影響，感潮河網地區多依靠閘泵控制調度，水體流動性弱，自凈能力較差，更易發生水污染事件[1-2]。2022年1月7日，上海市人民政府發布《崇明世界級生態島發展規劃綱要(2021年～2035年)》，要求在2035年前，島內市、區級河道達到或好于Ⅲ類水體的比例為100%，鎮級河道達到或好于Ⅲ類水體的比例不低于95%[3]。

通過水質監測調查，分析模擬河網水質變化規律，進而掌握水質污染特征，在河網水質污染防治工作中具有至關重要的作用。根據現狀水質監測進行污染溯源，對流域污染變化規律及其組成和空間分布特征進行分析，可找出潛在問題并針對水污染特征提出相應防治措施[4-7]；通過構建數值模型研究區域內各水質要素的時空分布規律，可提出相應防治措施，并分析預期成效[8-11]。

目前，對崇明島從監測數據分析到數值模擬再現的深入研究較少。因此，本研究基于2020年崇明島779個河長辦斷面水質監測數據，探尋崇明島河網水質污染時空分布規律，通過構建水動力水質模型，進一步剖析河網水質污染特征及原因，并提出相應的治理對策建議，以期為推動崇明島水污染防治，服務世界級生態島建設提供重要的技術支撐。

1 數據與方法

1.1 數據來源

研究中涉及的人口、經濟、農業、氣象數據來源于《崇明區統計年鑒》《中國縣域統計年鑒》及崇明區統計局官網，崇明區河長辦監測斷面水質數據來源于崇明區水務局。

1.2 研究范圍

崇明島地處長江入海口，是世界最大的河口沖積島。崇明島河網水系密布，由32條骨干河道(市管及區管)，600余條橫向鎮管河道與之溝通，中間另有15 000條村級河道及泯溝與之相連，現狀(2020年)河湖水面率9.07%[12]。崇明島779個河長辦監測斷面點位空間分布及2020年全年年均水質情況見圖1。

1.3 研究方法

1.3.1 污染物評價及核算

本研究水質評價依據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》[13]進行單因子評價，即

(1)

(2)

式中，pi為單項指標污染指數；Pi為斷面綜合污染指數；ci為評價指標實測濃度；c0為對應指標標準濃度允許的最高值；n為該斷面水質評價總指標總數。

生活污染、種植業及養殖業非點源污染物入河量依據《排放源統計調查產排污核算方法和系數手冊》(2021)附表2及附表3進行核算[14]。

地表徑流污染負荷計算采用輸出系統模型法進行核算[15-16]，核算公式為

Q=0.001·EMC·R·A·P

(3)

式中，Q為面源負荷量，kg；EMC為下墊面降雨徑流事件平均濃度，mg/L；R為年徑流系數；A為集雨面積，km2；P為降雨量，mm。

1.3.2 污染物遷移轉化過程模擬

本研究通過一維非恒定流Saint-Venant方程組及對流-擴散方程，構建一維河網水動力水質模型，對崇明島河網水流狀態及污染物的遷移轉化過程進行模擬。

水流連續方程為

式中，B為水面寬，m；h為水深，m；t為時間，s；Q為流量，m3/s；x為河段長，m；q為旁側入流或出流，m3/s。

水流動量方程為

式中，u為斷面平均流速，m/s；g為重力加速度，m2/s；n為糙率；A為河道斷面面積，m2；z為水位，m；R為水力半徑，m。

污染物遷移轉化方程為

式中，ci為水質指標濃度，mg/L；Ex為河流污染物擴散系數，m2/s；Sci為源漏項，Sci=-kihci，其中ki為對應于ci的降解系數，d-1。

1.3.3 污染物平衡關系

河網納污量是源(入量)和匯(出量)交替的動態存量，依據質量守恒關系，即

ΔW=(Wj+Wo)-(Qi+Qp)

(7)

式中，ΔW為河網納污通量；Wj為時段降解量；Wo為河網外排污染物通量；Qi為引水口門污染物匯入通量；Qp為污染物入河量。

2 結果與分析

2.1 實測水質分析

由圖1可知，III類及以上水體測點共539個，占比69.2%；Ⅳ類水體測點237個，占比30.4%；Ⅴ類水體測點3個，占比0.4%。現狀水質情況離要求差距較大，其中26個國考、市考斷面中，Ⅲ類及以上水體占比80.8%，Ⅳ類水體占比15.4%，Ⅴ類水體占比3.8%。崇明島2020年溶解氧基本達標，總磷超標(IV類、Ⅴ類、劣Ⅴ類)嚴重，高錳酸鹽指數、氨氮濃度大面積范圍已越過III類水體指標下線，如圖2所示。

圖2 崇明島污染監測插值(水質指標)

崇明島不同月份水質評價成果如表1所示。由表1可知，崇明島水質隨季節呈現出顯著的變化，冬春季水質較好，11月～翌年3月超標水體占比低于45%，水質2月份超標最少，超標點位占比27.08%；夏秋季水質較差，4月～10月超標水體占比均超過50%，尤以夏秋季4個月(6月～9月)超標最為嚴重，7月份超標點位占比96.27%。

崇明島河網月際水質監測點評價分布情況如圖3所示。由圖3可知，高污染集中在城橋鎮(西北區域)、陳家鎮(東南區域)、新海農場(北部)等種植區，污染強度較高的地區與糧食產區及中心城鎮高度吻合，其余地區污染分布分散。全島既有集中污染區域，又存在大面積面源污染，污染防治難度較大。

圖3 崇明島逐月水質污染分布

2.2 河網納污分析

崇明區2020年高錳酸鹽指數、氨氮、總磷的非點源污染來源統計結果如圖4所示。由圖4可知，污染主要來源于種植業，高錳酸鹽指數、氨氮和總磷3個水質指標污染種植業負荷量占比均超80%。

圖4 崇明島非點源污染來源分布

統計崇明島2020年降雨情況，并以蔬菜產量為指標衡量崇明島肥料施用情況，如圖5所示。由圖5可知，崇明島主要污染(以主要污染物總磷為例)情況與降雨及施肥情況顯著相關，施肥月份與水質較差的時段保持一致，水質濃度隨降雨量季節性變化。春季及夏季過度施肥，冗余的氮、磷元素沉積和吸附在土壤中，6月～8月伴隨農田漫灌及強降雨，污染物大量進入河網。種植業是崇明島河網污染的來源，降雨是污染物進入河網的催化劑。

圖5 崇明島總磷濃度-降雨量-蔬菜產量關系

依據水動力水質模型結果，分骨干河道(市管及區管河道)及支級河道(鎮管及以下河道)提取各河段水量及納污量，崇明島骨干河道年均水量約9.54萬m3，年納污量約7.8 t；支級河道年均水量約11.32萬m3，年納污量約20.0 t，如圖6所示。由圖6可知，環島運河等骨干河道占河網總水量的46%，納污量僅占比28%；而鎮管等支級河道占總水量的54%，納污量卻占比高達72%。說明骨干河道水量略低于支級河道水量，但污染物主要存在于支級河道中，且骨干河道納污量年內變化較小，基本能維持在一個穩定且不超標的水平上，而支級河道納污量年內變化較大，污染水平較高的夏秋季納污量約是污染水平較低的冬春季納污量的2倍。

圖6 崇明島骨干及支級河道納污量

崇明島河網污染物引排水削減量為河網排出和攝入污染物的差值，依據公式(7)計算河網自凈降解量，其與引排水削減量的關系如圖7所示，各月引調水及河網自凈削減量及占比如表2所示。崇明島河網污染物削減主要依靠自凈降解，且春秋兩季流動性強的月份，自凈降解量較高；引排水能起到一定的削減作用，在水動力強、污染高的夏秋季削減量高，占比約25%～30%，在流動性低的冬季削減量低，占比約10%～15%，其余的月份占比15%～20%。

2.3 河網污染防治對策

崇明島河網水質污染主要來源為種植業污染，污染物主要囤積在支級河道，呈典型的季節性變化及降雨正相關性，污染削減方式主要依靠河網自身降解。因此，為治理崇明島河網水質污染，須從外部污染削減攔截、內部污染重點治理和河網自凈能力提升3個方面開展。

通過增加有機肥施放量、節水灌溉、治理農田末端尾水等方式，削減農業面源負荷量及污染物入河量，可有效降低土壤中囤積的氮磷物質含量；通過疏浚和加寬支級河道，連通斷頭河道，發揮崇明島現有涵閘的引排功效，在保障防洪安全情況下抬升河網水位，增加引排頻次等方式提升河網流通性，增加河網自凈能力。

此外，增強崇明島支級河網流動性的同時，支級河道內部囤積的污染物大量擴散至骨干河道，短期內有引發河網污染加劇的可能，應在重點地區開展集中水污染治理，盡量削減污染擴散程度。

3 結 論

(1)崇明島水質達標率69.2%，污染強度較高的地區與糧食產區、城橋鎮等中心城區高度吻合，其余地區污染分布分散；水質月際差異明顯，4月～10月超標水體占比51.69%～96.27%，11月～3月超標水體占比27.08%～44.46%。

(2)種植業是崇明島河網污染的來源，冗余的氮、磷元素沉積和吸附在土壤中，夏秋季伴隨農田漫灌及強降雨進入河網；污染物主要囤積于支級河道內部，骨干河道水量占比46%，納污量占比28%，支級河道水量占比54%，納污量占比72%。

(3)崇明島河網污染物削減主要依靠自凈降解，且春秋兩季流動性強的月份，自凈降解量較高；引排水能起到一定的削減作用，在水動力強、污染高的月份削減量高，占比約30%，冬季等流動性低的月份削減量低，占比約10%。

(4)針對崇明島河網水質污染特征，治理須從外擋源漏、重點治理、內提動力出發，削減河網納污量，重點開展支級河道污染治理，提升河網水動力，增強河網自凈能力。建議通過凈化支級流域末端尾水、提升支級河道流動性、開展高污染片區集中治理、加大引排能力及頻次等針對性措施有效改善污染程度。