太滆運河水環境容量研究

李冰陽

（上?？睖y設計研究院有限公司，上海，200434）

0 引言

水環境容量是指在給定水域范圍內，根據水體水質目標及入河排污口排污方式，在特定水文條件下所計算的單位時間內該水域的最大允許納污量[1]。其值與水域特性、環境功能要求、污染物質類型和排污方式等諸多因素有關[2，3]。水環境容量作為資源環境承載力的重要組成部分，是鏈接水質目標管理與污染總量控制的核心紐帶[4]，科學合理地測算流域水環境容量可為水污染精準防治及水環境精細管理提供科學的依據。

以往的大量研究多關注于點源污染排放對區域水環境的影響，以及不同水文條件下水環境容量的動態變化，而忽視了點、面源污染入河的季節性特征；枯水期，由地表徑流裹挾入河的面源污染物較少，點源污染對區域水環境的影響占主導作用；豐水期，隨著徑流增大，面源污染入河量的比重升高，對周邊水體的影響不容忽視。因此，需要綜合考慮不同水情條件下點、面源的污染特征來確定點、面源污染協同影響的水環境容量[5]。

本文選取太滆運河匯水區為研究區域，考慮上游來水水質、區域點源污染、區域面源污染，利用解析公式法計算水環境容量，并通過建立一維河網水量、水質模型，驗證該方法具有合理性，為后續區域水污染防治及水生態治理提供可靠基礎。

1 研究區域概況

1.1 水系及水文特征概況

1.1.1 水系概況

太滆運河是江蘇省常州市武進區內的骨干河道，也是貫通滆湖和太湖的主要河道之一，河道總長22.45km，河道底寬20 ～50m，河底高程-1.60m ～-1.20m（黃海高程），坡比1：3[6]。正常情況下水流由西向東，西段主要是滆湖出水、上游武宜運河來水在坊前橋匯合，中段與增產河交匯，并接納武進城區永安河來水，東段與錫溧漕河、漕橋河匯合后入太湖。本次研究區域為太滆運河匯水區域，主要涉及太滆運河、武宜運河、永安河、增產河以及錫溧漕河。研究區域內水系見圖1。

圖1 研究區域水系、水文站、測驗斷面及水質監測斷面示意圖

1.1.2 水文調查

（1）歷史水文數據調查。本次研究收集到的水文數據有：研究區域內1 個水文監測站黃埝橋站和1 個水位監測站坊前（二）站2007 年逐日流量及水位數據。位置分布見圖1。

（2）水文特征現場調查。2019 年10 月21 日～10 月22 日開展每日兩次水文測驗，測驗斷面見圖1，測驗要素為河道流向、河寬、水深、流速以及流量，水文測驗結果見表1。

表1 水文測驗成果

1.2 水環境功能區劃

根據《江蘇省地表水（環境）功能區劃》，太滆運河匯水區域內涉及七個水（環境）功能區，相關情況見表2。

表2 匯水區域地表水（環境）功能區劃

1.3 水環境質量現狀

2018 年對太滆運河及匯水區域內骨干河道進行水質監測，共有19 個水質監測斷面，監測斷面涉及出入湖泊、太滆運河以及各骨干河道，各斷面位置如圖1 所示。根據水質監測結果，太滆運河匯水區域內高錳酸鹽指數基本穩定達標，主要污染因子為氨氮、總磷、總氮，各斷面具體水質達標情況見圖2。

圖2 太滆運河匯水區域內河流水環境質量情況

1.4 污染源現狀

根據統計結果，太滆運河匯水區域內COD、氨氮、總磷排放總量分別為570.55 t/a、47.79 t/a、16.02 t/a，詳見表3。前黃鎮COD、氨氮、總磷排放比重較高，分別占匯水區域排放總量的57.76%、54.21%、66.32%。匯水區域內COD、氨氮排放主要來源于生活污染，分別占排放總量的52.70%、61.28%，其次是農業面源污染、工業污染；總磷排放主要來源于農業面源污染，占排放總量的68.54%，其次是生活污染、工業污染。

表3 匯水區域污染物排放情況 t/a

2 河網水量水質數學模型構建

2.1 河網水量模型構建

2.1.1 控制方程

水量計算的微分方程是建立在質量和動量守恒定律基礎上的圣維南方程組，以流量Q（x，t）和水位Z（x，t）為未知變量，并補充考慮了漫灘和旁側入流的一維形式[7]。圣維南方程組見式（1）。

式中：Q 為流量，m3/s；x 為沿水流方向空間坐標；BW為調蓄寬度，m，指包括灘地在內的全部河寬；Z 為水位，m；t 為時間坐標，d；q 為旁側入流流量，m3/s，入流為正，出流為負；u 為斷面平均流速，m/s；g 為重力加速度，m/s2；A 為主槽過水斷面面積，m2；B 為主流斷面寬度，m；n 為糙率；R 為水力半徑，m。

方程組求解方法：Abbott-Ionescu 六點隱式有限差分法。按照網格點的計算順序交替計算水位或流量，2類計算點又被稱為h 點和Q 點。首先求解各節點處的水位，然后將各節點水位回代至單一的河道方程中，并最終求得各單一河道各斷面水位及流量。

2.1.2 河網概化

太滆運河匯水區域內河道縱橫交錯，本次研究以太滆運河、武宜運河、永安河、增產河、錫溧漕河為主要研究對象，河網概化如圖3 所示。河道總長度約45km，河道斷面間距（計算水位點）在300～600m 之間，模型計算網格（計算水位點、流量點）總數為380 個。

圖3 河網概化圖

2.1.3 邊界條件設置

研究區域河網水量模型開邊界按上游流量下游水位的原則設置，共設置4 個流量邊界（圖3 編號1-4）和3 個水位邊界（圖3 編號5-7）。根據收集到的研究區域內水文、水位觀測站點2007 年流量、水位監測資料對其賦值，部分無法收集到的資料采用枯水期實測水文數據，同時參考全太湖流域水量水質模型計算值，綜合確定設計水文條件。

2.1.4 模型參數率定

受現有資料所限，采用2007 年1 月1 日～3 月31日黃埝橋水文站平均水位監測資料對模型參數進行率定，率定得河道糙率值為0.022 6～0.023 0。黃埝橋水文站水位計算值和實測值分別為3.13m 和3.136m。

兩數值吻合良好，絕對誤差為0.006m，該模型可用于描述研究區域內主要河流的水文變化過程。

2.2 河網水質模型構建

2.2.1 控制方程

河網區水體中污染物對流擴散基本方程見式（2）和（3）。其中，式（2）是河道方程，式（3）是河道叉點方程[8]。

式（2）和（3）中：Q 為流量，m3/s；Z 為水位，m；A 為河道面積，m2；Ex為縱向分散系數；C 為水流輸送的物質濃度，mg/L；Ω 為河道叉點－節點的水面面積，m2；j 為節點編號；I 為與節點j 相聯接的河道編號；Sc為與輸送物質濃度有關的衰減項，例如可寫為Sc=KdAC；Kd為衰減因子；S 為外部的源或匯項。

在對方程求解時，時間項采用向前差分的方式，對流項則采用上風格式求解，擴散項采用中心差分格式。

2.2.2 邊界條件設置

研究區域水質模型與水動力模型基本一致。上邊界取滆湖入太滆運河斷面，下邊界取太滆運河出雪堰鎮斷面。水質模型水動力邊界條件設置均與水動力模型相同，水質邊界條件根據2018 年太滆運河流域水質監測數據確定水質模型入流斷面邊界條件，出流斷面按第二類邊界條件控制。

2.2.3 模型參數確定

根據對蘇南河網地區水質降解系數的研究，COD綜合降解系數取0.09～0.13d-1、氨氮綜合降解系數取0.06～0.09d-1、總磷綜合降解系數取0.06～0.10d-1。

2.2.4 排污口概化

研究區域污染負荷包括點源污染負荷及面源污染負荷。點源污染主要體現在枯水期，按入河排污口位置將點源污染負荷劃分到各河段中，共概化點源排污口14 個，其中6 個直排企業排污口，1 個污水處理廠排污口，7 個生活污水排污口；面源污染主要集中在豐水期，本次研究以河道長度為權重因子，將面源污染劃分到各個包圍該陸域區域的河段中，共概化面源排污口14 個。

3 水環境容量計算及分析

3.1 水環境容量計算方法

目前水環境容量常見的計算方法有解析公式法[9]、系統最優化法[10]、概率稀釋模型法[11]、模型試錯法[12]等。本次研究按照污染物降解機理，采用解析公式法將水環境容量劃分為稀釋容量和自凈容量兩部分。稀釋容量是指在給定水域的來水污染物濃度低于出水水質目標時，依靠稀釋作用達到水質目標所能承納的污染物量。自凈容量是指由于沉降、生化、吸附等物理、化學和生物作用，給定水域達到水質目標所能自凈的污染物量。其計算公式如下：

式（4）中：Q0為進口斷面的入流流量，m3/s；CS為該水體的水質標準，mg/L；C0為進口斷面的水質濃度，mg/L；K 為水質降解系數，1/d；V 為水體體積，m3；q 為旁側入流流量，m3/s；C0′為旁側支流進口斷面的水質濃度，mg/L。

河網地區河道縱橫交錯，研究區域內上、下游河道水質互相影響，水環境容量應采用系統的方法分析計算。區域水環境質量總體上與上游來水水質、區域點源污染負荷、面源污染負荷有關。其中，點源污染主要體現在枯水期，面源污染主要集中在降雨期。據此，從管理的角度，可分別針對不同水情對應的點源、面源污染負荷計算允許排放量，兩者綜合為區域水環境容量。即根據點源污染特征及相應的水文條件確定點源污染物允許排放量；根據面源污染產污機制及時間特征確定面源污染物允許排放量；綜合考慮點、面源污染特征確定點、面源污染協同影響的水環境容量[5]。

3.2 參數選取

太滆運河進口斷面及旁側支河入流流量選用水文特征現場調查數據；水質標準為《江蘇省地表水（環境）功能區劃》中規定的目標值；進口斷面水質濃度采用太滆運河實測數據；水質降解系數參考蘇南河網地區經驗系數，COD 取0.1d-1、NH3-N 取0.08d-1、TP 取0.06d-1。

3.3 水環境容量計算結果

在進行水環境容量的計算時，考慮到旁側支流的匯入會帶來一定的水量及污染物，故對太滆運河分段計算水環境容量，分段示意圖見圖3。根據公式（4）水環境容量計算公式，研究范圍內太滆運河COD、氨氮、總磷水環境容量核算結果見表4。

表4 太滆運河水環境容量核算表 t/a

由于點源污染主要體現在枯水期，面源污染主要集中在降雨期，故太滆運河枯水期水環境容量即為點源污染物允許排放量，豐水期水環境容量除去點源污染物允許排放量后即為面源污染物允許排放量。綜上所述，點源污染物允許排放量為COD 4 725.60 t/a，氨氮77.93 t/a，總磷51.82 t/a，面源污染物允許排放量為COD 17 968.92 t/a，氨氮776.11 t/a，總磷143.76 t/a，二者綜合即為區域水環境容量，詳見表5。

表5 太滆運河匯水區域點、面源污染物允許排放量 t/a

3.4 合理性分析

在考慮水質安全性的基礎上，按現狀等比例分配原則，將點、面源污染物允許排放量分配到各個點、面源[13]。根據點源污染特征、面源污染產污機制以及點、面源污染物允許排放量核算與分配，利用已建立的一維水量水質模型，按相應的設計水文條件及參數取值，預測太滆運河各典型斷面主要污染物濃度值，預測結果見表6。

表6 太滆運河各典型斷面水質影響預測 mg/L

預測結果顯示：點源及面源污染物排放將對太滆運河水質產生一定程度的影響，COD 濃度范圍為17.569～18.731 mg/L，氨氮濃度范圍為0.834～0.924 mg/L，總磷濃度范圍為0.183～0.185 mg/L。各預測斷面污染物濃度均滿足《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）規定的III 類水質標準，由此可知，上述面源污染物允許排放量核算及分配方法基本合理。

4 結論

（1）本文提出考慮點、面源入河季節性特征的水環境容量計算方法，并利用MIKE11 軟件建立水動力、水質模型以驗證其合理性。結果表明：太滆運河水環境容量為COD 22 694.52 t/a、氨氮854.04 t/a、總磷195.58 t/a，其中，點源污染物允許排放量為COD 4 725.60 t/a，氨氮77.93 t/a，總磷51.82 t/a，面源污染物允許排放量為COD 17 968.92 t/a，氨氮776.11 t/a，總磷143.76 t/a。在此最大污染物排放量下，典型斷面均能滿足水質目標，該水環境容量計算方法合理可行。

（2）受現有資料限制，無法進行水質模型參數率定驗證，僅采用蘇南河網地區水質降解系數的經驗值存在一定誤差，同時，因缺少長時間序列邊界條件，無法輸出典型斷面水質影響的動態變化，分析水質達標頻率，后續待充分收集資料后將進一步完善。

（3）建議根據點、面源允許排放量，實施不同水文時期水污染精準防治，進一步完善管網設施，實施污水處理設施全覆蓋，提高污水納管率，同時，加強面源污染防治，提高農村污水治理技術水平。