劉默蕾，俞芳琴，劉 俊

(1. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2. 南京市浦口區(qū)水務(wù)局，南京 211800)

城市圩區(qū)一般人口眾多、注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展，點(diǎn)源及面源污染較為嚴(yán)重，且多處于平原河網(wǎng)地區(qū)，地勢(shì)低洼，閘控河道居多，水體自然流動(dòng)性差，水體更換周期長，污染易進(jìn)難出，導(dǎo)致城區(qū)水環(huán)境容易形成惡性循環(huán)，污染負(fù)荷居高不下[1,2]。著眼于此，許多學(xué)者運(yùn)用多種手段對(duì)如何改善城區(qū)水環(huán)境從不同角度作出了分析與研究。凌濤、顧麗新等提出應(yīng)在新建或整治河道、調(diào)水、截污清淤、整治斷頭浜等方面改善城市水環(huán)境[3,4]；趙立亞基于水環(huán)境容量與排污量的差值來確定污染物的削減量，進(jìn)而提出污染控制方案[5]；逄敏等提出聯(lián)合控源截污和生態(tài)補(bǔ)水措施提高城區(qū)水質(zhì)[6]；王亞煒等提出了以控制污水廠排量和排放標(biāo)準(zhǔn)為主的氨氮污染控制措施[7]；黃琳煜[8]和王雪[9]等利用MIKE 11模型進(jìn)行了區(qū)域水質(zhì)模擬?？傮w看來，研究方向集中于區(qū)域內(nèi)部因素對(duì)水環(huán)境的影響及引調(diào)水措施對(duì)水環(huán)境的改善效果分析，缺乏城市圩區(qū)對(duì)外圍水體水質(zhì)的敏感性研究。本文以無錫市錫山區(qū)東亭街道為例，著眼于內(nèi)部控源截污水平、外圍河道水質(zhì)、暢流活水3因素對(duì)研究區(qū)水環(huán)境的影響，基于MIKE 11一維水動(dòng)力水質(zhì)模型，通過模擬在分別改善3因素中的1個(gè)或多個(gè)時(shí)的氨氮濃度削減率，對(duì)比分析各因素對(duì)研究區(qū)水環(huán)境的影響比重，為研究區(qū)及其他相似區(qū)域的水環(huán)境治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)水系情況及閘泵位置見圖1。東亭街道屬于平原河網(wǎng)地區(qū)，地面平坦，地勢(shì)較低，水系呈網(wǎng)狀分布，流域面積約為13.24 km2。圩區(qū)內(nèi)部河流眾多，大部分為閘控河道，主要擔(dān)負(fù)排澇功能，外部被桐橋港、九里河、東亭港、冷瀆港4條大河包圍，因其為運(yùn)東大包圍圩區(qū)內(nèi)的圩中圩，外圍河道與內(nèi)部河道交界處全部設(shè)有閘泵控制(見圖1)，整體流動(dòng)性差，自凈能力弱。研究區(qū)地處錫山區(qū)中心城區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，內(nèi)部人口密集，生活污染量大，外圍骨干河道長期承接周邊地區(qū)排放的污水，內(nèi)外污染嚴(yán)重。以上因素導(dǎo)致研究區(qū)水環(huán)境狀況長期較差。近年，研究區(qū)采取了一系列措施整治河道污染，如推進(jìn)控源截污、河道清淤、引調(diào)清水等，但內(nèi)河水質(zhì)類別仍主要為劣Ⅴ類。

圖1 研究區(qū)水系、監(jiān)測斷面及閘泵位置Fig.1 Water system and monitoring cross-section of the study area

分析研究區(qū)2017、2018年的各水質(zhì)指標(biāo)(NH3-N、TP、高錳酸鹽指數(shù))逐月檢測資料可知，區(qū)內(nèi)13個(gè)監(jiān)測斷面非汛期水質(zhì)均為劣Ⅴ類，且各水質(zhì)指標(biāo)負(fù)荷情況差距較大，見表1。由表1可知，與地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，近2 a氨氮的超標(biāo)情況最為嚴(yán)重，研究區(qū)的主要污染因子為氨氮。

表1 研究區(qū)各污染物指標(biāo)情況Tab.1 Indicators of pollutants in the study area

2 研究方法

2.1 HD及AD模塊原理

由丹麥DHI公司開發(fā)出的MIKE 11模型廣泛適用于平原河網(wǎng)地區(qū)，界面友好、便于操作，在國內(nèi)認(rèn)可度較高。本文結(jié)合區(qū)域特征及水環(huán)境特性，選擇MIKE 11模型水動(dòng)力(HD)及水質(zhì)(AD)模塊模擬分析各因素對(duì)研究區(qū)水環(huán)境的影響[10]。

水動(dòng)力(HD)模塊是MIKE 11的核心模塊，用以模擬河流及河口水流，其理論基礎(chǔ)是圣維南方程組，離散方法為有限差分法，方程描述如下：

式中：Q為流量，m3/s；q為側(cè)向入流量，m3/s；A為過水面積，m2；h為水位，m；R為水力半徑，m；C為謝才系數(shù)；α為動(dòng)量修正系數(shù)。

水質(zhì)(AD)模塊需在HD基礎(chǔ)上建立，可以模擬污染物在水體中的對(duì)流和擴(kuò)散過程，可恒定衰減常數(shù)模擬非保守物質(zhì)，其一維對(duì)流擴(kuò)散方程如下：

式中：C為污染物濃度，mg/L；D為擴(kuò)散系數(shù)，m3/s；K為線性衰減系數(shù)，h-1；C2為水源污染物濃度。

2.2 模型建立與率定

模型以九里河、桐橋港、冷瀆港、東亭港為邊界河道，概化河網(wǎng)及水工建筑物。因研究區(qū)缺乏流速及水位資料，且處于平原地區(qū)及圩區(qū)內(nèi)，水體常年不流動(dòng)，水位取無錫城區(qū)常水位，糙率依據(jù)無錫城區(qū)以往經(jīng)驗(yàn)推薦值[11,12]，取經(jīng)驗(yàn)值0.02。

取初始氨氮濃度1.00 mg/L，擴(kuò)散系數(shù)10 m2/s。邊界氨氮濃度根據(jù)2017、2018年非汛期實(shí)測資料，取桐橋港斷面5.02 mg/L，東亭港斷面6.79 mg/L，冷瀆港斷面7.30 mg/L，九里河斷面3.86 mg/L，均為劣Ⅴ類水平。

研究區(qū)水體污染主要為生活污染，基于現(xiàn)狀研究區(qū)控源截污水平在70%左右，依據(jù)2017、2018年研究區(qū)污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)水量資料輸入污染源。取研究區(qū)13個(gè)監(jiān)測斷面(見圖1)2017、2018年的非汛期水質(zhì)資料，去除異常月份后取各斷面的月平均氨氮濃度值作為對(duì)照，率定得到氨氮的降解系數(shù)為0.036 d-1。各監(jiān)測斷面的率定值與實(shí)測值對(duì)比見圖2，相對(duì)誤差為5.39%±11.33%，計(jì)算值與實(shí)測值較為接近，說明模型能夠較準(zhǔn)確地反映研究區(qū)河網(wǎng)的實(shí)際水質(zhì)情況。

圖2 各斷面率定值與實(shí)測值對(duì)比Fig.2 Comparison between the measured and fixed values of each section

3 各因素影響對(duì)比分析

3.1 方案設(shè)置

在現(xiàn)狀條件下，研究區(qū)控源截污水平為70%左右，外圍桐橋港、九里河、冷瀆港、東亭港的水質(zhì)長期穩(wěn)定在劣Ⅴ類水平，外圍4條河道與圩內(nèi)河道交界處閘門及圩內(nèi)各涵閘在常態(tài)下均為關(guān)閉狀態(tài)，河水流動(dòng)主要依靠動(dòng)力條件。在研究區(qū)以東，有一調(diào)水樞紐(九里河?xùn)|樞紐)位于九里河和走馬塘交口(見圖3)，開啟時(shí)可自東向西抽引清水，清水到達(dá)研究區(qū)時(shí)流量約為6 m3/s，水質(zhì)在Ⅲ～Ⅳ類水之間，在調(diào)水期間，可通過閘泵將清水從九里河引入研究區(qū)用于活水。

圖3 調(diào)水水源及方向Fig.3 Water source and direction

在模擬情景中，分別對(duì)研究區(qū)外圍水質(zhì)、內(nèi)部截污水平及暢流活水進(jìn)行模擬設(shè)置。其中，改善外圍水質(zhì)因素時(shí)，將研究區(qū)外圍4條大河的水質(zhì)提升至Ⅳ類水水平，并打開圩區(qū)四周閘門，連通內(nèi)外河道使河水自流；改善內(nèi)部控源截污因素時(shí)，通過削減點(diǎn)源、提高污水接管率等手段，將內(nèi)部截污水平提升至98%左右；改善暢流活水因素時(shí)，設(shè)置清水水質(zhì)為Ⅳ類水水平，調(diào)水規(guī)則基于研究區(qū)慣用的調(diào)度規(guī)則，并適度優(yōu)化，具體為以九里河沿線的調(diào)排總站閘、張周橋閘、新屯閘及東亭港沿線的七號(hào)橋港閘、三大房浜閘為清水進(jìn)口，開啟柴巷浜泵、中大浜泵向桐橋港排水，開啟來紅橋泵、北街泵、五房巷浜泵、龍舌尖泵、中堂泵向東亭港排水，此調(diào)度具備充分的實(shí)踐依據(jù)。

基于現(xiàn)狀條件以及模擬情景，本文共設(shè)置8個(gè)方案進(jìn)行分析。方案0為現(xiàn)狀條件，即70%截污水平、外圍水質(zhì)為劣Ⅴ類、無活水流量的條件，取實(shí)測的氨氮濃度值作為對(duì)照方案。方案1～7為改善研究區(qū)內(nèi)部截污水平、外圍水體水質(zhì)、暢流活水3因素中的1個(gè)或多個(gè)，模擬得到13個(gè)監(jiān)測斷面的氨氮濃度。

(1)方案1～3：改善單一因素，模擬其對(duì)研究區(qū)水環(huán)境的改善效果。方案1為提升研究區(qū)內(nèi)部截污水平至98%，外圍水質(zhì)為現(xiàn)狀的劣Ⅴ類水平，且不進(jìn)行暢流活水；方案2為在70%的內(nèi)部截污水平下將外圍水質(zhì)提升至Ⅳ類水，不使用九里河?xùn)|樞紐進(jìn)行暢流活水；方案3為在70%的內(nèi)部截污水平、外圍水質(zhì)為劣Ⅴ類水平條件下，從九里河?xùn)|面輸入6 m3/s清水，使用前文所述的調(diào)度方式，進(jìn)行區(qū)域活水。

(2)方案4～7：同時(shí)改善2個(gè)及以上因素，模擬其對(duì)研究區(qū)水環(huán)境的改善效果，即對(duì)方案1～3的不同組合。其中方案4為改善外圍水質(zhì)并進(jìn)行暢流活水；方案5為在98%內(nèi)部截污水平時(shí)進(jìn)行暢流活水；方案6為同時(shí)改善內(nèi)部截污水平和外圍水質(zhì)；方案7為同時(shí)改善3個(gè)因素。

表2 方案設(shè)定Tab.2 Scheme setting

3.2 結(jié)果分析

模擬得到在各方案下研究區(qū)13個(gè)監(jiān)測斷面的氨氮濃度，取均值代表研究區(qū)整體水環(huán)境情況得出各方案的平均氨氮濃度，見圖4。將方案1～7分別與方案0(對(duì)照方案)對(duì)比，得到各改善方案的氨氮濃度削減率，見圖5。

圖4 各方案平均氨氮濃度對(duì)比Fig.4 Comparison of average ammonia nitrogen concentration in each scheme

圖5 各方案氨氮濃度削減率對(duì)比Fig.5 Comparison of ammonia nitrogen concentration reduction rate in different schemes

結(jié)果顯示，當(dāng)改善單一因素(即方案1～3)時(shí)，氨氮濃度削減率均在50%以上，可看出3種因素均對(duì)研究區(qū)水環(huán)境改善有較為重要的作用。其中改善外圍水質(zhì)時(shí)(方案2)氨氮削減率最高，提升內(nèi)部截污水平(方案1)和進(jìn)行暢流活水(方案3)時(shí)氨氮削減率相近，這說明：外圍水質(zhì)是對(duì)研究區(qū)水環(huán)境至關(guān)重要的影響因素，其重要性超過研究區(qū)自身的水質(zhì)狀況。

當(dāng)同時(shí)改善2因素時(shí)，水體質(zhì)量進(jìn)一步好轉(zhuǎn)，方案4～6的氨氮濃度削減率分別為72.4%、78.3%、80.8%，相比改善單一因素時(shí)，氨氮削減率增幅明顯。橫向?qū)Ρ瓤芍?，改善外圍水質(zhì)同時(shí)進(jìn)行暢流活水(方案4)，改善效果增幅最低，為5.1%，其原因?yàn)檫@2個(gè)因素在本質(zhì)上都是從外部向圩區(qū)輸入清水，改善作用有較大重疊。而提升內(nèi)部控源截污水平分別疊加暢流活水(方案5)、改善外圍水質(zhì)(方案6)時(shí)改善效果增幅較大，分別為24.7%、27.2%，效果相近，可使平均氨氮濃度下降至V類水水平，且氨氮削減率達(dá)到80%左右，此時(shí)相當(dāng)于同時(shí)改善圩區(qū)內(nèi)外水環(huán)境，改善作用重疊性較小。

當(dāng)3因素同時(shí)改善(方案7)時(shí)，氨氮削減率為85.5%，平均氨氮濃度可達(dá)到IV類水水平，這說明本文研究的3種因素是影響研究區(qū)水質(zhì)的最重要的3個(gè)因素。且綜合方案3、4、5、7的模擬結(jié)果可得出，當(dāng)研究區(qū)內(nèi)部截污水平、外圍水質(zhì)條件較差時(shí)進(jìn)行暢流活水，氨氮削減率為50.3%；僅提升研究區(qū)內(nèi)部截污水平時(shí)疊加暢流活水，氨氮削減率增幅為24.7%；僅改善外圍水質(zhì)時(shí)疊加暢流活水，氨氮削減率增幅為5.1%；同時(shí)改善內(nèi)部截污水平和外圍水質(zhì)時(shí)疊加暢流活水，氨氮削減率增幅為4.7%。說明隨著研究區(qū)內(nèi)外本底水質(zhì)的改善，進(jìn)行暢流活水的氨氮削減率增幅越來越小。

4 結(jié)論與展望

(1)對(duì)于處于中心城區(qū)、占地面積較小的圩區(qū)，外圍水質(zhì)對(duì)區(qū)域內(nèi)部的水環(huán)境影響至關(guān)重要，當(dāng)外圍水體水質(zhì)從劣Ⅴ類改善至Ⅳ類水時(shí)，氨氮削減率在67%左右，相較其他2個(gè)因素，對(duì)研究區(qū)水質(zhì)改善效果最優(yōu)。這說明，在圩區(qū)外圍水質(zhì)好轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)在保障水安全的前提下充分使內(nèi)部河道與外界連通，提升水體流動(dòng)性，改善水質(zhì)。

(2)在現(xiàn)狀圩區(qū)內(nèi)部截污水平和外圍水質(zhì)條件下，暢流活水措施對(duì)研究區(qū)水環(huán)境具有良好的改善效果。隨著內(nèi)外水質(zhì)的改善，在疊加暢流活水措施時(shí)氨氮削減率增幅越來越小。暢流活水作為改善水環(huán)境的措施，相對(duì)于提升控源截污水平、改善圩區(qū)外圍水質(zhì)，具有可操性強(qiáng)、見效快的特點(diǎn)，但同時(shí)也易局限于清水流量及區(qū)域水動(dòng)力條件，且治標(biāo)不治本，應(yīng)作為改善區(qū)域水環(huán)境的輔助措施。

(3)本文主要著眼于研究區(qū)整體氨氮濃度的改善情況，在未來可進(jìn)一步分析各河道的流速、流量與其水質(zhì)改善情況的關(guān)系。