徐博文，逄 勇，胥瑞晨，汪靜嫻

（1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

長(zhǎng)江因其重要的航運(yùn)功能及豐富的水電、漁業(yè)資源，其水資源及水生態(tài)保護(hù)一直是我國(guó)水環(huán)境保護(hù)工作中的關(guān)鍵課題[1]。作為南京市主要的通江河流之一，城南河水環(huán)境治理、省考斷面提標(biāo)工作對(duì)于保障長(zhǎng)江流域水環(huán)境質(zhì)量有著重要意義。目前，常在確定河流水環(huán)境容量的基礎(chǔ)上，通過削減污染物入河量、制定污染整治方案確?？刂茢嗝嫠|(zhì)達(dá)標(biāo)[2]。應(yīng)用較為普遍的水環(huán)境容量研究方法大致為5 種：模型試錯(cuò)法[3]、系統(tǒng)最優(yōu)化法[4]、公式法[5]及概率稀釋模型法[6]。在地表水方面，用于計(jì)算水環(huán)境容量的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型也不斷進(jìn)步，從一維到三維[7]、從穩(wěn)態(tài)到動(dòng)態(tài)[8]，可模擬污染物類型日益豐富[9]。水環(huán)境數(shù)學(xué)模型已在國(guó)內(nèi)相關(guān)研究中得到廣泛應(yīng)用，朱瑤[10]將SWAT 模型非點(diǎn)源模型及WASP 模型水質(zhì)耦合進(jìn)行苕溪流域水環(huán)境容量核算。趙串串等[11]采用WASP模型建立灞河流域一維水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)模型，制定流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)管理方案。吳睿等[12]利用MIKE11 水質(zhì)模型水動(dòng)力模塊和對(duì)流擴(kuò)散模塊計(jì)算金寨路斷面NH3-N 和TP月均水環(huán)境容量。但大多數(shù)研究所構(gòu)建的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型中污染物衰減系數(shù)來源于其他文獻(xiàn)或經(jīng)驗(yàn)值，不具有地域性和較高的精確度。

本文以城南河為研究對(duì)象，對(duì)其省考斷面——龍王廟斷面進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)及入河污染物分析，構(gòu)建一維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)城南河主要水系水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)率定得到污染物降解系數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行區(qū)域水環(huán)境容量計(jì)算及控制斷面達(dá)標(biāo)方案制定，為南京市城南河水環(huán)境整治提升工作提供一定參考。

1 研究區(qū)域概況

城南河位于南京市浦口區(qū)江浦街道，發(fā)源于老山南部黃山嶺，河道全長(zhǎng)約11 km，干流長(zhǎng)約4.6 km[13]。整體河道呈“Y”型，上游為極樂河、護(hù)城河2 條支流，與西面干流雨山河于鳳凰臺(tái)處匯合后流入長(zhǎng)江[14]。根據(jù)水系流向以及地形高程資料，得出城南河流域匯水面積為62.8 km2，本次研究區(qū)域介于北緯32°1'39"～32°4'44"，東經(jīng)118°35'57"～118°41'2"，屬長(zhǎng)江下游流域區(qū)。該流域區(qū)氣候溫潤(rùn)多雨，根據(jù)中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，得到南京市1986～2017年逐月降雨量及蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出南京市年平均降雨量為1 151 mm，年平均蒸發(fā)量為1 014 mm，研究區(qū)域基本信息概況見圖1。

圖1 研究區(qū)域基本信息概況

近年來，浦口區(qū)城市化建設(shè)步伐的加快，截至2018年末，區(qū)內(nèi)常住人口達(dá)83.86 萬，較2017年增長(zhǎng)5%；各類產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)1 050.11億元[15]。浦口區(qū)社會(huì)事業(yè)得到長(zhǎng)足發(fā)展的同時(shí)，也產(chǎn)生了更為嚴(yán)重的區(qū)域水環(huán)境污染問題。以位于城南河河首的江蘇省省考斷面——龍王廟斷面為例，水質(zhì)目標(biāo)截至2020年應(yīng)達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，但2019年該斷面達(dá)標(biāo)率僅為75%。根據(jù)水質(zhì)現(xiàn)狀和污染源統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，NH3-N 和TP 為造成龍王廟斷面水質(zhì)超標(biāo)的主要污染因子，城鎮(zhèn)生活源為貢獻(xiàn)率最高的污染源，這與瞿一清等[16]的結(jié)論一致。

2 研究方法

2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)材料與方法

根據(jù)城南河流域的地形及污染源分布特征，對(duì)NH3-N 和TP 因子進(jìn)行實(shí)地水質(zhì)監(jiān)測(cè)。由圖1 可以看出，監(jiān)測(cè)共布設(shè)7 個(gè)點(diǎn)位，分別為W0（新勝河已建補(bǔ)水點(diǎn)）、W1（城南河鳳悅橋）、W2（城南河雨山路橋）、W3（城南河南門橋）、W4（城南河珠泉路橋）、W5（城南河浦濱路橋）和D1（龍王廟斷面）。采樣時(shí)間為2018年1～12月每月中旬，將采集水樣存于玻璃瓶?jī)?nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)天分別采用納氏試劑分光光度法及鉬酸銨分光光度法測(cè)定NH3-N 和TP。測(cè)定步驟方法及所用藥品等見圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)水樣中NH3-N 和TP 濃度測(cè)定流程示意

2.2 一維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境模型構(gòu)建

河流數(shù)學(xué)模型是研究水體隨時(shí)間和空間運(yùn)動(dòng)的重要手段之一[17]，非恒定流計(jì)算方法能較好地反映城南河水系實(shí)際情況。計(jì)算采用一維非恒定水動(dòng)力學(xué)及水質(zhì)模型，對(duì)城南河地區(qū)進(jìn)行模型計(jì)算，所構(gòu)建河網(wǎng)概化模型見圖3。

圖3 城南河水系河網(wǎng)概化示意

采用一維非恒定流Saint-Venant 方程組作為水動(dòng)力控制方程[18]，方程如下：

式中：x為空間坐標(biāo)，m；t為時(shí)間坐標(biāo)，s；Q為斷面流量，m3/s；h為水位，m；A為斷面過流面積，m2；R為水力半徑，m；BS為河寬，m；q為旁側(cè)入流量，m3/s；C為謝才系數(shù)，m1/2/s；g為重力加速度，m/s2。

水質(zhì)模型基于水動(dòng)力模型構(gòu)建，用于模擬可溶性物質(zhì)和懸浮物質(zhì)在水體中的對(duì)流擴(kuò)散過程。一維河流水質(zhì)模型基本方程為：

式中：C為模擬物質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/L；υ 為河流平均流速，m/s；Ex為對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；K為模擬物質(zhì)的一級(jí)衰減系數(shù)，d-1；x為空間坐標(biāo)，m；t為時(shí)間坐標(biāo)，s。

2.3 水環(huán)境容量計(jì)算方法

根據(jù)龍王廟斷面水質(zhì)影響區(qū)域地形條件以及各類污染源的空間分布特征，共概化6 個(gè)排污口，具體位置見圖1。參考吳睿等[12]基于MIKE11 水質(zhì)模型的水環(huán)境容量計(jì)算方法，利用已構(gòu)建的水環(huán)境模型進(jìn)行水質(zhì)模擬，模型中污染物的衰減系數(shù)取值為水質(zhì)實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)率定結(jié)果，相較經(jīng)驗(yàn)值具有更高的精準(zhǔn)度。研究區(qū)域內(nèi)城南河水環(huán)境容量計(jì)算公式為：

式中：CS為計(jì)算單元河段水質(zhì)目標(biāo)質(zhì)量濃度，mg/L；C1為河段污水排放質(zhì)量濃度，mg/L；Wi為計(jì)算單元河段水環(huán)境容量，g/s；Q為流量，m3/s；q為計(jì)算單元內(nèi)污水排放量，m3/s；C0為上游來水中的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；L為排污口與計(jì)算斷面的縱向距離，m。

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)及污染現(xiàn)狀分析

根據(jù)南京監(jiān)測(cè)站2019年龍王廟斷面逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析城南河水質(zhì)現(xiàn)狀，城南河斷面達(dá)標(biāo)率僅為75%，其中NH3-N 超標(biāo)率為25%，TP 超標(biāo)率為8%，兩者是導(dǎo)致龍王廟斷面水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的主要污染因子，與2016年瞿一清等[14]所得城南河水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果相近，說明近年來城南河水質(zhì)改善效果并不明顯?；凇赌暇┙y(tǒng)計(jì)年鑒（2019）》以及環(huán)保局提供的環(huán)統(tǒng)資料，分析浦口區(qū)人口、耕地面積、畜牧業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)點(diǎn)源及污水處理廠等情況，由污染物入河量估算公式[19]得到研究區(qū)域內(nèi)NH3-N 和TP 污染物入河量中各類污染源貢獻(xiàn)比例，見圖4。由圖4 可以看出，城鎮(zhèn)生活源因年排量大且污水中NH3-N 濃度較高的特性，導(dǎo)致其對(duì)TP 入河量貢獻(xiàn)率為26%，對(duì)NH3-N 入河量貢獻(xiàn)率高達(dá)43%，成為城南河龍王廟斷面水質(zhì)超標(biāo)的主要污染源。

圖4 入河污染物各類污染源年排放量占比示意

通過實(shí)地水樣采集及水質(zhì)監(jiān)測(cè)，得出2018年城南河主要水系7 個(gè)斷面的NH3-N 和TP 的質(zhì)量濃度，斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及研究區(qū)域內(nèi)6 個(gè)概化排口入河污染物排放量見圖5。結(jié)合城南河水系周邊污染源位置分布特征，可發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)水質(zhì)結(jié)果總體呈上游優(yōu)于下游的趨勢(shì)，這與實(shí)際情況基本吻合。其中，W0 和W1 等上游監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)能夠達(dá)到地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，說明雨山河及極樂河上游來水水質(zhì)均較好；但經(jīng)過中下游城區(qū)河段時(shí)，由于河道沿線遍布居民住宅區(qū)、商業(yè)中心及企事業(yè)單位等城鎮(zhèn)生活源，加之人口增長(zhǎng)導(dǎo)致的城區(qū)下墊面硬化比例增高[20]，愈來愈多的城市污染物隨地表徑流及小型入河支流進(jìn)入城南河，使得W4，W5 和D1 等位于河道中下游的監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)相對(duì)較差，僅為地表Ⅳ類甚至Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。水質(zhì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步證明了密集分布于城南河主要水系沿岸的城鎮(zhèn)生活源是城南河有機(jī)污染負(fù)荷的重要來源，同時(shí)也反映了城南河中下游河段水環(huán)境容量不足的問題亟待解決。

圖5 城南河水系監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)現(xiàn)狀及各概化排口污染物排放量

3.2 水環(huán)境數(shù)學(xué)模型關(guān)鍵參數(shù)率定及驗(yàn)證

水環(huán)境測(cè)算模型的確定是水環(huán)境容量和目標(biāo)削減量估算的關(guān)鍵[21]。對(duì)已構(gòu)建的城南河水系水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，采用2018年城南河主要水系水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為水質(zhì)邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行模型污染物降解系數(shù)率定，并根據(jù)南京市監(jiān)測(cè)站2019年城南河水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，其NH3-N，TP 濃度模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果見圖6。

圖6 城南河NH3-N，TP 降解系數(shù)驗(yàn)證結(jié)果

為了對(duì)城南河斷面水質(zhì)模擬結(jié)果與真實(shí)值進(jìn)行比較，采用平均相對(duì)誤差(MRE)、均方根誤差(RMSE)以及相關(guān)系數(shù)分析(R2)等3 種模型評(píng)價(jià)法對(duì)實(shí)測(cè)值與模擬值之間做誤差及相關(guān)性分析[22]，結(jié)果見表1。從數(shù)值對(duì)比及誤差分析結(jié)果來看，模擬水質(zhì)與實(shí)測(cè)水質(zhì)擬合情況良好，平均水質(zhì)相對(duì)誤差均不超過15%，模擬水質(zhì)情況能解釋超過95%的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此所構(gòu)建的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型能滿足計(jì)算水環(huán)境容量的研究要求。率定得到城南河NH3-N，TP 降解系數(shù)分別為0.09，0.12 d-1。

表1 模型關(guān)于水質(zhì)的計(jì)算評(píng)價(jià)

3.3 區(qū)域水環(huán)境容量分析及達(dá)標(biāo)方案確定

在確定城南河水環(huán)境數(shù)學(xué)模型主要污染物降解系數(shù)的基礎(chǔ)上，以實(shí)現(xiàn)龍王廟省考斷面水質(zhì)滿足地表Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，將基于各概化排口污染源現(xiàn)狀排放量、削減潛力大小以及排水對(duì)龍王廟段水質(zhì)影響程度，確定將概化排口2，3，5 作為主要污染物削減對(duì)象，相對(duì)概化排口1，4，6 的削減程度較大。削減工況見表2。通過5 種不同的污染物削減工況構(gòu)建模型計(jì)算得到各工況下龍王廟斷面水質(zhì)變化及達(dá)標(biāo)情況，結(jié)果見圖7。

表2 各概化排口污染物削減工況

圖7 各工況下龍王廟斷面水質(zhì)變化及達(dá)標(biāo)情況

由圖7 可以看出，當(dāng)主要污染物削減排口2，3，5的削減率達(dá)到30%，次要污染物削減排口1，4，6的削減率達(dá)20%時(shí)，龍王廟斷面水體中ρ（NH3-N）及ρ（TP）能達(dá)到地表Ⅳ類水水質(zhì)目標(biāo)，此時(shí)各概化排口排污量為其允許排污量，并可進(jìn)一步計(jì)算出龍王廟斷面滿足2020年水質(zhì)目標(biāo)時(shí)城南河水環(huán)境容量，具體見表3。

表3 基于斷面達(dá)標(biāo)的概化排口允許排污量及城南河水環(huán)境容量

由表3 可以看出，龍王廟斷面達(dá)標(biāo)時(shí)城南河中NH3-N，TP 的水環(huán)境容量分別為68.6，17.2 t/a，研究區(qū)域內(nèi)城南河主要水系污染源需總體削減約25%?；邛囊磺宓萚16]對(duì)城南河匯水區(qū)內(nèi)較為精細(xì)的污染源調(diào)查結(jié)果，城南河全線有多處排污溝、一家水上餐廳及若干公共廁所，且部分住宅、企事業(yè)單位、學(xué)校和多數(shù)三產(chǎn)服務(wù)業(yè)的生活、生產(chǎn)污水直排入河道，因此針對(duì)污水接管率不高、雨污合流排放的現(xiàn)狀可制定污染源削減方案[23]。首先，根據(jù)城南河所在主城區(qū)內(nèi)的污染源分布特征，優(yōu)化調(diào)整污水處理設(shè)施布局，加快完善污水收集管網(wǎng)，著力提高污水收集率和處理率。其次，對(duì)于入河排污口、排污溝及直排企業(yè)開展溯源排查工作，整改或取締不符合相關(guān)規(guī)范的污染源。最后，結(jié)合城區(qū)的排水管網(wǎng)現(xiàn)狀，對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行雨污分流規(guī)劃設(shè)計(jì)，在保持老城片區(qū)部分合流制的基礎(chǔ)上，最大限度地進(jìn)行雨污分流式改造[24]。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒及環(huán)統(tǒng)資料分析城南河流域水污染負(fù)荷情況，確定NH3-N 和TP 是造成城南河龍王廟斷面超標(biāo)的主要因子，城鎮(zhèn)生活污染源是城南河水污染負(fù)荷的主要來源。通過實(shí)地水樣采集及水質(zhì)監(jiān)測(cè)，得到城南河主要水系共7 個(gè)斷面的NH3-N和TP 濃度，總體呈上游優(yōu)于下游、污染源密集處下游水質(zhì)較差的特征，基本符合研究區(qū)域內(nèi)實(shí)際污染源分布情況。

（2）建立研究區(qū)域內(nèi)城南河水系一維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，并基于2019年逐月水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)率定得到NH3-N 和TP 降解系數(shù)分別為0.09 和0.12 d-1，使參數(shù)值更具地域性及準(zhǔn)確性。模擬值與實(shí)測(cè)值擬合情況良好，平均水質(zhì)相對(duì)誤差均不超過15%，模擬水質(zhì)情況能解釋超過95 %的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，所建模型可滿足水質(zhì)數(shù)值模擬和進(jìn)一步的水環(huán)境容量研究。

（3）基于所構(gòu)建的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型得出城南河省考斷面龍王廟斷面水質(zhì)達(dá)地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的城南河水環(huán)境容量，將污水現(xiàn)狀排放量與水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定各概化排污染源削減比例。城南河干流河道中下游污染源排放區(qū)段以居民區(qū)、企事業(yè)單位等城鎮(zhèn)生活污染源為主，存在生活污水未全面接管、雨污管網(wǎng)覆蓋率低等導(dǎo)致的截污不徹底等現(xiàn)象，因此應(yīng)依據(jù)區(qū)域污染源分布特征，提高污水收集率和處理率，整改或取締不符合相關(guān)規(guī)范的污染源從源頭上減少污染排放，同時(shí)最大限度地推進(jìn)雨污管網(wǎng)更新和分流式改造，爭(zhēng)取龍王廟斷面水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。