基于国考七桥瓮断面水质达标秦淮河流域水环境容量计算

宋为威，逄 勇

(1. 河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，南京 210098；2. 河海大学 环境学院，南京 210098；3. 河海大学 水文水资源学院，南京 210098)

0 前 言

水环境容量是指水体在规定的环境目标下所能容纳的污染物的最大负荷，其大小与水体特征、水质目标及污染物特性有关，通常以单位时间内水体所能承受的污染物总量表示。计算方法是水环境容量研究的重要组成部分，研究方法[1]主要有解析法、模型试错法、系统分析法、概率稀释模型法。其适当与否直接影响着计算结果的准确性。

胡开明等[2]对大型浅水湖泊太湖受风场影响显著的特点，建立了二维非稳态水量水质数学模型，提出考虑风向风速联合频率订正及污染带控制的水环境容量计算方法。鲍琨等[1]根据研究区域水系的水文特征提出将水环境容量进行按月分配的计算方法。逄勇等[3,4]通过河网区非稳态水量数学模型计算珠江东四口门的入海水量，得到每年丰、平、枯三季从东四口门下泄到伶仃洋的污染物总量。通过二维非稳态水量、水质数学模型率定验证，研究陆源污染物以及香港水域排污对伶仃洋水域的影响。冯启申[5]等阐述了水环境容量的概念、分类等基本理论，简述了我国水环境容量研究的发展状况。周刚[6]等提出了动态水文条件下基于WESC2D(Two Dimensional Water Environment Simulation Code)模型水质模拟和粒子群算法中RPSM(Repulsive Particle Swarm Method)非线性优化的河流水环境容量计算方法。董飞[7]等归纳出中国地表水水环境容量研究过程中产生的五大类计算方法: 公式法、模型试错法、系统最优化法(线性规划法和随机规划法)、概率稀释模型法和未确知数学法，评述了各类方法的优缺点及适用范围。逄勇[8]等基于MIKE11河网水环境数学模型,考虑水文条件、污染物削减和引水3个方面因素，结合官河水环境综合整治，提出了9套研究区域模型计算方案。分别在近期削减60%污染物，在远期削减90%污染物，东官河水质基本可达功能区水质目标。前面的研究多从非调水情况下计算污染物削减量，本文将从调水与非调水的两个方面来计算污染物的削减量。

1 污染控制单元划分及控制断面水质达标技术

1.1 控制单元划分技术

控制单元是确保控制断面水体达标的污染物主要控制区域。在划分控制单元，需要考虑流域的水文情势和污染源的分布情况，并同时兼顾到行政单元。秦淮河水系有南北两源，两河在南京市江宁区方山合成秦淮河干流，到达东山桥后分成两条分汊河道(秦淮新河和外秦淮河)，分别注入长江。秦淮河流域总面积2 659 km2，南京境内1 708 km2(占64%)，镇江句容境内951 km2(占36%)。在正常情况下，秦淮河自南向北自流；生态调水期间，从秦淮新河分汊河道节制闸引水(水闸自引或泵站抽引)，经过外秦淮河分汊河道回到长江。根据划分原则，结合研究区域的实际情况，确定国考七桥瓮断面水质的控制单元如图1所示。

图1 七桥瓮断面污染控制单元示意图Fig.1 Schematic diagram of pollution control unit of QB-CS

1.2 控制断面水质计算模型

控制断面水质计算模型计算公式如下：

W=(C-C′)·Q0+kVCs

(1)

(2)

(3)

式中：C′混合后水质浓度，按零维模型求解；W为入秦淮河排污量，kg/d；C为混合后下游水质浓度,mg/L；V为水体容积,m3；C1为排污口废水氨氮浓度，mg/L；q为排污口废水量，m3/s；C0为长江水氨氮浓度，mg/L；Q0为长江水流量，m3/s；Cs为水质目标浓度，mg/L；k为水质降解系数，1/d；x为节制闸到七桥瓮的距离，m；u为流速，m/s。

水质降解参数参考秦淮河流域模型参数率定结果，COD、氨氮、总磷降解系数相同。均为在秦淮河段为0.06/d，在秦淮新河段为0.1/d，在外秦淮河段为0.08/d C。

1.3 控制单元合理性分析

控制单元内的控制断面水质的影响因素主要有两方面，一是控制单元的边界水质，二是控制单元内源污染物的排放量。控制单元内、外源污染物对控制断面水质影响权重计算公式：

(4)

(5)

式中：n内是在控制单元之内的污染物所占的权重，%；n外是在控制单元之外的污染物所占的权重，%；C内是边界水质选用功能区水质目标的时候，考虑控制单元之内的污染物排放情况通过一维水质模型计算的控制断面水质浓度，mg/L；C外是边界水质取实测水质时，不考虑控制单元之内的污染物排放情况下通过一维水质模型计算的控制断面的水质浓度，mg/L。

上述方法计算得到七桥瓮控制单元内、外污染物对水质的影响权重见表1。

表1 七桥瓮断面控制单元内、外污染物影响权重 %

2 七桥瓮断面控制单元水环境容量计算方法

2.1 控制单元排口概化

概化排口的入河污染物来源包括工业、城镇生活、农村生活、农田、畜禽养殖、径流，其中工业按双80%原则(结合各单元污染物总量的80%与占各镇污染物总量的80%)进行筛选。将入河支流及沿河排污泵站概化为排口，在人口密集区域附近水体、污水厂、工业企业的密集区域进行概化排口，若排污口之间的距离较近，可以将多个排污口概化为1个排污口；若排口之间距离较远并且排污量都较小时，可将排口概化为非点源入河。概化排口及控制断面见图2。

图2 控制单元概化排口及控制断面示意图Fig.2 Schematic diagram of generalized drain outlet and control section

2.2 控制断面水质与概化排口之间响应关系构建

通过概化排口的构建，运用秦淮河流域水环境数学模型[9]，构建出断面水质与概化排口之间的响应关系。响应关系：C控制断面=C(C边界,C支流,W1,W2,…)。先构建入河支流与水质之间的响应关系，再而构建干流排口与控制断面水质之间的响应关系。在支流汇入时功能区的水质要求达标，边界的水质值取实测资料。国考七桥瓮控制断面与概化排口响应关系构建如下：

图3 调水与非调水期排水流向图Fig.3 Flow arrow in diversion and No-diversion period

调水期间：

秦淮河：C东山桥=C(C洋桥,W1,W2,W3,…,W9,W面);

秦淮新河：C河定桥=C(C节制闸,W10,W11,W12,…,W24,W面)；

外秦淮河：C七桥瓮=C(C25,C东山桥,C河定桥,W25,W26,W27,…,W32,W面)。

非调水期间：

秦淮河：C东山桥=C(C洋桥,W1,W2,W3,…,W9,W面);

秦淮新河：C节制闸=C(C河定桥,W10,W11,W12,…,W24,W面)；

外秦淮河：C七桥瓮=C(C25,C东山桥,W25,W26,W27,…,W32,W面)。

3 水质达标分析及水环境容量计算

3.1 水质达标分析

在近期(2017-2019年)控制单元内仅能削减35%的排污量，通过秦淮新河调水30 m3/s，在洋桥断面为功能区水质Ⅳ类水情况下，计算得到调水期间七桥瓮断面及沿线水质见表2。

表2 调水期间七桥瓮及沿线断面水质 mg/L

通过水环境数学模型，计算在设计水文条件下全年七桥瓮及沿线断面氨氮浓度过程线，从长江引水氨氮的浓度为0.1 mg/L，即为节制闸断面氨氮浓度，铁心桥断面全年氨氮浓度在0.35 mg/L上下浮动，其全年的平均值为0.35 mg/L，七桥瓮断面的全年氨氮浓度在0.6～1.8 mg/L之间浮动，其全年平均值为1.44 mg/L，计算结果见图4。

根据2017-2019年南京市排水达标行动计划文件，近期2017-2019年进行全市整治沿河排口、街巷污水管网、片区雨污分流、点源处理装置、整治河道排口、现状污水管道问题整改、片区雨污分流问题整改、现状污水管道问题整改、片区雨污分流问题整改、拆迁区域待拆管控区域、保留片区雨污分流等项目。经过计算，近期的工程项目实施后仅能削减约35%的污水直排，此时仍然不能达标。而为了在不引水仅通过削减直排污水达标，需要余额削减80%的污水排放，而何时能削减了80%的直排污水，难以计算，本文以远期(2020年以后)来描述。

在远期(2020年以后)控制单元内仅能削减80%的排污量，在洋桥断面为功能区水质Ⅳ类水情况下，计算得到非调水期间七桥瓮断面及沿线水质见表3。

图4 七桥瓮及沿线断面设计水文条件下全年氨氮浓度过程线计算结果图Fig.4 Calculation results of NH3-N concentration process line in design hydrological condition of QB-CS and others

3.2 控制单元水环境容量计算

《江苏省地表水(环境)功能区划》文件要求国考七桥瓮断面在2017年应达到Ⅳ类水。根据2016年的南京市污染源普查资料及南京市秦淮河流域各主干及支流的水文水质及野外调查实测河道断面资料，运用已构建的控制断面与概化排口之间的响应关系模型，计算当七桥瓮断面在近期和远期水质达标时其概化排口的削减量，从而计算得到控制单元内的允许排放量，即控制断面的水质达标控制与功能区整体的水质达标控制(“双控”)条件下本控制单元的水环境容量。国考七桥瓮断面控制单元内各概化排口的现状排污量与在近期、远期断面水质达标下的概化排口削减量见表4。由近期及远期污染物削减量表计算出近期和远期污染源的削减率，对控制单元内各种污染源按照计算得到的削减率进行削减，进而得到本控制单元内近期和远期的水环境容量见表5。

通过模型计算得到各概化排口近期允许排放量和远期的允许排放量，得到控制单元内近期的水环境容量和远期水环境容量，而根据近期和远期的水环境容量可以得到近期和远期的削减量，从而计算得到近期和远期的削减率，见表5。

表4 在近期和远期概化排口污染物现状排放量及允许排放量 t/a

续表4 在近期和远期概化排口污染物现状排放量及允许排放量 t/a

表5 在近期和远期控制单元内水环境容量计算结果Tab.5 Water environmental capacity of control unit in the near and long term

4 结 论

(1)通过控制单元内、外源污染物对控制断面水质影响权重分析得到，在控制单元内污染物对国考七桥瓮断面的贡献率约为67.8%～75.3%，影响国考七桥瓮断面的控制单元划分合理。

(2)在国考七桥瓮断面水质达标的情况下，在近期(2017-2019年)七桥瓮污染物控制单元内COD水环境容量为24 536 t/a，氨氮水环境容量为2 132 t/a，总磷水环境容量为173.7 t/a，需要调水30 m3/s，国考七桥瓮断面水质才达标。在远期(2020年以后)七桥瓮污染物控制单元内COD水环境容量为24 536 t/a，氨氮水环境容量为609 t/a，总磷水环境容量为49.6 t/a，无须调水，国考七桥瓮断面水质达标。

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[1] 鲍 琨, 逄 勇, 孙 瀚. 基于控制断面水质达标的水环境容量计算方法研究----以殷村港为例[J]. 资源科学, 2011,33(2):249-252.

[2] 胡开明, 逢 勇, 王 华,等. 大型浅水湖泊水环境容量计算研究[J]. 水力发电学报, 2011,30(4):135-141.

[3] 范丽丽, 沙海飞, 逄 勇. 太湖湖体水环境容量计算[J]. 湖泊科学, 2012,24(5):693-697.

[4] 逄 勇, 李学灵, 龙江. 珠江三角洲陆源污染和香港水域排污对伶仃洋的影响[J]. 水科学进展, 2003,14(5):558-562.

[5] 冯启申, 李彦伟. 水环境容量研究概述[J]. 水科学与工程技术, 2010,(1):11-13.

[6] 周 刚, 雷 坤, 富 国,等. 河流水环境容量计算方法研究[J]. 水利学报, 2014,45(2):227-234.

[7] 董 飞, 刘晓波, 彭文启,等. 地表水水环境容量计算方法回顾与展望[J]. 水科学进展, 2014,25(3):451-463.

[8] 逄 勇, 王瑶瑶, 胡绮玉. 浙江温黄平原典型河流水质改善方案研究[J]. 水资源保护, 2016,32(2):100-105.

[9] 逄 勇, 陆桂华. 水环境容量计算理论及应用[M]. 北京：科学出版社, 2010.