平原河网地区典型小流域水环境治理工程环境效应评估

王晓琴，闵志华，李 傲

(重庆水利电力职业技术学院 水利工程系，重庆 永川 402160)

平原河网地区典型小流域水环境治理工程环境效应评估

王晓琴，闵志华，李 傲

(重庆水利电力职业技术学院 水利工程系，重庆 永川 402160)

选取太湖西北部的竺山湾小流域为研究区域，针对平原河网地区水流特征，建立基于MIKE模型的竺山湾流域河网模型。以该区域内2012年实施的水环境治理工程为评估对象，通过整理各项工程设计资料、实地调研各项工程运行工艺、运行结果，汇总出各个工艺的减排效果。通过计算2011年、2012年污染物入河量，设置不同的运算工况，核算了水环境治理工程运行后该区域内各镇区水污染物总量达标情况及污染物入湖量变化情况。结果表明：在容量总量目标约束下，2012年实施的水环境治理工程使各镇区污染物需削减量较2011年有所降低，同时可降低各主要入湖河流污染物入湖量，说明水环境治理工程对竺山湾小流域内水环境起到一定的改善作用。

MIKE模型；水环境容量；水环境治理工程；平原河网；竺山湾小流域

1 研究背景

自2007年太湖蓝藻爆发造成严重水危机事件后，国家及江苏省相继出台《太湖流域水环境综合治理总体方案》及《江苏省太湖流域水环境综合治理实施方案》，根据上述两方案的部署，太湖流域积极开展了污染治理工作，中央及江苏省多方主管部门提供资金补助，指导推动各类型污染源控制工程落地实施。

竺山湾小流域位于太湖湖体西北部，该流域内河网纵横交错，湖荡众多，属于典型的平原河网区域。竺山湾流域作为太湖上游主要来水区域，陆域污染物经主要入湖河道汇入太湖[1-2]，太湖湖体(尤其是富营养化程度高的梅梁湾、竺山湾)水环境受其影响显著[3]。鉴于太湖重污染区的上述特点，大量由江苏省级资金补贴的水环境治理工程已在该地区开展[4-5]。经统计，自2007年至2012年，竺山湾流域内五镇共实施各类型环境治理工程219项。工程类型主要包括点源污染治理项目、城镇生活源与垃圾处置项目、面源治理工程、生态修复工程。定量化已实施的水环境治理工程对区域水环境的改善效果，成为考核太湖流域水环境治理工作绩效的重要支撑方面。

目前针对水环境治理工程环境效益的研究，多集中于单项工程的减排效果，运用水环境数学模型从整个小流域尺度开展相应的研究则较少。因此，为评估竺山湾流域实施的水环境治理工程的环境效益，以区域2011年、2012年污染物入河量核算为基础，运用野外监测与数值模拟等研究方法，以2012年实施的水环境治理工程为评估对象，通过搜集整理各项工程前期设计资料，汇总出各项工程的减排效果；利用构建的竺山湾流域河网模型，在计算竺山湾流域内水环境容量的基础上，核算了水环境治理工程运行后该区域内各镇区水污染物总量达标情况，同时计算主要入湖河道入湖断面处工程实施前后水质变化过程,进而得到污染物入湖量变化情况，从而实现污染治理工程环境效应的定量评估。

2 研究区域

研究区域为太湖竺山湾流域(图1)，位于太湖湖体西北部，流域内河网纵横交错，湖荡众多。研究区域的西部为滆湖，东部为太湖竺山湾，包括武进区的前黄镇、雪堰镇和宜兴市的和桥镇、万石镇和周铁镇。流域面积450 km2，主要湖泊有滆湖和太湖竺山湾。滆湖是该区域重要的行蓄洪湖泊，面积160 km2，湖水滞留时间较短，年换水系数为7.03次。竺山湾为太湖西北部的半封闭性富营养湖湾，水面面积56.7 km2，平均水深1.90 m，水量1.18亿m3。流域内主要河流有东西流向的太滆运河、漕桥河、太滆南运河、烧香河，南北流向的武宜运河、永安河、锡溧漕河、武进港、雅浦港和横塘河，其中入太湖的河流有太滆运河、漕桥河、太滆南运河、武进港、雅浦港。

图1 研究区域示意图Fig.1 Map of the study area

3 污染源解析

工业污染负荷根据流域内各工业污染源普查动态更新数据综合得到；城镇生活源与农村生活源根据更新的人口资料，运用排污系数法计算得到。其中城市生活源COD、氨氮、总氮、总磷排污系数分别为80.0，6.0，13.0，1.1 g/(人·日)，农村生活源COD、氨氮、总氮、总磷排污系数分别为40.0，4.0，5.0，0.5 g/(人·日)；畜禽养殖污染负荷根据行业统计资料，依据浓度实测法获得的排污系数计算得到，其COD、氨氮、总氮、总磷的排污系数分别为17.9，3.6， 12.0， 4.0 g/(头·日)；农田面源测算利用分布式污染负荷模型计算得到，并运用排污系数法进行检验，其中污染物COD、氨氮、总氮、总磷的排污系数分别为150.0， 30.0， 105.0， 7.5 kg/(hm2·a)。具体计算过程见文献[6]。

通过计算太湖竺山湾流域内2011年、2012年污染负荷，两年COD平均入河污染负荷为6 169.1 t，氨氮为653.9 t，总氮为1 313.0 t，总磷为172.3 t。竺山湾流域内不同污染物各镇区及不同行业贡献比例分别如图2、图3所示。

由图2可见，从流域内各镇区不同污染物贡献比例来看，COD、总磷入河量贡献比例最大的为和桥镇，分别占28.5%和29.7%，氨氮、总氮入河量贡献比例最大的为雪堰镇，分别占28.1%和27.1%。由图3可见，从入河量不同行业来源分析，COD入河量主要来自城镇生活(37.2%)，其次为农村生活;氨氮入河量主要来自种植业(38.8%)，其次来自城镇生活;总氮入河量主要来自种植业(49.0%)，其次来自城镇生活;总磷入河量主要来自种植业(34.3%)，其次来自畜禽水产。

图2 竺山湾小流域不同镇区各污染物入河量贡献比例Fig.2 Contribution ratios of pollutants discharged into river from different areas

图3 竺山湾小流域不同行业污染物入河量贡献比例Fig.3 Contribution ratios of pollutants discharged into river from different industries

4 水环境治理工程统计

本文以2012年实施的水环境治理工程为统计对象。2012年竺山湾流域内共实施水环境治理工程4大类39项，如图4所示。根据各项目设计资料，汇总出各项目建设地点及预期减排效果。

图4 2012年竺山湾流域水环境治理工程分布Fig.4 Distribution of water environment treatment projects in Zhushan Bay watershed, 2012

通过统计分析，如表1所示，2012年竺山湾流域通过实施水环境治理工程，可实现COD年减排436.2 t，氨氮71.7 t，总氮225.8 t，总磷16.1 t；从不同镇区来看，水环境治理工程对污染物削减数量最大的为和桥镇。

表1 2012年竺山湾流域内水环境治理工程统计

5 研究方法

5.1 一维河网水环境数学模型构建

5.1.1 模型建立

一维河网水环境数学模型控制方程如下[7]:

(1)

水动力微分方程组以Preissmann四点线性隐式差分格式将其离散[8]。水质对流扩散方程采用龙格库塔法进行积分求解[9]。

图5 部分断面水动力计算与实测值对比Fig.5 Comparison between hydrodynamic model value and measured value for some sections

5.1.2 模型率定及验证

根据竺山湾区域内2011年主要水文站点逐日水文过程数据， 采用试错法(即根据部分断面实测的流量资料)调试各河道的糙率， 使得计算水位过程与实测水位相吻合， 率定得出河道糙率在0.020～0.028之间。 部分验证点水动力过程模型计算值与实测值对比图见图5。

将水文率定点位的模型计算结果与实测结果进行对比可得出， 计算值与实测值拟合较好， 说明水动力模型与实际相符程度较高。

根据2011年竺山湾区域内江苏省考核断面的水质监测数据，以COD、氨氮和总磷作为水质模拟的对象，开展竺山湾河网区水质模型参数的率定。率定得出COD降解系数0.09～0.11 d-1；氨氮降解系数0.05～0.07 d-1，总磷降解系数0.04～0.06 d-1。部分验证点位水质计算值与实测值的对比见图6，水质验证点位COD、氨氮和总磷浓度的计算值和实测值的相对误差分别为17%，16%，20%。

图6 竺山湾流域部分河道断面水质计算值 与实测值对比

5.2 水环境容量计算方法

根据确定的边界水文条件，利用一维河网水环境数学模型，计算出研究区域最小空间单元和最小时间单元的水环境容量值，再根据公式汇总出研究区域的水环境容量值[10]为

(2)

式中:i为计算中最小空间单元的编号：j为最小时间计算单元的编号;αij为不均匀系数，0<αij≤1；Q0ij为进口断面的入流流量；C0ij为进口断面的水质浓度；Csij为水体水质标准；Vij为水体体积。

5.3 污染物入湖量计算方法

根据率定验证的竺山湾河网模型，运用模型计算得到竺山湾流域内太滆运河、漕桥河、殷村港等河道在单位时间内的平均入湖流量值和相应的水质浓度，将水质浓度与入湖流量值相乘得出各河道的入湖量值。污染物入湖量计算公式[11]为

(3)

式中:W为污染物入湖量；Ci为河道水质浓度计算值；Qi为河道流量。

6 结果与分析

6.1 陆域总量控制效应评估

依据污染源解析及水环境容量计算结果，选取COD、氨氮、总磷为评估对象，进行竺山湾流域水环境治理工程总量控制效应评估。本次评估设定2个工况，工况1为不考虑实施的水环境治理工程，将水环境容量与2011年污染物入河量进行比较，核算竺山湾流域内各镇区总量达标情况；工况2为考虑2012年实施水环境治理工程后，将水环境容量与2012年污染物入河量进行比较，核算竺山湾流域内各镇区总量达标情况(见表2)。

由表2可以知道，2012年各污染物入河量均较2011年有所增加，这与2011年至2012年竺山湾流域内各镇区人口与经济呈现增长的态势相吻合，在不考虑水环境治理工程减排效果下，污染物入河量出现了“增项”。工况1与工况2污染物入河量均超过水环境容量，均需进行污染物削减。但由于工况2实施了水环境治理工程，污染物入河量实现了“减项”，虽然2012年水污染物入河量较2011年有所增加，但水环境治理工程的“减项”与上述“增项”相抵消后，2012年各镇区污染物需削减的量要低于2011年各镇区需削减的量。即水环境治理工程实施后，在目前人口、社会经济发展水平下，可实现污染物削减量逐年降低，使污染物逐步达到总量控制要求。

6.2 水污染物入湖量影响评估

竺山湾流域河网密布， 河流间水流运动与污染物质输移规律复杂， 为定量评估竺山湾流域水环境治理工程前后污染物入湖量的变化， 基于建立的一维河网水环境数学模型， 设定2种工况， 开展竺山湾地区水动力及水质过程的模拟计算。 工况1： 竺山湾流域内2011年污染源(治理前)； 工况2： 竺山湾流域内2012年污染源， 同时考虑水环境治理工程对污染源的削减作用(治理后)。 2种工况设置相同的水文条件(50%保证率平水年)和水质边界条件。

表2 竺山湾流域2012年水环境治理工程实施前后总量达标情况

模型计算结果表明，从竺山湾小流域内总入湖通量来看，竺山湾流域内主要入湖河流(太滆运河、漕桥河和太滆南运河)2011年COD、氨氮和总磷入湖通量分别为19 870.0,1 872.0,249.4 t，2012年上述污染物入湖通量分别为19 783.0,1 859.0,239.5 t，各污染物入湖量均有所减少，COD、氨氮和总磷分别减少0.4%,0.7%,4.0%。

水环境治理工程实施前后主要入湖断面处COD、氨氮、总磷浓度变化过程模拟结果见图7。

图7 主要入湖断面水环境治理工程实施前后水质过程对比Fig.7 Water quality processes of main lake-inlet sections before and after the treatment projects were built

由图7可知，水环境治理工程对区域水质的影响随季节不同而有所差异。雨季(5—10月份)降雨增加，以氮磷营养盐为主的农田面源大量产生，面源治理工程在此期间作用较明显，总氮、总磷浓度在雨季分别降低0.92%和6.2%，枯季总氮、总磷浓度则相应的降低0.53%和2.4%。城镇点源治理工程能够全年正常运行，受季节影响较小，因此各评估断面洪枯季的COD降低程度差别不大，工程前后COD洪季和枯季降低程度分别为0.46%和0.33%。

7 结 语

本文基于平原河网地区复杂的水污染物质传递的天然属性，构建一维河网模型，汇总区域水环境治理工程实际控污减排设计参数，计算水环境治理工程实施前后污染物总量达标情况及各入湖断面处污染物入湖通量情况，用以表征水环境治理工程的环境效益。通过对竺山湾小流域水环境治理工程环境效益研究，有利于深入开展太湖流域水环境保护工作，可对流域水环境治理工程考核提供重要方法借鉴。

[1] 王 雪，余 辉，燕姝雯，等. 太湖流域上游河流污染空间分布特征研究[J]. 长江流域资源与环境,2012,21(3):341-348.

[2] 祝 鹏，祝 飞.δ15N和δ18O在太湖污染源解析中的应用[J].长江科学院院报,2016,33(2):19-23.

[3] 马 倩，刘俊杰，高明远. 江苏省入太湖污染量分析(1998—2007)[J].湖泊科学,2010,22(1):29-34.

[4] 潘英姿，高吉喜，何 萍，等. 我国中东部水生态环境评价与对策研究[J]. 环境科学研究,2005,18(3): 54-59.

[5] 孟 伟，张 远，王西琴，等. 流域水质目标管理技术研究:Ⅴ.水污染防治的环境经济政策[J]. 环境科学研究, 2008,21(4): 1-9.

[6] 姚亚洲. 盐城经济开发区东区污水排放方案研究[D].南京:河海大学, 2007.

[7] 卢士强，徐祖信. 平原河网水动力模型及求解方法探讨[J]. 水资源保护, 2003,19(3): 5-9

[8] 张二骏，张东生，李 挺. 河网非恒定流的三级联合解法[J]. 华东水利学院学报, 1982,(1): 1-13.

[9] ZHAO D H, SHEN H W, TABIOS G Q,etal. Finite-volume Two-Dimensional Unsteady-Flow Model for River Basins[J]. Journal of Hydraulic Engineering,1994, 120(7): 863-883.

[10]罗 缙. 平原河网区水环境时空变化模拟技术及应用研究——以太湖流域为例[D]. 南京:河海大学, 2009.

[11]胡开明. 基于太湖水质达标及溯源方法的入湖污染物减排分配技术研究[D].南京:河海大学,2012.

(编辑：王 慰)

Evaluation on Water Environment Benefits of Pollutant TreatmentProjects for a Typical Small Watershed in Plain River Network Area

WANG Xiao-qin, MIN Zhi-hua, LI Ao

(Department of Hydraulic Engineering, Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Yongchuan 402160, China)

Zhuashan Bay watershed is a typical plain river network area to the northwest of the Taihu Lake. In this article, a 1-D hydrodynamic-water quality network model based on MIKE model was established to assess the benefits of water environment treatment projects built in 2012 in the Zhushan Bay watershed. The pollutant reduction effects of the projects were summarized through analyzing the design documents and field investigating the operation techniques and results. Furthermore, indexes of total pollutant amount in the watershed as well as the variations of pollutants into the Taihu Lake before and after the treatment projects were built were calculated. Results revealed that under the constraint of pollutant capacity target, the amount of pollutants to be eliminated reduced from 2011 to 2012, and meanwhile, the amount of pollutants into the Lake also fell down, indicating that the treatment projects had played a positive role in improving regional water environment.

MIKE model; water environmental capacity; water environment treatment project; plain river network area; Zhushan Bay small watershed

2016-05-13；

2016-06-13

国家自然科学基金项目(51309082)

王晓琴(1985-)，女，四川乐山人，讲师，主要研究方向为水利水电工程、水环境数值模拟，(电话)13594622659(电子信箱)wxqcqyc@163.com。

10.11988/ckyyb.20160463

2017,34(8):24-29

X5

A

1001-5485(2017)08-0024-06