城市圩区水环境多因素影响研究

刘默蕾，俞芳琴，刘 俊

(1. 河海大学水文水资源学院，南京 210098；2. 南京市浦口区水务局，南京 211800)

城市圩区一般人口众多、注重经济发展，点源及面源污染较为严重，且多处于平原河网地区，地势低洼，闸控河道居多，水体自然流动性差，水体更换周期长，污染易进难出，导致城区水环境容易形成恶性循环，污染负荷居高不下[1,2]。着眼于此，许多学者运用多种手段对如何改善城区水环境从不同角度作出了分析与研究。凌涛、顾丽新等提出应在新建或整治河道、调水、截污清淤、整治断头浜等方面改善城市水环境[3,4]；赵立亚基于水环境容量与排污量的差值来确定污染物的削减量，进而提出污染控制方案[5]；逄敏等提出联合控源截污和生态补水措施提高城区水质[6]；王亚炜等提出了以控制污水厂排量和排放标准为主的氨氮污染控制措施[7]；黄琳煜[8]和王雪[9]等利用MIKE 11模型进行了区域水质模拟。总体看来，研究方向集中于区域内部因素对水环境的影响及引调水措施对水环境的改善效果分析，缺乏城市圩区对外围水体水质的敏感性研究。本文以无锡市锡山区东亭街道为例，着眼于内部控源截污水平、外围河道水质、畅流活水3因素对研究区水环境的影响，基于MIKE 11一维水动力水质模型，通过模拟在分别改善3因素中的1个或多个时的氨氮浓度削减率，对比分析各因素对研究区水环境的影响比重，为研究区及其他相似区域的水环境治理提供参考。

1 研究区概况

研究区水系情况及闸泵位置见图1。东亭街道属于平原河网地区，地面平坦，地势较低，水系呈网状分布，流域面积约为13.24 km2。圩区内部河流众多，大部分为闸控河道，主要担负排涝功能，外部被桐桥港、九里河、东亭港、冷渎港4条大河包围，因其为运东大包围圩区内的圩中圩，外围河道与内部河道交界处全部设有闸泵控制(见图1)，整体流动性差，自净能力弱。研究区地处锡山区中心城区，经济发达，内部人口密集，生活污染量大，外围骨干河道长期承接周边地区排放的污水，内外污染严重。以上因素导致研究区水环境状况长期较差。近年，研究区采取了一系列措施整治河道污染，如推进控源截污、河道清淤、引调清水等，但内河水质类别仍主要为劣Ⅴ类。

图1 研究区水系、监测断面及闸泵位置Fig.1 Water system and monitoring cross-section of the study area

分析研究区2017、2018年的各水质指标(NH3-N、TP、高锰酸盐指数)逐月检测资料可知，区内13个监测断面非汛期水质均为劣Ⅴ类，且各水质指标负荷情况差距较大，见表1。由表1可知，与地表水Ⅴ类水标准对比，近2 a氨氮的超标情况最为严重，研究区的主要污染因子为氨氮。

表1 研究区各污染物指标情况Tab.1 Indicators of pollutants in the study area

2 研究方法

2.1 HD及AD模块原理

由丹麦DHI公司开发出的MIKE 11模型广泛适用于平原河网地区，界面友好、便于操作，在国内认可度较高。本文结合区域特征及水环境特性，选择MIKE 11模型水动力(HD)及水质(AD)模块模拟分析各因素对研究区水环境的影响[10]。

水动力(HD)模块是MIKE 11的核心模块，用以模拟河流及河口水流，其理论基础是圣维南方程组，离散方法为有限差分法，方程描述如下：

式中：Q为流量，m3/s；q为侧向入流量，m3/s；A为过水面积，m2；h为水位，m；R为水力半径，m；C为谢才系数；α为动量修正系数。

水质(AD)模块需在HD基础上建立，可以模拟污染物在水体中的对流和扩散过程，可恒定衰减常数模拟非保守物质，其一维对流扩散方程如下：

式中：C为污染物浓度，mg/L；D为扩散系数，m3/s；K为线性衰减系数，h-1；C2为水源污染物浓度。

2.2 模型建立与率定

模型以九里河、桐桥港、冷渎港、东亭港为边界河道，概化河网及水工建筑物。因研究区缺乏流速及水位资料，且处于平原地区及圩区内，水体常年不流动，水位取无锡城区常水位，糙率依据无锡城区以往经验推荐值[11,12]，取经验值0.02。

取初始氨氮浓度1.00 mg/L，扩散系数10 m2/s。边界氨氮浓度根据2017、2018年非汛期实测资料，取桐桥港断面5.02 mg/L，东亭港断面6.79 mg/L，冷渎港断面7.30 mg/L，九里河断面3.86 mg/L，均为劣Ⅴ类水平。

研究区水体污染主要为生活污染，基于现状研究区控源截污水平在70%左右，依据2017、2018年研究区污水处理厂进出水水质水量资料输入污染源。取研究区13个监测断面(见图1)2017、2018年的非汛期水质资料，去除异常月份后取各断面的月平均氨氮浓度值作为对照，率定得到氨氮的降解系数为0.036 d-1。各监测断面的率定值与实测值对比见图2，相对误差为5.39%±11.33%，计算值与实测值较为接近，说明模型能够较准确地反映研究区河网的实际水质情况。

图2 各断面率定值与实测值对比Fig.2 Comparison between the measured and fixed values of each section

3 各因素影响对比分析

3.1 方案设置

在现状条件下，研究区控源截污水平为70%左右，外围桐桥港、九里河、冷渎港、东亭港的水质长期稳定在劣Ⅴ类水平，外围4条河道与圩内河道交界处闸门及圩内各涵闸在常态下均为关闭状态，河水流动主要依靠动力条件。在研究区以东，有一调水枢纽(九里河东枢纽)位于九里河和走马塘交口(见图3)，开启时可自东向西抽引清水，清水到达研究区时流量约为6 m3/s，水质在Ⅲ～Ⅳ类水之间，在调水期间，可通过闸泵将清水从九里河引入研究区用于活水。

图3 调水水源及方向Fig.3 Water source and direction

在模拟情景中，分别对研究区外围水质、内部截污水平及畅流活水进行模拟设置。其中，改善外围水质因素时，将研究区外围4条大河的水质提升至Ⅳ类水水平，并打开圩区四周闸门，连通内外河道使河水自流；改善内部控源截污因素时，通过削减点源、提高污水接管率等手段，将内部截污水平提升至98%左右；改善畅流活水因素时，设置清水水质为Ⅳ类水水平，调水规则基于研究区惯用的调度规则，并适度优化，具体为以九里河沿线的调排总站闸、张周桥闸、新屯闸及东亭港沿线的七号桥港闸、三大房浜闸为清水进口，开启柴巷浜泵、中大浜泵向桐桥港排水，开启来红桥泵、北街泵、五房巷浜泵、龙舌尖泵、中堂泵向东亭港排水，此调度具备充分的实践依据。

基于现状条件以及模拟情景，本文共设置8个方案进行分析。方案0为现状条件，即70%截污水平、外围水质为劣Ⅴ类、无活水流量的条件，取实测的氨氮浓度值作为对照方案。方案1～7为改善研究区内部截污水平、外围水体水质、畅流活水3因素中的1个或多个，模拟得到13个监测断面的氨氮浓度。

(1)方案1～3：改善单一因素，模拟其对研究区水环境的改善效果。方案1为提升研究区内部截污水平至98%，外围水质为现状的劣Ⅴ类水平，且不进行畅流活水；方案2为在70%的内部截污水平下将外围水质提升至Ⅳ类水，不使用九里河东枢纽进行畅流活水；方案3为在70%的内部截污水平、外围水质为劣Ⅴ类水平条件下，从九里河东面输入6 m3/s清水，使用前文所述的调度方式，进行区域活水。

(2)方案4～7：同时改善2个及以上因素，模拟其对研究区水环境的改善效果，即对方案1～3的不同组合。其中方案4为改善外围水质并进行畅流活水；方案5为在98%内部截污水平时进行畅流活水；方案6为同时改善内部截污水平和外围水质；方案7为同时改善3个因素。

表2 方案设定Tab.2 Scheme setting

3.2 结果分析

模拟得到在各方案下研究区13个监测断面的氨氮浓度，取均值代表研究区整体水环境情况得出各方案的平均氨氮浓度，见图4。将方案1～7分别与方案0(对照方案)对比，得到各改善方案的氨氮浓度削减率，见图5。

图4 各方案平均氨氮浓度对比Fig.4 Comparison of average ammonia nitrogen concentration in each scheme

图5 各方案氨氮浓度削减率对比Fig.5 Comparison of ammonia nitrogen concentration reduction rate in different schemes

结果显示，当改善单一因素(即方案1～3)时，氨氮浓度削减率均在50%以上，可看出3种因素均对研究区水环境改善有较为重要的作用。其中改善外围水质时(方案2)氨氮削减率最高，提升内部截污水平(方案1)和进行畅流活水(方案3)时氨氮削减率相近，这说明：外围水质是对研究区水环境至关重要的影响因素，其重要性超过研究区自身的水质状况。

当同时改善2因素时，水体质量进一步好转，方案4～6的氨氮浓度削减率分别为72.4%、78.3%、80.8%，相比改善单一因素时，氨氮削减率增幅明显。横向对比可知，改善外围水质同时进行畅流活水(方案4)，改善效果增幅最低，为5.1%，其原因为这2个因素在本质上都是从外部向圩区输入清水，改善作用有较大重叠。而提升内部控源截污水平分别叠加畅流活水(方案5)、改善外围水质(方案6)时改善效果增幅较大，分别为24.7%、27.2%，效果相近，可使平均氨氮浓度下降至V类水水平，且氨氮削减率达到80%左右，此时相当于同时改善圩区内外水环境，改善作用重叠性较小。

当3因素同时改善(方案7)时，氨氮削减率为85.5%，平均氨氮浓度可达到IV类水水平，这说明本文研究的3种因素是影响研究区水质的最重要的3个因素。且综合方案3、4、5、7的模拟结果可得出，当研究区内部截污水平、外围水质条件较差时进行畅流活水，氨氮削减率为50.3%；仅提升研究区内部截污水平时叠加畅流活水，氨氮削减率增幅为24.7%；仅改善外围水质时叠加畅流活水，氨氮削减率增幅为5.1%；同时改善内部截污水平和外围水质时叠加畅流活水，氨氮削减率增幅为4.7%。说明随着研究区内外本底水质的改善，进行畅流活水的氨氮削减率增幅越来越小。

4 结论与展望

(1)对于处于中心城区、占地面积较小的圩区，外围水质对区域内部的水环境影响至关重要，当外围水体水质从劣Ⅴ类改善至Ⅳ类水时，氨氮削减率在67%左右，相较其他2个因素，对研究区水质改善效果最优。这说明，在圩区外围水质好转的基础上，应在保障水安全的前提下充分使内部河道与外界连通，提升水体流动性，改善水质。

(2)在现状圩区内部截污水平和外围水质条件下，畅流活水措施对研究区水环境具有良好的改善效果。随着内外水质的改善，在叠加畅流活水措施时氨氮削减率增幅越来越小。畅流活水作为改善水环境的措施，相对于提升控源截污水平、改善圩区外围水质，具有可操性强、见效快的特点，但同时也易局限于清水流量及区域水动力条件，且治标不治本，应作为改善区域水环境的辅助措施。

(3)本文主要着眼于研究区整体氨氮浓度的改善情况，在未来可进一步分析各河道的流速、流量与其水质改善情况的关系。