沱江流域(成都段)水环境质量改善方案研究

张 倩，佘 佳，石 清

(成都市环境保护科学研究院，成都 610072)

引 言

沱江流域是重要种植业基地，其流域人口约占四川省的20%，经济总量约占四川省的25%[1]，在四川国民经济发展、社会稳定、粮食安全等起到了不可取代的作用。但是沱江流域水资源总量为29.90亿m3，人均水资源量仅为525m3，属于极度缺水区。沱江流域成都段作为上游，其水生态环境改善是打造长江上游生态屏障和水源涵养地的根本保证。近两年在沱江流域治理的进行下，流域水质有所好转，但西江河水质仍然较差，以IV～V类为主，劣V类情况时常发生，流域的主要污染物质为氨氮、总磷。

随着“成德眉资同城化”的提出，成都将在东泉山东侧和德眉资共同打造为增量人口的主要聚集地，努力形成承载3 000～4 000万人口规模、面向世界面向未来的现代化大都市区，形成全球竞争优势，构筑西部战略腹地。沱江流域将成为成都市经济未来的重要增长极，区域内人口的不断增加和经济的快速增长会给沱江流域的水生态环境带来巨大的压力，如何在经济社会增长的同时持续保障水质达标时迫切需要研究的问题。

目前，国内水环境质量改善的相关研究主要是围绕“减排”和“增容”两大方面内容进行的，吴俊峰、高爽等[2～4]学者对以改善水环境质量为核心下流域污染控制的方法论、体系等进展进行了研究；范楚婷、王民浩等[5～7]学者以污染负荷削减为重点，评价方案对水环境质量改善效果；许益新、廖轶鹏等[8～11]学者以数值模拟为手段，研究了调水引流对研究流域水质的改善效果。然而，结合沱江流域(成都段)的水资源条件和水环境质量现状来看，单单通过污染物减排来改善水环境质量，在枯水年可能无法保证考核断面达标，如何统筹“减排”与“增容”来实现水环境治理改善，在推动沱江流域水环境治理方面具有重要的指导意义。

本文以MIKE11模型为手段，构建了沱江流域(成都段)水动力、水质模型，通过污染物减排方案以及毗河和西江河引水方案的拟定，对沱江流域的水质进行模拟预测，提出了沱江流域水环境改善的方案，希望为社会经济发展下未来沱江流域的水环境治理提供参考依据。

1 模型构建

1.1 研究范围

沱江流域(成都段)贯穿成都市东北部和东南部，介于东经103°60′～104°89′和北纬30°22′～31°44′之间，流域东西长125km，南北宽133km，总面积约6 331.84km2。东北与德阳市、东南与资阳市毗邻，南面与眉山市相连，西 南紧邻中心城区、西北与阿坝藏族羌族自治州接壤[12]。沱江流域(成都段)区位如图1所示。沱江流域地势西北高、东南低，分为龙门山山地、成都平原和川中低山丘陵三个地貌区。沱江上游为龙门山山地，山高谷深，连绵不断，多为北东—南西向山脉，海拔3 000～4 000m。以关山口为界，沱江进入成都平原，平原呈西北高东南低，地面坡度大，沱江水系交织成水网，并在金堂汇入沱江干流。沱江干支流金堂以下段主要为构造剥蚀低山和丘陵，龙泉山呈北东—南西走向的条状山脉，海拔500～800m，其余均为红色丘陵，一般海拔350～450m。

图1 成都市沱江流域区位及断面分布图Fig.1 Location and section distribution of Tuojiang River basin in Chengdu

1.2 水系概况

沱江属长江一级支流，绵远河(北河)、青白江(中河)、毗河在成都金堂县境内汇流后始称沱江，沱江干流成都段长度124km，流域面积6 331.84km2。

沱江基本呈南北流向穿越成都市域东隅。沱江上源有绵远河、石亭江、湔江三支，绵远河通常被视为正源。三源相汇后的干流自201医院进入金堂县境，改称北河。北河自北向南流自金堂县赵镇，与都江堰内江渠系的青白江(中河)、毗河先后相汇后始称沱江。南行至金堂峡穿龙泉山入丘陵区，纳黄水河后，东流3km进入简阳市境内，在简阳市区纳绛溪河后，向南偏东流至临江寺出成都境。

建立模型时将流量较小的河道进行合并、概化，河道纵比降通过实测控制断面的河底高程进行控制，并根据模型需要进行适当平顺处理。计算区域的主要河流为沱江干流、支流水系，包括沱江干流、毗河、青白江、西江河、清溪河及绛溪河等37条河流，模型计算范围内的河网概化示意图见图2。

图2 MIKE11模型中沱江流域(成都段)河网概化示意图Fig.2 Schematic diagram of river network generalization of Tuojiang River Basin (Chengdu Section) in MIKE11 model

1.3 水动力模型

一维水动力模型的控制方程采用Saint-Venant 方程组, 其离散采用Abbott-Ionescu六点隐式格式，可在相当大的Courant 数下保持计算稳定。其数值计算采用传统的追赶法。该离散格式在每一个网格点并不同时计算水位和流量, 而是按顺序交替计算[13～15]。

上游流量边界水文条件主要采用沱江流域2016年逐月水文实测资料，部分边界条件通过降雨资料、蒸发资料采用产汇流模型计算得到。

1.4 水质模型

水质模型是基于水动力模型模拟的水动力结果，应用对流扩散方程，对河流可溶性物质和悬浮性物质的对流扩散过程进行计算[16]。其基本方程如下：

(1)

公式(1)中：C为模拟物质的浓度；u为河流平均流速；Ex为对流扩散系数；K为模拟物质的一级衰减系数；x为空间坐标；t为时间坐标。

水质边界条件根据2016年成都市环境监测站进行的逐月水质监测结果确定。成都市沱江流域的主要超标因子为氨氮和总磷，基于对沱江流域区域内现状工业、污水处理厂、城镇生活、农村生活、畜禽养殖以及农田面积分布等信息的调查，共概化排污口41个，进行了氨氮、总磷污染负荷计算。从氨氮指标来看，城镇生活源(6 139.65t)、农田径流(1 424.16t)、散养畜禽(1 141.3t)和农村生活源(797.45t)分别排名前4位。从总磷指标来看，城镇生活源(878.81t)、散养畜禽(549.09t)、规模化养殖(387.03t)和农田径流(256.66t)分别排名前4位。因此，沱江流域养殖、农田径流、城镇生活源是治理的重点行业。

1.5 模型的率定与验证

河床糙率是表征河道底部和岸壁影响水流阻力的各种因素的综合系数，是影响水动力模拟结果的重要因素[17]，按天然河道经验值确定河道糙率为0.021。采用2016年逐月三皇庙水文实测资料进行水动力模型率定，模型计算值和实测值的对比见图3，三皇庙断面流量平均相对误差小于9.56%，所建模型能够模拟沱江流域水文变化过程。

采用2016年成都市环境监测站进行的逐月水质监测结果对水质模型进行率定，NH3-N降解系数为0.15d-1，TP降解系数为0.1d-1。去除监测数据中个别极值数据，主要断面NH3-N模型计算值与实测值平均相对误差均在28.01%以内，主要断面TP模型计算值与实测值平均相对误差均在28.17%以内。主要断面各水质指标模型计算值与实测值对比见图4、图5。由图表可看出，主要污染物计算值与实测值吻合性较好，模型基本可靠，可用于预测。

图3 主要断面流量计算值与实测值对比图Fig.3 Comparison diagram of calculated and measured flow of main sections

图4 主要断面NH3-N计算值与实测值对比图Fig.4 Comparison of calculated and measured values of NH3-N in main sections

图5 主要断面TP计算值与实测值对比图Fig.5 Comparison of calculated TP values and measured TP values in main sections

2 水环境改善方案

在近两年沱江水环境综合治理的大力推进下，沱江流域的水质情况有所好转，但在未来沱江流域的发展格局下，水质达标的压力不言而喻。鉴于沱江流域养殖、农田径流、城镇生活源污染负荷较高，为改善成都市沱江流域的水环境，在提升城镇污水收集率、再生水利用率、农业面源污染治理等措施基础上，用模型分析计算水环境的改善效果。若水环境质量考核断面仍无法达标，设定引水方案，分析计算达到目标水质所需的引水流量。

2.1 改善水质目标

本文西河天平、毗河二桥、三皇庙、爱民桥、宏缘断面水质目标为Ⅲ类。

2.2 设计条件设定

水环境模拟的水文计算条件一般选取90%保证率最枯月流量或近10年最枯月流量，但一般在该设计流量的情况下，河道水环境容量计算结果极小。为使理论结果具有可操作性，本方案选取成都市新桥、关口、三皇庙等6个水文站点1954年至2016年时间序列的90%，50%，10%保证率年过程枯水流量作为设计水文条件，具体水文条件设置见表1，其余缺少水文站点的河流边界采用水文比拟法进行计算。根据边界的水质现状条件，都江堰、石堤堰分水质边界取Ⅱ类，跨界河流水质边界均按照地表功能区要求按Ⅲ类选取。

根据沱江流域的社会经济发展、污染负荷现状水平制定污染源预测方案如表2所示。

表1 水文条件设置Tab.1 Hydrological condition setting (m3/s)

表2 污染源预测情景设定Tab.2 Pollution source prediction scenario setting

2.3 减排方案

首先通过模型计算分析在不补水的情况下，各断面水质情况，不同设计水文条件下的断面污染物浓度模拟值见表3。

表3 不同设计水文条件下的断面污染物浓度模拟值Tab.3 Simulation value of sectional pollutant concentration under different design hydrological conditions

由表3可见，在城区、乡镇污水收集处理率分别达100%、95%，中心城区、郊区(市)县再生水利用率分别达60%、40%，农村生活污水处理率达60%，农田径流污染治理面积比达50%，规模化养殖比例达80%，建成区海绵化比例达80%的污染物治理水平下，西河天平、毗河二桥、三皇庙、宏源断面在90%保证率下仍不能达标。因此，为使西河天平、毗河二桥、三皇庙、宏缘断面水质达到地表水Ⅲ类标准，需考虑引水方案。

2.4 引水方案

由于毗河干流、毗河重要一级支流西江河断面达标情况不容乐观，考虑从毗河干流及西江河同时引水，通过“增容”的方式改善毗河、西江河、沱江水质，从西江河源头引水，可改善西河天平断面及沱江干流三皇庙、宏缘断面水质情况，从毗河石堤堰引水，可改善毗河二桥断面及沱江干流三皇庙、宏缘断面水质情况。由于流域内大部分降水集中在5至10月间，径流量较大，因此方案拟定仅在枯水期(1～4月以及11、12月)进行引水。从表4可知，若引水水质为地表水Ⅲ类标准，西江河源加大引水流量至10m3/s，西河天平断面水质仍无法达标，同理，若毗河引水水质为地表水Ⅲ类标准，毗河二桥、三皇庙、宏缘断面达标所需的引水水量将非常大。在成都市水资源相对不足的基础下，考虑补水方案的可实施性后，制定方案如下：毗河从石堤堰处引水，西江河从源头引水，引水水质为地表水Ⅱ类标准。

表4 引水Ⅲ类水质下西河天平断面污染物浓度模拟值Tab.4 Simulation value of pollutant concentration in xihe river Tianping section under class Ⅲ water quality (mg/L)

经过模拟计算发现，西河天平断面水质达标所需的临界引水水量为1.1m3/s，毗河二桥断面水质达标所需的临界引水水量为4.8m3/s，但此时，宏缘断面水质仍无法达标，需加大引水水量。为确定引水最佳方案，进行了断面均达标时，毗河、西江河的引水方案拟定，结果如表5所示。可以看到，在满足西河天平断面水质刚好达标的前提下，毗河需引水14.9m3/s，共需引水16 m3/s才能满足所有断面水质达标，若适当加大西江河源头引水量，在保证所有断面达标情况下，所需引水量小于16m3/s，故在西江河源头引水效果略好于在毗河引水的效果。

表5 不同引水方案下各断面污染物浓度模拟值Tab.5 Simulated values of pollutant concentrations at each section under different water diversion schemes

3 结 语

本文采用MIKE11构建了沱江流域(成都段)水动力、水质模型，模拟了污染物减排方案及引水方案对水环境质量的改善效果，得到了如下的结论：

在城区、乡镇污水收集处理率分别达100%、95%，中心城区、郊区(市)县再生水利用率分别达60%、40%，农村生活污水处理率达60%，农田径流污染治理面积比达50%，规模化养殖比例达80%，建成区海绵化比例达80%的污染物治理水平下，在50%、10%证率年过程枯水流量下，西河天平、毗河二桥、三皇庙、宏源、爱民桥断面水质均可达标。在90%保证率年过程枯水流量下仅爱民桥断面水质达标，此情况下，通过合理引水，可改善无法达标的断面水质情况，西河天平断面水质达标的临界引水流量为1.1 m3/s，毗河二桥断面水质达标所需的临界引水水量为4.8m3/s，在满足所有断面水质达标的前提下，共需引水16 m3/s，从西江河引水对水环境质量改善的效果略好于毗河。