潮汐河网区污染排放与水质响应关系的模拟研究

李 丹，曾 慧，张明珠，李 泉

（广州市水务科学研究所，广东广州 510220）

0 引 言

国家实施水污染防治的总量控制制度，包括重点水污染物排放总量控制和水功能区限制纳污总量控制，前者是目标总量控制，以水质改善为期望。后者是容量总量控制，以水质达标为出发和归宿。目标总量管理对流域水质改善发挥了明显作用，但同时存在没有建立水质响应关系、与水质目标关联度低等问题。在实行目标总量控制管理的同时，容量总量的理论和技术方法研究也在不断拓展，许多研究学者对于水文水动力及水质模型［1-4］、污染物总量控制及分解［5-9］、污染排放与水质响应关系［10-15］进行了研究，但现行计算与分配技术需要改进的问题包括：排污控制单元与流域不协调、用最枯流量条件计算的静态容量与实际水文条件差异大、没有综合考虑水域与陆域等。

潮汐河网区人口密集，城镇化程度高，相对于社会经济快速发展，污水收集处理能力滞后，入河污染物总量接近或超过水体纳污能力，污染控制面临削减存量与控制增量的双重压力。潮汐河网区水资源开发利用强度高，依靠丰富的过境水量和河口潮流量弥补本地水资源的不足，潮汐导致水体水动力及自净能力减弱，污染物在枯水期感潮往复流区域累积。联围筑闸、河岸改造、群闸联控、河涌整治等人为干预强烈，加上潮汐导致的流向流速差异明显，使污染物的迁移转化过程更为复杂，污染问题识别及量化具有较大不确定性。本文通过构建感潮河网区水动力与水质模型，建立“污染源—控制单位—水功能区”之间的输入响应关系，研究污染物“排放量—入河量—断面水质”之间的反馈机制，为明确监管责任、推进污水属地处理、倒逼地方削减排污量提供技术依据。

1 研究区概况及模型范围

研究区以广州-佛山跨界主要干支流为中心，北至芦苞涌水闸，南至陈村水道勒竹，西至佛山南海区西南水闸和佛山水道沙口水闸，东至珠江后航道墩头基，见图1。研究区来水主要来自流溪河、白坭河、西南涌等3 个流域：流溪河流域为独立流域，其径流主要依靠上游水库放水及区间降水；西南涌、白坭河则以北江来水为主要水源，通过芦苞水闸、西南水闸控制北江分水，芦苞水闸引水在九曲河、芦苞涌分叉后分别注入白坭河、西南涌，并最终汇入鸦岗。

图1 主要水系及断面分布图Fig.1 Distribution of main water systems and sections

近年来，研究区以主要污染贡献支流流域为排污控制单元，在完成控源截污的基础上，研究畅流活水方案，流溪河开展大中型水库调度，北江芦苞、西南两座水闸利用潮汐规律进行自流引水调度，流域内河涌通过群闸联控，涨潮引水济涌、落潮置换河涌水体，有效提升河流水动力条件和自净能力。2017-2019年水质考核断面达标率明显提升，提升幅度达到8.4%～66.7%，其中鸦岗断面从劣Ⅴ类提升到Ⅲ类，大坳断面、海珠桥断面从劣Ⅴ类提升到Ⅳ类，白鹤洞断面从劣Ⅴ类提升到Ⅴ类。尽管水质提升明显，但断面连续几年水质不达标问题一直存在，距离考核目标差距较大，治理难度较大。

2 材料与方法

2.1 地形概化及网格剖分

为合理模拟珠江感潮河网的水动力情况，研究采用曲线贴体网格拟合复杂岸线，将众多汇入河涌概化为旁侧入流计入。采用Delft3D 软件对计算域进行了网格划分，网格大小为760行×628列，共13 005个计算网格。为突出重要断面局部流场特征，对局部水域进行了网格加密。

2.2 支流概化与污染源强统计

研究区共有205 条一级支流，本文筛选了对干流水质有较大影响且水质和水量数据较齐全的113 条支流，计算其CODCr和氨氮的入河总量，并以点源形式纳入模型，见图2。

图2 支流及污染源概化分布图Fig.2 Distribution map of tributaries and pollution sources

2.3 模型边界及参数设置

2.3.1 边界设置

模型上游流量边界采用人和坝、芦苞涌闸、西南涌闸的调度数据，模型下游水位边界采用五斗、勒竹、黄埔水位站的逐时水位数据。结合常规与自动监测水质数据，模拟及验研究区污染物浓度变化过程，水质数据均来自广州、佛山两市环保部门常规水质监测数据。边界示意图见图3，断面水质情况及水动力边界、水质边界信息见表1～表3。

图3 模型边界设置示意图Fig.3 Model boundary setting

表1 主要断面水质情况一览表Tab.1 List of water quality of main sections

表2 水动力边界基础信息Tab.2 Basic information of hydrodynamic boundary

表3 水质边界断面基础信息Tab.3 Basic information of water quality boundary section

2.3.2 参数设置

河道糙率及污染物衰减系数是水动力水质模型的重要参数。根据《珠江三角洲河网与河口水质模型连接计算研究报告》，珠江河网河道糙率变化范围为0.018～0.035。本文使用水文联测数据在上述糙率值基础上进行率定，最终得到河道糙率取值为0.01～0.02。在《珠江三角洲水环境容量与水质规划研究》中，华南环境科学研究所采用现场监测和实验室实验相结合的方法对珠江三角洲的主要污染物衰减规律进行了系统的研究，本文CODCr衰减系数采用上述研究成果。根据“七五”科技攻关项目“珠江广州段水质数学模型研究”，氨氮的衰减系数为0.1 ∕d，本文根据实测水质进行率定，最终确定氨氮的衰减系数为0.08 ∕d。污染物衰减系数取值如表4所示。

表4 污染物衰减系数率定取值Tab.4 Calibration value of pollutant attenuation coefficient

3 结果与分析

3.1 水动力模型验证效果

以2001年2月水文联测数据对水动力模型的主要参数进行率定，结果表明：2001年2月率定过程中，水位模拟误差在2.7 cm（大石）～12.6 cm（鸦岗）间，5个站点平均水位误差6.6 cm；大石和沙洛围的流量绝对误差分别为28.1%和29.7%。

以1999年丰水期、2017年枯水期和2017年丰水期数据对模型进行验证，结果表明：1999年丰水期水位模拟误差在3.7 cm（沙洛围）～7.8 cm（大石）间，6个站点平均水位误差为6.0 cm。大石、沙洛围、黄沙、浮标厂的流量误差分别为17.2%、16.0%、22.7%和42.9%（图4）。其中，浮标厂的相对误差超过30%，主要由于浮标厂断面处于潮流界内，流量变幅较大，憩潮时流量几近于0，即时较小的模拟流量绝对偏差除以极低的实测流量，其相对误差被放大，从而增大了整体平均误差。2017年枯水期、丰水期水位绝对误差均值分别为11.4、10.5 cm（表5）。

图4 枯水期、丰水期水位模拟结果图Fig.4 Simulation results of water level in dry season and wet season

表5 水动力模拟误差统计Tab.5 Error statistics of hydrodynamic simulation

3.2 水质模型验证效果

4 个常规水质断面的氨氮和CODCr基本在验证断面单月模拟的最小～最大值之间，与模拟众数基本吻合。模型具备较好的模拟精度，氨氮枯水期、丰水期的平均绝对误差分别为19.5%、33.2%，CODCr枯水期、丰水期的平均绝对误差分别为26.4%、29.1%，枯水期模拟效果优于丰水期，总体平均误差为27.1%（表6）。

表6 水质模拟误差统计Tab.6 Error statistics of water quality simulation

3.3 污染排放与水质响应关系分析

经统计，研究区CODCr入河排放总量为156 926.38 t∕a，氨氮入河排放总量为18 797.64 t∕a。CODCr一级支流汇入口排放量“前十”河涌的排放量总和为81 909.58 t∕a，占总入河量的52.2%，“前十”河涌分别是新街河、雅瑶水道、棠下涌、佛山涌、石井河、东濠涌、沙河涌、跃进河、海珠涌、葫芦涌；氨氮一级支流汇入口排放量“前十”河涌的排放量总和为11 375.37 t∕a，占总入河量的56.7%，“前十”河涌分别是新街河、石井河、雅瑶水道、棠下涌、佛山涌、东濠涌、沙河涌、白海面涌、泥坑涌、沙坑河。

大坳断面的污染负荷主要来自新街河、九曲河入境处，从流域角度看，主要污染源自白坭河流域；鸦岗断面的污染负荷主要来自和顺大桥边界、人和坝边界以及新街河，从流域角度看，主要污染源自广佛边界输入、流溪河流域及白坭河流域，三者污染贡献总和的比值约为3∶2∶1；海珠桥断面的污染负荷主要来自石井河和广佛边界输入，从流域角度看，主要污染源自石井河流域，边界的污染贡献主要源于人和坝边界、和顺大桥边界以及泌冲大桥边界；白鹤洞断面的污染负荷主要来自广佛边界输入和石井河，边界的污染贡献主要源于泌冲大桥边界、和顺大桥边界、人和坝边界、五斗边界、平洲边界。

图5 氨氮、CODCr模拟结果Fig.5 Simulation results of NH3-N and CODcr

3.4 水体污染物削减及水质达标分析

不足，自净缺水主要发生在枯水期。

通过贡献率结果可以看到，“前十”名的支流污染负荷基本占了总污染负荷排放的80%以上，因此本次最优化模型计算，只单独考虑污染贡献率“前十”名支流，其他支流均归类到“其他”。

通过matlab 的linprog 函数计算最优化模型的最优解，计算结果显示：在现状边界下，各支流氨氮达到Ⅴ类且CODCr达到Ⅳ类时，鸦岗、海珠桥和白鹤洞断面氨氮及CODCr均能达到Ⅲ类，然而大坳断面仅CODCr达到Ⅲ类，氨氮在丰水期及枯水期均为Ⅳ类。要大坳断面的氨氮达到Ⅲ类，则丰水期新街河需达到Ⅳ类，枯水期新街河需达到Ⅲ类。可见新街河的水质提升对大坳断面乃至鸦岗断面达标至关重要，这主要是因为新街河对大坳断面的污染贡献比重大，且汇入口离断面距离近，自净需水量

4 结 论

（1）基于EFDC 构建潮汐河网水动力水质数学模型，建立113 条支流污染通量与4 个断面水质的响应关系，经率定验证，验证期水位误差平均值为9.3 cm，流量误差平均值为24.7%，4个水质断面氨氮、CODCr绝对误差平均值分别为26.3%、27.8%，考虑到水下地形资料滞后、感潮区流量变幅较大、支流水质数据密度不足对水位、流量及水质的影响，模型具有较好的模拟精度。

（2）大坳断面的污染负荷主要来自新街河、九曲河入境处，鸦岗断面的污染负荷主要来自于广佛边界输入、流溪河流域及白坭河流域，三者污染贡献总和的比值约为3∶2∶1；海珠桥断面的污染负荷主要来自石井河和广佛边界输入，白鹤洞断面的污染负荷主要来自广佛边界输入和石井河。

图6 “90%累计总和”支流入河排放量柱状图Fig.6 “ 90%cumulative sum ”tributary discharge into the river histogram

表7 重要断面污染贡献表Tab.7 Pollution contribution of important sections

表8 “前十”支流污染物允许排放量及削减量 t∕aTab.8 Allowable emission and reduction of pollutants from“top ten”tributaries

图7 模拟浓度场示意图Fig.7 Simulated concentration diagram

（3）统筹“大小”齐治，深入推动水环境治理向各级支涌“毛细血管”延伸，实现自上游往下游有效削减污染物入河量，利用潮汐动力畅流活水，是维护重要断面水质稳定的重要保障。在现状边界下，各支流水质目标应为氨氮达到Ⅴ类且CODCr达到Ⅳ类，新街河的水质提升对大坳、鸦岗断面达标至关重要，其水质目标应提升为丰水期Ⅳ类、枯水期Ⅲ类。 □