基于十圩港考核断面达标的入江支流污染来源研究

2022-03-08于竞然吴昌淦

四川环境 2022年1期

孙凡，逄勇，于竞然，吴昌淦

(1.河海大学环境学院，南京 210098；2.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)

1 背景与方法

1.1 研究背景及区域概况

流域水环境规划以国家有关法规和标准为基准导向，来进行流域水环境控制和治理规划，主要工作有以下几方面：提出流域水体功能区划和水质控制指标、确定水质超标河段和主要污染物、确定各河段主要污染物的环境容量、确定各排污口的允许排放量，并提出最佳治理方案、预测污染治理费用等[1]。

靖江属于长江流域，南部紧邻长江，研究区域位置见图1，有着优越的气候条件及潮汐之利，长江大保护行动实施前后，全国选取两个典型示范点来整治沿江城市污染源，上游为重庆，下游为靖江，来修复长江沿岸的生态环境。靖江市水系众多，整个市共有39条河流与长江相通，其中新十圩港大桥断面考核断面为唯一省考断面，该断面的水质达标成为了重中之重。十圩港的三元桥、丰产桥、新十圩港大桥断面涉及靖江市季市镇、孤山镇、靖城街道办和城南办事处四个乡镇，具体位置见图2。近几年来，三个断面的COD、氨氮及总磷水质因子年均值均满足地表Ⅲ类水水质要求，但部分月份氨氮和总磷超标，水质不能稳定达标。

本研究以十圩港为研究对象，建立十圩港水环境数学模型，计算十圩港周边季市镇、孤山镇、靖城街道办及城南办事处区域入十圩港污染影响分担率，从而有效界定各行政区责任，强化与相关行政区的对话机制。

图1 靖江市区域位置图Fig.1 Location map of Jingjiang City

图2 十圩港断面位置分布图Fig.2 Shiwei gang section location distribution

1.2 研究方法

近年来，为改善靖江市现状水环境污染，解决通江河流所带来的长江污染矛盾纠纷，对考核断面水质超标的原因进行溯源分析以及计算各镇区的污染影响权重显得尤为重要。相对而言，前人在对水质超标污染来源分担率方面的研究仍然较少。

在国外的流域治理研究相关领域，Kannel、Noh等学者[2～6]以下游水质达标为前提，通过建立水环境数学模型，对水质和污染物负荷进行模拟计算，从而得到流域的水质预测值和允许污染负荷。近年来，我国创新流域规划治理思路，根据国家制定“水十条”的相关要求[7]，未达到水质目标要求的地区需要制定达标方案，其中多数以考核断面水质达标为整治目标。国内学者采用多种水环境数学模型及分析方法对断面水质进行了多项研究。逄勇[8]构建多种水环境数学模型计算方法，其中以秦淮河流域水环境数学模型为例，得出断面水质与概化排口之间的响应关系等；展永兴等[9]以常熟市东环河虞东路桥断面为例，建立水质模型，通过水质监测数据进行模型参数率定，计算得出区域水环境容量，提出断面水质达标方案；胡开明等[10]以通榆河草堰大桥断面为例，基于断面水质达标的水环境容量计算方法，并利用一维稳态水环境模型模拟考核断面水质和污染源之间的关系，确保断面水环境质量达到水质目标要求。

因此，本文通过建立靖江市十圩港一维稳态水环境数学模型，利用控制十圩港三个断面达标方法，计算十圩港河道的水环境容量，以此来计算十圩港三个断面达标时周边污染物所需的削减量以及每个镇的削减比例。

2 计算方法

2.1 一维模型计算方法

2.1.1 概化排口

根据整治范围内靖江市4个街道乡镇地形条件以及各类入十圩港污染源的空间分布，本模型综合考虑了点源和面源的综合污染，点源和面源量化后放在里面，可以称为环境容量。十圩港周边的污染源包括点源和面源，点源包括了直排入十圩港的污水厂及工业企业，面源包括了河流周边的城镇生活源、农村生活源、畜禽养殖面源、农田面源等。本文中这些污染源均以概化排口的形式概化为了污染点源进入十圩港河道中。

根据概化原则，对十圩港河流进行概化，进行污染源的排污口概化时，应遵循以下原则：

(1)当工业企业排污口污染物排放流量较大(超过单元总量的10%)，必须作为独立的概化排污口处理；

(2)其他排污口若距离较近，可把多个排污口简化成集中的排污口；

(3)距离较远并且排污量均比较小的分散排污口，可概化为非点源入河；

(4)污水处理厂需作为概化排污口考虑；

(5)城市人口聚集地需概化排污口。

将周边污染源概化为28个排污口，包括一级概化排污口15个，二级概化排污口13个。具体概化排口见图3。

图3 十圩港区域概化排口图Fig.3 Shiwei gang regional general layout

2.1.2 模型计算

利用一维稳态水质计算公式，建立十圩港流域水质进行计算。对于有多个排污口及支流汇入情况，采用逐段累加法进行计算，每一个计算段上边界水质值采用上一段水质计算结果。具体公式[11]为：

(1)

(2)

其中：C0——排放污水或入流支流与上游来水稀释后的混合浓度，mg/L；

k——污染物的降解系数，d-1；

x——河道沿程距离，m；

u——河道水流流速，m/s；

C上——河道上游来水水质，mg/L；

Cq——排污口污染物排放浓度或汇入支流水质浓度，mg/L；

Q上——河道上游来水水量，m3/s；

q——排污口污水排放量或流入支流的流量，m3/s。

2.1.3 构建响应关系

通过构建概化排口，运用十圩港水环境数学模型，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(W1，W2，…)，先构建支流排口与入河支流之间的响应关系，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[11]。三个断面与概化排口响应关系构建见以下公式：

C三元桥=C(W1，W2)

(3)

C丰产桥=C(W3，W4，…W9，W16，W17，…W19)

(4)

C新十圩港大桥=C(W10，W11，…W15，W22，W23，…W28)

(5)

2.2 基于断面水质达标的水环境容量计算方法

十圩港研究区域位于平原河网地区，河流坡降相对平缓，本文采用以环境容量定义法为基础，断面水质达标的水环境容量计算方法，计算得到各概化排口的允许排污量即水环境容量，计算得到各概化排口的削减量，并利用一维稳态水环境模型模拟各断面水质和响应污染源之间的关系，保证相关计算结果的准确性，使得后期控制断面水质达标的方案切实可行。

根据水功能区的水质、边界条件，在设计水文条件时，考核断面达到水质标准时该研究区域内的污染源最大允许排放量即为水环境容量，具体见下公式：

W= (C-C’)·Q0+kVCs

(6)

式中：W为水环境容量，kg/d；C为混合后下游水质浓度，下同，mg/L；C’为初始断面混合水质浓度，下同，mg/L；Q0为水体流量，下同，m3/s；k为水质降解系数，下同，1/d；V 为水体体积，m3；CS为该水体相应水质标准下的浓度，mg/L。

2.3 分担率计算方法

现在研究采用的大多数为水文站的连续流量资料或时段通量的计算方法，但在实际的监测中，无法准确的获取瞬时的流量值和浓度值，只能获取相对来说时间跨度较大的离散分布监测值。由于十圩港研究区域下游支流较少且上下游分布支流差距大，因此本研究不采用时段通量的计算方法，而是根据2020年污染物统计年鉴，将各类入河污染物来源按行政区划分，来计算其分担率。本研究中分担率以各行政区的入河污染物通量之和占总通量比例的形式表达，计算公式为：

(7)

式中:Ki为第i项污染物在某行政区的分担率；Pi为某行政区入十圩港的污染物通量；n为某行政区入十圩港污染物计算数量。

3 结果与讨论

3.1 率定验证结果

根据公式(1)～(2)，模型的水文、水质边界条件均采用汇水面积、2020年降雨资料及实测水质资料。按照水资源论证、水环境容量计算及河流水体纳污能力的导则及规范要求，选取长序列降雨量资料计算地表径流量，其中在90%水文保证率下的枯水期地表径流作为最不利工况，在最不利工况下水环境容量才是合理的。而河流的流量的统计特征值计算依据是具有10年以上的持续不间断的流量值，在我国长江、黄河这样大河流域才具备持续不间断的监测条件，而我国小河流域未能实施持续监测。因此，国家在相关的导则和规范中提出利用降雨长序列数据的90%保证率下的地表径流量计算较为合理。根据研究区域内近37年的降雨量资料进行P-Ⅲ频率曲线计算，其频率分布图见图4。结果表明P=90%时的降雨量为800mm左右，而2020年研究区域内的降雨量为805mm，故2020年为90%降雨保证率的典型年，选取该年降雨量资料进行相关计算。

图4 近37年研究区域内降雨量P-Ⅲ频率曲线图Fig.4 P - Ⅲ frequency curve of rainfall in the study area in recent 37 years

对建立的十圩港水环境数学模型进行合理性分析，选取考核断面作为模型验证点位，结合三元桥、丰产桥和新十圩港大桥的流速、流量及水质数据对模型进行率定，率定公式见以下公式[12]：

(8)

采用试错法进行断面水质率定，并用新十圩港大桥断面进行验证，根据公式率定得到氨氮降解系数为0.06 d-1，总磷降解系数为0.06 d-1。率定及验证结果见表1。由表1可知，模型计算结果与实测值相对误差均在25%以内，满足要求，浓度值吻合较好。故该模型可用于十圩港流域水质变化计算过程。

表1 各主要控制断面氨氮、总磷浓度计算值与实测值相对误差对比表Tab.1 Comparison of relative errors between calculated and measured values of ammonia nitrogen and total phosphorus concentrations in main control sections

由表1可知，模型计算结果与实测值相对误差均在30%以内，浓度值吻合较好。故该模型可用于十圩港流域水质变化计算过程。

3.2 水环境容量计算结果

十圩港水质现状氨氮及总磷因子超标，需要进行相应削减，削减率分别为37.6%和59.1%。COD因子水质达标，因此COD现状排放量为水环境容量，为5 505.1t/a。详细计算结果见表2、图5～图7。

表2 水环境容量计算表Tab.2 Calculation of water environment capacity (t/a)

续表2

图5 COD现状排污量与水环境容量对比图Fig.5 Comparison of COD current discharge and water environmental capacity

图6 氨氮现状排污量与水环境容量对比图Fig.6 Comparison of ammonia nitrogen current discharge and water environmental capacity

图7 总磷现状排污量与水环境容量对比图Fig.7 Comparison of current total phosphorus discharge and water environmental capacity

由图5～图7可知，前15个概化排口现状排放量与水环境容量相差较大，后13个排口现状排放量与水环境容量相差较小，这是由于前15的排口大都处于主城区，周边诸多污染源，靠近十圩港的小餐馆大排档等尤其多，造成了大量污染物入河水质超标的现象。而后13个排口大都处于农村，只有农田径流污染及少量畜禽散养污染，污染量较少。

3.3 污染物分担率研究结果

污染物入河量分担率计算结果如图8～图10。由图8可知，靖城街道办的COD分担率最高，约为50%，城北园区最低，约为9%，但由于COD排放量未超标，所以本研究不进行相关分析；由图9可知，孤山镇的氨氮分担率最高，约为39%，其他三个区差别不大，从高到低依次是靖城街道办、季市镇、城北园区；由图10可知，孤山镇的总磷分担率最高，约为45%，靖城街道办最低，约为5%。由此可得，孤山镇氨氮及总磷分担率均为最高，其区域内污染物入河量应作为调整断面水质达标的主要对象。