蔷薇河支河尾水导流对水质影响研究

魏从贵 席志 刘浩 金鑫

摘 要：蔷薇河是沂北地区重要的防洪排涝骨干河道，也是连云港市主要的饮用水源地。受区域内工业、农业和生活污染影响，蔷薇河水质逐年下降，多次发生污染事件，市区居民生活用水受到影响。为了有效应对水源污染，改善蔷薇河水生态环境，利用MIKE软件构建蔷薇河流域水动力和水质模型，分析了蔷北截水沟、马河、民主河、黄泥河调尾工程对蔷薇河水质的影响。结果表明，调尾工程能够有效改善蔷薇河水质，水厂取水口河段各项水质指标浓度下降接近50%，除了总磷、总氮外的各指标均能达到III水质标准，能够进一步保障连云港市用水安全。

关键词：蔷薇河；尾水导流；水质

中图分类号：X522                                                文献标志码：A

蔷薇河是沂北地区重要的防洪排涝骨干河道，发源于徐州市的马陵山、踢球山，流经徐州市新沂市、宿迁市沭阳县、连云港东海县和海州区、连云区，于临洪枢纽下游汇入新沭河，干线河道自小许庄至新沭河全长59 km，流域面积为1 143.9 km2。20世纪50年代淮沭新河开辟后，随着江水北调、淮水北送工程的实施，江淮水从洪泽湖二河闸送出，经二河、淮沭河，穿新沂河，入沭新河，送至蔷薇河，有效地缓解了连云港市用水紧张状况，蔷薇河逐渐成为连云港市的主要水源地，水质保护目标为Ⅲ类。淮沭河与新沂河在沭阳枢纽上游清污分流，上游尾水通过地涵排入下游新沂河中泓，淮沭河清水通过上部明渠入沭新河、蔷薇河。新沂河尾水地涵工程规划实施后，减轻了新沂河上游尾水对蔷薇河水质的影响。由于蔷薇河沿线乡镇大多没有配套截污管网，工业、农业和生活污染源聚集在几条支流中，汛期同雨水一起进入蔷薇河，严重影响蔷薇河水质，河道水质逐年下降，多次发生污染事件，1998年以来已发生15次较大的水污染事件，不同程度地影响了市区居民生活用水。目前，连云港市自来水主要由海州水厂、茅口水厂和第三水厂供给，三个水厂取水口均设置在蔷薇河上，其中茅口水厂和第三水厂取水口设置在蔷北截水沟河口下游，水质受上游尾水影响较大，发生突发性污染时，只能采用投加粉末活性炭的方法进行应急处理。随着社会经济发展，连云港市对蔷薇河水质水环境提出了更高的要求。研究蔷薇河支河尾水导流工程对改善蔷薇河水质，进一步保障连云港市用水安全具有重要意义。

1 污染源调查与分析

根据连云港市生态环境局调查资料，对工业、农业和生活污染源进行统计分析。

1.1 污染源调查[1-3]

1.1.1 工业污染

2015年蔷薇河流域范围内有工业企业约1 027家，污染源普查的重点工业企业共有112家，其中有83家企业尾水排入蔷薇河，年排放废水量为271.5万m?，COD排放量为602.9 t/a，NH3-N排放量为39.7 t/a，氟化物排放量为8.6 t/a。

1.1.2 农业污染

2015年农村面源污染包括农村居民生活污水、农田退水和径流、农村畜禽养殖、水产养殖等污染物流失，蔷薇河流域的农村面源污染物入河量分别为：COD为2 838.4 t/a、氨氮为357.03 t/a、总磷为105.74 t/a、总氮为970.70 t/a。

1.1.3 生活污染

2015年蔷薇河流域城镇生活污染物入河量分别为：COD为401.6 t/a、氨氮为40.16 t/a、总磷为4.68 t/a、总氮为53.54 t/a。

1.2 污染源分析

蔷薇河流域各污染物入河总量分别为：COD为3 928.83 t/a、氨氮为437.81 t/a、总磷为110.42 t/a、总氮为1 024.27 t/a。其中，COD入河量中农村生活污水占比最大，为27.5%；氨氮和总氮入河量中种植业占比最大，分别为36.9%、55.2%；总磷入河量中畜禽养殖占比最大，為45.7%。可知，蔷薇河流域的入河污染负荷量以面源污染为主要来源，面源污染与区域的降水产汇流密切相关。面源污染负荷的最高峰大多出现在7月份，主汛期6—9月份种植业的面源污染占到全年的90%。

1.3 水质状况分析[4-6]

河长制实施之后，蔷薇河污染物排放控制更加严格，水质监测站点、监测频次逐步增加，因此，分两个时段进行分析评价。河长制实施之前，选取监测资料比较齐全的2014—2015年水质状况进行分析，河长制实施之后，选取2018—2019年水质状况进行分析。

1.3.1 2014—2015年水质状况

根据2014—2015年研究区域内各水质监测站的监测数据，蔷薇河上游小许庄断面水质基本能够达到Ⅲ类水质标准，水质达标率超过了70%，说明上游河道水质较好。蔷薇河小许庄以下河段，由于民主河、马河、蔷北截水沟、鲁兰河以及乌龙河等多条支流的汇入，水质达标率不高，2014—2015年全年达标率不足50%，超标指标主要为氨氮和总磷。

1.3.2 2018—2019年水质状况

根据2018—2019年各站点水质监测成果，蔷薇河沿线友谊桥、张湾桥、刘顶取水口、新浦大道桥、洪门大桥、临洪闸和临洪东站等7个监测点的水质达标率依次为81%、72%、74%、56%、57%、53%和58%，从上游至下游呈逐渐下降趋势。306次监测中，Ⅴ类、劣Ⅴ类水质共32次，占总监测次数的10.5%。在Ⅴ类、劣Ⅴ类监测成果中，蔷北截水沟以下共23次，占72%。

1.4 蔷薇河沿线水质分析

随着民主河、马河、蔷北截水沟等支流汇入，蔷薇河各类污染物指标浓度变幅较为明显。高锰酸盐指数（CODMn）、五日生化需氧量（ BOD5）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）以及总氮（TN）的平均浓度详见表1。

可知，民主河站、马河站、蔷北截水沟站与小许庄站相比较，各类污染指标浓度增加较明显，海州站、茅口站与蔷北截水沟站相比较，变幅较小且呈逐渐降低趋势。

从年内污染变化看，随着汛期降雨量增多，蔷薇河沿线水质下降明显。BOD5浓度季节变化不明显，2月份和7月份浓度偏高；由于雨热同期，主汛期6—9月份降雨较多，温度较高，水质指标下降明显，季节变化显著，其中7月份CODMn、NH3-N、TP和TN浓度值最高。从年际变化看，六大水质指标年平均浓度与年降雨量的关系不明显。

2 水动力和水质模型

采用MIKE系列软件，构建蔷薇河流域水动力和水质模型，进行多方案计算分析。MIKE11 HD模型基于垂向积分的物质和动量守恒方程，采用该模型模拟蔷薇河干河、支河的水流状态，能够反映河道的水动力和水质特性。采用NAM模型模拟流域内的降雨径流过程。由于蔷薇河流域内各支河口无水文站点，缺少实测水位、流量资料，因此采用水文比拟法，选取地形地貌和河道特征相近的青口河上游流域模型中已率定的水文参数，作为蔷薇河流域NAM模型水文参数。MIKE11 AD（对流扩散模型）以MIKE11 HD的计算结果为基础，给定水质边界条件和相关参数，主要用于模拟可溶性物质和悬浮性物质在水体中的对流扩散过程。蔷薇河干河沿线设置有多个水质监测站，本研究重点对小许庄、民主河口、马河口、蔷北截水沟口、海州水厂取水口、茅口水厂取水口共6个干河节点进行水质计算分析。概化后的区域水动力和尾水导流工程见图1。

2.1 水动力模型率定

根据区域内河道实际情况以及规划设计资料，初步确定糙率，再通过模拟计算进行糙率率定。水动力模型率定应选择降雨时间长、雨量大、河道流量持续时间长的时段。根据相关资料，率定时段选取2007年9月17日至9月30日，新沭河流量采用石梁河站实测流量过程，根据小许庄站实测水位和模拟水位对模型进行率定。根据计算结果（见图2），小许庄站平均水位差0.02 m，最大水位差0.09 m，水位涨落趋势一致，所设糙率等参数基本合理，新沭河太平庄闸下泓道糙率0.022、滩面糙率0.035，其他骨干河道泓道糙率0.022、滩面糙率0.030。

2.2 水质模型率定

水质模型以水动力模型为基础进行构建。水质模型率定应选择河道流量持续时间较长、水质变化较明显且监测资料较完善的时段。根据水质监测和降雨资料，率定时段选取2017年7月1日至8月5日，采用同期水质监测数据作为边界条件和率定站点的对比分析数据，率定水质数学模型的主要参数。

蔷薇河干流上CODMn、BOD5、NH3-N、TP和TN五种水质指标浓度的实测值与计算值相近，相对误差均小于20%（见表2），变化趋势基本一致，水质模拟效果较好，基本能够代表水质指标在河流中的流动扩散过程，水质模型率定参数基本合理。

2.3 模型验证

验证时段选取2017年7月1日至8月5日。小许庄站实测水位与计算水位对比见图3。根据验证结果，小许庄站平均水位差0.06 m，最大水位差0.15 m，水位涨落趋势一致，基本满足计算精度要求，模型计算能够反映流域水动力状况，可用于模拟蔷薇河流域水力計算。

3 水质保护工程措施方案

蔷薇河水质保护措施为蔷北截水沟调尾、民主河和马河调尾、黄泥河和友谊河调尾等三个调尾规划[7]。

3.1 方案一

结合防洪除涝规划续建5 m截水沟，对蔷北截水沟进行调尾，拦截5～18 m之间270.3 km2的尾水经叶荡大沟、高桥河入鲁兰河，再经临洪闸入新沭河，拦截面积约占蔷薇河流域面积的24%，改善蔷薇河水质。

3.2 方案二

实施蔷北截水沟调尾方案后，再将蔷薇河支流民主河、马河涝水调尾，建站抽排入5 m截水沟，经鲁兰河入新沭河，两河汇水面积共110.8 km2，占蔷薇河流域面积的10%，持续改善蔷薇河水质。

3.3 方案三

实施前两个调尾方案后，在友谊河口下游新建拦河堰，将黄泥河、友谊河尾水调入蔷北截水沟，进一步改善蔷薇河水质。

4 计算结果及分析

基于研究区域内一维河网水动力及水质模型，选取2017年7月8日至29日为研究时段，总面雨量为150 mm，略小于区域5年一遇设计暴雨，按三个方案分别计算蔷薇河干流各节点主要水质指标浓度，分析各方案对于改善蔷薇河干流水质的效果，主要计算成果见表3。

由表3可知，方案一对于蔷北截水沟口以下段河道水质有一定程度的改善，各项水质指标平均浓度减小超过20%，海州水厂和茅口水厂取水口河段CODMn平均浓度分别减小2.25 mg/L、2.13 mg/L，但仍为Ⅳ类水；BOD5平均浓度分别减小0.86 mg/L、0.85 mg/L，达到Ⅲ类水质标准；NH3-N平均浓度分别减小0.36 mg/L、0.34 mg/L；TP平均浓度分别减小0.09 mg/L、0.08 mg/L，分别由劣Ⅴ、Ⅴ类水变为Ⅴ、Ⅳ类水；TN平均浓度分别减小0.55 mg/L、0.53 mg/L。

方案二在方案一的基础上，民主河口以下河段水质进一步改善，民主河口至蔷北截水沟口各项水质指标平均浓度减少超过15%，蔷北截水沟口以下河段各项水质指标平均浓度减少超过40%，海州水厂和茅口水厂取水口河段水质进一步改善。民主河口以下河段，CODMn平均浓度减少1.38～4.27 mg/L，由Ⅳ类水变为Ⅲ类水；BOD5平均浓度减少0.81～1.58 mg/L，达到Ⅱ类水质标准；NH3-N平均浓度减少0.45～0.66 mg/L；TP平均浓度减少0.07～0.20 mg/L，分别由劣Ⅴ、Ⅴ类水变为Ⅴ、Ⅳ类水，达到Ⅴ类水质标准；TN平均浓度减少0.33～1.02 mg/L。

方案三在方案一、方案二的基础上，民主河口以上河段各项水质指标平均浓度减少超过10%，民主河口至蔷北截水沟口各项水质指标平均浓度减少超过30%，蔷北截水沟口以下河段各项水质指标平均浓度减少接近50%，海州水厂和茅口水厂取水口河段水质进一步改善。民主河口以下河段，CODMn平均浓度减少1.24～4.98 mg/L，由Ⅳ类水变为Ⅲ类水；BOD5平均浓度减少0.44～1.93 mg/L，达到Ⅱ类水质标准；NH3-N平均浓度减少0.14～0.89 mg/L；TP平均浓度减少0.03～0.23 mg/L，分别由劣Ⅴ、Ⅴ类水变为Ⅴ、Ⅲ类水；TN平均浓度减少0.26～1.16 mg/L。

綜上所述，不同尾水导流方案通过减少降雨径流造成的面源污染汇入蔷薇河干流中，使蔷薇河干流各项水质指标浓度有了不同程度的降低。三个调尾方案实施后，蔷薇河全线水质都明显改善，尤其是海州水厂至茅口水厂取水口河段各项水质指标浓度减少接近50%，TN平均浓度明显降低，除了TP外，其余各指标均能达到III水质标准。

5 结束语

（1）蔷薇河流域的面源污染是连云港市饮用水源地的的主要污染源，面源污染负荷的最高峰一般出现在7月份，主汛期9月份的面源污染占到全年的90%。区域内各支流的水质达标率不到50%，水质状况整体较差，非汛期水质略好于汛期，主要水质指标中氨氮和总磷超标。

（2）蔷北截水沟、民主河和马河、黄泥河和友谊河三个调尾方案实施后，入河污染源减少，蔷薇河干线水质污染指标浓度明显减小，民主河口以上河段平均减小超过10%，民主河口至蔷北截水沟口段平均减小超过30%，蔷北截水沟口以下段平均减小接近50%。

（3）由于蔷薇河沿线污染源主要为农业面源污染，污染因子主要是氨氮和总磷，建议进一步调整和优化产业结构，改进种植方式，减少农业面源污染。

（4）长江、淮河下游平原地区河网密布，河道之间水质影响较大，地表水保护目标不同。实施尾水导流工程，可以避免不同河道之间的污染影响，对于河道分类运行管理、重要河道及饮用水源地保护具有借鉴意义。

参考文献：

[1] 连云港市生态环境局.连云港市水质监测报告（2014）[R].连云港：连云港市生态环境局，2014.

[2] 连云港市生态环境局.连云港市水质监测报告（2015）[R].连云港：连云港市生态环境局，2015.

[3] 连云港市生态环境局.连云港市水质监测报告（2016）[R].连云港：连云港市生态环境局，2016.

[4] 连云港市生态环境局.连云港市水质监测报告（2017）[R].连云港：连云港市生态环境局，2017.

[5] 连云港市生态环境局.连云港市水质监测报告（2018）[R].连云港：连云港市生态环境局，2018.

[6] 连云港市生态环境局.连云港市水质监测报告（2019）[R].连云港：连云港市生态环境局，2019.

[7] 连云港市水利局. 连云港市蔷薇河清水通道建设规划方案[R].连云港：连云港市水利局，2015.

Abstract：Qiangwei River is a crucial flood control and drainage backbone in the Yibei area and a primary source of drinking water for the city of Lianyungang. Due to industrial，agricultural，and domestic pollution in the region，the water quality of the Qiangwei River has deteriorated over the years with multiple pollution incidents affecting the water used for the residents daily lives. To effectively cope with water source pollution and improve the ecological environment of the Qiangwei River，we constructed hydrodynamic and water quality models for the Qiangwei River basin by using MIKE software and analyzed the influence of the Qiangbei diversion canal，Mahe river，Minzhu river，and Huangni river tail projects on the water quality of the Qiangwei River. Results manifest that the tail projects can effectively improve the water quality of the Qiangwei River. The concentration of various water quality indicators in the river segment near the water intake of water plant has decreased by nearly 50%. Except for total phosphorus and total nitrogen，all indicators meet water quality standard III，thus further ensuring the safety of Lianyungangs drinking water supply.

Key words：Qiangwei River；tail water diversion；water quality