太滆运河水环境容量研究

李冰阳

（上海勘测设计研究院有限公司，上海，200434）

0 引言

水环境容量是指在给定水域范围内，根据水体水质目标及入河排污口排污方式，在特定水文条件下所计算的单位时间内该水域的最大允许纳污量[1]。其值与水域特性、环境功能要求、污染物质类型和排污方式等诸多因素有关[2，3]。水环境容量作为资源环境承载力的重要组成部分，是链接水质目标管理与污染总量控制的核心纽带[4]，科学合理地测算流域水环境容量可为水污染精准防治及水环境精细管理提供科学的依据。

以往的大量研究多关注于点源污染排放对区域水环境的影响，以及不同水文条件下水环境容量的动态变化，而忽视了点、面源污染入河的季节性特征；枯水期，由地表径流裹挟入河的面源污染物较少，点源污染对区域水环境的影响占主导作用；丰水期，随着径流增大，面源污染入河量的比重升高，对周边水体的影响不容忽视。因此，需要综合考虑不同水情条件下点、面源的污染特征来确定点、面源污染协同影响的水环境容量[5]。

本文选取太滆运河汇水区为研究区域，考虑上游来水水质、区域点源污染、区域面源污染，利用解析公式法计算水环境容量，并通过建立一维河网水量、水质模型，验证该方法具有合理性，为后续区域水污染防治及水生态治理提供可靠基础。

1 研究区域概况

1.1 水系及水文特征概况

1.1.1 水系概况

太滆运河是江苏省常州市武进区内的骨干河道，也是贯通滆湖和太湖的主要河道之一，河道总长22.45km，河道底宽20 ～50m，河底高程-1.60m ～-1.20m（黄海高程），坡比1：3[6]。正常情况下水流由西向东，西段主要是滆湖出水、上游武宜运河来水在坊前桥汇合，中段与增产河交汇，并接纳武进城区永安河来水，东段与锡溧漕河、漕桥河汇合后入太湖。本次研究区域为太滆运河汇水区域，主要涉及太滆运河、武宜运河、永安河、增产河以及锡溧漕河。研究区域内水系见图1。

图1 研究区域水系、水文站、测验断面及水质监测断面示意图

1.1.2 水文调查

（1）历史水文数据调查。本次研究收集到的水文数据有：研究区域内1 个水文监测站黄埝桥站和1 个水位监测站坊前（二）站2007 年逐日流量及水位数据。位置分布见图1。

（2）水文特征现场调查。2019 年10 月21 日～10 月22 日开展每日两次水文测验，测验断面见图1，测验要素为河道流向、河宽、水深、流速以及流量，水文测验结果见表1。

表1 水文测验成果

1.2 水环境功能区划

根据《江苏省地表水（环境）功能区划》，太滆运河汇水区域内涉及七个水（环境）功能区，相关情况见表2。

表2 汇水区域地表水（环境）功能区划

1.3 水环境质量现状

2018 年对太滆运河及汇水区域内骨干河道进行水质监测，共有19 个水质监测断面，监测断面涉及出入湖泊、太滆运河以及各骨干河道，各断面位置如图1 所示。根据水质监测结果，太滆运河汇水区域内高锰酸盐指数基本稳定达标，主要污染因子为氨氮、总磷、总氮，各断面具体水质达标情况见图2。

图2 太滆运河汇水区域内河流水环境质量情况

1.4 污染源现状

根据统计结果，太滆运河汇水区域内COD、氨氮、总磷排放总量分别为570.55 t/a、47.79 t/a、16.02 t/a，详见表3。前黄镇COD、氨氮、总磷排放比重较高，分别占汇水区域排放总量的57.76%、54.21%、66.32%。汇水区域内COD、氨氮排放主要来源于生活污染，分别占排放总量的52.70%、61.28%，其次是农业面源污染、工业污染；总磷排放主要来源于农业面源污染，占排放总量的68.54%，其次是生活污染、工业污染。

表3 汇水区域污染物排放情况 t/a

2 河网水量水质数学模型构建

2.1 河网水量模型构建

2.1.1 控制方程

水量计算的微分方程是建立在质量和动量守恒定律基础上的圣维南方程组，以流量Q（x，t）和水位Z（x，t）为未知变量，并补充考虑了漫滩和旁侧入流的一维形式[7]。圣维南方程组见式（1）。

式中：Q 为流量，m3/s；x 为沿水流方向空间坐标；BW为调蓄宽度，m，指包括滩地在内的全部河宽；Z 为水位，m；t 为时间坐标，d；q 为旁侧入流流量，m3/s，入流为正，出流为负；u 为断面平均流速，m/s；g 为重力加速度，m/s2；A 为主槽过水断面面积，m2；B 为主流断面宽度，m；n 为糙率；R 为水力半径，m。

方程组求解方法：Abbott-Ionescu 六点隐式有限差分法。按照网格点的计算顺序交替计算水位或流量，2类计算点又被称为h 点和Q 点。首先求解各节点处的水位，然后将各节点水位回代至单一的河道方程中，并最终求得各单一河道各断面水位及流量。

2.1.2 河网概化

太滆运河汇水区域内河道纵横交错，本次研究以太滆运河、武宜运河、永安河、增产河、锡溧漕河为主要研究对象，河网概化如图3 所示。河道总长度约45km，河道断面间距（计算水位点）在300～600m 之间，模型计算网格（计算水位点、流量点）总数为380 个。

图3 河网概化图

2.1.3 边界条件设置

研究区域河网水量模型开边界按上游流量下游水位的原则设置，共设置4 个流量边界（图3 编号1-4）和3 个水位边界（图3 编号5-7）。根据收集到的研究区域内水文、水位观测站点2007 年流量、水位监测资料对其赋值，部分无法收集到的资料采用枯水期实测水文数据，同时参考全太湖流域水量水质模型计算值，综合确定设计水文条件。

2.1.4 模型参数率定

受现有资料所限，采用2007 年1 月1 日～3 月31日黄埝桥水文站平均水位监测资料对模型参数进行率定，率定得河道糙率值为0.022 6～0.023 0。黄埝桥水文站水位计算值和实测值分别为3.13m 和3.136m。

两数值吻合良好，绝对误差为0.006m，该模型可用于描述研究区域内主要河流的水文变化过程。

2.2 河网水质模型构建

2.2.1 控制方程

河网区水体中污染物对流扩散基本方程见式（2）和（3）。其中，式（2）是河道方程，式（3）是河道叉点方程[8]。

式（2）和（3）中：Q 为流量，m3/s；Z 为水位，m；A 为河道面积，m2；Ex为纵向分散系数；C 为水流输送的物质浓度，mg/L；Ω 为河道叉点－节点的水面面积，m2；j 为节点编号；I 为与节点j 相联接的河道编号；Sc为与输送物质浓度有关的衰减项，例如可写为Sc=KdAC；Kd为衰减因子；S 为外部的源或汇项。

在对方程求解时，时间项采用向前差分的方式，对流项则采用上风格式求解，扩散项采用中心差分格式。

2.2.2 边界条件设置

研究区域水质模型与水动力模型基本一致。上边界取滆湖入太滆运河断面，下边界取太滆运河出雪堰镇断面。水质模型水动力边界条件设置均与水动力模型相同，水质边界条件根据2018 年太滆运河流域水质监测数据确定水质模型入流断面边界条件，出流断面按第二类边界条件控制。

2.2.3 模型参数确定

根据对苏南河网地区水质降解系数的研究，COD综合降解系数取0.09～0.13d-1、氨氮综合降解系数取0.06～0.09d-1、总磷综合降解系数取0.06～0.10d-1。

2.2.4 排污口概化

研究区域污染负荷包括点源污染负荷及面源污染负荷。点源污染主要体现在枯水期，按入河排污口位置将点源污染负荷划分到各河段中，共概化点源排污口14 个，其中6 个直排企业排污口，1 个污水处理厂排污口，7 个生活污水排污口；面源污染主要集中在丰水期，本次研究以河道长度为权重因子，将面源污染划分到各个包围该陆域区域的河段中，共概化面源排污口14 个。

3 水环境容量计算及分析

3.1 水环境容量计算方法

目前水环境容量常见的计算方法有解析公式法[9]、系统最优化法[10]、概率稀释模型法[11]、模型试错法[12]等。本次研究按照污染物降解机理，采用解析公式法将水环境容量划分为稀释容量和自净容量两部分。稀释容量是指在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时，依靠稀释作用达到水质目标所能承纳的污染物量。自净容量是指由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量。其计算公式如下：

式（4）中：Q0为进口断面的入流流量，m3/s；CS为该水体的水质标准，mg/L；C0为进口断面的水质浓度，mg/L；K 为水质降解系数，1/d；V 为水体体积，m3；q 为旁侧入流流量，m3/s；C0′为旁侧支流进口断面的水质浓度，mg/L。

河网地区河道纵横交错，研究区域内上、下游河道水质互相影响，水环境容量应采用系统的方法分析计算。区域水环境质量总体上与上游来水水质、区域点源污染负荷、面源污染负荷有关。其中，点源污染主要体现在枯水期，面源污染主要集中在降雨期。据此，从管理的角度，可分别针对不同水情对应的点源、面源污染负荷计算允许排放量，两者综合为区域水环境容量。即根据点源污染特征及相应的水文条件确定点源污染物允许排放量；根据面源污染产污机制及时间特征确定面源污染物允许排放量；综合考虑点、面源污染特征确定点、面源污染协同影响的水环境容量[5]。

3.2 参数选取

太滆运河进口断面及旁侧支河入流流量选用水文特征现场调查数据；水质标准为《江苏省地表水（环境）功能区划》中规定的目标值；进口断面水质浓度采用太滆运河实测数据；水质降解系数参考苏南河网地区经验系数，COD 取0.1d-1、NH3-N 取0.08d-1、TP 取0.06d-1。

3.3 水环境容量计算结果

在进行水环境容量的计算时，考虑到旁侧支流的汇入会带来一定的水量及污染物，故对太滆运河分段计算水环境容量，分段示意图见图3。根据公式（4）水环境容量计算公式，研究范围内太滆运河COD、氨氮、总磷水环境容量核算结果见表4。

表4 太滆运河水环境容量核算表 t/a

由于点源污染主要体现在枯水期，面源污染主要集中在降雨期，故太滆运河枯水期水环境容量即为点源污染物允许排放量，丰水期水环境容量除去点源污染物允许排放量后即为面源污染物允许排放量。综上所述，点源污染物允许排放量为COD 4 725.60 t/a，氨氮77.93 t/a，总磷51.82 t/a，面源污染物允许排放量为COD 17 968.92 t/a，氨氮776.11 t/a，总磷143.76 t/a，二者综合即为区域水环境容量，详见表5。

表5 太滆运河汇水区域点、面源污染物允许排放量 t/a

3.4 合理性分析

在考虑水质安全性的基础上，按现状等比例分配原则，将点、面源污染物允许排放量分配到各个点、面源[13]。根据点源污染特征、面源污染产污机制以及点、面源污染物允许排放量核算与分配，利用已建立的一维水量水质模型，按相应的设计水文条件及参数取值，预测太滆运河各典型断面主要污染物浓度值，预测结果见表6。

表6 太滆运河各典型断面水质影响预测 mg/L

预测结果显示：点源及面源污染物排放将对太滆运河水质产生一定程度的影响，COD 浓度范围为17.569～18.731 mg/L，氨氮浓度范围为0.834～0.924 mg/L，总磷浓度范围为0.183～0.185 mg/L。各预测断面污染物浓度均满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）规定的III 类水质标准，由此可知，上述面源污染物允许排放量核算及分配方法基本合理。

4 结论

（1）本文提出考虑点、面源入河季节性特征的水环境容量计算方法，并利用MIKE11 软件建立水动力、水质模型以验证其合理性。结果表明：太滆运河水环境容量为COD 22 694.52 t/a、氨氮854.04 t/a、总磷195.58 t/a，其中，点源污染物允许排放量为COD 4 725.60 t/a，氨氮77.93 t/a，总磷51.82 t/a，面源污染物允许排放量为COD 17 968.92 t/a，氨氮776.11 t/a，总磷143.76 t/a。在此最大污染物排放量下，典型断面均能满足水质目标，该水环境容量计算方法合理可行。

（2）受现有资料限制，无法进行水质模型参数率定验证，仅采用苏南河网地区水质降解系数的经验值存在一定误差，同时，因缺少长时间序列边界条件，无法输出典型断面水质影响的动态变化，分析水质达标频率，后续待充分收集资料后将进一步完善。

（3）建议根据点、面源允许排放量，实施不同水文时期水污染精准防治，进一步完善管网设施，实施污水处理设施全覆盖，提高污水纳管率，同时，加强面源污染防治，提高农村污水治理技术水平。