崇明岛河网水污染特征及防治研究

刘宏宽，赵庚润，滕 飞

(1.上海市水利工程设计研究院有限公司规划科研分院，上海 200061；2.上海滩涂海岸工程技术研究中心，上海 200061)

河网水污染极易引发区域水生生物死亡、水体黑臭等一系列问题，严重影响附近人员生活生产安全。近年来，河网水污染已成为社会及公众关注的焦点。受潮汐影响，感潮河网地区多依靠闸泵控制调度，水体流动性弱，自净能力较差，更易发生水污染事件[1-2]。2022年1月7日，上海市人民政府发布《崇明世界级生态岛发展规划纲要(2021年～2035年)》，要求在2035年前，岛内市、区级河道达到或好于Ⅲ类水体的比例为100%，镇级河道达到或好于Ⅲ类水体的比例不低于95%[3]。

通过水质监测调查，分析模拟河网水质变化规律，进而掌握水质污染特征，在河网水质污染防治工作中具有至关重要的作用。根据现状水质监测进行污染溯源，对流域污染变化规律及其组成和空间分布特征进行分析，可找出潜在问题并针对水污染特征提出相应防治措施[4-7]；通过构建数值模型研究区域内各水质要素的时空分布规律，可提出相应防治措施，并分析预期成效[8-11]。

目前，对崇明岛从监测数据分析到数值模拟再现的深入研究较少。因此，本研究基于2020年崇明岛779个河长办断面水质监测数据，探寻崇明岛河网水质污染时空分布规律，通过构建水动力水质模型，进一步剖析河网水质污染特征及原因，并提出相应的治理对策建议，以期为推动崇明岛水污染防治，服务世界级生态岛建设提供重要的技术支撑。

1 数据与方法

1.1 数据来源

研究中涉及的人口、经济、农业、气象数据来源于《崇明区统计年鉴》《中国县域统计年鉴》及崇明区统计局官网，崇明区河长办监测断面水质数据来源于崇明区水务局。

1.2 研究范围

崇明岛地处长江入海口，是世界最大的河口冲积岛。崇明岛河网水系密布，由32条骨干河道(市管及区管)，600余条横向镇管河道与之沟通，中间另有15 000条村级河道及泯沟与之相连，现状(2020年)河湖水面率9.07%[12]。崇明岛779个河长办监测断面点位空间分布及2020年全年年均水质情况见图1。

1.3 研究方法

1.3.1 污染物评价及核算

本研究水质评价依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[13]进行单因子评价，即

(1)

(2)

式中，pi为单项指标污染指数；Pi为断面综合污染指数；ci为评价指标实测浓度；c0为对应指标标准浓度允许的最高值；n为该断面水质评价总指标总数。

生活污染、种植业及养殖业非点源污染物入河量依据《排放源统计调查产排污核算方法和系数手册》(2021)附表2及附表3进行核算[14]。

地表径流污染负荷计算采用输出系统模型法进行核算[15-16]，核算公式为

Q=0.001·EMC·R·A·P

(3)

式中，Q为面源负荷量，kg；EMC为下垫面降雨径流事件平均浓度，mg/L；R为年径流系数；A为集雨面积，km2；P为降雨量，mm。

1.3.2 污染物迁移转化过程模拟

本研究通过一维非恒定流Saint-Venant方程组及对流-扩散方程，构建一维河网水动力水质模型，对崇明岛河网水流状态及污染物的迁移转化过程进行模拟。

水流连续方程为

式中，B为水面宽，m；h为水深，m；t为时间，s；Q为流量，m3/s；x为河段长，m；q为旁侧入流或出流，m3/s。

水流动量方程为

式中，u为断面平均流速，m/s；g为重力加速度，m2/s；n为糙率；A为河道断面面积，m2；z为水位，m；R为水力半径，m。

污染物迁移转化方程为

式中，ci为水质指标浓度，mg/L；Ex为河流污染物扩散系数，m2/s；Sci为源漏项，Sci=-kihci，其中ki为对应于ci的降解系数，d-1。

1.3.3 污染物平衡关系

河网纳污量是源(入量)和汇(出量)交替的动态存量，依据质量守恒关系，即

ΔW=(Wj+Wo)-(Qi+Qp)

(7)

式中，ΔW为河网纳污通量；Wj为时段降解量；Wo为河网外排污染物通量；Qi为引水口门污染物汇入通量；Qp为污染物入河量。

2 结果与分析

2.1 实测水质分析

由图1可知，III类及以上水体测点共539个，占比69.2%；Ⅳ类水体测点237个，占比30.4%；Ⅴ类水体测点3个，占比0.4%。现状水质情况离要求差距较大，其中26个国考、市考断面中，Ⅲ类及以上水体占比80.8%，Ⅳ类水体占比15.4%，Ⅴ类水体占比3.8%。崇明岛2020年溶解氧基本达标，总磷超标(IV类、Ⅴ类、劣Ⅴ类)严重，高锰酸盐指数、氨氮浓度大面积范围已越过III类水体指标下线，如图2所示。

图2 崇明岛污染监测插值(水质指标)

崇明岛不同月份水质评价成果如表1所示。由表1可知，崇明岛水质随季节呈现出显著的变化，冬春季水质较好，11月～翌年3月超标水体占比低于45%，水质2月份超标最少，超标点位占比27.08%；夏秋季水质较差，4月～10月超标水体占比均超过50%，尤以夏秋季4个月(6月～9月)超标最为严重，7月份超标点位占比96.27%。

崇明岛河网月际水质监测点评价分布情况如图3所示。由图3可知，高污染集中在城桥镇(西北区域)、陈家镇(东南区域)、新海农场(北部)等种植区，污染强度较高的地区与粮食产区及中心城镇高度吻合，其余地区污染分布分散。全岛既有集中污染区域，又存在大面积面源污染，污染防治难度较大。

图3 崇明岛逐月水质污染分布

2.2 河网纳污分析

崇明区2020年高锰酸盐指数、氨氮、总磷的非点源污染来源统计结果如图4所示。由图4可知，污染主要来源于种植业，高锰酸盐指数、氨氮和总磷3个水质指标污染种植业负荷量占比均超80%。

图4 崇明岛非点源污染来源分布

统计崇明岛2020年降雨情况，并以蔬菜产量为指标衡量崇明岛肥料施用情况，如图5所示。由图5可知，崇明岛主要污染(以主要污染物总磷为例)情况与降雨及施肥情况显著相关，施肥月份与水质较差的时段保持一致，水质浓度随降雨量季节性变化。春季及夏季过度施肥，冗余的氮、磷元素沉积和吸附在土壤中，6月～8月伴随农田漫灌及强降雨，污染物大量进入河网。种植业是崇明岛河网污染的来源，降雨是污染物进入河网的催化剂。

图5 崇明岛总磷浓度-降雨量-蔬菜产量关系

依据水动力水质模型结果，分骨干河道(市管及区管河道)及支级河道(镇管及以下河道)提取各河段水量及纳污量，崇明岛骨干河道年均水量约9.54万m3，年纳污量约7.8 t；支级河道年均水量约11.32万m3，年纳污量约20.0 t，如图6所示。由图6可知，环岛运河等骨干河道占河网总水量的46%，纳污量仅占比28%；而镇管等支级河道占总水量的54%，纳污量却占比高达72%。说明骨干河道水量略低于支级河道水量，但污染物主要存在于支级河道中，且骨干河道纳污量年内变化较小，基本能维持在一个稳定且不超标的水平上，而支级河道纳污量年内变化较大，污染水平较高的夏秋季纳污量约是污染水平较低的冬春季纳污量的2倍。

图6 崇明岛骨干及支级河道纳污量

崇明岛河网污染物引排水削减量为河网排出和摄入污染物的差值，依据公式(7)计算河网自净降解量，其与引排水削减量的关系如图7所示，各月引调水及河网自净削减量及占比如表2所示。崇明岛河网污染物削减主要依靠自净降解，且春秋两季流动性强的月份，自净降解量较高；引排水能起到一定的削减作用，在水动力强、污染高的夏秋季削减量高，占比约25%～30%，在流动性低的冬季削减量低，占比约10%～15%，其余的月份占比15%～20%。

2.3 河网污染防治对策

崇明岛河网水质污染主要来源为种植业污染，污染物主要囤积在支级河道，呈典型的季节性变化及降雨正相关性，污染削减方式主要依靠河网自身降解。因此，为治理崇明岛河网水质污染，须从外部污染削减拦截、内部污染重点治理和河网自净能力提升3个方面开展。

通过增加有机肥施放量、节水灌溉、治理农田末端尾水等方式，削减农业面源负荷量及污染物入河量，可有效降低土壤中囤积的氮磷物质含量；通过疏浚和加宽支级河道，连通断头河道，发挥崇明岛现有涵闸的引排功效，在保障防洪安全情况下抬升河网水位，增加引排频次等方式提升河网流通性，增加河网自净能力。

此外，增强崇明岛支级河网流动性的同时，支级河道内部囤积的污染物大量扩散至骨干河道，短期内有引发河网污染加剧的可能，应在重点地区开展集中水污染治理，尽量削减污染扩散程度。

3 结 论

(1)崇明岛水质达标率69.2%，污染强度较高的地区与粮食产区、城桥镇等中心城区高度吻合，其余地区污染分布分散；水质月际差异明显，4月～10月超标水体占比51.69%～96.27%，11月～3月超标水体占比27.08%～44.46%。

(2)种植业是崇明岛河网污染的来源，冗余的氮、磷元素沉积和吸附在土壤中，夏秋季伴随农田漫灌及强降雨进入河网；污染物主要囤积于支级河道内部，骨干河道水量占比46%，纳污量占比28%，支级河道水量占比54%，纳污量占比72%。

(3)崇明岛河网污染物削减主要依靠自净降解，且春秋两季流动性强的月份，自净降解量较高；引排水能起到一定的削减作用，在水动力强、污染高的月份削减量高，占比约30%，冬季等流动性低的月份削减量低，占比约10%。

(4)针对崇明岛河网水质污染特征，治理须从外挡源漏、重点治理、内提动力出发，削减河网纳污量，重点开展支级河道污染治理，提升河网水动力，增强河网自净能力。建议通过净化支级流域末端尾水、提升支级河道流动性、开展高污染片区集中治理、加大引排能力及频次等针对性措施有效改善污染程度。