南京市外秦淮河水質模擬及引調水效果

童朝鋒，岳亮亮，郝嘉凌，邵宇陽，嚴以新，劉豐陽

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210098;2.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京 210098)

我國城市化水平在不斷加快，城市用水高度集中引起污水的集中排放，造成市區及周邊地區水環境惡化;同時人們對城市水環境要求卻不斷提高，恢復城市河流生態環境以及景觀要求成為近年來人們關注的焦點。改善河流水質的根本措施是有效控制并減少污染負荷的排入。但是，要截除所有排入河流的污染源比較困難。通過綜合調水，科學調度河網水流，盡量提高水體流動性，是改善河流水質的一項有效輔助措施[1]。盧士強等[2-5]對上海市主要河流調水方案進行了水質影響分析，結果表明，實施綜合調水方案可以在不同程度上改善相應區域水系的水質。劉云華等[6]對深圳市河灣水系引調水工程進行分析，提出從不同角度考慮的調水方案。鄭建中等[7]針對太湖無錫水域河流進行了調水工程對其水質的影響分析，表明聯合引調工程改善了兩湖水體的流動狀態，這一流動狀態對貢湖取水口和梅梁湖水源地的水質改善是非常有利的。從解決水體污染的機理出發，引調清潔水源沖洗水質較差、污染嚴重的河道，在水體綜合治理的全過程中，始終起到十分重要的作用[8-10]。

為了研究外秦淮河的水質情況以及不同引調水方式對水質影響作用，通過水質數學模型計算，比較各污染物荷載對外秦淮水質影響，同時分析不同調水方式及調水量對水質、河道防洪、流場的影響，為提出最優調水方案提供科學依據。研究成果也可為城市內河引水工程的實施提供參考。

1 外秦淮河環境綜合整治工程

秦淮河水系位于長江下游，古稱龍藏浦，后稱淮水，全長約110 km，流域面積2600多km2，是南京地區第一大河，也被南京人譽為“母親河”。外秦淮河繞南京城東南、西南兩角經三汊河流入長江，長約34km。秦淮河流域示意圖見圖1。

圖1 外秦淮河流域示意圖

近年來，社會經濟的快速發展給南京的水環境帶來了很大影響。外源和內源污染物的排放、城市河湖閘控造成的水體滯流、河岸土壤硬質化和渠系化引發的生境缺損等問題的存在，使秦淮河的水環境質量逐漸惡化，根據實測資料分析，無引水前外秦淮河水體普遍出現劣Ⅴ類國家地表水環境質量標準的情況，主要超標因子為BOD5、NH3-N、TP和TN。

1.1 污染物排放

外秦淮河經過南京市主城區，由于工業廢水和生活污水大量排入河道，導致外秦淮河水質普遍為劣Ⅴ類水。

外秦淮河環境綜合整治工程一期工程實施前，按人均每日生活污水排放量為150 L，污染物排放濃度ρ(COD)為225 mg/L計算，2005年南京市外秦淮河及南河的工業廢水、生活污水及其污染物排放量統計如表1所示。外秦淮河環境綜合整治工程一期工程實施后，外秦淮河武定門閘以下主城區河段，主要污水已經截流進入污水處理廠處理，按照實際截污率70%計算，工程完成后武定門閘以下河段排入外秦淮河的污水量和污染物量為原排污量的30%，結果如表2所示。

表1 整治工程前外秦淮河污水量及污染物排放量(2005年)

表2 整治工程后外秦淮河污水量及污染物排放量(2005年)

從表1和表2可以看出，汛期污水排放量及污染物排放量比枯水期排放量要大，整治工程實施后汛期污水排放量為枯水期污水排放量的1.14倍。

1.2 綜合整治工程設計

秦淮河流域內經濟發達，流域內形成的徑流量不能滿足需水量的要求;秦淮新河樞紐建成后，抬高了流域內枯水期的河道水位，使用水條件得到改善，但同時也使流域內下游區域的河道水體成為靜止水體，自凈能力大大降低，隨著流域內生活污水排放量的逐年增多，水環境日益惡化，外秦淮河水體普遍出現劣Ⅴ類水。為保護南京的母親河，恢復古城自然風貌，創造優良人居環境，提升南京城市形象，南京市政府決定對秦淮河進行環境綜合整治工程。

秦淮河環境綜合整治是一項設計水利、環保、市政、園林、交通、旅游等多項子工程的龐大而復雜的工程。根據規劃，整治工程分兩期完成，其中三汊河口—運糧河長16 km的主城段為一期工程，規劃2005年實施完成，運糧河口—江寧區西北村段長18 km的中游段為二期工程，規劃2010年完成。2002—2005年，隨著外秦淮河環境綜合整治工程(一期工程)的實施，外秦淮河南京主城區河段(運糧河口至三汊河口)進行了污水截流，直接排入秦淮河的污水量減少，加上引水沖污工程的實施，外秦淮河的水質得到改善。2005年一期工程完成后，外秦淮河武定門閘以下主城區河段，主要的污水已經截流進入污水處理廠處理，考慮截流本身的效率，實際仍有20%～30%進入外秦淮河。因此還應在截流污水的條件下，增加河道流量，通過多水源補給及閘控系統運行調控，引水調水、引清釋污，提高秦淮河的水質。

1.3 閘泵抽引水系統

外秦淮河引水可由石臼湖和長江引水。汛期，石臼湖的水可以通過自流入外秦淮河，如不能滿足要求，則從秦淮新河閘泵站抽取長江水;枯水期，石臼湖缺水，不能實現自流，因此外秦淮河須從秦淮新河閘泵站抽長江水補水。

三汊河口是外秦淮河引水排污調控計算的下游邊界，為維持外秦淮河6.5 m的景觀水位需要，三汊河口閘閘門一般為關閉狀態，來水從閘門頂部溢出。

秦淮新河閘泵站有5臺機組，枯水季節其抽水能力滿足實際需要，根據污染物排放資料擬定引水量 30 m3/s、40 m3/s、50 m3/s、60 m3/s等 4 種。

從秦淮新河閘引水至外秦淮河出三汊河口入長江，沿程有武定門閘。在引水期間，武定門閘開啟，一般只要開啟兩個閘門，有洪水需要開啟更多閘門，保證東山站水位不超過8.5 m。

2 一維河網水質模型

秦淮河流域地處長江下游，屬于濕潤地區，降雨徑流關系具有蓄滿產流條件，采用目前在我國濕潤和半濕潤地區廣泛應用的新安江三水源模型，為河網模型提供降雨期間的地表徑流量。

2.1 模型方程

水動力模型采用四點線性隱式差分格式求解一維河流非恒定流方程組。模型的范圍包括外秦淮河整個流域，河網概化見圖1。

水質模型采用隱式迎風差分格式對每一單一河道進行離散，描述單一河道污染物質運動及濃度變化規律的控制方程為帶源項的一維對流擴散方程[11-13]，其表達式為

式中:C為污染物斷面平均濃度;A為過水斷面面積;Q為過水斷面流量;Ex為縱向分散系數;S為外部的源或匯項;Sc為與污染物濃度有關的降解項;x為空間橫向坐標;t為時間坐標。

2.2 初始邊界條件

上游子流域水質邊界根據各子流域旱地、水田面積及相應的排污參數，計算得出各子流域污染物排放量[14-15]，并根據該流域的徑流量，得到相應的水質邊界。上游石臼湖水質采用Ⅲ～Ⅳ類水邊界濃度的平均值。秦淮新河閘所引長江水水質采用Ⅱ類水。下游三汊河口閘控制水位為6.5 m。

2.3 污染荷載

排入外秦淮河的污水主要是工業廢水和生活污水，根據2009年南京市三汊河口閘管理處實際觀測的外秦淮河污水排放量及污染物排放量估算，外秦淮河各河段污水排放量及污染物排放量見表3。

表3 外秦淮河各河段污水排放量及污染物排放量(2009年)

2.4 模型驗證

河網水動力模型糙率系數的率定結果為:在外秦淮河下游包括秦淮新河，曼寧糙率系數為0.022～0.025，在東山鎮(節點 J1)上游稍有增大，系數為0.025～0.032。秦淮河河網水質模型所采用的COD降解系數為 0.05 ～ 0.13/d，底泥釋放系數為 0.18 ～0.40g/(m2·d)，NH3-N 的降解系數為0.08 ～0.2/d[16]。

秦淮河河網水質模型采用實測水質資料進行模型驗證，以上游來水量及武定門閘和秦淮新河閘實測閘門控制過程作為控制條件，同時根據外秦淮河沿程泵站開啟狀況和排污情況，進行水量水質數值模擬。如圖2為COD質量濃度的計算值與實測值的比較。從圖2中看出，武定門閘處誤差略大，可能是由于模型中點源的位置與點源數量與實際情況存在差異造成的。其他各點誤差比較小，可應用于外秦淮河的水質計算。

圖2 秦淮河水系COD質量濃度計算值與實測值的比較

3 引調水對外秦淮河水質改善效果分析

根據2009年實際調度資料及排污資料，對外秦淮河水質變化進行了模擬，模擬結果如下。

3.1 枯水期

枯水期考慮最不利情況，不考慮降雨，利用秦淮新河道泵站從長江引水，引水工況采取引4d停15d的間斷引水方式，設計引水流量分別為30 m3/s、40 m3/s、50 m3/s、60 m3/s等 4 種工況，ρ(COD)=15 mg/L，ρ(NH3-N)=0.6mg/L。上游石臼湖自流狀況為20m3/s，ρ(COD)=30 mg/L，ρ(NH3-N)=1.7 mg/L。采用2009年實際入河污染荷載，模擬結果見圖3～4。

圖3 枯水期不同流量下草場門橋污染物質量濃度變化

圖4 枯水期不同流量下鳳臺橋污染物質量濃度變化

通過圖3和圖4可以看出，引水可以改善河道水質，引水量越大，改善作用越明顯。在不引水期間，草場門橋處COD以及NH3-N質量濃度均不達到Ⅴ類水標準，鳳臺橋處COD質量濃度基本達到Ⅴ類水，NH3-N質量濃度仍為劣Ⅴ類水。引水期間，引水工況為30 m3/s時，草場門橋處COD質量濃度達到Ⅳ類水，NH3-N質量濃度未達到Ⅴ類水，鳳臺橋處COD質量濃度達到Ⅳ類水，NH3-N質量濃度未達到Ⅴ類水;工況為50m3/s時，草場門橋處COD質量濃度達到Ⅳ類水，NH3-N質量濃度基本達到Ⅴ類水，鳳臺橋處COD質量濃度達到Ⅳ類水，NH3-N質量濃度達到Ⅴ類水。對第2次開始引水分析，引水初期，污染物濃度出現瞬間居高的現象，可能是由于引水，把上游的污水頂拖到下游，造成下游污水積聚，污染物濃度增大。引水大約30 h后，水質濃度下降，引水大約70h后，水質濃度達到穩定狀態，穩定狀態持續30～50h，引水96h后，停止引水，此時水質仍處在穩定狀態，停止引水約10h后，水質開始惡化，水質濃度開始增大，停止引水約100 h后，水質濃度達到穩定狀態。外秦淮河不同引水量下沿程各斷面濃度變化見圖5，從圖5中可以看出，沿程各斷面濃度逐漸增加，引水量越大，各斷面濃度值越小;外秦淮河COD質量濃度維持在Ⅳ類水，引水工況為50m3/s時，NH3-N濃度可達Ⅴ類水。

3.2 汛期

汛期利用流域降雨徑流模型，即新安江三水源模型計算秦淮河流域的降雨徑流過程，為河網水利計算提供邊界。汛期大部分情況下，石臼湖湖水可通過自流流入外秦淮河釋污，引水方式采取連續引水的方式，設計引水流量為 30 m3/s、40 m3/s、50 m3/s、60 m3/s 4種工況，COD質量濃度為15 mg/L，NH3-N質量濃度為0.6 mg/L。模擬結果如下:

圖5 枯水期沿程斷面污染物質量濃度變化

圖6 汛期不同流量下草場門橋污染物質量濃度變化

圖7 汛期不同流量下鳳臺橋污染物質量濃度變化

從圖6和圖7得出，草場門橋處，引水大約80 h后，COD質量濃度基本達到平衡狀態，引水大約55h后，NH3-N質量濃度基本達到平衡狀態，引水工況為60 m3/s時，COD質量濃度基本達到Ⅲ類水，NH3-N質量濃度基本達到Ⅴ類水。鳳臺橋處，引水大約70 h后，COD濃度基本達到平衡狀態，引水大約48 h后，NH3-N濃度基本達到平衡狀態，引水工況為40 m3/s時，COD質量濃度基本達到Ⅲ類水，NH3-N質量濃度基本達到Ⅴ類水，引水工況為50 m3/s時，COD質量濃度已達到Ⅲ類水，NH3-N質量濃度已達到Ⅴ類水。汛期外秦淮河不同引水量下沿程各斷面濃度見圖8，從圖中可以看出，COD質量濃度達到Ⅳ類水，引水工況為60 m3/s時，外秦淮河全河段COD質量濃度基本達到Ⅲ類水，NH3-N質量濃度基本達到Ⅴ類水。

圖8 汛期沿程斷面污染物質量濃度變化

4 結論

城市水環境綜合整治關鍵在于控源和治污，然而在有條件的地區充分利用現有的水利工程，采取引清沖污，發揮當地的水資源優勢及閘控條件改善水環境，可以促進水體的良性循環。

a.建立了一維河網水質模型，并利用實測水質數據對模型進行了驗證，效果令人滿意，表明模型適用于外秦淮河引水調度模式的研究。

b.利用該模型對外秦淮河不同引水規模、閘控方式和引水方式的引調水方案進行了水量水質的數值模擬，計算結果表明引水可以改善河道水質，引水量越大，改善作用越明顯。枯季從秦淮新河閘引水工況為50m3/s，外秦淮河水質COD質量濃度可達Ⅳ類水，NH3-N質量濃度達到Ⅴ類水;汛期，石臼湖引水工況為60m3/s，外秦淮河水質COD質量濃度可達Ⅲ類水，NH3-N質量濃度達到Ⅴ類水。

c.根據模擬結果以及考慮外秦淮河引水量的沿程損失、引水的間隙性和污染物不連續排放特點，可以得到下列結論:枯水期，建議引水工況取50 m3/s，即取水量為432萬m3/d，以達到Ⅴ類水質標準。汛期首先考慮從石臼湖自流引水，實際引水工況控制在50～60 m3/s以上為佳;若石臼湖不能滿足自流條件，則需要從長江引水，以改善外秦淮河水質。

[1]徐祖信.河流污染治理技術理論與實踐[M].北京:中國水利水電出版社，2003:498-545.

[2]盧士強，徐祖信，羅海林，等.上海市主要河流調水方案的水質影響分析[J].河海大學學報:自然科學版，2006，34(1):32-36.

[3]徐祖信，盧士強.平原感潮河網水質模型研究與應用[J].水動力學研究與進展，2003，18(2):182-188.

[4]XU Zu-xin，LU Shi-qiang.Study on hydrodynamic model for tidal plain river-networks[J]. Journal of Hydrodynamics，Ser B，2003，15(2):64-70.

[5]徐祖信，羅海林，屠鶴鳴.蘇州河調水對水質的改善作用分析[J].上海環境科學，2003，22(增刊):43-46.

[6]劉云華，董增川，李朝方，等.深圳河灣水系水質改善引調水工程[J].水資源保護，2008，24(3):31-34.

[7]鄭建中，王苓，尤征懿，等.調水引流對太湖無錫水域湖流的影響[J].水利水文自動化，2009(4):47-50.

[8]徐貴泉，褚君達.上海市引清調水改善水環境討論[J].水資源保護，2001(3):26-30.

[9]唐禮智，湯建中.上海市蘇州河段水質污染綜合治理研究[J].地理學與國土研究，2001，17(4):81-84.

[10]應榮弟，徐華.改善崇明島河網水質引清調水量計算[J].吉林水利，2006(4):6-8.

[11]褚君達.河網對流輸移問題的求解及應用[J].水利學報，1994(10):14-23.

[12]CHU Jun-da，XU Hui-ci，YE Zu-de，et al.Unsteady water quality model with multiparameter for the river network[R].Hong Kong:Proc Inter Sympo Envir Hydraulics，1991.

[13]褚君達，徐慧慈.河網水質模型及其數值模擬[J].河海大學學報，1992，20(1):16-22.

[14]BRIAN R B，JOHN C I，JOHN L K，et al.Hydrological simulation program-fortran，hspf，user’s manual[M].California:AQUA TERRA Consultants.Mountain View，2001.

[15]SHEN J，PARKER A，RIVERSON J.A new approach for a windows-based watershed modeling system based on a database-supporting architecture[J]. Environmental modeling and software，2005(20):1127-1138.

[16]席燕萍，逢勇.石臼湖引水改善秦淮河水環境研究[J].江蘇環境科技，2008，21(4):6-8.