考慮初期雨水污染的平原河網地區活水效果分析

高 成，顧春旭

(河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

近年來，我國城市化進程不斷加快，城市水系水環境質量也在不斷惡化。流經城市的河流水質惡化，大部分城市水體達不到景觀娛樂水質標準[1-2]。平原河網地區水系錯綜復雜，河流坡度很小，水動力條件差，水環境問題更加突出[3-4]。在控源截污的同時，活水補水能夠有效改善平原河網地區水動力條件，是保證水體流動的重要措施。研究活水補水的水環境改善效果，對解決平原河網城市水環境問題具有重要參考意義。

目前國內關于活水補水的研究主要針對水動力條件改善、水質的改善以及引水格局和補水方式，研究區域主要集中在長江三角洲平原。從江蘇、浙江、上海等地的引水配水、暢流活水、引清活水的研究案例來看，通過調水引水來改善水環境質量，主要體現在河道斷面流速加大、主要污染物濃度降低和河道水位的抬升等方面[5-6]。通過優化引水路線、引水格局，可以實現重要節點的水質達標[7-8]；通過優化補水方式，可以在保證水質目標實現的前提下，實現引水水源和水量的優化[9]。目前已有的研究主要從常態下活水補水的工程建設、調度方式、引調水量等方面對水質改善效果的影響進行研究，未考慮雨天初期雨水污染這一重要因素對活水效果的影響。本研究利用Mike系列軟件，建立水量水質耦合模型，對有無初期雨水污染下的活水補水方案進行模擬計算，研究初期雨水污染對活水效果的影響。

1 研究區概況

研究區域為鹽城市第Ⅲ防洪區，位于里下河腹地東翼，境內河網密布，縱橫交錯，同時也是鹽城市的核心區，人口稠密，經濟發達。研究區面積108.73 km2，外圍由54座水閘、閘站分隔區內河道和區外河道包圍，形成一個封閉的防洪區。研究區水系見圖1，區內河道118條，總長309.20 km，主要功能定位是排澇、調蓄、景觀，水流流向為自西向東、自西南向北。區外河道有蟒蛇河、新越河、新洋港、通榆河、小新河、三墩港和大馬溝等，區外河道是區域的行洪通道。非汛期，通過調度外圍水閘及閘站，從外河向內河補水，維持一定景觀水位；汛期，關閉外圍水閘，利用排澇閘站將區內澇水抽排進入外河[10]。

圖1 研究區水系

受周邊點源、面源和內源污染的影響，第Ⅲ防洪區整體水質狀況不佳，COD、NH3-N、TP均超標，其中NH3-N為主要污染物。以NH3-N為標準，研究區劣Ⅴ類水體占到57%，重度黑臭河道有24條，占9.3%，輕度黑臭河道28 條，占16%。區域內的污染來源有生活污水、工業企業污水、污水處理廠尾水、種植業、河道底泥以及初期雨水徑流污染，其中生活污水以及初期雨水徑流污染為主要污染來源。

2 研究方法

2.1 常規活水方案

在綜合考慮研究區的水源及水利工程分布情況的基礎上，結合西南高、東北低的地形特點，根據“東西南三面進水，北面排水”的原則，擬定了活水方案，封閉第Ⅲ防洪區外圍所有口門，從通榆河預處理水廠引水30萬m3/d至串場河世紀大道橋下，從鹽龍湖水庫引水30萬m3/d至鹽塘河西端，從通榆河引水15萬m3/d至朝陽河、分界河，從小新河引水10萬m3/d進入東干渠，從大馬溝引水15萬m3/d進入向陽河、利民河，從串場河閘站和小洋河東支閘站排水100萬m3/d進入新洋港。活水方案見圖2。

圖2 活水方案

2.2 初期雨水污染負荷計算方法

初期雨水污染負荷的計算方法主要有3種：①根據水質水量同步監測數據計算初期雨水污染負荷；②通過分析大量的實測數據，統計分析初期雨水污染負荷；③通過模擬污染物的產生過程，利用模型計算初期雨水污染負荷[11-12]。本研究區域缺乏相關的降雨水質實測資料，需要對初期雨水污染負荷進行估算。對于無資料的地區，有學者建議屋面雨水取2～3 mm、地面雨水取3～5 mm作為初期雨水量[13]；也有國外的學者在研究雨水污染初期效應時采用20/80或30/70法則，即認為一場降雨中前20%的徑流包含了80%的污染負荷，或降雨的前30%徑流包含了整場降雨大約70%的污染負荷；還有研究者認為降雨徑流最初的12.7 mm(0.5英寸)徑流中包含了大部分的污染物，即半英寸法等。本次計算中根據排水體制不同，確定不同的計算標準[14]。合肥市老城區與本研究區均為城市核心區，且地理位置相對接近，具有一定的參考意義。合肥市老城區合流制系統的NH3-N質量濃度為10.6 mg/L，城中村沖溝的NH3-N質量濃度為10.9 mg/L，混接分流制系統的NH3-N質量濃度為10.6 mg/L[15]。本研究考慮最不利的初期雨水污染情況，選取降雨量為8 mm，降雨歷時為3 h的降雨過程計算初期雨水徑流量。對118條河道劃分積水區域，模擬各個河段的初期雨水徑流過程，結合排水分區，合流制區域和分流制區域NH3-N質量濃度均取11 mg/L，初雨徑流污染沿河進入河道。

2.3 模型構建

2.3.1模型介紹

Mike系列模型包括Mike Zero、Mike Urban、Mike C-MAP、WEST和FEFLOW，其中主要用于地表水模擬的Mike Zero又包含Mike11、Mike21、Mike3、Mike SHE、Mike HYDRO等一系列組件。本次研究采用的Mike11軟件主要用于河渠的水流、水質以及泥沙的一維模擬，軟件由水動力模塊、對流擴散模塊、水質模塊、降雨徑流模塊、洪水預報模塊組成，其核心模塊為水動力模塊。水動力模塊(HD模塊)可以模擬河道斷面的水位、流量、流速等，對流擴散模塊(AD模塊)可以模擬物質在水體中的對流擴散過程，通過耦合水動力模塊和對流擴散模塊可以進行河道的水質模擬[16-17]。Mike11 HD模塊采用6點Abbott-Ionescu有限差分格式求解圣維南方程組[18]：

(1)

式中：A為河道過水面積，m2；Q為流量，m3/s；u為側向來流在河道方向的流速，m/s；t為時間，s；x為沿水流方向的水平坐標，m；q為河道的側向來流量，m2/s；α為動量修正系數；g為重力加速度，m2/s；y為水位，m；Sf為摩阻坡降。

在Mike11 HD模塊的基礎之上，Mike11 AD模塊根據HD模塊產生的水動力條件，應用對流擴散方程[19-21]進行計算：

(2)

2.3.2河網概化

河道概化是模型構建的基礎，河道概化必須保證概化后的河道能夠模擬區域的蓄水能力和水流方向。對于平原河網地區，河道概化遵循先主干河道后次要河道的原則。根據研究區的河道斷面測量資料，對河網進行概化，得到118條河道、930個節點、1 500個河道斷面，總長約300 km。根據污染源調查結果，將面源、內源污染分別概化到118條河道，概化了500處點源污染排放口。

2.3.3模型參數

HD模塊參數主要是定義模擬的初始條件和河床糙率。初始條件設定的一個很重要目的是讓模型平穩啟動，所以原則上初始水位和流量的設定應盡可能與模擬開始時刻的河網水動力條件一致[22]。本次設置初始水位為區內正常蓄水位；河床糙率根據地質資料及河道整治情況，按照糙率表進行初步選定。根據河道不同斷面及護坡類型，參考《水力計算手冊(第二版)》，本次河道糙率選擇范圍為0.025～0.035。根據2011年洪水相關成果，最高水位在2.20 m左右。考慮2011年防洪已形成閉合保護圈，排澇泵站抽排能力208 m3/s，據此設置模型，計算得到最高水位為2.15 m。計算值偏小，可能是由于本次模擬考慮泵站全開，與實際調度方式不符。同時，根據《鹽城市城市防洪規劃(2015—2030年)》，規劃現狀最高水位為2.00 m，而本次模型計算水位為1.98 m，基本相符，說明參數選擇基本合理。

AD模塊參數主要是定義模擬污染物的初始濃度和物質特性。本次研究選取NH3-N作為主要水質指標，因現狀水質大部分處于Ⅴ類甚至劣Ⅴ類，所以NH3-N的質量濃度初始值取2.0 mg/L。昆山市位于太湖流域平原河網區，水流速度極緩，與研究區氣候、水力等條件相差不大，因此結合全國地表水水環境容量核定中給出的參考值以及昆山市的相關研究成果[6]， NH3-N的衰減系數取0.04 d-1，擴散系數D根據經驗公式確定：

D=avb

(3)

式中：v為流速，由HD模塊得到；a和b為系數。

根據經驗，小溪的擴散系數一般在1～5 m2/s，河流的擴散系數一般在5～20 m2/s。一般說來，流速越大，擴散系數越大。

2.3.4邊界條件

在活水方案的基礎上，設計晴天和雨天兩個方案進行模擬。晴天(方案1)主要考慮點源污染，包括生活污水排放、工業企業污水排放、污水處理廠尾水排放、種植業污染和內源污染的釋放。而雨天(方案2)在晴天的基礎上增加由降雨所帶來的初期雨水污染。兩種方案的水量、水質計算邊界相同，水量計算邊界為：從串場河閘站、小洋河東支閘站抽排100萬t/d，從通榆河、小新河、大馬溝、鹽龍湖水庫、通榆河預處理水廠向區內補水100萬t/d；水質計算邊界為：通榆河、鹽龍湖水庫、通榆河預處理水廠補水水源NH3-N質量濃度為1.2 mg/L，小新河、大馬溝補水水源NH3-N質量濃度為1.0 mg/L。綜合考慮當地實際活水時間周期及斷面基本達標所需時間，計算歷時取216 h。

3 結果分析

3.1 污染物濃度總體分布

以NH3-N濃度為指標，分析計算各方案下河道內NH3-N濃度分布，動態模擬結果見圖3、圖4。

由圖3、圖4可知，中部地區水質較差，而西南地區水質較好，主要原因是中部地區人口密集，污染排放較多，而西南部郊區開發程度較低，污染較少。總體來看，由于雨天初期雨水污染匯入河道，方案2下的NH3-N質量濃度要高于方案1，活水168 h后，方案1下大部分斷面NH3-N質量濃度達到IV類水標準，方案2下大部分斷面NH3-N質量濃度達到V類水標準。活水后不同NH3-N質量濃度的斷面占比見表1。

圖3 方案1下不同活水時間NH3-N質量濃度分布

圖4 方案2下不同活水時間NH3-N質量濃度分布

由表1可知，方案1下，NH3-N質量濃度大于2.0 mg/L的斷面占比呈遞減趨勢；NH3-N質量濃度介于1.5～2.0 mg/L的斷面占比亦呈遞減趨勢；NH3-N質量濃度介于1.0～1.5 mg/L的斷面占比呈遞增趨勢；NH3-N質量濃度小于等于1.0 mg/L的斷面占比亦呈遞增趨勢。方案2下，NH3-N質量濃度大于2.0 mg/L的斷面占比呈遞減趨勢；NH3-N質量濃度介于1.5～2.0 mg/L的斷面占比呈先增后減趨勢，峰值出現在活水后96 h；NH3-N質量濃度介于1.0～1.5 mg/L的斷面占比呈遞增趨勢；NH3-N質量濃度小于等于1.0 mg/L的斷面占比亦呈遞增趨勢。

表1 活水后不同NH3-N質量濃度的斷面占比

方案1水質改善效果活水前96 h較好，120 h后水質改善效果不明顯，方案2水質改善效果活水前144 h較好，168 h后水質改善效果不明顯，這與研究區內水體水質和補水水源水質有關。方案1下，活水后24～72 h大部分水體為Ⅴ類水，從96 h開始，Ⅳ類水已經有50%以上，而外部補水為Ⅲ、Ⅳ類水，故補水活水效果最好在前96 h，96 h后水質改善效果有所下降。方案2下，活水后24～72 h，劣Ⅴ類水占比最大，活水后96～120 h，Ⅴ類水占比最大，從活水后144 h開始，Ⅳ類水占比最大，外部補水為Ⅲ、Ⅳ類水，故補水活水效果最好在前144 h，144 h后水質改善效果有所下降。

對比方案1和方案2，從活水后24～216 h，方案2下NH3-N質量濃度大于2.0 mg/L的斷面占比始終要大于方案1；活水216 h后，方案1下NH3-N質量濃度小于等于1.5 mg/L的斷面占比達到90.7%，而方案2下該類斷面占比僅達到62.2%。由于初期雨水污染的匯入，方案2下水質要比方案1同期水質差，方案2下活水效果較方案1差。

3.2 控制斷面污染物濃度

根據水質考核要求，選取兩處國考斷面進行研究，其中控制斷面1位于串場河世紀大道橋補水點下游6.4 km，控制斷面2位于串場河世紀大道橋補水點下游2.8 km，計算分析各方案下控制斷面NH3-N質量濃度變化情況。控制斷面位置分布見圖2，兩種方案下控制斷面NH3-N質量濃度變化見表2。

表2 兩個控制斷面NH3-N質量濃度變化

由表2可知，方案1中，活水開始后，控制斷面1的NH3-N質量濃度遞減，最終達到Ⅳ類水標準；控制斷面2的NH3-N質量濃度遞減，最終也達到Ⅳ類水標準。方案2中，活水開始后，控制斷面1的NH3-N質量濃度先增后減，在120 h達到峰值(2.29 mg/L)，最終接近Ⅴ類水標準；控制斷面2的NH3-N質量濃度在6～12 h略有降低，12～18 h增加并達到峰值(2.12 mg/L)，18 h之后濃度又開始降低，最終達到Ⅳ類水標準。

對比方案1和方案2，對于控制斷面1，方案2下NH3-N質量濃度高于方案1下相同時刻的NH3-N質量濃度；方案1下NH3-N質量濃度降至1.50 mg/L需要180 h，方案2下NH3-N質量濃度在216 h仍在2.00 mg/L之上。對于控制斷面2，方案2下NH3-N質量濃度亦高于方案1下相同時刻的NH3-N質量濃度；方案1下NH3-N質量濃度降至1.50 mg/L需要120 h，方案2下NH3-N質量濃度降至1.50 mg/L需要192 h。方案1下，兩個斷面的NH3-N質量濃度均呈遞減趨勢，方案2下，兩個斷面的NH3-N質量濃度則均呈先增后減趨勢。據此不難發現，由于初期雨水污染的匯入，控制斷面NH3-N質量濃度迅速增加，相同活水方案下，考慮初期雨水污染后，活水效果變差，為保證控制斷面NH3-N質量濃度達標，需要更長的活水時間。

對比控制斷面1和控制斷面2，在方案1和方案2下，活水12 h后，控制斷面1的NH3-N質量濃度均要高于相同時刻控制斷面2的NH3-N質量濃度。結合活水方案，不難發現，控制斷面1位于控制斷面2下游，上游水質優于下游水質。方案2下，控制斷面1的NH3-N質量濃度峰值出現在活水后120 h，控制斷面2的NH3-N質量濃度峰值出現在活水后18 h，由于控制斷面1和控制斷面2位于匯流通道的不同位置，雨水徑流匯到下游的時間較長，故位于下游的控制斷面1的 NH3-N質量濃度峰現時間較位于其上游的控制斷面2長。

4 結 論

a. 活水方案的水質改善效果與引水水質和污染物濃度分布有關，當區域內50%的水體接近引水水質時，水質改善效果已不明顯。

b. 初期雨水污染的匯入增加了全區域的污染物濃度，整體水環境質量下降。活水目標為大部分達到Ⅳ類水時，考慮初期雨水污染的活水時間較未考慮初期雨水污染的活水時間多48～72 h。

c. 初期雨水污染導致了降雨初期斷面污染物濃度短期內迅速增加。保證控制斷面2水質達標時，考慮初期雨水污染的活水時間較未考慮初期雨水污染的活水時間多72 h。由于匯流時間不同，控制斷面1的污染物濃度峰現時間較控制斷面2推遲102 h。