基于污染溯源分析的湯水河考核斷面水質達標方案研究

劉 媛，逄 勇，王子軒，張 鵬

(1. 河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，南京 210098；2. 河海大學 環境學院，南京 210098)

1 研究背景

流域水環境規劃是以國家有關法規和標準為基準導向的流域水環境控制和治理規劃，主要工作包括：提出流域水體功能區劃和水質控制指標、確定水質超標河段和主要污染物、確定各河段主要污染物的環境容量、確定各排污口的允許排放量，并提出最佳治理方案、預測污染治理費用等[1]。在國外的流域治理研究領域，Kannel、Noh等學者[2～4]建立水環境數學模型，以下游水質達標為前提，對水質和污染物負荷進行模擬計算，得到流域的水質預測值和允許污染負荷。

近年來，我國創新流域規劃治理思路[5]，根據“水十條”的要求，未達到水質目標要求的地區需要制定達標方案[6]，其中多數以考核斷面水質達標為整治目標。目前，我國學者采用不同模型及分析方法對斷面水質達標進行了系統性研究。逄勇[7]利用一維非穩態水環境數學模型研究東官河河網水質水量變化規律，并設計了近中遠期方案，計算不同保證率下水量水質后分析推薦方案可行性；王子軒[8]利用河網模型，基于各水功能區和入湖河道的最大允許排污量結果，設計了7種污染物削減方案；花月[9]在張家港河干流設置3個控制斷面，制定不同計算方案，最終確定了控制斷面在達標前提下的污染削減量；畢良芹[10]采用控制斷面達標法計算得到入胥河的水環境容量，結合污染物入河量，確定了研究區域各類污染物的削減比例；劉一童[11]通過收集居民用水量和污水廠資料，提出了有效生活污水處理率以提高污染物入河量計算精度，并得出斷面達標時南京鼓樓區的水環境容量。綜上可見，目前學者多是根據現狀污染物量確定控制斷面水質達標方案，缺乏對污染來源的影響分析，所提出的整治措施針對性不強。因此本文將在計算水環境容量基礎上，進行污染溯源分析，進而提出近遠期達標整治方案。

湯水河屬省、市骨干河道。起點為石湫河口，訖點為湯山鎮南側，總長23.29km，由北向南匯入句容河，進而匯入秦淮水系。后橋頭路橋斷面位于湯水河干流下游，轄屬淳化街道，為江寧區考核斷面，考核標準為Ⅲ類，現狀水質超標嚴重。為此，將后橋頭路橋斷面作為研究斷面，開展基于溯源分析的湯水河考核斷面水質達標方案研究，以達到保障湯水河水質達標、改善秦淮水系水環境質量的目的。

2 數據與方法

2.1 區域概況

湯水河自北向南分別流經南京江寧區湯山新城、湯山街道、鎮江句容市華陽鎮以及南京江寧區淳化街道。湯水河淳化街道段指北以湯山街道張府倉橋斷面為起點，南以句容河為界的湯水河干支流，匯水面積49.43km2。湯水河流域水系概況見圖1。

圖1 湯水河水系及同步監測點位分布Fig.1 The location map of Tangshui river system and synchronous monitoring sites

2.2 水環境容量計算方法

2.2.1 基于斷面水質達標的水環境容量計算方法

基于考核斷面水質達標的水環境容量是指依據水功能區水質邊界條件，在設計水文條件下，滿足考核斷面水質達標要求的區域內污染源的最大允許排放量。

2.2.2 主要污染源及概化排口

后橋頭路橋斷面轄屬淳化街道，因此基于后橋頭路橋斷面水質達標的水環境容量計算范圍為湯水河淳化街道段。湯水河淳化街道段主要污染源為生活源，存在部分農田面源和畜禽養殖污染。按照污染源概化原則，湯水河淳化街道段共概化出5個排污口，污染源概化結果見圖2。

圖2 湯水河淳化街道段污染源概化結果圖Fig.2 Schematic results of pollution sources in Chunhua street section of Tangshui river

2.2.3 水環境數學模型建立

一維穩態模型可以很好模擬水質和污染源之間的關系，故本文利用一維穩態計算公式[12]建立湯水河流域水質模型。

(1)

(2)

其中：C0——排放污水或入流支流與上游來水稀釋后的混合濃度，mg/L；k——污染物的降解系數，d-1；x——河道沿程距離，m；u——河道水流流速，m/s；C上——河道上游來水水質，mg/L；Cq——排污口污染物排放濃度或匯入支流水質濃度，mg/L；Q上——河道上游來水水量，m3/s；q——排污口污水排放量或流入支流的流量，m3/s；

水文條件方面，采用90%保證率下的徑流量作為設計水文條件；水質邊界方面，湯水河干流上游水質邊界取交界斷面水質濃度值，支流水質邊界根據所處功能區水質目標確定。

水質參數方面，根據式(1)、式(2)，利用同步監測斷面中9號、10號、11號斷面的實測流速、流量及水質數據對模型進行率定，率定公式見式(3)，式中各參數定義及單位同式(1)、式(2)。最終率定得到COD降解系數為0.08 d-1，氨氮降解系數為0.06 d-1，總磷降解系數為0.06 d-1。

(3)

2.3 污染溯源分析方法

目前斷面水質達標方案多是根據區域水質超標原因以及現狀污染物量和水環境容量二者的相對差值量確定。對于跨界或污染來源復雜的考核斷面而言，根據整個區域的污染情況來制定水質達標方案不夠精確，所提出的整治措施針對性不強，水質改善效果欠佳，因此需要進行污染溯源分析，在此基礎上提出水質達標方案。

污染來源復雜的考核斷面一般可分為以下兩種情況：一是河流上游有另一考核斷面或交界斷面，二是考核斷面上游河段存在跨界支流。以上情況需借助污染物通量計算來實現考核斷面的污染溯源分析，污染物通量計算方法為：

Wi=0.0864×Qi×Ci

(4)

其中：Wi為斷面污染物通量，t/d；Qi為斷面監測流量，m3/s；Ci為斷面監測濃度，mg/L。

3 結果與分析

3.1 水環境容量計算結果

依據上述計算方法和具體降解系數，計算得到在90%保證率條件下，后橋頭路橋斷面水質達標時的近期(2017年，基本達到Ⅲ類)、遠期(2020年，穩定達到Ⅲ類)各概化排口的允許排污量。允許排污量的總和即為后橋頭路橋斷面水質達標時，湯水河淳化街道段的水環境容量，計算結果見表1。從表1可見，遠期(2020年)后橋頭路橋斷面達到Ⅲ類水要求時，水環境容量分別為：COD 197.39 t/a，氨氮18.50 t/a，總磷2.22 t/a。結果表明，目前各類污染物總量均超標，需進行大幅削減，遠期COD、氨氮、總磷削減率為51%、41%、48%。

表1 湯水河淳化街道段水環境容量計算結果表Tab.1 Calculation results of water environmental capacity of Chunhua street section of Tangshui river (t/a)

3.2 基于溯源分析的水質達標方案制定

3.2.1 后橋頭路橋斷面污染溯源分析

湯水河自北向南流經南京江寧區湯山新城、湯山街道、鎮江句容市華陽鎮以及南京江寧區淳化街道，湯水河下游后橋頭路橋斷面污染來自上游湯山來水、境外句容客水以及淳化街道，污染情況繁復。因此需對后橋頭路橋斷面進行污染溯源分析，進而設計不同計算方案，并利用水環境數學模型預測不同方案條件下后橋頭路橋斷面的水質達標狀況。

首先分析湯水河上游湯山對下游后橋頭路橋斷面的污染貢獻。現假設湯山轄區內考核斷面張府倉橋水質為地表水Ⅲ類水，即COD 20mg/L、氨氮1mg/L、總磷0.2mg/L，根據模型計算后橋頭橋斷面通量為Wa。現狀后橋頭路橋斷面通量為Wb，Wb與Wa之差即為湯山的污染影響權重。

進一步分析句容對對后橋頭路橋斷面的污染貢獻。根據實地調查，句容境內存在生活污水和畜禽養殖廢水違規排放的現象，污染物通過馬西河以及黃梅橋河進入湯水河。根據水文水質同步監測資料，選取斷面6、8、9、10、11、12的流量、水質數據利用式4進行通量計算。將句容對湯水河污染貢獻通量分為三塊，第一塊為6號斷面至9號斷面河段，該段污染通量凈增量為句容貢獻；第二塊為8號斷面至11號斷面河段，該段污染通量凈增量為句容與南京各自貢獻一半；第三塊為10號斷面污染物通量，該斷面通量均為句容貢獻。

綜合上述計算結果，得到湯山、淳化、句容的污染來源影響權重，具體見圖3，其中句容境內和淳化境內污染物對湯水河貢獻率較大。

圖3 后橋頭路橋斷面污染溯源分析結果Fig.3 Results of analysis of pollution source in section of Houqiaotoulu Bridge section

3.2.2 計算方案

根據污染溯源分析結果，后橋頭路橋斷面水質受上游水質、句容排污以及淳化街道污染多重客觀因素制約，據此設計出3種計算方案(表2)，對后橋頭路橋斷面水質目標可達性進行分析。

表2 后橋頭路橋斷面水質達標計算方案Tab.2 Calculation scheme for water quality of Houqiaotoulu Bridge section

3.2.3 計算結果及水質目標可達性分析

不同方案計算結果見表3，從表3可見：

方案1計算結果表明，在上游張府倉橋斷面遠期水質達標的前提下，句容境內排污維持現狀，淳化街道采取遠期整治措施仍難以使考核斷面水質達標，因此需要聯同句容一道對考核斷面達標進行治理；

方案2計算結果表明，在上游張府倉橋斷面近期水質基本達Ⅲ類的前提下，句容境內進行污染源治理，使得句容境內入湯水河支流水質基本達Ⅳ類，淳化街道采取近期整治措施，考核斷面基本達到Ⅲ類標準；

方案3計算結果表明，在上游張府倉橋斷面遠期水質進一步穩定達Ⅲ類的前提下，句容境內進一步進行污染源治理，使得句容境內入湯水河支流水質滿足Ⅲ類要求，淳化街道采取遠期整治措施，后橋頭路橋考核斷面水質能夠穩定達Ⅲ類標準。

綜上，以方案2作為近期水質達標整治方案較優，方案3作為遠期整治方案較優，方案實施后后橋頭路橋斷面可滿足水質目標要求。

表3 后橋頭路橋斷面水質目標可達性分析結果表Tab.3 Water quality target accessibility analysis results of the Houqiaotoulu Bridge section (mg/L)

4 結 論

4.1 近期湯水河后橋頭路橋斷面水質達到地表水Ⅲ標準時，區域水環境容量計算結果為COD 236.92 t/a，氨氮20.23 t/a，總磷2.48 t/a。遠期達到穩定達標時水環境容量分別為：COD 197.39 t/a，氨氮18.50 t/a，總磷2.22 t/a。

4.2 借助污染物通量進行后橋頭路橋斷面污染溯源分析，結果表明，湯山境內污染比重最小，主要為句容和淳化影響，淳化街道與句容市需加強溝通，使其對句容境內黃梅橋河進行污染防治和綜合整治，共同促進后橋頭路橋斷面水質改善。

4.3 根據污染溯源分析結果制定了不同水質達標方案，結果顯示，實施近、遠期整治方案后，湯水河后橋頭路橋考核斷面水質近期可達標，遠期可穩定達標。