城市圩區水環境多因素影響研究

劉默蕾，俞芳琴，劉 俊

(1. 河海大學水文水資源學院，南京 210098；2. 南京市浦口區水務局，南京 211800)

城市圩區一般人口眾多、注重經濟發展，點源及面源污染較為嚴重，且多處于平原河網地區，地勢低洼，閘控河道居多，水體自然流動性差，水體更換周期長，污染易進難出，導致城區水環境容易形成惡性循環，污染負荷居高不下[1,2]。著眼于此，許多學者運用多種手段對如何改善城區水環境從不同角度作出了分析與研究。凌濤、顧麗新等提出應在新建或整治河道、調水、截污清淤、整治斷頭浜等方面改善城市水環境[3,4]；趙立亞基于水環境容量與排污量的差值來確定污染物的削減量，進而提出污染控制方案[5]；逄敏等提出聯合控源截污和生態補水措施提高城區水質[6]；王亞煒等提出了以控制污水廠排量和排放標準為主的氨氮污染控制措施[7]；黃琳煜[8]和王雪[9]等利用MIKE 11模型進行了區域水質模擬。總體看來，研究方向集中于區域內部因素對水環境的影響及引調水措施對水環境的改善效果分析，缺乏城市圩區對外圍水體水質的敏感性研究。本文以無錫市錫山區東亭街道為例，著眼于內部控源截污水平、外圍河道水質、暢流活水3因素對研究區水環境的影響，基于MIKE 11一維水動力水質模型，通過模擬在分別改善3因素中的1個或多個時的氨氮濃度削減率，對比分析各因素對研究區水環境的影響比重，為研究區及其他相似區域的水環境治理提供參考。

1 研究區概況

研究區水系情況及閘泵位置見圖1。東亭街道屬于平原河網地區，地面平坦，地勢較低，水系呈網狀分布，流域面積約為13.24 km2。圩區內部河流眾多，大部分為閘控河道，主要擔負排澇功能，外部被桐橋港、九里河、東亭港、冷瀆港4條大河包圍，因其為運東大包圍圩區內的圩中圩，外圍河道與內部河道交界處全部設有閘泵控制(見圖1)，整體流動性差，自凈能力弱。研究區地處錫山區中心城區，經濟發達，內部人口密集，生活污染量大，外圍骨干河道長期承接周邊地區排放的污水，內外污染嚴重。以上因素導致研究區水環境狀況長期較差。近年，研究區采取了一系列措施整治河道污染，如推進控源截污、河道清淤、引調清水等，但內河水質類別仍主要為劣Ⅴ類。

圖1 研究區水系、監測斷面及閘泵位置Fig.1 Water system and monitoring cross-section of the study area

分析研究區2017、2018年的各水質指標(NH3-N、TP、高錳酸鹽指數)逐月檢測資料可知，區內13個監測斷面非汛期水質均為劣Ⅴ類，且各水質指標負荷情況差距較大，見表1。由表1可知，與地表水Ⅴ類水標準對比，近2 a氨氮的超標情況最為嚴重，研究區的主要污染因子為氨氮。

表1 研究區各污染物指標情況Tab.1 Indicators of pollutants in the study area

2 研究方法

2.1 HD及AD模塊原理

由丹麥DHI公司開發出的MIKE 11模型廣泛適用于平原河網地區，界面友好、便于操作，在國內認可度較高。本文結合區域特征及水環境特性，選擇MIKE 11模型水動力(HD)及水質(AD)模塊模擬分析各因素對研究區水環境的影響[10]。

水動力(HD)模塊是MIKE 11的核心模塊，用以模擬河流及河口水流，其理論基礎是圣維南方程組，離散方法為有限差分法，方程描述如下：

式中：Q為流量，m3/s；q為側向入流量，m3/s；A為過水面積，m2；h為水位，m；R為水力半徑，m；C為謝才系數；α為動量修正系數。

水質(AD)模塊需在HD基礎上建立，可以模擬污染物在水體中的對流和擴散過程，可恒定衰減常數模擬非保守物質，其一維對流擴散方程如下：

式中：C為污染物濃度，mg/L；D為擴散系數，m3/s；K為線性衰減系數，h-1；C2為水源污染物濃度。

2.2 模型建立與率定

模型以九里河、桐橋港、冷瀆港、東亭港為邊界河道，概化河網及水工建筑物。因研究區缺乏流速及水位資料，且處于平原地區及圩區內，水體常年不流動，水位取無錫城區常水位，糙率依據無錫城區以往經驗推薦值[11,12]，取經驗值0.02。

取初始氨氮濃度1.00 mg/L，擴散系數10 m2/s。邊界氨氮濃度根據2017、2018年非汛期實測資料，取桐橋港斷面5.02 mg/L，東亭港斷面6.79 mg/L，冷瀆港斷面7.30 mg/L，九里河斷面3.86 mg/L，均為劣Ⅴ類水平。

研究區水體污染主要為生活污染，基于現狀研究區控源截污水平在70%左右，依據2017、2018年研究區污水處理廠進出水水質水量資料輸入污染源。取研究區13個監測斷面(見圖1)2017、2018年的非汛期水質資料，去除異常月份后取各斷面的月平均氨氮濃度值作為對照，率定得到氨氮的降解系數為0.036 d-1。各監測斷面的率定值與實測值對比見圖2，相對誤差為5.39%±11.33%，計算值與實測值較為接近，說明模型能夠較準確地反映研究區河網的實際水質情況。

圖2 各斷面率定值與實測值對比Fig.2 Comparison between the measured and fixed values of each section

3 各因素影響對比分析

3.1 方案設置

在現狀條件下，研究區控源截污水平為70%左右，外圍桐橋港、九里河、冷瀆港、東亭港的水質長期穩定在劣Ⅴ類水平，外圍4條河道與圩內河道交界處閘門及圩內各涵閘在常態下均為關閉狀態，河水流動主要依靠動力條件。在研究區以東，有一調水樞紐(九里河東樞紐)位于九里河和走馬塘交口(見圖3)，開啟時可自東向西抽引清水，清水到達研究區時流量約為6 m3/s，水質在Ⅲ～Ⅳ類水之間，在調水期間，可通過閘泵將清水從九里河引入研究區用于活水。

圖3 調水水源及方向Fig.3 Water source and direction

在模擬情景中，分別對研究區外圍水質、內部截污水平及暢流活水進行模擬設置。其中，改善外圍水質因素時，將研究區外圍4條大河的水質提升至Ⅳ類水水平，并打開圩區四周閘門，連通內外河道使河水自流；改善內部控源截污因素時，通過削減點源、提高污水接管率等手段，將內部截污水平提升至98%左右；改善暢流活水因素時，設置清水水質為Ⅳ類水水平，調水規則基于研究區慣用的調度規則，并適度優化，具體為以九里河沿線的調排總站閘、張周橋閘、新屯閘及東亭港沿線的七號橋港閘、三大房浜閘為清水進口，開啟柴巷浜泵、中大浜泵向桐橋港排水，開啟來紅橋泵、北街泵、五房巷浜泵、龍舌尖泵、中堂泵向東亭港排水，此調度具備充分的實踐依據。

基于現狀條件以及模擬情景，本文共設置8個方案進行分析。方案0為現狀條件，即70%截污水平、外圍水質為劣Ⅴ類、無活水流量的條件，取實測的氨氮濃度值作為對照方案。方案1～7為改善研究區內部截污水平、外圍水體水質、暢流活水3因素中的1個或多個，模擬得到13個監測斷面的氨氮濃度。

(1)方案1～3：改善單一因素，模擬其對研究區水環境的改善效果。方案1為提升研究區內部截污水平至98%，外圍水質為現狀的劣Ⅴ類水平，且不進行暢流活水；方案2為在70%的內部截污水平下將外圍水質提升至Ⅳ類水，不使用九里河東樞紐進行暢流活水；方案3為在70%的內部截污水平、外圍水質為劣Ⅴ類水平條件下，從九里河東面輸入6 m3/s清水，使用前文所述的調度方式，進行區域活水。

(2)方案4～7：同時改善2個及以上因素，模擬其對研究區水環境的改善效果，即對方案1～3的不同組合。其中方案4為改善外圍水質并進行暢流活水；方案5為在98%內部截污水平時進行暢流活水；方案6為同時改善內部截污水平和外圍水質；方案7為同時改善3個因素。

表2 方案設定Tab.2 Scheme setting

3.2 結果分析

模擬得到在各方案下研究區13個監測斷面的氨氮濃度，取均值代表研究區整體水環境情況得出各方案的平均氨氮濃度，見圖4。將方案1～7分別與方案0(對照方案)對比，得到各改善方案的氨氮濃度削減率，見圖5。

圖4 各方案平均氨氮濃度對比Fig.4 Comparison of average ammonia nitrogen concentration in each scheme

圖5 各方案氨氮濃度削減率對比Fig.5 Comparison of ammonia nitrogen concentration reduction rate in different schemes

結果顯示，當改善單一因素(即方案1～3)時，氨氮濃度削減率均在50%以上，可看出3種因素均對研究區水環境改善有較為重要的作用。其中改善外圍水質時(方案2)氨氮削減率最高，提升內部截污水平(方案1)和進行暢流活水(方案3)時氨氮削減率相近，這說明：外圍水質是對研究區水環境至關重要的影響因素，其重要性超過研究區自身的水質狀況。

當同時改善2因素時，水體質量進一步好轉，方案4～6的氨氮濃度削減率分別為72.4%、78.3%、80.8%，相比改善單一因素時，氨氮削減率增幅明顯。橫向對比可知，改善外圍水質同時進行暢流活水(方案4)，改善效果增幅最低，為5.1%，其原因為這2個因素在本質上都是從外部向圩區輸入清水，改善作用有較大重疊。而提升內部控源截污水平分別疊加暢流活水(方案5)、改善外圍水質(方案6)時改善效果增幅較大，分別為24.7%、27.2%，效果相近，可使平均氨氮濃度下降至V類水水平，且氨氮削減率達到80%左右，此時相當于同時改善圩區內外水環境，改善作用重疊性較小。

當3因素同時改善(方案7)時，氨氮削減率為85.5%，平均氨氮濃度可達到IV類水水平，這說明本文研究的3種因素是影響研究區水質的最重要的3個因素。且綜合方案3、4、5、7的模擬結果可得出，當研究區內部截污水平、外圍水質條件較差時進行暢流活水，氨氮削減率為50.3%；僅提升研究區內部截污水平時疊加暢流活水，氨氮削減率增幅為24.7%；僅改善外圍水質時疊加暢流活水，氨氮削減率增幅為5.1%；同時改善內部截污水平和外圍水質時疊加暢流活水，氨氮削減率增幅為4.7%。說明隨著研究區內外本底水質的改善，進行暢流活水的氨氮削減率增幅越來越小。

4 結論與展望

(1)對于處于中心城區、占地面積較小的圩區，外圍水質對區域內部的水環境影響至關重要，當外圍水體水質從劣Ⅴ類改善至Ⅳ類水時，氨氮削減率在67%左右，相較其他2個因素，對研究區水質改善效果最優。這說明，在圩區外圍水質好轉的基礎上，應在保障水安全的前提下充分使內部河道與外界連通，提升水體流動性，改善水質。

(2)在現狀圩區內部截污水平和外圍水質條件下，暢流活水措施對研究區水環境具有良好的改善效果。隨著內外水質的改善，在疊加暢流活水措施時氨氮削減率增幅越來越小。暢流活水作為改善水環境的措施，相對于提升控源截污水平、改善圩區外圍水質，具有可操性強、見效快的特點，但同時也易局限于清水流量及區域水動力條件，且治標不治本，應作為改善區域水環境的輔助措施。

(3)本文主要著眼于研究區整體氨氮濃度的改善情況，在未來可進一步分析各河道的流速、流量與其水質改善情況的關系。