新沟河排江对长江水质影响风险分析

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(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

1 研究背景

新沟河延伸拓浚工程是《太湖流域水环境综合治理总体方案》规划实施的提高太湖水环境容量(纳污能力)6项引排工程之一。工程的主要任务是配合望虞河引水、新孟河引水，优化太湖引排格局，控制直武地区入太湖河道5 a一遇以下入太湖水改为北排长江，减少太湖特别是梅梁湖的污染负荷，改善太湖及梅梁湖水质，同时提高流域、区域的防洪排涝能力[1-3]。

新沟河在正常工况下的排江水流对长江水环境的影响并不大[3]，但考虑到长江以及下游邻近水厂取水口水质的重要性，为防范水质污染风险，控制污染范围，保证水厂取水安全，有必要进一步研究在特殊水文、水质的不利条件下，新沟河排江水流对长江以及取水区域水质的影响。同时，长江水质不同月份的NH3-N本底浓度差别较大，为保证水厂供水安全，确定不同本底浓度下最大允许排江负荷具有极大的应用价值。本文采用国内外常用的由DHI开发的MIKE 21数值模拟软件[4]，通过建立长江二维水动力水质数学模型，研究新沟河排江对长江水质的影响。

2 二维水动力水质数学模型

2.1 基本方程

考虑Bousinesque近似和浅水假定，以及风应力的影响，垂向积分的二维水动力学方程组如下。

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中：h为水深(m)；ζ为水位(m)；p，q分别为x，y向的单宽流量(m3/(s·m-1))；g为重力加速度(m/s2)；C为谢才系数；n为曼宁系数；f为风阻力系数；V，Vx，Vy分别为风速及其在x，y向的分量(m/s)；Ω为科氏参数；Pa为大气压(Pa)；ρw为水的密度(kg/m3)；τxx，τxy，τyy为剪切应力分量。

污染物对流扩散方程为

(4)

式中：c为污染物浓度；u，v分别为x，y向的流速；Dx，Dy分别为x，y向的扩散系数；k为综合降解系数；S为源汇项[5]。

2.2 模型计算范围及局部网格

综合考虑工程区域、模型资料获取以及研究目的等因素确定模型范围。模型上起镇江，下至天生港，全长约164 km，采用非结构三角形网格划分，对工程区域进行网格加密，网格尺寸为100～400 m，共有28 489个网格。模型范围及新沟河入江口门处的网格见图1。

图1 模型范围及局部网格划分Fig.1 Domain of model and mesh division of local area

图2 潮位验证Fig.2 Verification of tidal level

2.3 模型验证

模型计算按照枯季保证率不低于90%，选取2003年11月—2004年4月长江枯季流量保证率为91.23%下的镇江、天生港实测潮位作为开边界条件。验证资料采用2009年2月26日—3月5日实测潮位、流速、流量资料。部分站点验证结果见图2和图3。

图3 流速及流向验证Fig.3 Verification of velocity and direction of flow

潮位、流速、流向的计算值与实测值大小相近，相位基本一致，过程相似性较好，表明建立的长江二维水动力模型能反映长江实际水流的运动过程，能为水质模拟提供水动力基础。

3 排江风险分析

3.1 可能的排江负荷

新沟河最大排江流量为河道设计最大过流能力310 m3/s，是按100 a一遇标准确定的。根据现状监测数据及模型预测结果，平水年新沟河连续排江时，NH3-N排江浓度一般不会超3.0 mg/L；遇流域5 a一遇降水时，NH3-N排江浓度为1.1～1.4 mg/L；遇流域100 a一遇降水时，NH3-N排江浓度应不会超过1.0 mg/L。

3.2 长江水质本底浓度

新沟河入江口上游约30 km处魏村水厂取水口长江NH3-N浓度多年监测数据见图4。该江段NH3-N浓度年际变化相对稳定，季节性差异较为明显。1-3月份NH3-N浓度明显较高，在0.4～1.0 mg/L之间，基本为Ⅱ—Ⅲ类水质；4—12月份NH3-N浓度较低，全部可达Ⅱ类水质标准，基本在0.3 mg/L以下。

3.3 敏感目标

根据正常水文年影响预测计算结果，新沟河排江对上、下游4个水源保护区影响最大的是位于工程入江口下游最近的小湾水源地保护区，因此，风险影响分析中，以小湾水源保护区作为敏感目标。江阴小湾水厂取水口位于新沟河入江口下游11.6 km，一级保护区水域范围为取水口上游1 000 m至下游600 m向对岸500 m至本岸背水坡范围，二级保护区水域为一级保护区以外上溯1 500 m、下延900 m，准保护区为二级保护区以外上溯2 000 m、下延1 000 m，见图5。

图5 新沟河入江口与上、下游各水厂及保护区位置关系Fig.5 Location of Xingou river mouth, upstream and downstream water plants and protection zones

表2 不同NH3-N排江浓度时下游不同距离处NH3-N浓度最大和平均增量Table 2 Maximum and average increments of downstream NH3-N concentration at different distances after discharge with varying NH3-N concentration

3.4 最不利影响计算

为了解工程在极端条件下对长江可能造成的最不利影响，对工程排江最不利组合进行设计计算。选取长江最不利的枯季水文条件作为计算年型(2003年11月—2004年4月)，流量保证率为91.23%，以其中的最枯时期2004年1—2月流量计算。为保守考虑，假定长江NH3-N本底浓度为0，计算最大排江流量下长江水体污染物浓度(NH3-N)的增量，计算方案见表1。

表1 新沟河排江风险分析计算方案Table 1 Calculation plans of risk analysis on Xingou river discharge

3.4.1 计算结果

各方案下，NH3-N排江扩散的计算结果见表2和图6。

当新沟河以最大设计流量310 m3/s排江时，NH3-N浓度越高对排江口区域长江水质影响越大。在长江枯水年型计算条件下，随着NH3-N排江浓度从0.5 mg/L升高至3.0 mg/L，下游长江水质NH3-N浓度最大增量达0.2 mg/L的距离从2.2 km逐渐增大到12.2 km。当NH3-N排江浓度达到2.0 mg/L时，对入江口下游10.5 km以内的长江沿岸区域水质均会带来较大影响，入江口下游沿岸10.5 km处浓度最大增量约0.2 mg/L，浓度平均增量约为0.06 mg/L，下游小湾水厂取水口的最大增量约0.18 mg/L，平均增量约0.05 mg/L。

图6 不同NH3-N排江浓度下落憩时刻水域NH3-N浓度增量Fig.6 NH3-N concentration increment at ebb time after discharge with different concentrations

进一步统计在不同排江浓度下入江口区域各类水质超标情况，同时考虑到长江实际存在NH3-N本底浓度，且不同季节浓度差异较明显，选取长江4—10月份氨氮高值0.3 mg/L和1—3月份可能浓度0.7 mg/L为本底，分别统计在不同本底、不同排江浓度下各类水质超标情况，见表3。(说明：根据图4 2004—2009年长江氨氮浓度逐月监测值，4—10月份的氨氮浓度基本<0.3 mg/L，1—3月份氨氮浓度各年的数据变化较大，大致在0.4～1.0 mg/L之间，取中间值0.7 mg/L作为可能出现的本底值。当本底为0.7 mg/L，本底水质已是超Ⅱ类。)

表3 不同排江浓度引起的超Ⅲ类及超Ⅱ类水质标准范围Table 3 Ranges of water quality standard exceeding level Ⅲ and level Ⅱ caused by discharge with different concentrations

注：地表水Ⅲ类水质NH3-N浓度限值为1.0 mg/L，Ⅱ类水质NH3-N浓度限值为0.5 mg/L

由表3可知，同一NH3-N本底浓度下，NH3-N排江浓度越大，各类水质超标范围越大。NH3-N本底浓度为0.3 mg/L时，NH3-N排江浓度从1.0 mg/L增大到3.0 mg/L，上游超Ⅲ类水质范围从0.9 km增加到2.8 km，下游超Ⅲ类水质范围从1.2 km增加到4.3 km，横向超Ⅲ类水质范围从1.4 km增加到1.9 km。同一NH3-N排江浓度下，NH3-N本底浓度越大，水质超标范围越大。NH3-N排江浓度为1.0 mg/L时，NH3-N本底浓度从0.3 mg/L增大到0.7 mg/L，上游超Ⅲ类水质范围从0.9 km增加到2.7 km，下游超Ⅲ类水质范围从1.2 km增加到3.8 km，横向超Ⅲ类水质范围从1.4 km增加到1.7 km。

3.4.2 对小湾水厂水源地水质的风险分析

当新沟河以最大设计流量310 m3/s排江，NH3-N排江浓度达到3 mg/L时，小湾水厂取水口处的NH3-N浓度最大增量达到0.265 mg/L，平均增量为0.077 mg/L，见表4。从浓度最大增量来看，当长江NH3-N本底浓度超过0.235 mg/L时，新沟河排江会导致小湾水厂取水口水质类别在某些时段由Ⅱ类降为Ⅲ类。但从NH3-N浓度平均增量仅为0.077 mg/L来看，新沟河排江导致小湾水厂取水口处水质类别下降的可能性不大。小湾水厂准保护区、二级保护区和一级保护区边界处NH3-N浓度最大增量分别为0.426，0.368，0.320 mg/L，当长江NH3-N本底浓度分别超过0.074，0.132，0.180 mg/L时，小湾水厂准保护区、二级保护区和一级保护区边界的水质类别在某些时段会由Ⅱ类降为Ⅲ类。小湾水厂准保护区、二级保护区和一级保护区边界处NH3-N浓度平均增量分别为0.132，0.111，0.096 mg/L，长江NH3-N本底浓度超过0.368，0.389，0.404 mg/L时，小湾水厂准保护区、二级保护区和一级保护区边界处的水质类别在某些时段会由Ⅱ类降为Ⅲ类。可见，新沟河以最大设计流量310 m3/s、NH3-N浓度3 mg/L的负荷风险排江时，会对下游小湾水厂取水水质产生较大影响，需采取措施进行水质影响风险防范。

表4 新沟河310 m3/s流量排江时小湾水厂取水口及其上游保护区NH3-N浓度增量Table 4 Increments of NH3-N concentration at Xiaowan water intake and upstream protection zone in the presence of 310 m3/s discharge rate of Xingou river

根据区域实际污染源状况预测，当排江流量达到310 m3/s，即流域100 a一遇降水造峰期时段，排江洪水中NH3-N浓度应不会超过1 mg/L。如表4所示，由模型预测计算结果可知，在新沟河以流量310 m3/s、NH3-N浓度1 mg/L排江时，小湾水厂准保护区、二级保护区、一级保护区边界和取水口处NH3-N浓度最大增量分别为0.142，0.123，0.107，0.088 mg/L，当长江NH3-N本底浓度超过0.358，0.377，0.393，0.412 mg/L时，小湾水厂准保护区、二级保护区、一级保护区和取水口的水质类别在某些时段会由Ⅱ类改变为Ⅲ类。小湾水厂准保护区、二级保护区、一级保护区和取水口处NH3-N浓度平均增量分别为0.044，0.037，0.032，0.026 mg/L，当长江NH3-N本底浓度超过0.456，0.463，0.468，0.474mg/L时，小湾水厂准保护区、二级保护区、一级保护区和取水口区域内的水质类别会由Ⅱ类降为Ⅲ类。可见新沟河以最大设计流量310 m3/s、NH3-N浓度1.0 mg/L的负荷排江时，仍然会对下游小湾水厂取水水质产生一定程度的影响。

4 结论与预防措施

尽管上述计算是以最不利条件为前提，但研究发现，新沟河排江对长江水质及水厂取水安全确实造成一定风险，且NH3-N排江浓度越大，对长江水质影响越大；长江NH3-N本底浓度越高，排江水流对长江水质的影响越大，甚至会引起取水厂取水水质类别降低。一旦此类情况发生，不仅会影响长江生态环境，也会危及民众用水安全。考虑到长江水质及水厂水源地的重要性，新沟河排江应当引起注意，采取必要的预防措施。

为控制新沟河排江风险，以NH3-N为控制指标，以保证小湾水厂二级保护区边界水质不超过Ⅱ类水质浓度为限制条件，提出不同长江本底浓度下新沟河最大允许排江负荷(见表5)，供相关部门参考。表5中对长江NH3-N本底浓度在0.45～0.90 mg/L时，要求尽可能控制不排江，但在区域防洪压力较大的情况下，以小湾水厂二级保护区边界NH3-N浓度最大增量不超过0.01 mg/L为条件，给予了一定的允许排江流量，从数值看为10 m3/s左右的小流量。对应长江本底情况，NH3-N出现0.45～0.90 mg/L范围的时间基本全在1—3月份，因此，本调控原则上要求新沟河在1—3月份不排江，在区域防洪压力较大时，宜按表5提出的负荷要求控制小流量排江。

注：如按负荷计算的允许排江流量超过工程河道设计最大过流能力即列为“无限制”