基于河长制需求的河道断面达标控制设计——以常熟市东环河虞东路桥断面为例

展永兴

(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215128)

1 研究背景

常熟市东环河位于虞山镇与古里镇交界处，随着经济社会的发展，长期受到生活污水、工业废水等点源污染，以及养殖业、农村面源污染影响，河道水体情况日趋恶劣。东环河是太湖流域治理的骨干河道之一，其水环境和生态问题已成为制约当地经济社会持续发展的瓶颈之一；对东环河实施“河长制”管理是改善其水环境质量的重要举措。

“河长制”是在我国严峻的水环境问题背景下河道管理模式的创新，通过“河长制”，能成功改善河道水质及水环境、提升政府的执政能力并且获得群众的认可。在“河长制”的推行过程中，如何完善其管理模式已成为当前研究的热点。艾小榆等提出了在程序设计、组织设计和考核指标体系设计等方面对“河长制”进行完善，构建了小河流“河长制”长效管理模式；李成艾等分析了河长制实施过程中存在的困境及内在缺陷，探索如何进一步创新和完善，构建水环境治理的长效机制；刘元沛等提出“河长制”从“人治”到“法治”的转变，建立依法治水的中国特色的流域综合管理模式。目前国内学者对于河长制的研究多集中于短河流，但对于长河流，由于联通水系的污染，相同的管理模式仅能短期控制而无法长效维护，实现长河流断面及交汇河道断面水质达标是对各河道河长协作管理模式新的考验。

本文以常熟市东环河为例，依托于“河长制”管理模式，划分东环河流域，对干流流域整体及各片区支流流域水质进行同步监测，同时利用一维稳态水环境数学模型，模拟东环河流域水环境，提出水资源合理配置的污染量控制方案，在实现各支流水体水质达标的同时实现东环河整体流域水质长效管理，对完善河长制管理机制、推动其全面实施具有重要意义。

2 东环河现状

2.1 东环河虞东路桥断面干流水质状况

2016年东环河虞东路桥断面的监测数据如图1所示，其中CODMn、NH3-N、TP达标率分别只有75%、27.7%、33.3%。

NH3-N浓度介于0.84～1.86mg/L之间，平均浓度为1.31mg/L，共出现6次不达标现象。

TP浓度介于0.15～0.52mg/L之间，平均浓度为0.28mg/L，共出现5次不达标现象，TP最大浓度出现于8月30号，最低浓度出现于7月份，

图1 2016年虞东路桥断面水质情况

总体达标率仅为37.5%。

CODMn浓度介于4.00～6.35mg/L之间，平均浓度为5.44mg/L，共出现2次不达标现象，CODMn最大浓度出现于9月20号，最低浓度出现于7月份，总体达标率为75.0%。

2.2 东环河虞东路桥断面支流水质状况

在东环河虞东路桥断面相关的河段上设置10个监测点位见图2，进行水质监测。

图2 东环河虞东路桥断面支流监测点位置图

对10个监测点的CODMn、NH3-N和TP监测，结果如图3所示，由此得出如下结论：

(1)东环河虞东路桥断面汇水范围内的周家河、朱家河、陆石泾、淼西河、落水泾等支流河道CODMn不超标，只有石湾里、青墩塘等河流CODMn指数接近于Ⅲ类水指标。虞东路桥断面支流河道水系连通性较好，周边主要以农田和水产养殖业为主，生活污染源相对较少，CODMn指标维持在达标范围内。

图3 东环河CODMn、NH3-H、TP监测柱状图

(2)东环河虞东路桥断面汇水范围内支流河道存在NH3-N超标现象，其中超标倍数介于1.16～1.54之间，东泾河对虞东路桥断面NH3-N超标影响最大。周家河、石湾里、陆石泾、淼西河等支流河道周边存在较大范围农田和养殖业塘，农业面源污染和养殖业污染是支流河道NH3-N指数超标的主要原因。由此可知，河道的NH3-N污染源治理对于虞东路桥断面整治具有重要意义。

(3)TP超标情况和NH3-N类似，支流河道中石湾里、淼西河TP指数接近于Ⅲ类水指标，然而周家河、朱家河、陆石泾、东泾河、落水泾等出现TP超标现象，其中东泾河超标倍数达到1.70倍。

综上所述，NH3-N和TP超标是东环河虞东路桥断面支流主要存在问题，其中落水泾等支流对断面污染负荷贡献较大，在达标整治过程中应作为重点工程。

3 实施河长制对河道断面设计的需求

3.1 “河长制”目标

“河长制”是各级党政负责人直接负责组织领导相应河湖的管理和保护工作，实现河道长效管理，维护河道健康。“河长制”的实施不仅有利于明确各级党委政府的生态责任，也整合了各级党委政府的执行力，调动各种力量和资源参与水污染治理，营造全社会共同治水的良好氛围。到2020年，通过“河长制”的全面实施，在江苏省实现现代河湖管理保护规划体系的基本建立，全面遏制人为侵占河湖的行为，基本消除地表水劣V类水体和太湖流域内的城乡黑臭水体，显著提升供水、防洪、水生态功能，明显提升群众对水生态环境的满意度。

3.2 东环河“河长制”实施对河道断面设计的需求

“河长制”既是河道治理新模式，同时也是水文学、水力学、水资源、水环境理论的统一。河道治理过程中，要将这些理论与河道实际情况相结合，开发出既有共性又有个性的河道设计方案。

(1)水质监控满足河道断面达标控制的需求

通过水质分析监测，可以研究出污染物质的来源、分布、迁移和变化的规律，正确评价水环境质量，确定水环境污染的主控因素。东环河支流众多，水质状况瞬时变化很不稳定，监测过程时间段必须保持连续，以免破坏监测数据的完整性和规律性；同时为保证空间范围的连续性，其上游到下游需要统一且完整的检测体系。水质监控指标选择，既要反映东环河整体状况，也要反映不同支流的水体情况。

(2)水环境容量总量控制需满足对河道断面达标控制的要求

以水环境容量为出发点，将污染总量逐级分解，从点到线再发展至面，由局部水环境质量提升，最终达到水环境全面改善。东环河区域功能性不同，造成了不同地区的水污染指标超标系数的差异性：12个控制单元中朱家河，东泾河、落水泾污染因子超标倍数高，但石湾里、西塘河、青墩塘还存在一定容纳污染物的富余。所以在东环河断面整治过程中，要结合河道区域内功能性，为各流域预留相应的水环境容量，并对排污总量进行合理地分配，规定不同河段及污染源的排放限制。

(3)污染物入河量需满足河道断面达标控制的要求

通过估算进入水体的污染物负荷，能够掌握研究区域的污染现状，为水污染防治和水环境保护提供基础数据。在进行污染物排放量的估算时，应该结合污染源的差异分区域统计，将流域内的农田、农村和城镇区域分开，找出研究区域内的主要污染源，有针对性地制定削减方案。东环河流域内经济发展不均匀，部分区域城镇率高，下垫面多为水泥地面，径流系数大，且污染源种类多，污染物入河系数高；有些区域为农村，仍保持着土壤下垫面，在土壤渗透过程中，对污染物有一定的削减，污染物入河系数小，所以要结合不同区域的类型进行污染入河量计算。

(4)水资源配置应满足河道断面达标控制的需求

水资源合理配置能够加强水资源与社会、经济、生态、环境等要素的联系，实现水资源高效利用。同时，基于污染控制的水资源配置，能够实现污染的源头控制。主体功能区结构类型差异会对水资源配置总量分配产生影响，水污染物的削减能力也与污染源的来源密切相关，所以水资源的配置要与功能区及污染源机密结合。东环河流域内东环村等存在着大范围农田种植和湖荡养殖业，污染源来源为化肥，所以在水资源配置过程中要考虑到农业灌溉以及水产养殖的耗水量及相应的面源污染量；但新桥村产业结构主要为工业制造，其污染源要结合企业产业结构，具体分析，水资源配置也不同于其他村落。

4 常熟市东环河断面达标方案设计

水环境问题诊断过程中，首先应对污染物进行分类，通常以耗氧污染(COD、氨氮)，营养盐污染(氮、磷等)和毒害污染(重金属、有机污染物等)进行划分。对各类型污染利用不同水环境评价模型进行污染程度评价，如单因子评价法、污染指数法、模糊评价法等。其中单因子评价法具有能直接反应出水质状况与评价标准之间关系的优点，能快速的反应出各河道污染指数的变化。结合东环河流域长，范围广的特点，本次研究选取单因子评价法，选用有机污染指标(高锰酸盐指数CODMn)、氨氮和富营养化指标(总磷)3个指标作为评价标准。

4.1 单因子评价指标

单因子评价法的公式如下：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi—单项水质评价因子；Ci—实测浓度的平均值,mg/L；Si—评价标准值，mg/L，参照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》标准以及监测断面隶属的功能区选定。

4.2 水环境容量计算

针对东环河流域，选取合适的水质模型对污染物的变化进行模拟，根据污染物的特性及相应的水质目标，结合污染物的时空分布和排放方式来计算水环境容量。将水环境容量计算结果与东环河污染物年入河总量进行对比，对于超标排放的污染物选用合适的分配模型对污染源进行控制，以减轻东环河流域内的水质污染状况。

常用的水质模型包括WASP、EFDC、SWAT、HSPF、SPARROW、MIKE等，涵盖从机理到经验、从一维到三维的多种模拟过程和空间尺度。不同模型在资料需求、模拟组分、时空尺度上存在较大差异，因而适用于不同的情形。由于东环河污染物浓度在横向断面和垂向断面的变化都很小，仅在纵向断面上变化明显。本方案选择河流一维稳态水质模型计算水环境容量，如图4所示。

图4 一维水质模型示意图

排污口下游某处的水质浓度为：

C=C′exp(-Kx/86400μ)

(2)

式中，C′—污染物的混合浓度，mg/L；C0—上游污染物浓度，mg/L；Q0—上游河水流量，m3/s；W—排污口或支流的污染物排放量，kg/d；Cq—排污口或支流的污染物浓度，mg/L；q—排污口或支流的流量，m3/s；C—混合处下游x米处断面污染物的浓度，mg/L；K—污染物的降解系数，1/d；x—断面距离混合处的距离，m；μ—流速，m/s。

如果仅存在一个排污口时：

(3)

式中，W容量—水环境容量，kg/d；Cs—水质标准，mg/L。

如果存在多个排放口时，由于排污量和控制断面水质浓度为线性关系，只需要将计算的结果叠加。

4.3 削减量计算

(1)污染物削减量：污染物入河的总量减去河道的环境容量，即

W削减=W入河—W容量

(4)

式中，W容量—环境容量；W削减—污染物削减量；W入河—现状污染物入河量。

计算结果为正，为污染物削减量；结果为负，为剩余容量。

(2)削减率：指削减量与现状污染物入河量的比值，即：

削减率=W削减/W入河

(5)

式中，W削减—污染物削减量；W入河—现状污染物入河量。

根据东环河虞东路桥断面流域地形地貌特征和污染源分布特征，通过与镇村级行政边界的结合，将东环河虞东路桥断面汇水区以村为单位划分为了12个控制单元，分析得出，COD入河量主要来源于农村垃圾污染源；NH3-N入河量主要来源于工业生产污染源；；TP入河量主要来源于农业面源污染。所以东环河河道断面设计过程中，要汇总流域内工业企业废水接管情况及流域内城镇及农村面源污染量；排查污水厂废水接纳量，最终得出东环河虞东路桥断面汇水范围内COD、NH3-N、TP的入河量，农村及城镇生活污染物入河量采用以下公式计算：

农村生活污染物入河量

W生1=W生1p×β2

(6)

式中，W生1—入河的农村污染物总量；W生1p—排放的农村污染物总量；β2—农村污染物的入河系数，通常为0.8。

W生1p=N农×α1

(7)

式中，N农—农村人口数；α1—农村生活排污系数。

城镇生活污染物入河量

W生2=(W生2p-θ2)×β3

(8)

式中，W生2—入河的城镇污染物总量；W生2p—排放的城镇污染物总量；β3—城镇污染物的入河系数，通常为0.8；θ2—被污水厂去除的城镇污染物总量。

W生2p=N城×α2

(9)

式中，N城—城市人口数；α2—城市生活排污量。

农田类污染物入河量

W农=W农p×β4

(10)

式中，W农—入河的农田污染物总量；W农p—排放的农田污染物总量；β4—农田污染物的入河系数，通常为0.1。

W农p=M×α3

(11)

式中，M—耕地面积；α3—农田排污系数。

经计算，东环河虞东路桥断面各污染物年入河总量分别为：CODMn为704.1549t、NH3-N为76.4744t、TP为10.5341t。

4.4 水资源配置

等比例分配法是一种较为简单公平的分配方法。该方法在污染源达标排放量的基础上，将允许排放量按照污染物的达标排放量等比例地分配到各排污单元。假设参与分配的排污单位数目为n，各排污单位的达标排放量分别为W1、W2、W3、Wn，环境允许排放量为Q，则每个排污单位分配到的许可排放量为：

(12)

式中，Qi—第i个排污单位的许可排放量；Q—该控制单元的环境允许排放量；Wi—第i个排污单位的达标排放量。

其中，分配基本原则为：①重点源重点削减原则，城镇生活污染源与工业污染源作为优先削减的重点；②分配可行性原则，即总量分配与削减要优先考虑易削减的区域与行业，分配的结果要兼顾到未来控制方案的可行性；③反馈调整原则，即总量分配与削减的方案要通过规划方案的设计、评估和反馈调整来保证其实施的可行性。

4.5 设计结果分析

(1)东环河虞东路桥断面2016年6—9月的数值监测指标及各因子单项指数表1。

表1 东环河虞东路桥断面2016年6—9月的数值监测指标及各因子单项指数

由表1知：东环河虞东路桥断面的首要污染因子为氨氮；总磷超标频繁且超标倍数较高；断面高锰酸盐指数在Ⅲ类达标线上下波动。

(2)东环河虞东路桥断面水环境容量、污染物入河量及污染物削减率，见表2。

针对整个东环河虞东路桥断面，将水环境容量与污染入河量对比，高锰酸钾作为污染因子指数依然有余量，但氨氮及总磷超标量大，需要对这两个污染因子进行削减，削减率分别为35.52%、42.9%。

表2 东环河虞东路桥断面污染物削量

(3)虞东路桥断面汇水区计算得到水质达标情况下的总量分配结果见表3。

表3 东环河虞东路桥断面水质达标的许可量分配结果

为确保东环河虞东路桥断面水质达到III类水质目标，将东环河流域分为4个大区，分别为虞山镇琴湖管理区、虞山镇虹桥管理区、古里镇及高新区。以村为单位采用等比例分配法进行分配，实现东环河各流域内水质均稳定达标。

5 结论

(1)本文以“河长制”为依托，对东环河流域进行断面划分，并对各断面水质进行长期监测，分析表明氨氮和总磷超标是虞东路桥断面污染的主要因素；

(2)运用动态水质模型和水环境容量分析，得出可以通过削减东环河35.52%氨氮及42.9%总磷污染来实现东环河整条河道的水质达标。

以上研究通过将传统的河道总量控制方法纳入到“河长制”管理模式的实施过程中，为“河长制”实施过程中的河道治理提供了参考依据，对推动“河长制”管理机制的完善具有重要意义。