考虑初期雨水污染的平原河网地区活水效果分析

高 成，顾春旭

(河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

近年来，我国城市化进程不断加快，城市水系水环境质量也在不断恶化。流经城市的河流水质恶化，大部分城市水体达不到景观娱乐水质标准[1-2]。平原河网地区水系错综复杂，河流坡度很小，水动力条件差，水环境问题更加突出[3-4]。在控源截污的同时，活水补水能够有效改善平原河网地区水动力条件，是保证水体流动的重要措施。研究活水补水的水环境改善效果，对解决平原河网城市水环境问题具有重要参考意义。

目前国内关于活水补水的研究主要针对水动力条件改善、水质的改善以及引水格局和补水方式，研究区域主要集中在长江三角洲平原。从江苏、浙江、上海等地的引水配水、畅流活水、引清活水的研究案例来看，通过调水引水来改善水环境质量，主要体现在河道断面流速加大、主要污染物浓度降低和河道水位的抬升等方面[5-6]。通过优化引水路线、引水格局，可以实现重要节点的水质达标[7-8]；通过优化补水方式，可以在保证水质目标实现的前提下，实现引水水源和水量的优化[9]。目前已有的研究主要从常态下活水补水的工程建设、调度方式、引调水量等方面对水质改善效果的影响进行研究，未考虑雨天初期雨水污染这一重要因素对活水效果的影响。本研究利用Mike系列软件，建立水量水质耦合模型，对有无初期雨水污染下的活水补水方案进行模拟计算，研究初期雨水污染对活水效果的影响。

1 研究区概况

研究区域为盐城市第Ⅲ防洪区，位于里下河腹地东翼，境内河网密布，纵横交错，同时也是盐城市的核心区，人口稠密，经济发达。研究区面积108.73 km2，外围由54座水闸、闸站分隔区内河道和区外河道包围，形成一个封闭的防洪区。研究区水系见图1，区内河道118条，总长309.20 km，主要功能定位是排涝、调蓄、景观，水流流向为自西向东、自西南向北。区外河道有蟒蛇河、新越河、新洋港、通榆河、小新河、三墩港和大马沟等，区外河道是区域的行洪通道。非汛期，通过调度外围水闸及闸站，从外河向内河补水，维持一定景观水位；汛期，关闭外围水闸，利用排涝闸站将区内涝水抽排进入外河[10]。

图1 研究区水系

受周边点源、面源和内源污染的影响，第Ⅲ防洪区整体水质状况不佳，COD、NH3-N、TP均超标，其中NH3-N为主要污染物。以NH3-N为标准，研究区劣Ⅴ类水体占到57%，重度黑臭河道有24条，占9.3%，轻度黑臭河道28 条，占16%。区域内的污染来源有生活污水、工业企业污水、污水处理厂尾水、种植业、河道底泥以及初期雨水径流污染，其中生活污水以及初期雨水径流污染为主要污染来源。

2 研究方法

2.1 常规活水方案

在综合考虑研究区的水源及水利工程分布情况的基础上，结合西南高、东北低的地形特点，根据“东西南三面进水，北面排水”的原则，拟定了活水方案，封闭第Ⅲ防洪区外围所有口门，从通榆河预处理水厂引水30万m3/d至串场河世纪大道桥下，从盐龙湖水库引水30万m3/d至盐塘河西端，从通榆河引水15万m3/d至朝阳河、分界河，从小新河引水10万m3/d进入东干渠，从大马沟引水15万m3/d进入向阳河、利民河，从串场河闸站和小洋河东支闸站排水100万m3/d进入新洋港。活水方案见图2。

图2 活水方案

2.2 初期雨水污染负荷计算方法

初期雨水污染负荷的计算方法主要有3种：①根据水质水量同步监测数据计算初期雨水污染负荷；②通过分析大量的实测数据，统计分析初期雨水污染负荷；③通过模拟污染物的产生过程，利用模型计算初期雨水污染负荷[11-12]。本研究区域缺乏相关的降雨水质实测资料，需要对初期雨水污染负荷进行估算。对于无资料的地区，有学者建议屋面雨水取2～3 mm、地面雨水取3～5 mm作为初期雨水量[13]；也有国外的学者在研究雨水污染初期效应时采用20/80或30/70法则，即认为一场降雨中前20%的径流包含了80%的污染负荷，或降雨的前30%径流包含了整场降雨大约70%的污染负荷；还有研究者认为降雨径流最初的12.7 mm(0.5英寸)径流中包含了大部分的污染物，即半英寸法等。本次计算中根据排水体制不同，确定不同的计算标准[14]。合肥市老城区与本研究区均为城市核心区，且地理位置相对接近，具有一定的参考意义。合肥市老城区合流制系统的NH3-N质量浓度为10.6 mg/L，城中村冲沟的NH3-N质量浓度为10.9 mg/L，混接分流制系统的NH3-N质量浓度为10.6 mg/L[15]。本研究考虑最不利的初期雨水污染情况，选取降雨量为8 mm，降雨历时为3 h的降雨过程计算初期雨水径流量。对118条河道划分积水区域，模拟各个河段的初期雨水径流过程，结合排水分区，合流制区域和分流制区域NH3-N质量浓度均取11 mg/L，初雨径流污染沿河进入河道。

2.3 模型构建

2.3.1模型介绍

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拟的Mike Zero又包含Mike11、Mike21、Mike3、Mike SHE、Mike HYDRO等一系列组件。本次研究采用的Mike11软件主要用于河渠的水流、水质以及泥沙的一维模拟，软件由水动力模块、对流扩散模块、水质模块、降雨径流模块、洪水预报模块组成，其核心模块为水动力模块。水动力模块(HD模块)可以模拟河道断面的水位、流量、流速等，对流扩散模块(AD模块)可以模拟物质在水体中的对流扩散过程，通过耦合水动力模块和对流扩散模块可以进行河道的水质模拟[16-17]。Mike11 HD模块采用6点Abbott-Ionescu有限差分格式求解圣维南方程组[18]：

(1)

式中：A为河道过水面积，m2；Q为流量，m3/s；u为侧向来流在河道方向的流速，m/s；t为时间，s；x为沿水流方向的水平坐标，m；q为河道的侧向来流量，m2/s；α为动量修正系数；g为重力加速度，m2/s；y为水位，m；Sf为摩阻坡降。

在Mike11 HD模块的基础之上，Mike11 AD模块根据HD模块产生的水动力条件，应用对流扩散方程[19-21]进行计算：

(2)

2.3.2河网概化

河道概化是模型构建的基础，河道概化必须保证概化后的河道能够模拟区域的蓄水能力和水流方向。对于平原河网地区，河道概化遵循先主干河道后次要河道的原则。根据研究区的河道断面测量资料，对河网进行概化，得到118条河道、930个节点、1 500个河道断面，总长约300 km。根据污染源调查结果，将面源、内源污染分别概化到118条河道，概化了500处点源污染排放口。

2.3.3模型参数

HD模块参数主要是定义模拟的初始条件和河床糙率。初始条件设定的一个很重要目的是让模型平稳启动，所以原则上初始水位和流量的设定应尽可能与模拟开始时刻的河网水动力条件一致[22]。本次设置初始水位为区内正常蓄水位；河床糙率根据地质资料及河道整治情况，按照糙率表进行初步选定。根据河道不同断面及护坡类型，参考《水力计算手册(第二版)》，本次河道糙率选择范围为0.025～0.035。根据2011年洪水相关成果，最高水位在2.20 m左右。考虑2011年防洪已形成闭合保护圈，排涝泵站抽排能力208 m3/s，据此设置模型，计算得到最高水位为2.15 m。计算值偏小，可能是由于本次模拟考虑泵站全开，与实际调度方式不符。同时，根据《盐城市城市防洪规划(2015—2030年)》，规划现状最高水位为2.00 m，而本次模型计算水位为1.98 m，基本相符，说明参数选择基本合理。

AD模块参数主要是定义模拟污染物的初始浓度和物质特性。本次研究选取NH3-N作为主要水质指标，因现状水质大部分处于Ⅴ类甚至劣Ⅴ类，所以NH3-N的质量浓度初始值取2.0 mg/L。昆山市位于太湖流域平原河网区，水流速度极缓，与研究区气候、水力等条件相差不大，因此结合全国地表水水环境容量核定中给出的参考值以及昆山市的相关研究成果[6]， NH3-N的衰减系数取0.04 d-1，扩散系数D根据经验公式确定：

D=avb

(3)

式中：v为流速，由HD模块得到；a和b为系数。

根据经验，小溪的扩散系数一般在1～5 m2/s，河流的扩散系数一般在5～20 m2/s。一般说来，流速越大，扩散系数越大。

2.3.4边界条件

在活水方案的基础上，设计晴天和雨天两个方案进行模拟。晴天(方案1)主要考虑点源污染，包括生活污水排放、工业企业污水排放、污水处理厂尾水排放、种植业污染和内源污染的释放。而雨天(方案2)在晴天的基础上增加由降雨所带来的初期雨水污染。两种方案的水量、水质计算边界相同，水量计算边界为：从串场河闸站、小洋河东支闸站抽排100万t/d，从通榆河、小新河、大马沟、盐龙湖水库、通榆河预处理水厂向区内补水100万t/d；水质计算边界为：通榆河、盐龙湖水库、通榆河预处理水厂补水水源NH3-N质量浓度为1.2 mg/L，小新河、大马沟补水水源NH3-N质量浓度为1.0 mg/L。综合考虑当地实际活水时间周期及断面基本达标所需时间，计算历时取216 h。

3 结果分析

3.1 污染物浓度总体分布

以NH3-N浓度为指标，分析计算各方案下河道内NH3-N浓度分布，动态模拟结果见图3、图4。

由图3、图4可知，中部地区水质较差，而西南地区水质较好，主要原因是中部地区人口密集，污染排放较多，而西南部郊区开发程度较低，污染较少。总体来看，由于雨天初期雨水污染汇入河道，方案2下的NH3-N质量浓度要高于方案1，活水168 h后，方案1下大部分断面NH3-N质量浓度达到IV类水标准，方案2下大部分断面NH3-N质量浓度达到V类水标准。活水后不同NH3-N质量浓度的断面占比见表1。

图3 方案1下不同活水时间NH3-N质量浓度分布

图4 方案2下不同活水时间NH3-N质量浓度分布

由表1可知，方案1下，NH3-N质量浓度大于2.0 mg/L的断面占比呈递减趋势；NH3-N质量浓度介于1.5～2.0 mg/L的断面占比亦呈递减趋势；NH3-N质量浓度介于1.0～1.5 mg/L的断面占比呈递增趋势；NH3-N质量浓度小于等于1.0 mg/L的断面占比亦呈递增趋势。方案2下，NH3-N质量浓度大于2.0 mg/L的断面占比呈递减趋势；NH3-N质量浓度介于1.5～2.0 mg/L的断面占比呈先增后减趋势，峰值出现在活水后96 h；NH3-N质量浓度介于1.0～1.5 mg/L的断面占比呈递增趋势；NH3-N质量浓度小于等于1.0 mg/L的断面占比亦呈递增趋势。

表1 活水后不同NH3-N质量浓度的断面占比

方案1水质改善效果活水前96 h较好，120 h后水质改善效果不明显，方案2水质改善效果活水前144 h较好，168 h后水质改善效果不明显，这与研究区内水体水质和补水水源水质有关。方案1下，活水后24～72 h大部分水体为Ⅴ类水，从96 h开始，Ⅳ类水已经有50%以上，而外部补水为Ⅲ、Ⅳ类水，故补水活水效果最好在前96 h，96 h后水质改善效果有所下降。方案2下，活水后24～72 h，劣Ⅴ类水占比最大，活水后96～120 h，Ⅴ类水占比最大，从活水后144 h开始，Ⅳ类水占比最大，外部补水为Ⅲ、Ⅳ类水，故补水活水效果最好在前144 h，144 h后水质改善效果有所下降。

对比方案1和方案2，从活水后24～216 h，方案2下NH3-N质量浓度大于2.0 mg/L的断面占比始终要大于方案1；活水216 h后，方案1下NH3-N质量浓度小于等于1.5 mg/L的断面占比达到90.7%，而方案2下该类断面占比仅达到62.2%。由于初期雨水污染的汇入，方案2下水质要比方案1同期水质差，方案2下活水效果较方案1差。

3.2 控制断面污染物浓度

根据水质考核要求，选取两处国考断面进行研究，其中控制断面1位于串场河世纪大道桥补水点下游6.4 km，控制断面2位于串场河世纪大道桥补水点下游2.8 km，计算分析各方案下控制断面NH3-N质量浓度变化情况。控制断面位置分布见图2，两种方案下控制断面NH3-N质量浓度变化见表2。

表2 两个控制断面NH3-N质量浓度变化

由表2可知，方案1中，活水开始后，控制断面1的NH3-N质量浓度递减，最终达到Ⅳ类水标准；控制断面2的NH3-N质量浓度递减，最终也达到Ⅳ类水标准。方案2中，活水开始后，控制断面1的NH3-N质量浓度先增后减，在120 h达到峰值(2.29 mg/L)，最终接近Ⅴ类水标准；控制断面2的NH3-N质量浓度在6～12 h略有降低，12～18 h增加并达到峰值(2.12 mg/L)，18 h之后浓度又开始降低，最终达到Ⅳ类水标准。

对比方案1和方案2，对于控制断面1，方案2下NH3-N质量浓度高于方案1下相同时刻的NH3-N质量浓度；方案1下NH3-N质量浓度降至1.50 mg/L需要180 h，方案2下NH3-N质量浓度在216 h仍在2.00 mg/L之上。对于控制断面2，方案2下NH3-N质量浓度亦高于方案1下相同时刻的NH3-N质量浓度；方案1下NH3-N质量浓度降至1.50 mg/L需要120 h，方案2下NH3-N质量浓度降至1.50 mg/L需要192 h。方案1下，两个断面的NH3-N质量浓度均呈递减趋势，方案2下，两个断面的NH3-N质量浓度则均呈先增后减趋势。据此不难发现，由于初期雨水污染的汇入，控制断面NH3-N质量浓度迅速增加，相同活水方案下，考虑初期雨水污染后，活水效果变差，为保证控制断面NH3-N质量浓度达标，需要更长的活水时间。

对比控制断面1和控制断面2，在方案1和方案2下，活水12 h后，控制断面1的NH3-N质量浓度均要高于相同时刻控制断面2的NH3-N质量浓度。结合活水方案，不难发现，控制断面1位于控制断面2下游，上游水质优于下游水质。方案2下，控制断面1的NH3-N质量浓度峰值出现在活水后120 h，控制断面2的NH3-N质量浓度峰值出现在活水后18 h，由于控制断面1和控制断面2位于汇流通道的不同位置，雨水径流汇到下游的时间较长，故位于下游的控制断面1的 NH3-N质量浓度峰现时间较位于其上游的控制断面2长。

4 结 论

a. 活水方案的水质改善效果与引水水质和污染物浓度分布有关，当区域内50%的水体接近引水水质时，水质改善效果已不明显。

b. 初期雨水污染的汇入增加了全区域的污染物浓度，整体水环境质量下降。活水目标为大部分达到Ⅳ类水时，考虑初期雨水污染的活水时间较未考虑初期雨水污染的活水时间多48～72 h。

c. 初期雨水污染导致了降雨初期断面污染物浓度短期内迅速增加。保证控制断面2水质达标时，考虑初期雨水污染的活水时间较未考虑初期雨水污染的活水时间多72 h。由于汇流时间不同，控制断面1的污染物浓度峰现时间较控制断面2推迟102 h。