基于污染溯源分析的汤水河考核断面水质达标方案研究

刘 媛，逄 勇，王子轩，张 鹏

(1. 河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，南京 210098；2. 河海大学 环境学院，南京 210098)

1 研究背景

流域水环境规划是以国家有关法规和标准为基准导向的流域水环境控制和治理规划，主要工作包括：提出流域水体功能区划和水质控制指标、确定水质超标河段和主要污染物、确定各河段主要污染物的环境容量、确定各排污口的允许排放量，并提出最佳治理方案、预测污染治理费用等[1]。在国外的流域治理研究领域，Kannel、Noh等学者[2～4]建立水环境数学模型，以下游水质达标为前提，对水质和污染物负荷进行模拟计算，得到流域的水质预测值和允许污染负荷。

近年来，我国创新流域规划治理思路[5]，根据“水十条”的要求，未达到水质目标要求的地区需要制定达标方案[6]，其中多数以考核断面水质达标为整治目标。目前，我国学者采用不同模型及分析方法对断面水质达标进行了系统性研究。逄勇[7]利用一维非稳态水环境数学模型研究东官河河网水质水量变化规律，并设计了近中远期方案，计算不同保证率下水量水质后分析推荐方案可行性；王子轩[8]利用河网模型，基于各水功能区和入湖河道的最大允许排污量结果，设计了7种污染物削减方案；花月[9]在张家港河干流设置3个控制断面，制定不同计算方案，最终确定了控制断面在达标前提下的污染削减量；毕良芹[10]采用控制断面达标法计算得到入胥河的水环境容量，结合污染物入河量，确定了研究区域各类污染物的削减比例；刘一童[11]通过收集居民用水量和污水厂资料，提出了有效生活污水处理率以提高污染物入河量计算精度，并得出断面达标时南京鼓楼区的水环境容量。综上可见，目前学者多是根据现状污染物量确定控制断面水质达标方案，缺乏对污染来源的影响分析，所提出的整治措施针对性不强。因此本文将在计算水环境容量基础上，进行污染溯源分析，进而提出近远期达标整治方案。

汤水河属省、市骨干河道。起点为石湫河口，讫点为汤山镇南侧，总长23.29km，由北向南汇入句容河，进而汇入秦淮水系。后桥头路桥断面位于汤水河干流下游，辖属淳化街道，为江宁区考核断面，考核标准为Ⅲ类，现状水质超标严重。为此，将后桥头路桥断面作为研究断面，开展基于溯源分析的汤水河考核断面水质达标方案研究，以达到保障汤水河水质达标、改善秦淮水系水环境质量的目的。

2 数据与方法

2.1 区域概况

汤水河自北向南分别流经南京江宁区汤山新城、汤山街道、镇江句容市华阳镇以及南京江宁区淳化街道。汤水河淳化街道段指北以汤山街道张府仓桥断面为起点，南以句容河为界的汤水河干支流，汇水面积49.43km2。汤水河流域水系概况见图1。

图1 汤水河水系及同步监测点位分布Fig.1 The location map of Tangshui river system and synchronous monitoring sites

2.2 水环境容量计算方法

2.2.1 基于断面水质达标的水环境容量计算方法

基于考核断面水质达标的水环境容量是指依据水功能区水质边界条件，在设计水文条件下，满足考核断面水质达标要求的区域内污染源的最大允许排放量。

2.2.2 主要污染源及概化排口

后桥头路桥断面辖属淳化街道，因此基于后桥头路桥断面水质达标的水环境容量计算范围为汤水河淳化街道段。汤水河淳化街道段主要污染源为生活源，存在部分农田面源和畜禽养殖污染。按照污染源概化原则，汤水河淳化街道段共概化出5个排污口，污染源概化结果见图2。

图2 汤水河淳化街道段污染源概化结果图Fig.2 Schematic results of pollution sources in Chunhua street section of Tangshui river

2.2.3 水环境数学模型建立

一维稳态模型可以很好模拟水质和污染源之间的关系，故本文利用一维稳态计算公式[12]建立汤水河流域水质模型。

(1)

(2)

其中：C0——排放污水或入流支流与上游来水稀释后的混合浓度，mg/L；k——污染物的降解系数，d-1；x——河道沿程距离，m；u——河道水流流速，m/s；C上——河道上游来水水质，mg/L；Cq——排污口污染物排放浓度或汇入支流水质浓度，mg/L；Q上——河道上游来水水量，m3/s；q——排污口污水排放量或流入支流的流量，m3/s；

水文条件方面，采用90%保证率下的径流量作为设计水文条件；水质边界方面，汤水河干流上游水质边界取交界断面水质浓度值，支流水质边界根据所处功能区水质目标确定。

水质参数方面，根据式(1)、式(2)，利用同步监测断面中9号、10号、11号断面的实测流速、流量及水质数据对模型进行率定，率定公式见式(3)，式中各参数定义及单位同式(1)、式(2)。最终率定得到COD降解系数为0.08 d-1，氨氮降解系数为0.06 d-1，总磷降解系数为0.06 d-1。

(3)

2.3 污染溯源分析方法

目前断面水质达标方案多是根据区域水质超标原因以及现状污染物量和水环境容量二者的相对差值量确定。对于跨界或污染来源复杂的考核断面而言，根据整个区域的污染情况来制定水质达标方案不够精确，所提出的整治措施针对性不强，水质改善效果欠佳，因此需要进行污染溯源分析，在此基础上提出水质达标方案。

污染来源复杂的考核断面一般可分为以下两种情况：一是河流上游有另一考核断面或交界断面，二是考核断面上游河段存在跨界支流。以上情况需借助污染物通量计算来实现考核断面的污染溯源分析，污染物通量计算方法为：

Wi=0.0864×Qi×Ci

(4)

其中：Wi为断面污染物通量，t/d；Qi为断面监测流量，m3/s；Ci为断面监测浓度，mg/L。

3 结果与分析

3.1 水环境容量计算结果

依据上述计算方法和具体降解系数，计算得到在90%保证率条件下，后桥头路桥断面水质达标时的近期(2017年，基本达到Ⅲ类)、远期(2020年，稳定达到Ⅲ类)各概化排口的允许排污量。允许排污量的总和即为后桥头路桥断面水质达标时，汤水河淳化街道段的水环境容量，计算结果见表1。从表1可见，远期(2020年)后桥头路桥断面达到Ⅲ类水要求时，水环境容量分别为：COD 197.39 t/a，氨氮18.50 t/a，总磷2.22 t/a。结果表明，目前各类污染物总量均超标，需进行大幅削减，远期COD、氨氮、总磷削减率为51%、41%、48%。

表1 汤水河淳化街道段水环境容量计算结果表Tab.1 Calculation results of water environmental capacity of Chunhua street section of Tangshui river (t/a)

3.2 基于溯源分析的水质达标方案制定

3.2.1 后桥头路桥断面污染溯源分析

汤水河自北向南流经南京江宁区汤山新城、汤山街道、镇江句容市华阳镇以及南京江宁区淳化街道，汤水河下游后桥头路桥断面污染来自上游汤山来水、境外句容客水以及淳化街道，污染情况繁复。因此需对后桥头路桥断面进行污染溯源分析，进而设计不同计算方案，并利用水环境数学模型预测不同方案条件下后桥头路桥断面的水质达标状况。

首先分析汤水河上游汤山对下游后桥头路桥断面的污染贡献。现假设汤山辖区内考核断面张府仓桥水质为地表水Ⅲ类水，即COD 20mg/L、氨氮1mg/L、总磷0.2mg/L，根据模型计算后桥头桥断面通量为Wa。现状后桥头路桥断面通量为Wb，Wb与Wa之差即为汤山的污染影响权重。

进一步分析句容对对后桥头路桥断面的污染贡献。根据实地调查，句容境内存在生活污水和畜禽养殖废水违规排放的现象，污染物通过马西河以及黄梅桥河进入汤水河。根据水文水质同步监测资料，选取断面6、8、9、10、11、12的流量、水质数据利用式4进行通量计算。将句容对汤水河污染贡献通量分为三块，第一块为6号断面至9号断面河段，该段污染通量净增量为句容贡献；第二块为8号断面至11号断面河段，该段污染通量净增量为句容与南京各自贡献一半；第三块为10号断面污染物通量，该断面通量均为句容贡献。

综合上述计算结果，得到汤山、淳化、句容的污染来源影响权重，具体见图3，其中句容境内和淳化境内污染物对汤水河贡献率较大。

图3 后桥头路桥断面污染溯源分析结果Fig.3 Results of analysis of pollution source in section of Houqiaotoulu Bridge section

3.2.2 计算方案

根据污染溯源分析结果，后桥头路桥断面水质受上游水质、句容排污以及淳化街道污染多重客观因素制约，据此设计出3种计算方案(表2)，对后桥头路桥断面水质目标可达性进行分析。

表2 后桥头路桥断面水质达标计算方案Tab.2 Calculation scheme for water quality of Houqiaotoulu Bridge section

3.2.3 计算结果及水质目标可达性分析

不同方案计算结果见表3，从表3可见：

方案1计算结果表明，在上游张府仓桥断面远期水质达标的前提下，句容境内排污维持现状，淳化街道采取远期整治措施仍难以使考核断面水质达标，因此需要联同句容一道对考核断面达标进行治理；

方案2计算结果表明，在上游张府仓桥断面近期水质基本达Ⅲ类的前提下，句容境内进行污染源治理，使得句容境内入汤水河支流水质基本达Ⅳ类，淳化街道采取近期整治措施，考核断面基本达到Ⅲ类标准；

方案3计算结果表明，在上游张府仓桥断面远期水质进一步稳定达Ⅲ类的前提下，句容境内进一步进行污染源治理，使得句容境内入汤水河支流水质满足Ⅲ类要求，淳化街道采取远期整治措施，后桥头路桥考核断面水质能够稳定达Ⅲ类标准。

综上，以方案2作为近期水质达标整治方案较优，方案3作为远期整治方案较优，方案实施后后桥头路桥断面可满足水质目标要求。

表3 后桥头路桥断面水质目标可达性分析结果表Tab.3 Water quality target accessibility analysis results of the Houqiaotoulu Bridge section (mg/L)

4 结 论

4.1 近期汤水河后桥头路桥断面水质达到地表水Ⅲ标准时，区域水环境容量计算结果为COD 236.92 t/a，氨氮20.23 t/a，总磷2.48 t/a。远期达到稳定达标时水环境容量分别为：COD 197.39 t/a，氨氮18.50 t/a，总磷2.22 t/a。

4.2 借助污染物通量进行后桥头路桥断面污染溯源分析，结果表明，汤山境内污染比重最小，主要为句容和淳化影响，淳化街道与句容市需加强沟通，使其对句容境内黄梅桥河进行污染防治和综合整治，共同促进后桥头路桥断面水质改善。

4.3 根据污染溯源分析结果制定了不同水质达标方案，结果显示，实施近、远期整治方案后，汤水河后桥头路桥考核断面水质近期可达标，远期可稳定达标。