武宜运河及周边水系河流水量水质监测分析与研究

华 晨，王德维，胡尊乐

(1.江苏省水文水资源勘测局常州分局，江苏 常州 213022；2.江苏省水文水资源勘测局连云港分局，江苏 连云港 222000)

武宜运河是太湖流域上游骨干河道，北接京杭运河与长江，南接滆湖与太湖，兼具供水、排涝和航运的功能，其河流水质状况对入太湖河流的水质有直接的影响。由于两岸经济社会的快速发展，生活污水、工业废水、农田径流及水产养殖排放的污染物质排入武宜运河，导致其水环境容量始终处于过载状态，河道沿程水质均不能达到水功能区的要求。在此背景下，开展武宜运河及其影响河流水量水质演变的监测与研究工作，为查清武宜运河污染物的来源和类型、分析推算武宜运河及其影响河流水量水质分布情况和变化规律、研究武宜运河与太湖的相互影响和流域水环境保护提供数据和技术支撑[1- 3]。

1 区域概况

1.1 流域概况

武宜运河北起京杭运河，流经常州市武进区、宜兴市后流入太湖，流域面积约170km2，流域地形以平原、圩区为主，兼有部分低山丘陵，河网密布，水系纵横。武宜运河全长约51.3km，沿程穿越太滆运河、锡溧漕河、漕桥河、殷村港、烧香港、湛渎港以及新湛渎港。京杭运河来水汇入武宜运河后，一部分通过太滆运河流入滆湖，大部分通过漕桥河、殷村港、烧香港以及湛渎港流向太湖。各运河地理位置如图1所示。

1.2 水环境现状

项目区所在的武进区、宜兴市几十年来围湖(河、塘)造田、围网养殖以及农业、工业和城镇建设的高速发展，大量废污水排入河湖水系，对水环境造成了严重污染。2014年武宜运河及周边诸河水质为IV类、V类、劣V类的分别占22.4%、26.8%、50.8%，主要超标项目为氨氮、化学需氧量、五日生化需氧量、总磷、溶解氧和CODMn(高锰酸盐指数)[4]。

2 研究方法

对武宜运河及其影响河流断面水流水位、流向、流量和水质实施同步监测，分析研究武宜运河沿程河流水量、水质的分布情况及变化规律，确定主要污染物来源和数量，分析研判武宜运河与周边水系相互影响规律[5]。研究共分为3个部分：沿程水量演变的主要规律；沿程水质演变的主要规律；流域综合分析，研究方法主要有实测数据分析、一维河道非恒定水流运动模型和一维河流水质模型推算对比等。

3 研究过程

3.1 气象水文与监测基础情况

2014—2015年项目区降水较常年偏多，2a逐月降水量与多年平均降水量比较如图2所示。武宜运河水情变化与降水情况大致相应，水位变化较为平稳，年平均水位比常年偏高，其中2014年最高水位4.24m(7月27日)、最低水位3.01m(2月3日)；2015年1—9月，受降雨偏多影响，水文情势较为复杂，水位始终偏高[6]。

图1 武宜运河及周边河流地理位置图

图2 2014—2015年武宜运河地区逐月降水量比较图

滆湖水位变化主要受区域降水和上游来水影响，涨落相对平缓。滆湖一方面接受武宜运河补水，另一方面湖泊水位高低又影响武宜运河补水，在区域暴雨洪水情况下，尤其是滆湖上游普降暴雨后，滆湖水位抬升，反向武宜运河排泄涝水。滆湖月平均水位与降水量关系如图3所示[7]。

图3 2014年10月—2015年9月滆湖月平均水位与降水量关系图

根据武宜运河地区水网及水文情势，共布设水量水质同步监测站点26处，其中由北向南，武宜运河与太滆运河、锡溧漕河、漕桥河、殷村港、烧香港、湛渎港交汇处各布设4处，与新湛渎港、芜申运河交汇处各布设1处[8]，同步监测统计情况详见表1[9]。

3.2 沿程水量演变规律分析

3.2.1沿程水位流量演变

武宜运河向南至坊前桥时，太滆运河和滆湖分流，武宜运河向南流量减小，水位降低；向南至钟溪大桥时，锡溧漕河汇流，武宜运河流量上升，但水位仍继续下降；继续向南至锡溧漕河大桥途中，沿程依次经漕桥河、殷村港、烧香港、湛渎港分流，流量不断减小，水位不断下降[10]。

表1 武宜运河地区2014年10月—2015年9月水量水质同步监测情况统计表

以2015年4月2日各断面实测水量为例，如图4所示，4月2日为农历二月十四，中潮汛日，沿江口门引江水量较小，坊前站水位为3.48m。从武宜运河入口到钟溪大桥，流量缓慢减小，表明区间有支流将水分出。在漕桥河南，流量出现小幅“突跳”现象，表明区间漕桥河来水汇入[11]。从漕桥河南到烧香港南，流量沿程减小，表明区间有支流不断将水流分出。从烧香港南到武宜运河出口(锡溧漕河大桥)，流量先增后减，并在湛渎港南达到最大，表明区间湛渎港西段(滆湖)有大量来水汇入。

3.2.2沿程水量分配

以武宜运河和各支流交接中点为原点，建立平面直角坐标系并利用动量守恒原理和质量守恒原理建立以下方程：

(1)

图4 武宜运河沿程流量演变图(2015年4月2日)

式中，S1、S2、S3、S4—武宜运河上游、武宜运河下游、支流上游、支流下游断面面积；V1、V2、V3、V4—武宜运河上游、武宜运河下游、支流上游、支流下游断面平均流速。计算得到武宜运河沿程水量分配统计情况见表2[12]。

3.2.3沿程水量演变规律分析结论

当区域无强降水时，武宜运河来水主要受沿江口门引长江水影响，来水是武宜运河沿程和滆湖重要的补水水源[13]。在钟溪大桥处，当武宜运河上游来水较大时，出口流量主要受上游来水影响；来水较小时，出口流量受锡溧漕河汇水影响较大。在钟溪大桥以南至锡溧漕河大桥处，沿程漕桥河、殷村港、烧香港、湛渎港分流，部分水量汇入太湖。

表2 武宜运河沿程水量分配统计表 单位：%

当遭遇区域暴雨时，武宜运河来水主要受上游降水径流以及沿江口门向长江排水的综合影响。暴雨较大时，滆湖水位较高，通过太滆运河、增产河等向武宜运河排水，沿程小支流一般向武宜运河排水。在流出武宜运河出口的水量中，滆湖来水(即增产河、漕桥河西段、殷村港西段、烧香港西段、湛渎港西段)约占47.9%[14]。

3.3 沿程水质演变规律分析

3.3.1沿程水质演变

对武宜运河沿程坊前桥等7处断面的CODMn、氨氮、总磷这三个指标的时空演变进行分析，并与同一时期滆湖的对应指标(CODMn、总氮、氨氮、总磷)进行比较。以2015年5月28日为例，如图5所示。变化规律如下：

CODMn：武宜运河从入口(坊前桥)到钟溪大桥，浓度沿程变化平稳，缓慢下降。从钟溪大桥到殷村港南，浓度稳中有降，总体变化不大。从殷村港南到湛渎港南，流量和CODMn浓度均呈现先减后增的趋势，但浓度变化梯度小于流量变化梯度，表明区间支流的分流一方面带走了部分污染物，一方面促使污染物富集，减缓了CODMn浓度的降低。从湛渎港南到锡溧漕河大桥，流量和CODMn浓度变化一致，均有所下降[15]。

氨氮：武宜运河从入口到漕桥河南，浓度呈沿程上升趋势，主要是因为区间锡溧漕河来水中氨氮浓度较高。从漕桥河南到殷村港南，浓度呈沿程衰减趋势。从殷村港南到湛渎港南，氨氮浓度有所增加，表明区间来水汇入，且来水中氨氮浓度较高。从湛渎港南到锡溧漕河大桥，氨氮浓度呈下降趋势，主要是因为区间湛渎港西段的滆湖来水汇入促进了污染物的扩散降解。

总磷：武宜运河从入口(坊前桥)到钟溪大桥，总磷浓度呈沿程上升趋势。从钟溪大桥到锡溧漕河大桥，总磷浓度沿程变化情况及原因与氨氮分析相似。

滆湖：CODMn、氨氮浓度均远小于武宜运河沿程主要断面的相应浓度，其总磷、总氮浓度均略小于各断面相应浓度的平均值，表明滆湖水质更好[16]。

3.3.2沿程水质时空变化

采用水质综合指数法进行评价，将用水体各监测项目的监测值与其评价标准之比作为单项污染标准指数。各单项标准指数按下式计算：

(2)

式中，Sij—标准指数；Cij—评价因子i在j点的实测浓度值；Csi—评价因子i的地表水水质标准，mg/L。

水质综合指数由累加各标准指数的和除以项目数所得，按下式计算：

(3)

以Ⅲ类水作为水质标准，得到各监测断面污染物变化趋势，此处以钟溪大桥断面为例，其污染物变化趋势如图6所示[17]。

图5 武宜运河沿程水质演变图

图6 钟溪大桥污染物变化趋势图

3.3.3沿程水质演变规律分析结论

当区域无强降水时，武宜运河沿程水质变化主要受上游来水的影响，也与区间汇水、集中污染源排放有密切关系。滆湖水质好于武宜运河，总磷浓度在一定时期相对较高，表现为季节性；当遭遇区域暴雨时，武宜运河沿程水质变化主要受上游降水径流影响，也与区间降水径流、面源排放以及集中的污染源排放有密切关系，暴雨过后一段时期内，武宜运河上游来水水质好于滆湖。

降水径流对武宜运河各断面各污染物通量演变影响最大，表现为各断面污染物通量最大值基本都出现在降水径流量最多的6月，下游烧香港以南(钟溪大桥)的部分断面污染物通量最大值出现在7月，表明污染物从上游到下游需要一定的传播时间；季节性排污(如鱼塘排水、农田施肥排水等)对武宜运河水质为次要影响因素，但受污染源分布和区间汇水位置等因素，多造成污染物通量突变，如武宜运河从入口到烧香港沿程鱼塘排水，可导致武宜运河水体中CODMn、总磷浓度短时间内迅速上升，水质恶化；从烧香港到湛渎港沿程集中式污染源排放，到武宜运河水体中氨氮浓度迅速上升，水质恶化。干流各断面污染物通量演变与入口的污染物通量演变相关关系呈沿程递减趋势，支流各断面污染物通量与入口的污染物通量演变关系不大。各污染物通量演变与水量演变有一定的相关性。CODMn、氨氮、总磷从武宜运河入口到出口，衰减率分别为0.92、0.82、0.86，表明京杭运河原水进入武宜运河后，由于自身降解，同时受滆湖水量影响，出口处各污染物输出量有所降低[18]。

3.4 流域综合分析

3.4.1沿程响应时间分析

武宜运河北承京杭运河来水后，水流向南依次影响到沿程各断面，采用一维圣维南方程组计算沿程各断面响应时间：

(4)

式中，Q—河道断面流量；A—过水断面面积；B—水面宽；BT—滩地调蓄宽度；Z—水位；q—旁侧入流；vx—旁侧入流流速在干流水流方向上的分量；K—流量模数；α—动量校正系数。计算结果见表3。

表3 各节点对武宜运河上游来水响应时间 单位：h

图7 2014—2015年武宜运河出入口水量、污染物通量对比图

3.4.2出入口水量、污染物通量对比分析

上游来水进入武宜运河后，经过25.8km、历时约60～70h，才到达出口，沿程水量、水质有了很大变化，对2014年10月—2015年9月武宜运河入口、出口水量和污染物通量进行对比分析，结果如图7所示。

3.4.3污染物来源分析

按地理位置分，武宜运河钟溪大桥以上河段主要污染为支流线源污染、少量的工业点源污染和生活污染，钟溪大桥到烧香港河段主要污染为工业点源污染和生活污染，烧香港以下河段主要污染为沿程的农业面源污染和零散分布的工业点源污染[19]。

按季节分，武宜运河沿程水量、污染物通量在6—8月增量较大，面源污染也较大，11—12月，鱼塘排水导致的增产河等支流污染物排放也较大。

按污染物来源分，点源污染主要为雨污水以及化工企业排放的废污水，非点源污染主要为沿程支流污水，面源污染主要为沿程的农业水土流失。

按污染物分布分，CODMn主要来源于沿程的工业点源排放，集中在武宜运河坊前桥到钟溪大桥一段和烧香港南到湛渎港南一段；氨氮主要来源于沿程的农业面源排放，集中在夏坊桥到钟溪大桥一段；总磷主要来源于沿程的生活污水排放，主要集中在钟溪大桥到烧香港一段。

3.4.4沿程污染物降解的影响

由于化学和生物化学反应，河流中某些扩散的物质会自动降解，水体中污染物的浓度降低，污染物降解按下式计算：

(5)

式中，C—下游断面浓度值，mg/L；C0—上游断面浓度值，mg/L；x(t)—上、下游断面距离，m；u—平均流速，m/s；K—衰减系数，I/d。

计算得到京杭运河原水进入武宜运河入口后沿程CODMn、氨氮、总磷的衰减情况，见表4。

3.4.5武宜运河与周边水系的关系分析

武宜运河沿程水量、污染物通量分配统计如见表5，沿程各支流入太水量占比统计见表6，武宜运河沿程各支流受水量占比情况见表7。

表4 武宜运河沿程各污染物衰减情况表

表5 2014—2015年武宜运河沿程水量、污染物通量分配统计表

表6 2014—2015年武宜运河沿程各支流入太水量占比统计表

表7 2014—2015年武宜运河沿程各支流受水量来源占比统计表 单位：亿m3

3.4.6流域综合分析结论

武宜运河沿程通过太滆运河、漕桥河、殷村港、烧香港、湛渎港等河道的西段承接滆湖来水总量约为10.95亿m3，滆湖是武宜运河沿程重要水源。武宜运河沿程自上而下，滆湖来水量所占比重不断增加，锡溧漕河来水量所占比重不断减少。绝大部分时期，滆湖各项指标优于武宜运河，通过滆湖水量的不断汇入，武宜运河污染物浓度沿程逐步降低，出口处各污染物的输出量有效减少，但同时通过与滆湖、太湖的水量交换，武宜运河也间接地影响了滆湖、太滆运河、漕桥河、殷村港、烧香港、湛渎港的水质。

4 结语

本次水量水质监测分析和研究结论清晰地揭示了武宜运河及周边水系河流的相互影响关系，为有针对性地治理武宜运河及周边水系河流污染提供了技术支持。从源头治理和传播治理2个角度出发，根据沿程水量水质演变规律分析结论，充分考虑污染物来源、降解和传播的规律，在控制沿程污染排放的基础上，可以通过在汇流处建设闸门的方式，在不同雨情、水情和污染情况下对水量分配进行调度，可以有效地缓解下游河道甚至是太湖的污染防治压力。

本次工作仍存在一定不足，监测期区域暴雨偏少，难以完全反映较大暴雨洪水时滆湖、太湖与武宜运河之间的水量、污染物通量的交换关系。下一步要继续开展区域暴雨情况下水量水质时空分布特征和演变规律分析。