基于城南河同步监测与水环境模型的区域水环境容量研究

徐博文，逄 勇，胥瑞晨，汪静娴

（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，江苏 南京 210098；2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098）

0 引言

长江因其重要的航运功能及丰富的水电、渔业资源，其水资源及水生态保护一直是我国水环境保护工作中的关键课题[1]。作为南京市主要的通江河流之一，城南河水环境治理、省考断面提标工作对于保障长江流域水环境质量有着重要意义。目前，常在确定河流水环境容量的基础上，通过削减污染物入河量、制定污染整治方案确保控制断面水质达标[2]。应用较为普遍的水环境容量研究方法大致为5 种：模型试错法[3]、系统最优化法[4]、公式法[5]及概率稀释模型法[6]。在地表水方面，用于计算水环境容量的水环境数学模型也不断进步，从一维到三维[7]、从稳态到动态[8]，可模拟污染物类型日益丰富[9]。水环境数学模型已在国内相关研究中得到广泛应用，朱瑶[10]将SWAT 模型非点源模型及WASP 模型水质耦合进行苕溪流域水环境容量核算。赵串串等[11]采用WASP模型建立灞河流域一维水质模拟预测模型，制定流域水质达标管理方案。吴睿等[12]利用MIKE11 水质模型水动力模块和对流扩散模块计算金寨路断面NH3-N 和TP月均水环境容量。但大多数研究所构建的水环境数学模型中污染物衰减系数来源于其他文献或经验值，不具有地域性和较高的精确度。

本文以城南河为研究对象，对其省考断面——龙王庙断面进行水质监测及入河污染物分析，构建一维非稳态水环境数学模型，并依据城南河主要水系水质实测数据率定得到污染物降解系数，在此基础上进行区域水环境容量计算及控制断面达标方案制定，为南京市城南河水环境整治提升工作提供一定参考。

1 研究区域概况

城南河位于南京市浦口区江浦街道，发源于老山南部黄山岭，河道全长约11 km，干流长约4.6 km[13]。整体河道呈“Y”型，上游为极乐河、护城河2 条支流，与西面干流雨山河于凤凰台处汇合后流入长江[14]。根据水系流向以及地形高程资料，得出城南河流域汇水面积为62.8 km2，本次研究区域介于北纬32°1'39"～32°4'44"，东经118°35'57"～118°41'2"，属长江下游流域区。该流域区气候温润多雨，根据中国气象数据网，得到南京市1986～2017年逐月降雨量及蒸发量数据，计算出南京市年平均降雨量为1 151 mm，年平均蒸发量为1 014 mm，研究区域基本信息概况见图1。

图1 研究区域基本信息概况

近年来，浦口区城市化建设步伐的加快，截至2018年末，区内常住人口达83.86 万，较2017年增长5%；各类产业快速发展，地区生产总值达1 050.11亿元[15]。浦口区社会事业得到长足发展的同时，也产生了更为严重的区域水环境污染问题。以位于城南河河首的江苏省省考断面——龙王庙断面为例，水质目标截至2020年应达到Ⅳ类水标准，但2019年该断面达标率仅为75%。根据水质现状和污染源统计分析结果，NH3-N 和TP 为造成龙王庙断面水质超标的主要污染因子，城镇生活源为贡献率最高的污染源，这与瞿一清等[16]的结论一致。

2 研究方法

2.1 水质监测材料与方法

根据城南河流域的地形及污染源分布特征，对NH3-N 和TP 因子进行实地水质监测。由图1 可以看出，监测共布设7 个点位，分别为W0（新胜河已建补水点）、W1（城南河凤悦桥）、W2（城南河雨山路桥）、W3（城南河南门桥）、W4（城南河珠泉路桥）、W5（城南河浦滨路桥）和D1（龙王庙断面）。采样时间为2018年1～12月每月中旬，将采集水样存于玻璃瓶内带回实验室，当天分别采用纳氏试剂分光光度法及钼酸铵分光光度法测定NH3-N 和TP。测定步骤方法及所用药品等见图2。

图2 监测水样中NH3-N 和TP 浓度测定流程示意

2.2 一维非稳态水环境模型构建

河流数学模型是研究水体随时间和空间运动的重要手段之一[17]，非恒定流计算方法能较好地反映城南河水系实际情况。计算采用一维非恒定水动力学及水质模型，对城南河地区进行模型计算，所构建河网概化模型见图3。

图3 城南河水系河网概化示意

采用一维非恒定流Saint-Venant 方程组作为水动力控制方程[18]，方程如下：

式中：x为空间坐标，m；t为时间坐标，s；Q为断面流量，m3/s；h为水位，m；A为断面过流面积，m2；R为水力半径，m；BS为河宽，m；q为旁侧入流量，m3/s；C为谢才系数，m1/2/s；g为重力加速度，m/s2。

水质模型基于水动力模型构建，用于模拟可溶性物质和悬浮物质在水体中的对流扩散过程。一维河流水质模型基本方程为：

式中：C为模拟物质的质量浓度，mg/L；υ 为河流平均流速，m/s；Ex为对流扩散系数，m2/s；K为模拟物质的一级衰减系数，d-1；x为空间坐标，m；t为时间坐标，s。

2.3 水环境容量计算方法

根据龙王庙断面水质影响区域地形条件以及各类污染源的空间分布特征，共概化6 个排污口，具体位置见图1。参考吴睿等[12]基于MIKE11 水质模型的水环境容量计算方法，利用已构建的水环境模型进行水质模拟，模型中污染物的衰减系数取值为水质实测监测数据率定结果，相较经验值具有更高的精准度。研究区域内城南河水环境容量计算公式为：

式中：CS为计算单元河段水质目标质量浓度，mg/L；C1为河段污水排放质量浓度，mg/L；Wi为计算单元河段水环境容量，g/s；Q为流量，m3/s；q为计算单元内污水排放量，m3/s；C0为上游来水中的污染物质量浓度，mg/L；L为排污口与计算断面的纵向距离，m。

3 结果与讨论

3.1 水质及污染现状分析

根据南京监测站2019年龙王庙断面逐月水质监测数据分析城南河水质现状，城南河断面达标率仅为75%，其中NH3-N 超标率为25%，TP 超标率为8%，两者是导致龙王庙断面水质不达标的主要污染因子，与2016年瞿一清等[14]所得城南河水质评价结果相近，说明近年来城南河水质改善效果并不明显。基于《南京统计年鉴（2019）》以及环保局提供的环统资料，分析浦口区人口、耕地面积、畜牧业生产、工业点源及污水处理厂等情况，由污染物入河量估算公式[19]得到研究区域内NH3-N 和TP 污染物入河量中各类污染源贡献比例，见图4。由图4 可以看出，城镇生活源因年排量大且污水中NH3-N 浓度较高的特性，导致其对TP 入河量贡献率为26%，对NH3-N 入河量贡献率高达43%，成为城南河龙王庙断面水质超标的主要污染源。

图4 入河污染物各类污染源年排放量占比示意

通过实地水样采集及水质监测，得出2018年城南河主要水系7 个断面的NH3-N 和TP 的质量浓度，断面水质监测现状及研究区域内6 个概化排口入河污染物排放量见图5。结合城南河水系周边污染源位置分布特征，可发现实测水质结果总体呈上游优于下游的趋势，这与实际情况基本吻合。其中，W0 和W1 等上游监测断面水质能够达到地表Ⅲ类水标准，说明雨山河及极乐河上游来水水质均较好；但经过中下游城区河段时，由于河道沿线遍布居民住宅区、商业中心及企事业单位等城镇生活源，加之人口增长导致的城区下垫面硬化比例增高[20]，愈来愈多的城市污染物随地表径流及小型入河支流进入城南河，使得W4，W5 和D1 等位于河道中下游的监测断面水质相对较差，仅为地表Ⅳ类甚至Ⅴ类水水质标准。水质实测结果进一步证明了密集分布于城南河主要水系沿岸的城镇生活源是城南河有机污染负荷的重要来源，同时也反映了城南河中下游河段水环境容量不足的问题亟待解决。

图5 城南河水系监测断面水质现状及各概化排口污染物排放量

3.2 水环境数学模型关键参数率定及验证

水环境测算模型的确定是水环境容量和目标削减量估算的关键[21]。对已构建的城南河水系水环境数学模型，采用2018年城南河主要水系水质实测数据作为水质边界数据进行模型污染物降解系数率定，并根据南京市监测站2019年城南河水质监测资料进行验证，其NH3-N，TP 浓度模拟值与实测值对比结果见图6。

图6 城南河NH3-N，TP 降解系数验证结果

为了对城南河断面水质模拟结果与真实值进行比较，采用平均相对误差(MRE)、均方根误差(RMSE)以及相关系数分析(R2)等3 种模型评价法对实测值与模拟值之间做误差及相关性分析[22]，结果见表1。从数值对比及误差分析结果来看，模拟水质与实测水质拟合情况良好，平均水质相对误差均不超过15%，模拟水质情况能解释超过95%的实测数据，因此所构建的水环境数学模型能满足计算水环境容量的研究要求。率定得到城南河NH3-N，TP 降解系数分别为0.09，0.12 d-1。

表1 模型关于水质的计算评价

3.3 区域水环境容量分析及达标方案确定

在确定城南河水环境数学模型主要污染物降解系数的基础上，以实现龙王庙省考断面水质满足地表Ⅳ类水质标准为目标，将基于各概化排口污染源现状排放量、削减潜力大小以及排水对龙王庙段水质影响程度，确定将概化排口2，3，5 作为主要污染物削减对象，相对概化排口1，4，6 的削减程度较大。削减工况见表2。通过5 种不同的污染物削减工况构建模型计算得到各工况下龙王庙断面水质变化及达标情况，结果见图7。

表2 各概化排口污染物削减工况

图7 各工况下龙王庙断面水质变化及达标情况

由图7 可以看出，当主要污染物削减排口2，3，5的削减率达到30%，次要污染物削减排口1，4，6的削减率达20%时，龙王庙断面水体中ρ（NH3-N）及ρ（TP）能达到地表Ⅳ类水水质目标，此时各概化排口排污量为其允许排污量，并可进一步计算出龙王庙断面满足2020年水质目标时城南河水环境容量，具体见表3。

表3 基于断面达标的概化排口允许排污量及城南河水环境容量

由表3 可以看出，龙王庙断面达标时城南河中NH3-N，TP 的水环境容量分别为68.6，17.2 t/a，研究区域内城南河主要水系污染源需总体削减约25%。基于瞿一清等[16]对城南河汇水区内较为精细的污染源调查结果，城南河全线有多处排污沟、一家水上餐厅及若干公共厕所，且部分住宅、企事业单位、学校和多数三产服务业的生活、生产污水直排入河道，因此针对污水接管率不高、雨污合流排放的现状可制定污染源削减方案[23]。首先，根据城南河所在主城区内的污染源分布特征，优化调整污水处理设施布局，加快完善污水收集管网，着力提高污水收集率和处理率。其次，对于入河排污口、排污沟及直排企业开展溯源排查工作，整改或取缔不符合相关规范的污染源。最后，结合城区的排水管网现状，对排水系统进行雨污分流规划设计，在保持老城片区部分合流制的基础上，最大限度地进行雨污分流式改造[24]。

4 结论

（1）根据统计年鉴及环统资料分析城南河流域水污染负荷情况，确定NH3-N 和TP 是造成城南河龙王庙断面超标的主要因子，城镇生活污染源是城南河水污染负荷的主要来源。通过实地水样采集及水质监测，得到城南河主要水系共7 个断面的NH3-N和TP 浓度，总体呈上游优于下游、污染源密集处下游水质较差的特征，基本符合研究区域内实际污染源分布情况。

（2）建立研究区域内城南河水系一维非稳态水环境数学模型，并基于2019年逐月水质实测数据率定得到NH3-N 和TP 降解系数分别为0.09 和0.12 d-1，使参数值更具地域性及准确性。模拟值与实测值拟合情况良好，平均水质相对误差均不超过15%，模拟水质情况能解释超过95 %的实测数据，所建模型可满足水质数值模拟和进一步的水环境容量研究。

（3）基于所构建的水环境数学模型得出城南河省考断面龙王庙断面水质达地表Ⅳ类水标准时的城南河水环境容量，将污水现状排放量与水环境容量计算结果进行对比，确定各概化排污染源削减比例。城南河干流河道中下游污染源排放区段以居民区、企事业单位等城镇生活污染源为主，存在生活污水未全面接管、雨污管网覆盖率低等导致的截污不彻底等现象，因此应依据区域污染源分布特征，提高污水收集率和处理率，整改或取缔不符合相关规范的污染源从源头上减少污染排放，同时最大限度地推进雨污管网更新和分流式改造，争取龙王庙断面水质的稳定达标。