基于动态水环境模型的龙王港流域综合治理方案及评估

彭丽红,代洪亮

(1.长沙市规划设计院有限责任公司,湖南长沙 410125;2.江苏科技大学环境与化学工程学院,江苏镇江 212003)

流域生态环境是区域经济可持续、高质量发展的关键[1]。根据《2020年中国生态环境状况公报》[2],全国3.0%的地表水、1.7%的流域水质为Ⅴ类及劣Ⅴ类,5.4%的重要湖泊(水库)水质为劣Ⅴ类,水环境质量仍然较差。随着城市高强度开发建设,流域生态环境面临巨大压力,水资源、水环境问题凸显,呈现流域性、系统性特点,局部化、碎片化的传统单一治理模式难以解决流域水环境面临的结构性、根源性矛盾[3-5],需要更为系统、综合、先进的流域治理技术手段。2021年12月,国家发展和改革委员会印发的《“十四五”重点流域水环境综合治理规划》中明确指出,需加快流域水环境综合治理思路和模式创新,深化流域水环境综合治理试点,推进农村水环境协同治理。

本文以龙王港流域为研究区域,以现状调查为基础、以问题为导向,按照“流域统筹、系统治理、以效定案、分片分期、精准施策”的流域水环境治理思路,将流域分为龙王港上游、雷锋河、肖河及龙王港中下游四大片区。并利用基于MIKE工具构建的动态水环境模型,以水环境容量和污染负荷控制为核心,根据农村区域、未建城区、新建城区、老城区等类型,因地制宜地提出各区域、各阶段的治理目标,科学合理地制定分片、分期的水环境治理方案,实现多目标融合、远近期结合、差异化施策。另外从污染削减、水质改善等方面对流域水环境治理方案进行评估,为特征相近的流域水环境治理及评估提供参考,对水环境改善及工程实施具有借鉴意义。

1 区域概况及研究方法

1.1 流域概况

龙王港流域位于长沙市湘江新区核心区域,流域面积为173 km2。流域内水系发达,主要涉及龙王港及其支流雷峰河、肖河共3条河流,雷锋湖、梅溪湖、咸嘉湖共3处湖泊,鱼婆塘、大冲、石冲、牌楼坝、新华、莲花塘、石塘及洪寺庵共8座水库,水系分布如图1所示。龙王港由西向东至岳麓区溁银桥汇入湘江,属于长江一级支流,全长达28.9 km,多年平均流量为3.67 m3/s,多年平均地表水资源量为1.15亿m3。

图1 流域水系及分区Fig.1 Drainage System and Zoning

1.2 技术路线

根据现状水环境调研数据和水环境功能区划,利用ArcGIS和MIKE工具搭建管网及河网的水文、水动力、水质耦合模型,结合负荷计算模型和环境容量评估模型,开展流域现状水环境动态评估,明确污染排放与水体水质变化的响应关系,研究流域水环境变化规律。在此基础上,提出流域水环境治理目标,制定综合、系统的分期分片治理方案,并评估方案的目标可达性。技术路线如图2所示。

图2 技术路线Fig.2 Technical Route

2 动态水环境模型构建

2.1 模型构建

2.1.1 水文、水动力及水质模型

本次研究采用丹麦水力研究所(Danish Hydraulic Institute,DHI)研发的MIKE系列软件对流域管网、河网构建水文、水动力、水质模型,是用于模拟城市集水区和排水系统的地表径流、管流、水质和泥沙传输的专业工程软件包,可研究管网各排口不同条件下水量、水质的时空变化特征。梳理修正后的地形、下垫面、水系及排水管网数据,导入MIKE URBAN模型进行概化。在此基础上,根据泰森多边形法为管道每个节点分配子集水区,并利用GIS和MIKE工具建立排水管网、流域河网、水工建筑物一维拓扑关系,结合污染负荷模型,构建一维MIKE URBAN管网水文、水动力、水质模型和一维MIKE 11河网水文、水动力及水质模型,模拟区域的典型降雨径流、污染负荷及时空分布特性,评估污染源对流域水质影响。

2.1.2 污染负荷模型

参考《第一次全国污染源普查公报》,采用入河系数法,通过各片区常住人口、单位人口污染负荷产生量及入河系数进行污染源入河负荷估算。建模时,晴天溢流量、农村生活污染、畜禽养殖、内源污染均按全年均匀入河,雨污混流和农田径流污染随降雨径流均匀入河。污染负荷模型如式(1)～式(2)[3]。

Wp,j=∑φpiθpi,j·C·T

(1)

Wn,j=∑φniθni,j·Sni·T

(2)

其中:Wp,j、Wn,j——点、面源污染物j单位时间内的污染排放量,t/a;

φpi、φni——i点处点、面源污染物入河系数;

θpi,j、θni,j——i点处点、面源污染物j的排污系数;

C——i点的单位产生量,mg/L;

T——计算时段,d;

Sni——污染物类型i的面积或人数,m2或人。

2.1.3 水环境容量模型

根据水环境功能区划,结合流域特性、污染源分布情况,将流域划分为4个控制计算单元,包括雷锋河、龙王港上游、肖河及龙王港中下游。利用《全国水环境容量核定技术指南》中推荐的一维河流模型,如式(3)～式(4),按照多年平均最枯月90%保证率的设计流量条件来计算流域水环境容量。

(3)

(4)

其中:Wi——第i个排污口允许排放量,t/a;

Ci——河段第i个节点处的水质本底质量浓度,mg/L;

Cn——沿程质量浓度,mg/L;

Qi——河道节点后流量,m3/s;

Qj——第i节点处废水入河量,m3/s;

K——综合降解系数,d-1;

u——第i个河段的设计流速,m/s;

x——计算点到第i节点的距离,m;

W——环境功能区内的水环境容量,t/a。

2.2 模型输入条件

2.2.1 设计降雨

根据《降水量等级》(GB/T 28592—2012)并结合长沙20年降雨资料,将日降雨进行划分为小雨(<10 mm)、中雨(10～25 mm)、大雨(25～50 mm)、暴雨(50～250 mm)、大暴雨(>250 mm)共5等级。以2017年为评估基准年,全年降雨量为1 515 mm,全年有超过1/3为雨天,主要为小于10 mm的小雨,约占70%,大暴雨仅有一场,占全年雨量的8.4%,各等级降雨的雨量分布较为均匀。基于最不利原则,选取各等级中降雨强度偏大的场次作为该等级典型降雨(图3)。

图3 不同等级典型降雨过程Fig.3 Typical Rainstorm Process of Different Grades

2.2.2 监测数据

在龙王港干流、支流、河口及上游水库等位置选取31个监测点,于2018年3月—5月分别进行晴天、雨天水质采样,前缀QH、QG、XYH、XYG的监测点分别为晴天河道、晴天管网排口、雨天河道及管网排口水质采样点,对监测点水质的CODCr、氨氮、TP 3类指标进行检测。

2.2.3 管网及下垫面概化

管网和下垫面是水环境模型的重要输入数据,需对收集到的管网及下垫面普查数据进行梳理概化,保证模型的精度[6]。流域排水系统复杂,存在雨污合流与分流共存、节点位置偏移、流向反向、管线缺失、管线逆坡或重复等情况,利用AutoCAD软件进行概化处理后,导入ArcGIS软件进行拓扑检查与修正。最终模型输入排水管道总长为812.6 km,其中污水管为350.7 km,雨水管及合流管为461.9 km。同时,利用ArcGIS工具将下垫面概化为植被、水体、道路、建筑物和其他5大类,以便于MIKE建模和地表径流污染累积计算。图4为流域管网及下垫面概化结果。

图4 管网及下垫面概化Fig.4 Generalization of Pipe Network and Underlying Surface

2.2.4 水位水质边界

流域水文水动力模型的上游边界选取各个水库的下泄流量,下游边界选取湘江的水位。水质模型边界包括开边界和污染负荷边界,上游边界采用各个水库晴天监测的CODCr、氨氮及TP平均值,下游开边界按湘江Ⅱ类水质标准给定,CODCr、氨氮、TP取值为15.0、0.5、0.1 mg/L;污染负荷边界按点源和面源的污染负荷年均值设置。

2.3 模型参数设置

模型参数设置决定模型模拟的准确度,流域水文水动力模型主要涉及的参数为平均坡面流速、模拟时间步长、管道曼宁系数、检查井局部水头损失,流域水质模型主要涉及的参数为衰减系数和扩散系数;水环境容量模型主要涉及参数为污染因子综合降解系数,模型参数设置如表1所示。

表1 模型参数设置Tab.1 Model Parameter Setting

2.4 模型率定与验证

采用2017年3月26日场次的晴天监测点QG1、QG2、QG3进行水量率定,在此基础上,采用2017年4月22日场次的雨天监测点XYG10、XYG11、XYG13及XYG14率定管网水质模型。同时,采用梅溪湖水文站流量和水位率定流域水文水动力模型,通过27处河道监测断面数据率定流域水质模型。以CODCr为率定因子、QG1、XYG10、QH3为例的模型率定结果如图5所示。采用纳什系数(NS)和相对误差(RE)作为水质水量模型模拟精度的评价指标,经分析,QG1、河道的水量率定NS分别为0.77、0.83,XYG10、QH3的水质率定RE分别为9.1%、4.5%,皆满足NS>0.75、RE<10%的要求,表明模型模拟结果较为准确,与实测数据吻合度较高,建立了污染负荷、水动力条件与水质之间的响应关系,可满足污染评估的需求。

图5 模型率定Fig.5 Model Calibration

3 水环境现状评估

3.1 溢流污染分析

基于MIKE URBAN管网水质水量模型,根据水质水量调查结果,选取典型场次的小雨、中雨、大雨及暴雨模拟现状水平年区域排口的污染溢流情况,以CODCr、氨氮及TP作为水质参数,分析溢流浓度变化及其年负荷分配特性,评估溢流污染对流域水质的影响。经分析,流域CODCr、氨氮、TP溢流污染负荷总量分别为6 055.1、677.3、81.1 t/a,晴天溢流占54%～65%,主要溢流点为南园路排口和财经泵站。35%以上的污染负荷来源于雨季溢流污染,以小雨、中雨为主,主要集中在龙王港中下游及肖河区域,由于肖河流域内管网分流建设较完善、地势较高且位于截污干管上游,入河负荷较龙王港中下游更低。各排口污染负荷分布不均,南园路排口、咸嘉湖排口为污染负荷较大的2个排口,约占所有排口降雨负荷的53%、21%。

3.2 污染负荷评估

基于区域土地利用强度和晴雨天水质水量调查,识别和统计各区污染来源、类型及时空变化特征。点源污染主要包括生活污染、晴天溢流以及雨污混流污染;面源污染主要包括农村生活污染、农村径流污染以及畜禽养殖污染;内源污染主要为污染物沉积于底泥中重新释放的污染。据模型估算,流域CODCr、氨氮、TP污染负荷总量分别为8 293.902、932.752、121.720 t/a,其中晴天溢流及雨污混流溢流贡献率最高,占流域总负荷的70%～78%,主要影响河段为肖河及龙王港中下游;其次分别是农村径流污染及生活污染,占总负荷20%～28%,主要影响了雷峰河及龙王港上游河段;内源污染、畜禽养殖污染占比最低,各河段污染分布如图6所示。

考虑到污染的产生机制,流域污染负荷随降雨呈现显著的季节性分布,如图7所示。雨季污染负荷约占全年的60%,以农村和建成区的径流污染为主,受降雨强度影响,6月、7月污染负荷最大;晴天溢流、农村生活污染、内源污染以及畜禽养殖污染则不受降雨影响,全年均匀下河,其中肖河基本无晴天负荷,溢流负荷随降雨呈显著变化,龙王港中下游晴天溢流量较大,负荷年内变幅不大。

图7 污染负荷年内变化Fig.7 Annual Changes of Pollution Load

3.3 水环境容量核算

经模型模拟评估,污染指标为CODCr、氨氮、TP的水环境容量如表2所示。受到上游来流的影响,区域水环境容量与其汇水面积相关,龙王港中下游河道由于具有较大的来流流量及区间汇流,CODCr、氨氮、TP水环境容量最大,雷锋河次之,龙王港上游位居第3,肖河汇水面积小,水环境容量最小。由于龙王港流域上游为山区河道,中下游为城市河道,主要来水为本地的降雨径流,其水量呈明显的丰水期、枯水期变化特征。6月、7月随降雨强度增大,水环境容量达最大,加之流域为季风性气候,降雨时间分布不均匀,因此,水环境容量在年内有较大的变化,如图8所示。另外,污染物质在水环境中的自净能力受到水力停留时间、流域特性等影响,各河道水质指标环境容量存在一定差异,CODCr具有较大的自净能力,TP自净能力较差。

表2 水环境容量计算Tab.2 Calculation of Water Environment Capacity

图8 水环境容量年内变化Fig.8 Annual Variation of Water Environmental Capacity

3.4 水环境现状评估

随着流域人口和经济的持续增长,生活污水、工业废水及农业农村污水排放量剧增,污染物排放总量超过了龙王港流域水环境容量,水环境问题突出。龙王港、雷锋河上游等未建成区主要污染来源于农村生活垃圾、农村径流、生活污水、畜禽养殖废水以及农药化肥等面源污染,排放的氮、磷造成水体富营养化;龙王港、雷锋河、肖河中下游等已建城区人口密集,由于污水收集和处理设施不完善,雨污分流不彻底,部分污水未经处理直排水体,溢流污染严重。而流域径流主要由降雨补给,自然径流量季节性强,雨季4月—7月径流量占全年70%以上,上游水库共855万m3的兴利库容在满足农田灌溉后,难以保证枯水季节最小生态流量,断流时有发生,季节性缺水问题突出。

如表3和图9所示,晴天流域内除龙王港、雷锋河上游为Ⅲ～Ⅳ类地表水标准,其他河段水质与水环境功能区划要求执行的地表Ⅲ类水质标准相差甚远,现状基本为Ⅴ类或劣Ⅴ类,Ⅴ类及以下水质的河段占64.5%,主要为雷锋河松柏路支流及除上游水库的全河段、肖河全河段、龙王港干流自马头坝河下游至入湘江口的全河段。流域整体水质状况较差,氨氮、TP均有不同程度超标。雨天流域水质全面不达标,水质峰值明显,河道水质受排口污染溢流影响较大。

表3 流域水环境现状(Ⅳ类)Tab.3 Current Situation of Water Environment in the Basin (Class IV)

图9 水质分布现状Fig.9 Existing Water Quality Distribution

4 水环境治理方案与评估

4.1 治理目标

基于流域的水质模型、负荷计算模型、环境容量评估模型,从河道水环境承载力出发,综合考虑城市发展、工程可实施性等因素,确定近期、中期和远期的水环境治理目标(表4),以流域统筹、分片治理、分期建设、以效定案的原则,制定综合治理方案,逐一实施治理。

表4 分期治理目标Tab.4 Treatment Objectives in Phases

4.2 水环境治理方案概述

针对现状不同区域在不同阶段存在的水环境问题,提出流域水环境综合治理方案,如表5所示。雷锋河及龙王港上游现状主要污染源为农村生活污染、农村径流污染,伴随区域开发,逐步变成建成区径流污染、农村生活污染及径流污染。因而,龙王港上游建成区以生活截污及径流控制方案为主,农村采用限制性开发,在农村区域污染控制的基础上,实行新开发区域雨污分流。结合城镇发展,雷锋河近期以建成区生活污水纳入市政管网、农村生活污染分散收集治理、农村径流污染控制为主;远期在建成区面积扩大、完全雨污分流的情况下,利用中期建设工程收集处理初期雨水径流污染。肖河及龙王港中下游开发建设空间基本饱和,随着人口密度不断增加,以生活污水及建成区径流为主的污染负荷增加,在污水处理厂提标扩建的基础上,分期开展市政管网分流改造和末端调蓄设施建设,以实现溢流和径流污染控制。

表5 水环境治理方案Tab.5 Water Environment Treatment Scheme

上述方案中,近期完善市政管网27.5 km,封堵现状截污坎、槽,新建截污管网39.5 km,市政雨污错混接分流及截污改造共824处,增设4处污水提升及分布式污水处理设施,对截流污水及初期雨水进行全处理;晴天利用50万t/a的雷锋污水厂尾水(Ⅳ类)对肖河及龙王港中下游分别补水1.00、4.79 m3/s,雨天全部尾水就近直排龙王港。中期完善市政管网达30.0 km,封堵末端截污槽共37处,市政雨污错接点改造23处,小区内部雨污错接点共398处,新建山水分离管共29 km、截洪沟共131 km、初雨截流管道共26.6 km,建设调蓄池共24个,调蓄规模为22.6万m3,配套4处雨水净化区建设;同时,完成262个建成及未建成小区的海绵城市建设,另在龙王港河口处设置泵站,对雷锋河进行补水,规模为1.5 m3/s。远期基于近、中期方案,结合区域发展,进一步雨污分流,肖河完成85%,龙王港下游完成80%,雷锋河及龙王港上游新建成区100%雨污分流。

4.3 方案评估

规划方案实施后,通过模型模拟评估龙王港流域的污染削减和水质改善情况,如图10和图11所示。结果表明,按多年平均最枯月90%保证率的设计流量条件,基于典型年的降雨条件和边界条件,近期方案实施后流域年CODCr、氨氮、TP污染分别削减了62.2%(5 162.0 t/a)、78.7%(733.9 t/a)、70.1%(85.5 t/a),龙王港上游水质基本达Ⅳ类标准,雷锋河、肖河及龙王港中下游受氨氮、TP限制性指标影响难以达到Ⅳ类标准;中期方案实施后流域年CODCr、氨氮、TP污染分别削减了78.5%(6 515 t/a)、84.1%(793.8 t/a)、77.6%(94.6 t/a),区域基本达到Ⅳ类水质标准,CODCr、氨氮、TP达标率提高至91.5%、64.1%、82.7%,雷锋河上游及龙王港上游满足Ⅲ类水质标准;远期方案实施后流域年CODCr、氨氮、TP污染分别削减了82.0%(6 801 t/a)、92.0%(858.3 t/a)、86.2%(105.1 t/a),CODCr、氨氮、TP的Ⅲ类水质达标率为80.8%、64.1%、84.1%,流域基本达到地表水Ⅳ类水质标准,龙王港上游达到地表水Ⅲ类水水质标准,典型小雨工况下水质情况如图11所示。雷锋污水厂提标改造是远期达到Ⅲ类水质标准的前提条件。总体上,流域实际污染削减量高于目标削减量,不同阶段区域污染负荷皆低于对应水环境容量要求限值,水环境改善效果逐渐明显,满足污染削减和水质改善目标,表明龙王港流域采用的综合水环境治理思路及技术方案可行。

图10 方案目标可达性分析Fig.10 Accessibility Analysis of Scheme Objectives

图11 典型小雨工况下水质分布Fig.11 Water Quality Distribution under Typical Light Rain Conditions

5 结论

本文针对龙王港流域现状水环境问题,基于MIKE模型建立全流域动态水环境数学模型,对污染负荷和治理方案进行评估。

(1)根据收集到的地形及下垫面、水文气象、排水系统、水工建筑物等基础数据,结合污染源调查及水质监测数据,利用MIKE模型对管网、河网搭建一维水文、水动力、水质模型,结合污染负荷模型和水环境容量模型,分析现状污染负荷和水质时空分布及变化规律。

(2)根据水环境功能区划要求,结合城市发展,因地制宜地提出分区分期水环境治理方案,近期主要围绕污染削减和跨流域生态补水展开,中期以径流污染控制为治理重点,远期在近、中期的基础上,提高补水水质标准,进一步控源截污。

(3)基于模型分析,流域现状全年CODCr、氨氮、TP污染负荷总量分别为8 293.902、932.752、121.720 t/a,以晴天溢流污染及径流污染为主。综合方案实施后,CODCr、氨氮、TP污染负荷分别削减了82.0%(6 801 t/a)、92.0%(858.3 t/a)、86.2%(105.1 t/a),水质基本达到Ⅲ类地表水标准,水环境改善效果明显。