太湖流域河流入河污染負(fù)荷通量與入湖水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系分析
——以殷村港為例

夏文文，陳黎明，王晨波，徐祎凡，李褆來，司瑋

(1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210019;2.南京水利科學(xué)研究院，水文水資源及水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029;3. 南京市私營(yíng)個(gè)體經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)，江蘇 南京 210001)

隨著太湖周邊區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大量工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活廢水進(jìn)入流域河網(wǎng)，進(jìn)而作為外源污染輸入湖區(qū)，造成湖區(qū)水環(huán)境狀況日益惡化，水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)上升。目前，太湖水環(huán)境改善和修復(fù)，確定了“治湖先治河，治河先治污”的外源污染控制策略[1-2]，同時(shí)對(duì)環(huán)太湖入湖河流的污染負(fù)荷也已開展了大量相關(guān)研究[3-7]。陳潔等[8]以大浦河為例，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了不同降雨強(qiáng)度下太湖河網(wǎng)區(qū)典型河道的流量和營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷特征；翟淑華等[9]通過2015和2016年環(huán)太湖河道水量和總磷負(fù)荷質(zhì)量的平衡，分析太湖總磷的外源、內(nèi)源變化趨勢(shì)及來源。但利用水量水質(zhì)耦合模型，對(duì)太湖入河污染負(fù)荷通量與入湖控制斷面水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系的相關(guān)研究還相對(duì)較少。為進(jìn)一步完成太湖流域主要入湖河流水質(zhì)控制目標(biāo)達(dá)到Ⅲ類，現(xiàn)以典型太湖入湖河流殷村港為研究對(duì)象，對(duì)入河污染負(fù)荷通量與入湖控制斷面水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析，以期為科學(xué)合理規(guī)劃殷村港主要污染物的入河污染負(fù)荷總量控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

殷村港位于宜興市東北部，流向由西向東，在周鐵鎮(zhèn)竺山圩入太湖，匯水面積為85.27 km2，平均年徑流量達(dá)11億m3。殷村港入湖污染負(fù)荷量位居各主要入湖河流首位，目前該區(qū)域的入湖污染負(fù)荷主要來自工業(yè)廢水和農(nóng)村生活污水。殷村港上游有何橋水廠水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，下游有殷村港國(guó)控水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，近年來殷村港整體水質(zhì)有所改善，水質(zhì)類別保持在Ⅳ類。

1.2 數(shù)據(jù)來源

流量、水質(zhì)數(shù)據(jù)來自2020年1—12月殷村港上游何橋水廠水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站及下游水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，并結(jié)合水文年鑒發(fā)布的2020年太湖水位資料，通過估算得出該區(qū)域污染負(fù)荷。

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

水質(zhì)類別評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)均采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)。

1.4 一維水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型

1.4.1 模型概化

針對(duì)殷村港河道，采用一維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，根據(jù)現(xiàn)有水質(zhì)狀況和入河污染負(fù)荷量，計(jì)算出殷村港主要污染物的入河污染負(fù)荷通量及其入湖水質(zhì)變化過程。模型中考慮了上游何橋水廠斷面來水情況，以及河流沿岸廠、礦企業(yè)以及村鎮(zhèn)生活污水等點(diǎn)源排污量；面源污染主要通過區(qū)域污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)資料，作為旁側(cè)源匯入模型中，模型概化示意見圖1。

1.4.2 模型計(jì)算條件

殷村港、何橋水廠流量和ρ(氨氮)日變化過程見圖2(a)(b)。

圖2 殷村港、何橋水廠流量和ρ(氨氮)日變化過程

由圖2(a)可見，殷村港2020年入湖最大流量為115.8 m3/s，平均流量為28.7 m3/s，上游何橋水廠來水平均流量?jī)H為6.2 m3/s，占殷村港來水的21%左右。從高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷等水質(zhì)指標(biāo)變化情況來看，殷村港水質(zhì)類別保持在Ⅳ類，其主要的污染物為氨氮。由圖2(b)可見，ρ(氨氮)在3—6月最高，最高值達(dá)到了1.5 mg/L，而上游何橋水廠水質(zhì)相對(duì)較好，ρ(氨氮)在0.2～0.8 mg/L。表明入河的污染負(fù)荷量主要來自于殷村港河道的區(qū)間匯入。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型參數(shù)率定驗(yàn)證結(jié)果

通過模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的結(jié)果對(duì)比分析，率定出殷村港高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷綜合降解系數(shù)分別為0.10 d-1、0.05 d-1、0.005 d-1。計(jì)算值和殷村港站水質(zhì)指標(biāo)逐日水質(zhì)實(shí)測(cè)值對(duì)比見圖3(a)(b)(c)。

圖3 ρ(高錳酸鹽指數(shù))、ρ(氨氮)、ρ(總磷)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖3可見，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值趨勢(shì)基本一致，參數(shù)取值基本合理。對(duì)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行納什效率系數(shù)(NSE,Nash-Sutcliffe efficiency coefficient)計(jì)算，得出高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷的NSE分別為0.86，0.97，0.76，除總磷的NSE略低外，其余指標(biāo)NSE均在0.80以上，能夠很好地反映殷村港站的水質(zhì)變化過程。根據(jù)高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷等水質(zhì)指標(biāo)的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)，其年平均值誤差分別為-0.05，-0.02，-0.005 mg/L，充分反映了模型擬合實(shí)際水質(zhì)情況較好。

2.2 入河污染負(fù)荷通量與入湖水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系分析

2.2.1 主要污染物減排前后的水質(zhì)過程

減排前后殷村港高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷濃度變化過程見圖4(a)(b)(c)。由圖4可見，ρ(高錳酸鹽指數(shù))、ρ(氨氮)、ρ(總磷)最大值分別從9.0，1.5，0.369 mg/L降低至各指標(biāo)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的6.0，1.0，0.2 mg/L，變化較為明顯，基本滿足入太湖水質(zhì)目標(biāo)Ⅲ類水的要求。ρ(高錳酸鹽指數(shù))和ρ(總磷)變化相對(duì)較小，當(dāng)前水質(zhì)狀況已比較接近Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，僅在個(gè)別時(shí)段遠(yuǎn)超過Ⅲ類水；ρ(氨氮)降低幅度相對(duì)較大，主要集中在3—6月。

圖4 污染物減排前后ρ(高錳酸鹽指數(shù))、ρ(氨氮)、ρ(總磷)變化過程對(duì)比

2.2.2 主要污染物入河通量減排前后對(duì)比

根據(jù)何橋水廠和殷村港站實(shí)測(cè)流量，結(jié)合上節(jié)模擬的殷村港站各水質(zhì)指標(biāo)濃度，分別計(jì)算得出現(xiàn)狀條件下和滿足殷村港站Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)條件下，殷村港河段高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷指標(biāo)的全年入河污染負(fù)荷通量變化過程。

分析主要污染物入河污染負(fù)荷通量變化過程，在現(xiàn)狀和滿足目標(biāo)Ⅲ類水質(zhì)這2種計(jì)算條件下，主要污染物入河污染負(fù)荷通量變化過程對(duì)比見圖5(a)(b)(c)。高錳酸鹽指數(shù)和總磷日均入河污染負(fù)荷通量變化相對(duì)較??；氨氮日均入河污染負(fù)荷通量降低幅度相對(duì)較大，日均入河污染負(fù)荷通量最大值從8.5 t降低為6.0 t。

圖5 污染負(fù)荷削減前后高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷指標(biāo)入河負(fù)荷通量變化過程對(duì)比

總體上看，高錳酸鹽指數(shù)入河污染負(fù)荷通量基本能夠使殷村港站斷面達(dá)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)比流量過程可以看出其水質(zhì)指標(biāo)濃度極大值的出現(xiàn)時(shí)間是枯季或者洪季流量的極小值，需加強(qiáng)關(guān)注來水量較小情況下的區(qū)域污染排放；ρ(總磷)位于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)處搖擺，需要從全年過程上控制總磷的入河污染負(fù)荷通量；ρ(氨氮)則主要考慮進(jìn)一步在污染源溯源分析的基礎(chǔ)上，降低3—6月的入河污染負(fù)荷量。

分析主要污染物入河污染負(fù)荷通量削減前后，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷等水質(zhì)指標(biāo)年污染負(fù)荷通量統(tǒng)計(jì)對(duì)比見表1。

表1 污染負(fù)荷通量削減前后水質(zhì)指標(biāo)年污染水負(fù)荷通量對(duì)比

由表1可見，殷村港高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷的年污染負(fù)荷通量需分別降低0.69%，9.35%，2.75%，才能使殷村港站達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

(1)一維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型擬合實(shí)際水質(zhì)情況較好，殷村港高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷等水質(zhì)指標(biāo)的年平均值誤差分別為-0.05，-0.02，-0.005 mg/L。

(2)ρ(高錳酸鹽指數(shù))和ρ(總磷)變化相對(duì)較小，當(dāng)前水質(zhì)狀況已經(jīng)比較接近Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，ρ(氨氮)降低幅度相對(duì)較大，主要集中在3—6月。

(3)高錳酸鹽指數(shù)和總磷日均入河污染負(fù)荷通量變化相對(duì)較小。氨氮日均入河污染負(fù)荷通量降低幅度相對(duì)較大，日均入河污染負(fù)荷通量最大值從8.5 t降低為6.0 t。

(4)高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷的年污染負(fù)荷通量需分別降低為0.69%，9.35%，2.75%，才能使殷村港站達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。