不同控源截污水平下平原圩區(qū)活水效果研究

張澍　柳志亮　陳瑤雪　李俊龍　王安亭

摘要：平原圩區(qū)河網(wǎng)普遍存在水動力不足、自凈能力弱的特點，水環(huán)境問題突出。控源截污和暢流活水是平原圩區(qū)河網(wǎng)常用的水環(huán)境治理措施，但大規(guī)?？卦唇匚奂夹g(shù)條件困難，實施周期較長；暢流活水雖見效快，但持續(xù)時間短，因此需兩者配合進行。以無錫市錫山區(qū)云林街道為研究區(qū)，建立水量水質(zhì)耦合模型，探究不同截污水平下活水調(diào)度對區(qū)域水環(huán)境的影響。結(jié)果表明：不同活水調(diào)度方式對區(qū)域河道水環(huán)境影響不同，部分調(diào)度方式甚至會使河道水質(zhì)惡化；控源截污能有效提升全斷面水質(zhì)；當控源截污和暢流活水兩種措施結(jié)合時，改善效果超過單一手段，且能改善因調(diào)度而導致的水質(zhì)惡化現(xiàn)象。研究成果可為研究區(qū)及其他平原圩區(qū)河網(wǎng)有效全面地治理水環(huán)境問題提供科學依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：控源截污； 暢流活水； 水質(zhì)改善； 平原圩區(qū)

中圖法分類號： TV121；X522

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.009

0 引 言

平原地區(qū)地勢平坦，河道縱比降較小，區(qū)域水系普遍存在流動性較差的現(xiàn)象［1-2］，加之近年來各大城市廣建圩區(qū)以防洪澇，大部分內(nèi)河被閘泵控制，水體的自然流動性和連通性遭到進一步破壞，導致河道水體置換能力差［3-5］，自凈能力低，同時工業(yè)化的快速推進使城區(qū)入河污染物急劇增加。平原圩區(qū)河道水動力不足、自凈能力低、水體置換周期長、污染因子易入難出的水環(huán)境問題日益嚴重，亟待解決。針對上述問題，凌濤等［6］提出采取調(diào)水、截污清淤等措施改善城市河道水環(huán)境；胡琦玉等［7］在考慮圩區(qū)內(nèi)水利工程的調(diào)度規(guī)則和污水處理廠運行工況的基礎(chǔ)上制定了污水處理廠尾水排放影響預測方案，并提出了對受納水體影響最小的排放方案；陸一維等［8］構(gòu)建了一維非穩(wěn)態(tài)水動力水質(zhì)模型，模擬各引水方案及調(diào)度規(guī)則對研究區(qū)域的水質(zhì)改善效果?？梢钥闯?，平原圩區(qū)水環(huán)境整治措施主要為控源截污和暢流活水，從單一手段上看，控源截污可以從源頭上控制污染源，但想要完全控制污染生產(chǎn)源頭、攔截污染物的排放在當前經(jīng)濟和技術(shù)條件下非常困難，需長期規(guī)劃［9-10］。而暢流活水可在短時間內(nèi)快速改善城市河網(wǎng)水動力條件及水質(zhì)情況［11］，但維持時間短、效果有限。因此，要想切實改善平原圩區(qū)水環(huán)境，需要控源截污和暢流活水兩種措施同步進行，以確保穩(wěn)定、持續(xù)提升區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量。為盡快改善區(qū)域水環(huán)境狀況，目前無錫市錫山區(qū)政府在加大控源截污力度的同時，開展了區(qū)內(nèi)活水實踐，但兩種措施相結(jié)合相關(guān)研究成果較少，尚處于探索階段。本文以錫山工業(yè)集中區(qū)——云林街道為研究區(qū)，建立水量水質(zhì)耦合模型探究不同截污水平下活水調(diào)度對區(qū)域水環(huán)境的影響，為研究區(qū)及其他相似區(qū)域的水環(huán)境治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

無錫市錫山區(qū)云林街道位于長江三角洲腹地，太湖流域錫澄片河網(wǎng)中部，為長江下游典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，且街道內(nèi)大部分河段處于運東大包圍內(nèi)部。街道整體呈南北高、中間低走勢；區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀及規(guī)劃閘站共13處，區(qū)域內(nèi)閘泵位置見圖1。

研究區(qū)現(xiàn)狀水環(huán)境存在較多問題，如：區(qū)域內(nèi)的攔水工程一定程度上改變了河流的形態(tài)，破壞了水系的自然連通性；骨干河網(wǎng)自然高程差幾乎為零，水體水動力條件差，部分河道滯留，河道自凈能力低下；隨著區(qū)域城市化、工業(yè)化進程的推進，入河污染物不斷增加；經(jīng)過清淤、控源截污工作，區(qū)域河道水質(zhì)有所提升，然而整體水環(huán)境狀況依然較差，仍有Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)的河道，其中位于運東大包圍內(nèi)部河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境形勢尤為嚴峻，亟待解決。

2 研究方法

2.1 模型原理

通過MIKE 11水動力模塊HD和對流擴散模塊AD建立研究區(qū)水環(huán)境的水量水質(zhì)耦合模型。

式中：C為污染物質(zhì)量濃度，mg/L；j為節(jié)點編號；I為與j節(jié)點相聯(lián)接的河道編號；Sc為污染物濃度衰減項；S為污染物源項；Ex為縱向分散系數(shù)，m2/s；Ω為節(jié)點的水面面積，m2。

2.2 模型構(gòu)建

為確保能有效降低模擬的誤差，提高模擬結(jié)果的準確性，模型應具有完整的流域范圍和穩(wěn)定的邊界條件，故將模型的模擬范圍擴展至整個錫澄片骨干河網(wǎng)：對望虞河以西、澡港-武進港以東、太湖以北、長江以南的骨干河道進行概化，以作為河網(wǎng)模型的計算區(qū)域；對云林街道內(nèi)河道進行細化，以作為研究區(qū)域。

2.3 模型率定

暢流活水主要在枯水期實施，為確保模型參數(shù)設置的合理性、準確性，選取非汛期資料作為水量率定時模型的邊界。以2015年10～11月長江、太湖的實測潮位、水位等資料作為模型的邊界條件進行率定。選取計算區(qū)域內(nèi)有實測水位數(shù)據(jù)的陳墅、青旸兩個水位站的實測水位作為率定的目標水位。在進行水量的率定時，以均方根誤差（RMSE）作為量衡標準，率定結(jié)果見圖2，

陳墅、青旸水位站的RMSE分別為0.058和0.059。由水量的率定結(jié)果來看，模型的計算結(jié)果較為可靠，模型可用于描述區(qū)域河網(wǎng)的水量變化過程。

在進行水質(zhì)率定時，以百分標準偏差（%BIAS）作為量衡標準。根據(jù)近幾年無錫市錫山區(qū)水質(zhì)評價結(jié)果，NH3-N為錫山區(qū)云林街道主要污染物，故本次研究以NH3-N作為水質(zhì)模擬的對象，選擇2019年區(qū)域內(nèi)15個監(jiān)測斷面非汛期水質(zhì)平均值對水質(zhì)進行率定，率定結(jié)果見圖3。水質(zhì)率定結(jié)果顯示15個監(jiān)測斷面的NH3-N百分標準偏差最大值為13.8%，均小于20%，模型計算值與實測值基本吻合，說明模型可用于描述區(qū)域河網(wǎng)的水質(zhì)變化過程。

2.4 方案設定

研究區(qū)外部環(huán)境水利工程調(diào)度情況較為復雜，本文中將其設置為常規(guī)狀態(tài)：白屈港引水泵以80 m3/s開啟；“引江濟太”常熟、望亭水利樞紐關(guān)泵關(guān)閘；望虞河“西控”工程羊尖塘樞紐開泵（1 m3/s），黃塘河、楊安港、豐涇河、九里河衛(wèi)浜樞紐開閘；宛山蕩活水工程南橋港、潘墅塘、桑葉橋港、九里河東樞紐按規(guī)模開泵。

以研究區(qū)外部水利工程常規(guī)調(diào)度為背景條件，設定3種現(xiàn)狀控源截污水平下活水調(diào)度方式，各調(diào)度方式閘泵啟閉情況見表1?？紤]在現(xiàn)狀污染源基礎(chǔ)上控源截污水平提升（入河污染物被削減）10%，20%，30%，40%四種情況；并分別模擬在上述活水調(diào)度方式下結(jié)合不同控源截污水平河網(wǎng)的水質(zhì)變化情況，以分析控源截污和暢流活水兩種措施相結(jié)合對研究區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 活水調(diào)度效果分析

在現(xiàn)狀控源截污水平下無調(diào)度時，研究區(qū)整體水質(zhì)狀況為較差，Ⅴ類、劣Ⅴ類水質(zhì)斷面占比達到40%，Ⅲ類及以上水質(zhì)斷面占比僅33.3%，離目標水質(zhì)差距較大。在現(xiàn)狀控源截污水平下實施活水調(diào)度時，因不同活水調(diào)度方式的站泵啟閉情況不同，各調(diào)度方式下進水通道、退水通道以及清水在研究區(qū)流動路徑有所不同，導致不同調(diào)度方式對研究區(qū)水質(zhì)改善效果略有不同，具體調(diào)度效果見表2。

分析水質(zhì)得到改善斷面的NH3-N濃度隨時間變化情況可知，當調(diào)水開始進行后，斷面污染物濃度均有不同程度地降低，且隨著調(diào)水推進，污染物濃度降低的速率開始變慢，甚至達到穩(wěn)定不變；但當調(diào)水一旦停止，污染物濃度迅速回升?？梢姇沉骰钏m能快速地提升河網(wǎng)的水動力和水質(zhì)，但改善效果有限、維持時間較短。圖4為調(diào)度方式1下水質(zhì)得到改善的5個斷面NH3-N濃度隨時間的變化情況。

在各活水調(diào)度方式下，研究區(qū)也有出現(xiàn)水質(zhì)惡化（水質(zhì)提升率為負）的斷面，位置均位于退水通道及周邊。經(jīng)分析可知，九里河西部如何污染物較多、水質(zhì)較差，加上清水流經(jīng)河道路程較遠，在調(diào)水期間因污染物轉(zhuǎn)移，導致位于退水通道及周邊的斷面出現(xiàn)水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。圖5為調(diào)度方式1下水質(zhì)惡化的7個斷面NH3-N濃度隨時間的變化情況。綜上，當某區(qū)域周邊河道入河污染物較多、水環(huán)境較差時，單一采用暢流活水措施可能會導致河道水質(zhì)惡化，并不能達到預期目標，因此在實際操作中應充分考慮調(diào)度的進水通道、退水通道以及清水的流動路徑，并結(jié)合控源截污措施，以有效改善區(qū)域河道水質(zhì)。

3.2 控源截污效果分析

在無調(diào)度情況下，模擬區(qū)域控源截污水平逐漸提高的情況，得到現(xiàn)狀控源截污水平和控源截污水平分別為10%，20%，30%，40%五種情況下各監(jiān)測斷面的水質(zhì)變化情況（見圖6）。由圖6可知，隨著控源截污水平不斷提高，所有監(jiān)測斷面NH3-N濃度不斷下降；雖然本底水質(zhì)較好的斷面改善效果一般，但本底水質(zhì)較差的斷面改善程度尤為明顯。當控源截污水平提升20%時，研究區(qū)整體斷面水質(zhì)比現(xiàn)狀控源截污水平提升了14.9%，達到Ⅲ類水標準的監(jiān)測斷面?zhèn)€數(shù)較現(xiàn)狀增加2個；當控源截污水平提升40%時，河道水環(huán)境已經(jīng)有明顯的改善，研究區(qū)整體斷面水質(zhì)比現(xiàn)狀控源截污水平提升了27.2%，且有2個斷面脫離劣Ⅴ類。

3.3 結(jié)合措施效果分析

前兩節(jié)分別采用活水調(diào)度和控源截污的單一手段對斷面水質(zhì)情況進行了分析，其中不同活水調(diào)度方案對研究區(qū)域的水質(zhì)改善情況差異較大，有的甚至出現(xiàn)負面作用；控源截污對全斷面水質(zhì)均有改善，但考慮到大幅提升控源截污水平在技術(shù)與經(jīng)濟方面難度較大，現(xiàn)綜合考慮將兩種措施結(jié)合使用。

圖7為研究區(qū)域平均水質(zhì)在不同控源截污水平下不同活水調(diào)度方式的變化情況?？梢钥闯觯S著控源截污水平的提高，不同調(diào)度方式的平均水質(zhì)均穩(wěn)定提高，其中調(diào)度方式1的平均水質(zhì)由惡化變?yōu)楦纳?，當控源截污水平達到40%時調(diào)度方式3的平均水質(zhì)提升率達到37.25%，說明兩者結(jié)合對水質(zhì)的改善效果大于單一的活水調(diào)度方案。進一步發(fā)現(xiàn)，在5種控源截污水平下，不同活水調(diào)度方案的平均水質(zhì)提升率均是方式3>方式2>方式0>方式1，說明控源截污提升但并不影響暢流活水方案對河道水質(zhì)的改變。在實際操作中若能通過模型模擬和大量實踐確定平原河網(wǎng)當?shù)刈顑?yōu)活水調(diào)度方式，并積極推進控源截污，將能快速、有效、經(jīng)濟可行、穩(wěn)定地提升水質(zhì)，改善河道水環(huán)境。

4 結(jié) 論

（1） 不同活水調(diào)度方式對區(qū)域河道水質(zhì)改善效果略有不同，部分調(diào)度方式可有效改善水環(huán)境，一定程度上提升了平原圩區(qū)河網(wǎng)的水動力和水質(zhì)；部分調(diào)度方式將使區(qū)域河道出現(xiàn)水體內(nèi)循環(huán)、污染物轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，導致部分河段水質(zhì)發(fā)生惡化。

（2） 對于水環(huán)境得到改善的河段，活水調(diào)度作用有效且維持時間較短，一旦停止調(diào)水，河道污染物濃度將會迅速回升，甚至在短時間內(nèi)變回調(diào)水前的狀態(tài)，需要配合控源截污長久穩(wěn)定提升水質(zhì)。

（3） 控源截污能有效改善全斷面的水質(zhì)，在無調(diào)水時，當控源截污水平提升40%，能使研究區(qū)域全部消除劣Ⅴ水質(zhì)監(jiān)測斷面，大部分河道達到Ⅳ類水及以上，改善效果較好。

（4） 當控源截污和暢流活水兩種措施結(jié)合時，改善效果超過單一手段；在同一種調(diào)水模式下，隨著控源截污水平的提升，已得到改善的河道水質(zhì)可得到進一步的改善；由于污染物轉(zhuǎn)移使部分河道斷面水質(zhì)惡化的現(xiàn)象得到控制。

（5） 隨著調(diào)水的持續(xù)進行，在污染物濃度達到某一最高值后逐漸開始降低，初步推測若能適當延長調(diào)水周期，研究區(qū)河道污染物得到進一步轉(zhuǎn)移、稀釋、凈化，最終污染物濃度會降至理想水平，使區(qū)域所有河道的水環(huán)境均可得到較為明顯的改善。

本論文調(diào)水周期為5 d，后續(xù)可繼續(xù)探究適當延長調(diào)水周期時，更長周期調(diào)水對區(qū)域水環(huán)境的改善效果，以及現(xiàn)狀調(diào)度周期與更長調(diào)度周期在停止調(diào)度后水質(zhì)還原速度與還原程度。

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（編輯：劉 媛）

Study on effect of water transfer under different levels of source control and pollution interception in plain polder areas

ZHANG Shu，LIU Zhiliang，CHEN Yaoxue，LI Junlong，WANG Anting

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The river networks in the polder areas are generally characterized as insufficient hydrodynamic force and low self-purification capacity，and water environment problems are prominent.Source control and pollution interception and water transfer are common water environment control measures in river networks in polder areas，but it is difficult to realize the large-scale source control and pollution interception and the implementation period is long，and although the water transfer works rapidly，its duration is short，so it is necessary to combine these two measures.Yunlin Street，Xishan District in Wuxi City was taken as the study area，and a coupling model of water quality and water quantity was established to study the effect of water transfer under different levels of source control and pollution interception.Results showed that different water transfer methods had different impacts on the river water environment，and some methods would even worsen the river water quality；source control and pollution interception could effectively improve the water quality of the whole river；when combining two measures，the effect was better than that of using single method，and it could improve the deterioration of water quality caused by water transfer.The study can provide a scientific basis for effective and comprehensive treatment of water environment problems in the study area and other plain polder areas.

Key words： source control and pollution interception；water transfer；water quality improvement；plain polder area

收稿日期：2022-01-25

作者簡介：張 澍，男，高級工程師，主要從事水利水電工程規(guī)劃設計相關(guān)工作。E-mail：zhangshu@cjwsjy.com.cn

通信作者：陳瑤雪，女，助理工程師，碩士，主要從事水利水電工程規(guī)劃設計相關(guān)工作。E-mail：chenyaoxue@cjwsjy.com.cn