薔薇河支河尾水導(dǎo)流對(duì)水質(zhì)影響研究

魏從貴 席志 劉浩 金鑫

摘 要：薔薇河是沂北地區(qū)重要的防洪排澇骨干河道，也是連云港市主要的飲用水源地。受區(qū)域內(nèi)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染影響，薔薇河水質(zhì)逐年下降，多次發(fā)生污染事件，市區(qū)居民生活用水受到影響。為了有效應(yīng)對(duì)水源污染，改善薔薇河水生態(tài)環(huán)境，利用MIKE軟件構(gòu)建薔薇河流域水動(dòng)力和水質(zhì)模型，分析了薔北截水溝、馬河、民主河、黃泥河調(diào)尾工程對(duì)薔薇河水質(zhì)的影響。結(jié)果表明，調(diào)尾工程能夠有效改善薔薇河水質(zhì)，水廠取水口河段各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)濃度下降接近50%，除了總磷、總氮外的各指標(biāo)均能達(dá)到III水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，能夠進(jìn)一步保障連云港市用水安全。

關(guān)鍵詞：薔薇河；尾水導(dǎo)流；水質(zhì)

中圖分類號(hào)：X522 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

薔薇河是沂北地區(qū)重要的防洪排澇骨干河道，發(fā)源于徐州市的馬陵山、踢球山，流經(jīng)徐州市新沂市、宿遷市沭陽(yáng)縣、連云港東海縣和海州區(qū)、連云區(qū)，于臨洪樞紐下游匯入新沭河，干線河道自小許莊至新沭河全長(zhǎng)59 km，流域面積為1 143.9 km2。20世紀(jì)50年代淮沭新河開(kāi)辟后，隨著江水北調(diào)、淮水北送工程的實(shí)施，江淮水從洪澤湖二河閘送出，經(jīng)二河、淮沭河，穿新沂河，入沭新河，送至薔薇河，有效地緩解了連云港市用水緊張狀況，薔薇河逐漸成為連云港市的主要水源地，水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)為Ⅲ類?；淬鸷优c新沂河在沭陽(yáng)樞紐上游清污分流，上游尾水通過(guò)地涵排入下游新沂河中泓，淮沭河清水通過(guò)上部明渠入沭新河、薔薇河。新沂河尾水地涵工程規(guī)劃實(shí)施后，減輕了新沂河上游尾水對(duì)薔薇河水質(zhì)的影響。由于薔薇河沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)大多沒(méi)有配套截污管網(wǎng)，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染源聚集在幾條支流中，汛期同雨水一起進(jìn)入薔薇河，嚴(yán)重影響薔薇河水質(zhì)，河道水質(zhì)逐年下降，多次發(fā)生污染事件，1998年以來(lái)已發(fā)生15次較大的水污染事件，不同程度地影響了市區(qū)居民生活用水。目前，連云港市自來(lái)水主要由海州水廠、茅口水廠和第三水廠供給，三個(gè)水廠取水口均設(shè)置在薔薇河上，其中茅口水廠和第三水廠取水口設(shè)置在薔北截水溝河口下游，水質(zhì)受上游尾水影響較大，發(fā)生突發(fā)性污染時(shí)，只能采用投加粉末活性炭的方法進(jìn)行應(yīng)急處理。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，連云港市對(duì)薔薇河水質(zhì)水環(huán)境提出了更高的要求。研究薔薇河支河尾水導(dǎo)流工程對(duì)改善薔薇河水質(zhì)，進(jìn)一步保障連云港市用水安全具有重要意義。

1 污染源調(diào)查與分析

根據(jù)連云港市生態(tài)環(huán)境局調(diào)查資料，對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.1 污染源調(diào)查[1-3]

1.1.1 工業(yè)污染

2015年薔薇河流域范圍內(nèi)有工業(yè)企業(yè)約1 027家，污染源普查的重點(diǎn)工業(yè)企業(yè)共有112家，其中有83家企業(yè)尾水排入薔薇河，年排放廢水量為271.5萬(wàn)m?，COD排放量為602.9 t/a，NH3-N排放量為39.7 t/a，氟化物排放量為8.6 t/a。

1.1.2 農(nóng)業(yè)污染

2015年農(nóng)村面源污染包括農(nóng)村居民生活污水、農(nóng)田退水和徑流、農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖等污染物流失，薔薇河流域的農(nóng)村面源污染物入河量分別為：COD為2 838.4 t/a、氨氮為357.03 t/a、總磷為105.74 t/a、總氮為970.70 t/a。

1.1.3 生活污染

2015年薔薇河流域城鎮(zhèn)生活污染物入河量分別為：COD為401.6 t/a、氨氮為40.16 t/a、總磷為4.68 t/a、總氮為53.54 t/a。

1.2 污染源分析

薔薇河流域各污染物入河總量分別為：COD為3 928.83 t/a、氨氮為437.81 t/a、總磷為110.42 t/a、總氮為1 024.27 t/a。其中，COD入河量中農(nóng)村生活污水占比最大，為27.5%；氨氮和總氮入河量中種植業(yè)占比最大，分別為36.9%、55.2%；總磷入河量中畜禽養(yǎng)殖占比最大，為45.7%?？芍?，薔薇河流域的入河污染負(fù)荷量以面源污染為主要來(lái)源，面源污染與區(qū)域的降水產(chǎn)匯流密切相關(guān)。面源污染負(fù)荷的最高峰大多出現(xiàn)在7月份，主汛期6—9月份種植業(yè)的面源污染占到全年的90%。

1.3 水質(zhì)狀況分析[4-6]

河長(zhǎng)制實(shí)施之后，薔薇河污染物排放控制更加嚴(yán)格，水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、監(jiān)測(cè)頻次逐步增加，因此，分兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。河長(zhǎng)制實(shí)施之前，選取監(jiān)測(cè)資料比較齊全的2014—2015年水質(zhì)狀況進(jìn)行分析，河長(zhǎng)制實(shí)施之后，選取2018—2019年水質(zhì)狀況進(jìn)行分析。

1.3.1 2014—2015年水質(zhì)狀況

根據(jù)2014—2015年研究區(qū)域內(nèi)各水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，薔薇河上游小許莊斷面水質(zhì)基本能夠達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率超過(guò)了70%，說(shuō)明上游河道水質(zhì)較好。薔薇河小許莊以下河段，由于民主河、馬河、薔北截水溝、魯蘭河以及烏龍河等多條支流的匯入，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率不高，2014—2015年全年達(dá)標(biāo)率不足50%，超標(biāo)指標(biāo)主要為氨氮和總磷。

1.3.2 2018—2019年水質(zhì)狀況

根據(jù)2018—2019年各站點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果，薔薇河沿線友誼橋、張灣橋、劉頂取水口、新浦大道橋、洪門(mén)大橋、臨洪閘和臨洪東站等7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率依次為81%、72%、74%、56%、57%、53%和58%，從上游至下游呈逐漸下降趨勢(shì)。306次監(jiān)測(cè)中，Ⅴ類、劣Ⅴ類水質(zhì)共32次，占總監(jiān)測(cè)次數(shù)的10.5%。在Ⅴ類、劣Ⅴ類監(jiān)測(cè)成果中，薔北截水溝以下共23次，占72%。

1.4 薔薇河沿線水質(zhì)分析

隨著民主河、馬河、薔北截水溝等支流匯入，薔薇河各類污染物指標(biāo)濃度變幅較為明顯。高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日生化需氧量（ BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）以及總氮（TN）的平均濃度詳見(jiàn)表1。

可知，民主河站、馬河站、薔北截水溝站與小許莊站相比較，各類污染指標(biāo)濃度增加較明顯，海州站、茅口站與薔北截水溝站相比較，變幅較小且呈逐漸降低趨勢(shì)。

從年內(nèi)污染變化看，隨著汛期降雨量增多，薔薇河沿線水質(zhì)下降明顯。BOD5濃度季節(jié)變化不明顯，2月份和7月份濃度偏高；由于雨熱同期，主汛期6—9月份降雨較多，溫度較高，水質(zhì)指標(biāo)下降明顯，季節(jié)變化顯著，其中7月份CODMn、NH3-N、TP和TN濃度值最高。從年際變化看，六大水質(zhì)指標(biāo)年平均濃度與年降雨量的關(guān)系不明顯。

2 水動(dòng)力和水質(zhì)模型

采用MIKE系列軟件，構(gòu)建薔薇河流域水動(dòng)力和水質(zhì)模型，進(jìn)行多方案計(jì)算分析。MIKE11 HD模型基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，采用該模型模擬薔薇河干河、支河的水流狀態(tài)，能夠反映河道的水動(dòng)力和水質(zhì)特性。采用NAM模型模擬流域內(nèi)的降雨徑流過(guò)程。由于薔薇河流域內(nèi)各支河口無(wú)水文站點(diǎn)，缺少實(shí)測(cè)水位、流量資料，因此采用水文比擬法，選取地形地貌和河道特征相近的青口河上游流域模型中已率定的水文參數(shù)，作為薔薇河流域NAM模型水文參數(shù)。MIKE11 AD（對(duì)流擴(kuò)散模型）以MIKE11 HD的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，給定水質(zhì)邊界條件和相關(guān)參數(shù)，主要用于模擬可溶性物質(zhì)和懸浮性物質(zhì)在水體中的對(duì)流擴(kuò)散過(guò)程。薔薇河干河沿線設(shè)置有多個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站，本研究重點(diǎn)對(duì)小許莊、民主河口、馬河口、薔北截水溝口、海州水廠取水口、茅口水廠取水口共6個(gè)干河節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)計(jì)算分析。概化后的區(qū)域水動(dòng)力和尾水導(dǎo)流工程見(jiàn)圖1。

2.1 水動(dòng)力模型率定

根據(jù)區(qū)域內(nèi)河道實(shí)際情況以及規(guī)劃設(shè)計(jì)資料，初步確定糙率，再通過(guò)模擬計(jì)算進(jìn)行糙率率定。水動(dòng)力模型率定應(yīng)選擇降雨時(shí)間長(zhǎng)、雨量大、河道流量持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的時(shí)段。根據(jù)相關(guān)資料，率定時(shí)段選取2007年9月17日至9月30日，新沭河流量采用石梁河站實(shí)測(cè)流量過(guò)程，根據(jù)小許莊站實(shí)測(cè)水位和模擬水位對(duì)模型進(jìn)行率定。根據(jù)計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖2），小許莊站平均水位差0.02 m，最大水位差0.09 m，水位漲落趨勢(shì)一致，所設(shè)糙率等參數(shù)基本合理，新沭河太平莊閘下泓道糙率0.022、灘面糙率0.035，其他骨干河道泓道糙率0.022、灘面糙率0.030。

2.2 水質(zhì)模型率定

水質(zhì)模型以水動(dòng)力模型為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建。水質(zhì)模型率定應(yīng)選擇河道流量持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、水質(zhì)變化較明顯且監(jiān)測(cè)資料較完善的時(shí)段。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)和降雨資料，率定時(shí)段選取2017年7月1日至8月5日，采用同期水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為邊界條件和率定站點(diǎn)的對(duì)比分析數(shù)據(jù)，率定水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的主要參數(shù)。

薔薇河干流上CODMn、BOD5、NH3-N、TP和TN五種水質(zhì)指標(biāo)濃度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相近，相對(duì)誤差均小于20%（見(jiàn)表2），變化趨勢(shì)基本一致，水質(zhì)模擬效果較好，基本能夠代表水質(zhì)指標(biāo)在河流中的流動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程，水質(zhì)模型率定參數(shù)基本合理。

2.3 模型驗(yàn)證

驗(yàn)證時(shí)段選取2017年7月1日至8月5日。小許莊站實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位對(duì)比見(jiàn)圖3。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，小許莊站平均水位差0.06 m，最大水位差0.15 m，水位漲落趨勢(shì)一致，基本滿足計(jì)算精度要求，模型計(jì)算能夠反映流域水動(dòng)力狀況，可用于模擬薔薇河流域水力計(jì)算。

3 水質(zhì)保護(hù)工程措施方案

薔薇河水質(zhì)保護(hù)措施為薔北截水溝調(diào)尾、民主河和馬河調(diào)尾、黃泥河和友誼河調(diào)尾等三個(gè)調(diào)尾規(guī)劃[7]。

3.1 方案一

結(jié)合防洪除澇規(guī)劃續(xù)建5 m截水溝，對(duì)薔北截水溝進(jìn)行調(diào)尾，攔截5～18 m之間270.3 km2的尾水經(jīng)葉蕩大溝、高橋河入魯蘭河，再經(jīng)臨洪閘入新沭河，攔截面積約占薔薇河流域面積的24%，改善薔薇河水質(zhì)。

3.2 方案二

實(shí)施薔北截水溝調(diào)尾方案后，再將薔薇河支流民主河、馬河澇水調(diào)尾，建站抽排入5 m截水溝，經(jīng)魯蘭河入新沭河，兩河匯水面積共110.8 km2，占薔薇河流域面積的10%，持續(xù)改善薔薇河水質(zhì)。

3.3 方案三

實(shí)施前兩個(gè)調(diào)尾方案后，在友誼河口下游新建攔河堰，將黃泥河、友誼河尾水調(diào)入薔北截水溝，進(jìn)一步改善薔薇河水質(zhì)。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

基于研究區(qū)域內(nèi)一維河網(wǎng)水動(dòng)力及水質(zhì)模型，選取2017年7月8日至29日為研究時(shí)段，總面雨量為150 mm，略小于區(qū)域5年一遇設(shè)計(jì)暴雨，按三個(gè)方案分別計(jì)算薔薇河干流各節(jié)點(diǎn)主要水質(zhì)指標(biāo)濃度，分析各方案對(duì)于改善薔薇河干流水質(zhì)的效果，主要計(jì)算成果見(jiàn)表3。

由表3可知，方案一對(duì)于薔北截水溝口以下段河道水質(zhì)有一定程度的改善，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)平均濃度減小超過(guò)20%，海州水廠和茅口水廠取水口河段CODMn平均濃度分別減小2.25 mg/L、2.13 mg/L，但仍為Ⅳ類水；BOD5平均濃度分別減小0.86 mg/L、0.85 mg/L，達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；NH3-N平均濃度分別減小0.36 mg/L、0.34 mg/L；TP平均濃度分別減小0.09 mg/L、0.08 mg/L，分別由劣Ⅴ、Ⅴ類水變?yōu)棰?、Ⅳ類水；TN平均濃度分別減小0.55 mg/L、0.53 mg/L。

方案二在方案一的基礎(chǔ)上，民主河口以下河段水質(zhì)進(jìn)一步改善，民主河口至薔北截水溝口各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)平均濃度減少超過(guò)15%，薔北截水溝口以下河段各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)平均濃度減少超過(guò)40%，海州水廠和茅口水廠取水口河段水質(zhì)進(jìn)一步改善。民主河口以下河段，CODMn平均濃度減少1.38～4.27 mg/L，由Ⅳ類水變?yōu)棰箢愃?；BOD5平均濃度減少0.81～1.58 mg/L，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；NH3-N平均濃度減少0.45～0.66 mg/L；TP平均濃度減少0.07～0.20 mg/L，分別由劣Ⅴ、Ⅴ類水變?yōu)棰?、Ⅳ類水，達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；TN平均濃度減少0.33～1.02 mg/L。

方案三在方案一、方案二的基礎(chǔ)上，民主河口以上河段各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)平均濃度減少超過(guò)10%，民主河口至薔北截水溝口各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)平均濃度減少超過(guò)30%，薔北截水溝口以下河段各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)平均濃度減少接近50%，海州水廠和茅口水廠取水口河段水質(zhì)進(jìn)一步改善。民主河口以下河段，CODMn平均濃度減少1.24～4.98 mg/L，由Ⅳ類水變?yōu)棰箢愃?；BOD5平均濃度減少0.44～1.93 mg/L，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；NH3-N平均濃度減少0.14～0.89 mg/L；TP平均濃度減少0.03～0.23 mg/L，分別由劣Ⅴ、Ⅴ類水變?yōu)棰?、Ⅲ類水；TN平均濃度減少0.26～1.16 mg/L。

綜上所述，不同尾水導(dǎo)流方案通過(guò)減少降雨徑流造成的面源污染匯入薔薇河干流中，使薔薇河干流各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)濃度有了不同程度的降低。三個(gè)調(diào)尾方案實(shí)施后，薔薇河全線水質(zhì)都明顯改善，尤其是海州水廠至茅口水廠取水口河段各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)濃度減少接近50%，TN平均濃度明顯降低，除了TP外，其余各指標(biāo)均能達(dá)到III水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）薔薇河流域的面源污染是連云港市飲用水源地的的主要污染源，面源污染負(fù)荷的最高峰一般出現(xiàn)在7月份，主汛期9月份的面源污染占到全年的90%。區(qū)域內(nèi)各支流的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率不到50%，水質(zhì)狀況整體較差，非汛期水質(zhì)略好于汛期，主要水質(zhì)指標(biāo)中氨氮和總磷超標(biāo)。

（2）薔北截水溝、民主河和馬河、黃泥河和友誼河三個(gè)調(diào)尾方案實(shí)施后，入河污染源減少，薔薇河干線水質(zhì)污染指標(biāo)濃度明顯減小，民主河口以上河段平均減小超過(guò)10%，民主河口至薔北截水溝口段平均減小超過(guò)30%，薔北截水溝口以下段平均減小接近50%。

（3）由于薔薇河沿線污染源主要為農(nóng)業(yè)面源污染，污染因子主要是氨氮和總磷，建議進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)種植方式，減少農(nóng)業(yè)面源污染。

（4）長(zhǎng)江、淮河下游平原地區(qū)河網(wǎng)密布，河道之間水質(zhì)影響較大，地表水保護(hù)目標(biāo)不同。實(shí)施尾水導(dǎo)流工程，可以避免不同河道之間的污染影響，對(duì)于河道分類運(yùn)行管理、重要河道及飲用水源地保護(hù)具有借鑒意義。

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[7] 連云港市水利局. 連云港市薔薇河清水通道建設(shè)規(guī)劃方案[R].連云港：連云港市水利局，2015.

Abstract：Qiangwei River is a crucial flood control and drainage backbone in the Yibei area and a primary source of drinking water for the city of Lianyungang. Due to industrial，agricultural，and domestic pollution in the region，the water quality of the Qiangwei River has deteriorated over the years with multiple pollution incidents affecting the water used for the residents daily lives. To effectively cope with water source pollution and improve the ecological environment of the Qiangwei River，we constructed hydrodynamic and water quality models for the Qiangwei River basin by using MIKE software and analyzed the influence of the Qiangbei diversion canal，Mahe river，Minzhu river，and Huangni river tail projects on the water quality of the Qiangwei River. Results manifest that the tail projects can effectively improve the water quality of the Qiangwei River. The concentration of various water quality indicators in the river segment near the water intake of water plant has decreased by nearly 50%. Except for total phosphorus and total nitrogen，all indicators meet water quality standard III，thus further ensuring the safety of Lianyungangs drinking water supply.

Key words：Qiangwei River；tail water diversion；water quality