宋為威，逄 勇

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098； 2. 河海大學環(huán)境學院，江蘇 南京 210098；3. 河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

秦淮河是貫穿南京城區(qū)的骨干河流，由于區(qū)域人口迅速增加、基礎設施建設相對滯后，造成秦淮河七橋甕和秦淮新河節(jié)制閘兩個《水污染防治行動計劃》考核斷面水質(zhì)波動較大，秦淮河水污染問題較為嚴重。隨著河長制的實施，各級黨政主要負責人擔任“河長”，負責組織領導相應河湖的管理和保護工作。為確保秦淮河水質(zhì)達標，除進行污染治理之外，減少污染物排放也十分重要，保證各行政區(qū)入河水質(zhì)達標。

1 研究區(qū)概況

秦淮河水系有南北兩源，北源句容河發(fā)源于句容市寶華山南麓，南源溧水河發(fā)源于南京市溧水區(qū)東廬山，兩河在南京市江寧區(qū)方山埭西北村匯合成秦淮河干流，繞過方山向西北至外城城門上坊門從東水關流入南京城，由東向西橫貫市區(qū)，從西水關流出，注入長江。流域總面積2 659 km2，1 708 km2位于南京境內(nèi)，約占64%，951 km2位于鎮(zhèn)江、句容境內(nèi)，約占36%。

基于秦淮河下游國考七橋甕斷面達標標準，計算各行政區(qū)入秦淮河污染物的通量及其分擔率。對七橋甕斷面產(chǎn)業(yè)直接影響的行政區(qū)有江寧區(qū)、秦淮區(qū)、雨花臺區(qū)、建鄴區(qū)，河道有外秦淮河、秦淮新河、秦淮河；對其產(chǎn)生間接影響的行政區(qū)有句容市、溧水區(qū)，河道有句容河、溧水河。

2 模型建立

2.1 基本方程

水動力計算的控制方程是描述明渠一維非恒定流的圣維南方程組，包括連續(xù)性方程和動量方程，并補充考慮了漫灘和旁側(cè)入流：

(1)

式中：Q為流量；x為沿水流方向空間坐標；b為調(diào)蓄寬度，指包括灘地在內(nèi)的全部河寬；h為水位；t為時間坐標；q為旁側(cè)入流流量，入流為正，出流為負；α為動量校正系數(shù)；A為主槽過水斷面面積；g為重力加速度；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑。方程組利用Abboptt-lonescu六點隱式有限差分格式求解，該方法具有穩(wěn)定性好、計算精度高的特點，離散后的線性方程組用追趕法求解。

秦淮河流域流量邊界水文條件通過降雨資料、蒸發(fā)資料采用產(chǎn)匯流模型計算得到，洋橋斷面流量為37 m3/s。水位邊界為秦淮河入江口處的水位，其中節(jié)制閘水位為5.4 m，三岔河口水位為5.2 m。根據(jù)實測流速設置初始條件，初始水位為5 m，初始水平流速-0.06 m/s，初始豎直流速-0.08 m/s。

污染物在水中的分布與濃度主要取決于污染物的降解、隨水流的運動以及污染物的擴散。對流擴散模塊的控制方程為一維對流擴散方程：

(2)

式中：ρ為物質(zhì)濃度；D為縱向擴散系數(shù)；K為線性衰減系數(shù)；ρ2為源匯濃度。對流擴散方程的數(shù)值解法與水動力方程組類似，采用六點隱式差分格式求解，最后求解采用Thomas追趕法。

水質(zhì)邊界條件根據(jù)2016年秦淮河流域的水文水質(zhì)同步監(jiān)測結(jié)果確定，洋橋斷面COD、NH3-N、TP的質(zhì)量濃度分別為13.0 mg/L、1.39 mg/L、0.12 mg/L；節(jié)制閘斷面COD、NH3-N、TP的質(zhì)量濃度分別為14.0 mg/L、3.39 mg/L、0.23 mg/L；七橋甕斷面COD、NH3-N、TP的質(zhì)量濃度分別為17.3 mg/L、2.85 mg/L、0.26 mg/L。設置COD、NH3-N、TP的初始質(zhì)量濃度分別為10 mg/L、1.2 mg/L、0.1 mg/L。

2.2 模型率定

利用2016年的水文水質(zhì)同步監(jiān)測資料采用試錯法進行水動力模型參數(shù)率定[8-9]，即根據(jù)各水文站、水位站實測的流量、水位資料，調(diào)試模型中各河道的糙率，使模型計算值與實測值相吻合。率定得到的河道糙率值為0.025～0.032，率定結(jié)果見圖1。從圖1可見，計算值與實測值吻合較好，故建立的水動力模型能夠模擬秦淮河流域水文變化過程。

(a) 湯銅橋

(b) 洋橋

(c) 天元橋

秦淮河流域為平原河網(wǎng)區(qū)，主要污染物來源為生活及三產(chǎn)污染，主要的水質(zhì)超標因子為NH3-N和TP。因此，選擇NH3-N和TP兩個污染因子作為水質(zhì)模擬對象，采用2016年的水文水質(zhì)同步監(jiān)測資料進行模型參數(shù)率定，計算鐵心橋、七橋甕斷面NH3-N和TP的質(zhì)量濃度，率定得到的NH3-N降解系數(shù)為0.05～0.07 d-1，TP降解系數(shù)為0.05～0.08 d-1。率定結(jié)果見圖2。

(a) 鐵心橋NH3-N

(b) 鐵心橋TP

(f) 七橋甕NH3-N

(g) 七橋甕TP

由圖2可知，模型計算值與實測值誤差在30%以內(nèi)，吻合結(jié)果較好，故該模型可用于描述秦淮河流域河網(wǎng)區(qū)水質(zhì)變化過程。

3 分擔率計算方法

大多數(shù)水文站長期的連續(xù)流量資料相對容易獲得，而水質(zhì)監(jiān)測周期短則一周、長則兩月，因此計算通量時運用時段通量計算方法。因為在實際的監(jiān)測中，無法獲取每個瞬間的流量值和濃度值，只能獲取時間跨度較大的離散分布監(jiān)測值，因而將通量計算方法簡化為

圖3 控制單元及流域內(nèi)行政區(qū)分布

(3)

根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，秦淮河流域非點源污染和徑流總量對控制單元的污染物排放和達標起著重要作用，基于七橋甕斷面水質(zhì)達標，劃分秦淮河流域控制單元，圖3為控制單元及流域內(nèi)行政區(qū)分布。本研究中分擔率以各行政區(qū)的入河支流通量之和占總通量比例的形式表達，計算公式為

(4)

式中：I為某行政區(qū)的分擔率；Wj為某行政區(qū)支流j對秦淮河的污染物通量；m為某行政區(qū)入秦淮河支流數(shù)量。

4 結(jié)果與分析

2016年有32條支流直接流入秦淮河，分布在不同的行政區(qū)，其污染物通量及分擔率計算結(jié)果見表1。由表1可知，對七橋甕斷面直接影響的江寧區(qū)分擔率最高，兩種污染物的分擔率均為75%左右；其次為雨花臺區(qū)，兩種污染物的分擔率均為20%左右；由于秦淮區(qū)和建鄴區(qū)計算范圍是在七橋甕斷面上游，所以這兩個區(qū)對污染物排放的分擔率最小。

表1 2016年各行政區(qū)直接流入秦淮河污染物模型計算通量及分擔率

考慮到對秦淮河產(chǎn)生間接影響的行政區(qū)還有句容市和溧水區(qū)，河道有句容河、溧水河。綜合考慮秦淮河全流域水系的污染物通量對七橋甕斷面的影響，從而計算出全流域內(nèi)各行政區(qū)通過直接或間接的方式排入秦淮河污染物通量和分擔率(表2)。由表2可見，七橋甕斷面水質(zhì)受到江寧區(qū)的影響最大，分擔率超過全流域的50%；句容市的貢獻率為17%，江寧區(qū)與句容市對全流域的總貢獻率為70%，與控制單元的江寧區(qū)貢獻率75%近似相等，原因是控制單元的江寧區(qū)貢獻率已經(jīng)將句容市概化在內(nèi)。上游溧水區(qū)貢獻率為2%，說明秦淮河上游對全流域基本無影響，而真正的水質(zhì)污染是從江寧區(qū)和句容市開始的，這兩個市區(qū)的污染物貢獻率占據(jù)全流域的約75%。秦淮區(qū)的貢獻率變大，由于前面計算的直接流入秦淮河支流中考慮的是七橋甕斷面上游，而未考慮秦淮區(qū)下游的污染物入河。通過控制單元與全流域污染物通量可以看出，控制單元內(nèi)的通量約占全流域通量的50%。

表2 2016年全流域行政區(qū)入秦淮河污染物通量及分擔率

5 結(jié) 論

基于七橋甕斷面水質(zhì)達標，劃分秦淮河流域控制單元，2016年對秦淮河流域直接影響的主要污染物通中， NH3-N入河總量為3 045.16 t，TP入河總量為248.13 t。秦淮河流域內(nèi)各行政區(qū)對七橋甕斷面主要超標因子的分擔率為：秦淮區(qū)的NH3-N平均分擔率為12%、TP平均分擔率為13%；雨花臺區(qū)的NH3-N平均分擔率為20%、TP平均分擔率為15%；建鄴區(qū)的NH3-N平均分擔率為2%；江寧區(qū)的NH3-N 平均分擔率為55%、TP平均分擔率為53%，溧水區(qū)的NH3-N平均分擔率為1%、TP平均分擔率為2%；句容市的NH3-N平均分擔率為10%、TP平均分擔率為17%。在秦淮河全流域內(nèi)，水環(huán)境整治需要從江寧區(qū)著手，這樣可以大大提高整治效率。

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