王嘯天，逄 勇，2，吳昌淦，柴霽森

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098)

引 言

毛河發(fā)源于四川省眉山市彭山區(qū)保勝鄉(xiāng)，流經(jīng)彭山區(qū)謝家鎮(zhèn)、義和鄉(xiāng)、鳳鳴街道和東坡區(qū)太和鎮(zhèn)鎮(zhèn)江街道，最終于太和鎮(zhèn)獅子灣村匯入岷江。毛河全長42km，流域面積162km2，是四川省眉山市重要河流之一。眉山市毛河流域多年來水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，阻礙區(qū)域經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展[1]。因此，為了眉山市后續(xù)發(fā)展規(guī)劃以及指定相應(yīng)污染物控制措施，有效確定責(zé)任主體，保障毛河流域水質(zhì)改善以及可持續(xù)發(fā)展，對毛河流域水環(huán)境容量進(jìn)行分期計算，有利于為區(qū)域經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

針對入河污染物影響的研究，目前一般采用數(shù)學(xué)模型數(shù)值模擬研究?，F(xiàn)如今有多種商業(yè)模型軟件能夠?qū)θ牒游廴疚镞M(jìn)行影響分析計算，目前較為廣泛的有MIKE系列、EFDC、SWAT、Delft 3D等[2～5]。MIKE水質(zhì)模擬預(yù)測模型構(gòu)建過程中結(jié)合水動力模型與水質(zhì)變化模型，結(jié)合有數(shù)據(jù)處理分析以及模擬結(jié)果統(tǒng)計顯示等多種功能，能夠?qū)Χ喾N不同情況的水文水質(zhì)條件進(jìn)行模擬計算，是目前應(yīng)用較廣較為可信的模型預(yù)測軟件之一[6-7]。 水環(huán)境容量指在規(guī)定的水環(huán)境保護(hù)指標(biāo)情況下水體所能接收的污染物的最大負(fù)荷量，具有資源性、時空性、系統(tǒng)性和動態(tài)性四個基本特征[8]。對于水環(huán)境容量的計算通常采用固定水文條件通過計算得到全年水體的最大污染物負(fù)荷量，具有一定局限性，容易造成過度削減排放指標(biāo)造成過度管控從而影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展[9]。本文采取利用模型模擬結(jié)果與實際動態(tài)水環(huán)境結(jié)合，掌握流域水體不同時間上的動態(tài)變化過程，對河流水環(huán)境容量進(jìn)行動態(tài)計算，為水環(huán)境污染管理措施提供幫助。本研究利用MIKE11模型中的水動力及水質(zhì)模型，建立四川省眉山市毛河流域的一維非穩(wěn)態(tài)水動力水質(zhì)模型，模擬不同時期毛河流域入河污染物進(jìn)入毛河水體后污染分布以及擴(kuò)散情況，分析其對毛河流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)的影響，通過模擬計算結(jié)果掌握不同時期毛河流域水質(zhì)情況，為水環(huán)境容量計算提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域概況

本文研究區(qū)域為四川省眉山市毛河流域，毛河全長42km，流域面積162km2。毛河流域流經(jīng)山地、林地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)，具有多種不同的污染物入河情況。城鎮(zhèn)區(qū)域彭山區(qū)以雨污合流制為主，降雨期間雨水進(jìn)入污水系統(tǒng)，造成生活污水溢流入河現(xiàn)象。根據(jù)《眉山市市級水功能區(qū)區(qū)劃》(2018年),毛河干流分為四個水功能區(qū)，從源頭到毛河橋段為毛河彭山保留區(qū)，從毛河橋至鎮(zhèn)江段為毛河彭山工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)，從鎮(zhèn)江至太和大道為毛河?xùn)|坡排污控制區(qū)，從太和大道至河口段為毛河?xùn)|坡過渡區(qū)，毛河上唯一的重點考核斷面為橋江橋省考斷面，位于東坡過渡區(qū)。除排污控制區(qū)外各水功能區(qū)水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)均為Ⅲ類。水功能區(qū)信息見表1。

表1 毛河水功能區(qū)劃信息Tab.1 Functional zoning of water of Maohe River (km)

毛河流域控制斷面多為行政交界斷面，各控制斷面信息詳見表2。

表2 控制斷面信息一覽Tab.2 Schedule of control sections

2 研究方法及資料來源

2.1 一維水動力模型基本方程

水量計算的微分方程是建立在質(zhì)量和動量守恒定律基礎(chǔ)上的圣維南方程組，以流量Q(x，t)和水位Z(x，t)為未知變量，并補(bǔ)充考慮了漫灘和旁側(cè)入流的完全形式圣維南方程組為：

(1)

式(1)中：Q為流量；x為沿水流方向空間坐標(biāo)；BW為調(diào)蓄寬度，指包括灘地在內(nèi)的全部河寬；Z為水位；t為時間坐標(biāo)；q為旁側(cè)入流流量，入流為正，出流為負(fù)；u為斷面平均流速；g為重力加速度；A為主槽過水?dāng)嗝婷娣e；B為主流斷面寬度；n為糙率；R為水力半徑。

對上述方程組以Preissmann四點線性隱式差分格式將其離散，輔以連接條件，形成河道方程，以微段、河段、汊點三級聯(lián)解的方法求解，三級聯(lián)合解法求解平原河網(wǎng)水力特性的基本思路可概括為：“單一河道—連接節(jié)點—單一河道”。即將整個河網(wǎng)看成是由河道及節(jié)點組成，先將各單一河道劃分為若干計算斷面，在計算斷面上對Saint-Venant方程組進(jìn)行有限差分運算，得到以各斷面水位及流量為自變量的單一河道差分方程組；然后根據(jù)節(jié)點連接條件輔以邊界條件形成封閉的各節(jié)點水位方程，求解此方程組的各節(jié)點水位，再將各節(jié)點水位回代至單一河道方程，最終求得各單一河道各微斷面水位及流量。另外采用Muler法給出的嵌套迭代法提高計算精度。

2.2 水質(zhì)模型基本方程

河網(wǎng)對流傳輸移動問題的基本方程表達(dá)如下：

(2)

(3)

式(2)是河道方程,式(3)是河道叉點方程。式中Q、Z是流量及水位;A是河道面積;Ex是縱向分散系數(shù);C是水流輸送的物質(zhì)濃度;Ω是河道叉點—節(jié)點的水面面積;j是節(jié)點編號;I是與節(jié)點j相聯(lián)接的河道編號;Sc是與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項,Sc=KdAC;Kd是衰減因子;S是外部的源或匯項。對時間項采用向前差分,對流項采用上風(fēng)格式,擴(kuò)散項采用中心差分格式。

2.3 水環(huán)境容量計算方法

根據(jù)水環(huán)境容量的基本概念,利用科學(xué)公式計算水環(huán)境容量成為了計算水環(huán)境容量的基本方法。隨著研究人員對水環(huán)境容量的深入研究,結(jié)合水動力水質(zhì)模型的搭建,公式法逐漸完善。公式法主要分為總標(biāo)準(zhǔn)計算方法和控制斷面達(dá)標(biāo)法。本文水環(huán)境容量計算采用控制斷面達(dá)標(biāo)法。通過對現(xiàn)狀污染物入河量分析以及模型模擬計算結(jié)果,計算得到考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)時各概化排口最大允許排放量。[10]

(4)

選取90%保證率作為設(shè)計水文條件。采用P-Ⅲ型曲線對近年雨量站逐月降雨監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行頻率分析,得到不同時期降雨情況的典型年份。結(jié)合典型年份中不同月份的降雨情況,設(shè)定水動力模型中的邊界條件。結(jié)合Mike11模型模擬結(jié)果利用控制斷面達(dá)標(biāo)法計算水環(huán)境容量。

2.4 資料來源

2.4.1 水文資料來源

毛河流域內(nèi)有彭山、謝家、江漁等雨量站，但除彭山站外均為近年新建，無長期降雨資料，因此分析毛河流域的徑流量主要依據(jù)彭山站2001～2021年降雨資料。通過對2001～2021年彭山站年降雨量進(jìn)行統(tǒng)計，采用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行頻率分析，繪制得到年降雨量頻率曲線見圖1，分析計算成果見表3。

由計算結(jié)果可知，毛河流域50%水文保證率下的年降雨量為936.84 mm，其典型年為2012年，流域地表徑流水資源量為6131萬m3；90%保證率下的年降雨量為784.46 mm，其典型年為2009年，流域地表徑流水資源量為5134萬m3。

表3 毛河流域多年降雨量分析計算成果Tab.3 Analysis and calculation results of annual rainfall in Maohe River Basin

圖1 彭山站2001～2021年降雨量頻率曲線Fig.1 Curve of rainfall frequency obtained at Pengshan station from 2001 to 2021

基于典型年降雨條件，設(shè)定水動力模型邊界條件。

按照2021年匯入毛河流域的彭山舊城區(qū)生活污水接管率情況，結(jié)合表4典型年逐月降雨量情況可知，6～9月降雨量較高，屬于降雨明顯期；而10、11月降雨量處于中等水平，且接管率較低，因此屬于溢流影響期；結(jié)合新津站近三年逐月平均引水流量情況(表4)可知，3～6月引水流量較大，且施肥集中，因此屬于灌溉退水期。

表4 典型年逐月降雨量及新津站近三年逐月平均引水量信息Tab.4 Typical monthly rainfall and average monthly water diversion obtained at Xinjin Station in the last three years

2.4.2 水質(zhì)資料來源

水質(zhì)資料來源于眉山市彭山生態(tài)環(huán)境局，所提供水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為毛河、毛河各支流、通濟(jì)堰以及各灌溉渠道逐月水質(zhì)監(jiān)測資料，其中毛河干流、通濟(jì)堰及湄洲河的水質(zhì)資料時間為2018～2021年，張溝、白馬河、紅塔寺泄洪渠等支流及向筒支渠等灌溉渠道的水質(zhì)監(jiān)測工作于2021年剛起步，因此支流及灌溉支渠的水質(zhì)資料僅為2021年。

污染源數(shù)據(jù)根據(jù)彭山區(qū)、東坡區(qū)2019年統(tǒng)計人口、耕地面積、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況等相關(guān)資料，以及環(huán)保部門提供的近年污染源普查資料、環(huán)境統(tǒng)計資料，得到毛河流域2街道2個鎮(zhèn)工業(yè)、污水處理廠、人口、養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)等信息。

3 模型及計算結(jié)果

3.1 模型河網(wǎng)構(gòu)建及污染源概化

毛河流域內(nèi)排水溝、灌溉渠眾多，互相交織，考慮到模型模擬的簡潔性，需要對該區(qū)域河網(wǎng)進(jìn)行概化。保留主要河道，對次要的河道則根據(jù)等效原理歸并為單一河道和節(jié)點，使概化前后河道的輸水能力、調(diào)蓄能力不變。概化后河道為水平底坡，橫截面為梯形；概化河道為斷面及高程參考《四川省眉山市毛河彭山區(qū)河段河湖管理范圍劃定報告(2018年)》中的地形及控制斷面測量結(jié)果。模型構(gòu)建范圍內(nèi)毛河流域河網(wǎng)概化結(jié)果見圖2。

圖2 毛河流域河網(wǎng)概化圖Fig.2 Sketch map of river network in Maohe River Basin

基于研究區(qū)域污染源分析結(jié)果，并結(jié)合毛河流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地形條件、入河污染源空間分布等情況，對毛河流域污染源進(jìn)行概化。概化遵循傳統(tǒng)污染源概化原則，考慮了人口聚集地、工業(yè)及污水處理廠入河排污口、農(nóng)業(yè)面源污染源。最終得到一級概化排污口25個以及二級概化排污口14個，概化排污口具體信息見表5及表6，位置分布見圖3。

圖3 毛河流域河網(wǎng)模型概化排口位置分布圖Fig.3 Location map of drainage outlet in river network model for Maohe River Basin

表5 毛河流域一級概化排口排污信息Tab.5 Pollution discharge at Level I general discharge outlets of Maohe River Basin

表6 毛河流域二級概化排口排污信息Tab.6 Pollution discharge at Level II general discharge outlets of Maohe River Basin

3.2 模型率定結(jié)果

在設(shè)定的水文條件及污染源條件下，2020年降雨情況與典型年2009年相近且2020年資料時效性強(qiáng)，因此選取2020年上半年橋江橋省考斷面的逐月流量資料進(jìn)行模型水動力模塊的參數(shù)率定，運用該點下半年流量資料進(jìn)行驗證，率定得到毛河河道糙率為0.033～0.035。率定期橋江橋斷面流量實測值與模擬值的平均相對誤差為11.6%，驗證期平均相對誤差為13.2%，說明模型模擬結(jié)果與實際情況吻合度較高，參數(shù)設(shè)置較為合理，能夠較好地模擬毛河流域的水動力特性。

選取2020年上半年橋江橋、謝家-鳳鳴斷面、彭山-東坡斷面的逐月水質(zhì)資料進(jìn)行模型物質(zhì)傳輸模塊的參數(shù)率定，并運用這3個斷面下半年水質(zhì)資料進(jìn)行驗證，率定得到COD、氨氮及總磷的降解系數(shù)分別為0.10～0.12 d-1、0.08～0.10 d-1、0.06～0.08 d-1。各斷面水質(zhì)因子模擬計算值與實測值相對誤差均在30%以內(nèi)，其中橋江橋斷面COD最大相對誤差為17.0%，氨氮為22.8%，總磷24.2%；謝家-鳳鳴斷面COD最大相對誤差為10.7%，氨氮23.3%，總磷19.3%；彭山-東坡斷面COD最大相對誤差為18.6%，氨氮23.4%，總磷14.9%。驗證情況表明本次構(gòu)建的毛河水環(huán)境數(shù)學(xué)模型能夠較好模擬流域水質(zhì)變化情況。模型誤差情況見表7，模型計算結(jié)果與實測值對比情況見圖4～6。

表7 模型水質(zhì)率定結(jié)果Tab.7 Calibrated water quality results indicated by model

圖4 橋江橋斷面模型計算值與實際值對比圖Fig.4 Comparison between calculated and actual values of model for Qiaojiangqiao section

圖5 謝家-鳳鳴斷面模型計算值與實際值對比圖Fig.5 Comparison between calculated and actual values of model for Xiejia-Fengming section

圖6 彭山-東坡斷面模型計算值與實際值對比圖Fig.6 Comparison between calculated and actual values of model for Pengshan-Dongpo section

3.3 水環(huán)境容量計算結(jié)果

根據(jù)2.3節(jié)計算方法、計算條件及污染源削減潛力分析，利用毛河水環(huán)境數(shù)學(xué)模型試算得到典型年2009年各月滿足各控制斷面水質(zhì)目標(biāo)的最大允許排污量，詳見表8。

表8 基于主要控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的毛河流域水環(huán)境容量計算結(jié)果Tab.8 Calculation results of environment capacity of water of Maohe River Basin with acceptable water quality at main control sections (t)

根據(jù)表8可知，基于主要控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的毛河流域水環(huán)境容量為COD 878.0 t/a、氨氮86.3 t/a、總磷22.2 t/a，現(xiàn)狀COD、氨氮及總磷分別需要削減22.8 t/a、4.9 t/a、4.8 t/a，總體最大削減率為17.8%，其中3～5月及10～11月削減率相對較高。由于3～6月為施肥較集中的時期，農(nóng)田退水污染負(fù)荷較大，因此所需削減量較高，但6月降雨量較高，削減率相對低于灌溉退水期其他月份；10～11月由于城區(qū)溢流導(dǎo)致現(xiàn)狀排放量較大，所需削減量較高。

4 結(jié) 論

本文通過利用Mike11模型計算毛河流域不同時期水環(huán)境容量的研究，主要得出如下結(jié)論：

(1)率定得到毛河河道糙率為0.033～0.035。率定期橋江橋斷面流量實測值與模擬值的平均相對誤差為11.6%，驗證期平均相對誤差為13.2%，說明模型模擬結(jié)果與實際情況吻合度較高，參數(shù)設(shè)置較為合理，能夠較好地模擬毛河流域的水動力特性。率定得到COD、氨氮及總磷的降解系數(shù)分別為0.10～0.12 d-1、0.08～0.10 d-1、0.06～0.08 d-1。各斷面水質(zhì)因子模擬計算值與實測值相對誤差均在30%以內(nèi)，其中橋江橋斷面COD最大相對誤差為17.0%，氨氮為22.8%，總磷24.2%；謝家-鳳鳴斷面COD最大相對誤差為10.7%，氨氮23.3%，總磷19.3%；彭山-東坡斷面COD最大相對誤差為18.6%，氨氮23.4%，總磷14.9%。驗證情況表明本次構(gòu)建的毛河水環(huán)境數(shù)學(xué)模型能夠較好模擬流域水質(zhì)變化情況。

(2)根據(jù)模型模擬結(jié)果，利用控制斷面達(dá)標(biāo)法計算毛河流域水環(huán)境容量，計算得到基于主要控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的毛河流域水環(huán)境容量為COD 878.0 t/a、氨氮86.3 t/a、總磷22.2 t/a。結(jié)果可為對毛河流域的水污染治理和制定未來水環(huán)境保護(hù)措施提供依據(jù)。