牛先玄

摘要：胥河支流桠溪河出口下游300 m处为落蓬湾国家水质考核断面。为进一步改善桠溪河水质，确保国考断面水质达标，根据桠溪河流域污染源成因分析及整治条件，拟定了流域水环境综合治理方案，并基于MIKE11水动力与水质模型，以超标因子COD为特征指标，在不同水平年下模拟计算年水质达标天数，分析水质目标可达性。计算结果表明：枯水年考核断面年水质达标率可提高至81.9%，平水年考核断面年水质达标率可提高至79.4%。分析结果可为桠溪河流域工程建设及其他同类工程提供依据和参考。

关键词：水质分析; 水质达标率; MIKE11; 桠溪河流域; 江苏省

中图法分类号：X832 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.013

文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0071 - 05

0 引 言

为贯彻落实《水污染防治行动计划》[1]，全国各省市进一步加强跟踪分析和督查督办，全面推动断面水质改善。逄勇等[2]利用一维非稳态水环境数学模型研究东官河河网水质水量变化规律，并设计了近、中、远期方案，对不同保证率下的水量水质进行推荐方案的可行性分析;花月等[3]在张家港河干流设置了3个控制断面，制定不同计算方案，最终确定了控制断面在达标前提下的污染削减量;刘媛等[4]基于水文、水质和污染源资料，建立了汤水河流域一维水环境数学模型，利用控制断面达标法计算得到汤水河水环境容量，根据水文水质同步监测资料进行了后桥头路桥考核断面污染溯源分析，进而制定出近、远期水质达标方案;胡开明[5]基于水文、水质和污染源资料，建立了大丰区通榆河流域一维水环境数学模型，利用控制断面达标法计算得到通榆河水环境容量，进而与断面现状污染物入河量对比，确定了研究区域内各类污染物的削减量，并对草堰大桥考核断面污染源进行解析，最终制定断面水质达标方案并进行可行性分析;展永兴[6]以常熟市东环河虞东路桥断面为例，建立东环河水质模型，根据水质监测数据进行模型参数率定，计算得出区域水环境容量，提出断面水质达标方案;毕良芹等[7]采用控制断面达标法计算得到入胥河的水环境容量，结合污染物入河量，确定了研究区域各类污染物的削减比例;宋为威等[8]综合考虑水文、水质、污染源等因素，建立影响区域水环境数学模型，并根据最不利水文条件（典型枯水年）和边界水质，建立了考核断面水质与概化排口污染源响应关系，通过响应关系计算出控制断面水质达标时各个概化排口所允许的排污量，得到本控制单元的水环境容量。综上，目前学者多是从总的环境容量来分析各类措施对水环境的改善效果，鲜有从日水质变化的角度来分析工程措施的可行性。因此，本文通过对桠溪河流域的污染物来源分析，拟定了相应的工程措施，并建立了一维水动力水质模型计算枯水年、平水年逐日水质变化，进而评估了考核断面水质目标可达性。

1 研究区概况

1.1 桠溪河流域基本情况

桠溪河位于江苏省南京市高淳区桠溪街道，流域面积46.7 km2，其中山丘区面积27.7 km2，圩区面积19 km2。桠溪河全长7.7 km，为胥河支流，横穿桠溪街道，出口上游300 m处有一区考断面——下圩桥考核断面，水质目标为Ⅲ类水;胥河桠溪支流下游300 m处有一断面，桠溪河与胥河的相对位置关系及考核断面位置见图1。

下圩桥考核断面14个月水质监测数据统计表明，有10个月水质超标，超标因子为COD。为了摸清沿线水质变化情况，2019年4月对桠溪河布设11个水质监测取样点，由上游至下游依次编号为1～11，取样期间水体流动不明显，水质沿程变化曲线见图2。由图2可以看出，COD浓度大体上沿程逐步下降。

1.2 污染物来源分析

造成桠溪河水质超标的成因较为复杂，经分析主要有以下几个方面。

（1） 农村生活污水处理站和污水处理厂排放标准相对于地表Ⅲ类水标准偏低。桠溪河流域农村总人口17 637人，实施农村生活污水治理的人口为16 224人，农村生活污水处理站排放标准为城市污水排放一级B标准，未处理和处理后的生活污水排入周边沟渠或水塘。COD年排放量约17 402.9 kg。此外，根据桠溪污水处理厂生产月报统计计算，COD年排放量约12 793.3 kg。

（2） 农业面源污染。流域内农业用地面积共2 025.4 hm2，COD年排放量约30 471.0 kg。

（3） 禽畜、水产养殖污染。流域内禽畜养殖污染主要是居民散养，水产养殖面积约852.1 hm2，主要有青虾、河蟹、水草养殖，COD年排放量约12 167.9 kg。

（4） 其他污染。流域内其他用地（包括林地、荒地、公共用地等）的湿沉降污染。参考《南京市不同功能区干湿沉降物污染特征研究》[4]及《南京市典型区域城市湿沉降污染成分特征分析》[2]，并结合桠溪街道实际情况，湿沉降污染物COD浓度为3.5 mg/L。根据计算，COD年排放量约3 942.1 kg（表1）。

由表1可知，桠溪河流域非降雨期最主要的污染源为农村生活污水和污水处理厂尾水排放，而雨季产生的农业面源污染加重了水体污染。农村生活污水排放标准（一级B）、污水处理厂污水排放标准（一级A）相对于Ⅲ类水标准偏低。

2 流域水环境综合治理方案

根据桠溪河流域污染源成因分析及整治条件，流域水环境综合治理措施主要包括构建生态补水工程、生活污水和污水处理厂尾水提标改造、水系循环连通工程、农业面源污染治理、生态清淤以及建立统一的调控管理机制等综合治理措施。规划工程位置示意见图1，沟渠型垂直潜流湿地由于较为分散，图中未标示。

2.1 生態补水工程

非降雨期桠溪河流域生态流量较小，生活污水和污水处理厂尾水入河，导致桠溪河水质超标。在桠溪河上游北岸征地新建生态补水塘坝，塘坝下游新建人工湿地净化水体使塘坝出水水质控制在优于Ⅲ类水，补水至桠溪河。生态补水塘坝库容为25万m3，对应的河口人工湿地处理能力为1.2万m3/d。

2.2 污水处理厂尾水提标改造

污水处理厂排放标准为城市污水排放一级A标准，结合用地情况，在桠溪河对岸建人工湿地，将桠溪污水处理厂尾水引至人工湿地，降雨期将石家坝坝上来水引至人工湿地，经人工湿地净化至Ⅲ类水后补入桠溪河。污水处理厂尾水提标人工湿地处理能力为2 500 m3/d，其中，处理污水处理厂尾水1 500 m3/d、处理降雨期石家坝水量1 000 m3/d。

2.3 水系循环连通工程

胥河与桠溪河、胥河与湖西灌溉总渠的水力关系为胥河-湖西灌溉总渠、桠溪河-胥河，根據3条水系的地理位置，实施“胥湖桠”连通工程，利用胥河丰富水资源量，通过湖西灌溉总渠水系连通，水质通过河口湿地净化后补水至桠溪河。湖西灌溉总渠水质劣于Ⅲ类水时，引入河口人工湿地流量1 000 m3/d。

2.4 农业面源污染治理

拟在桠溪河支流边沟渠或沿着桠溪河支流新建沟渠型垂直潜流湿地收集农田径流，流入垂直潜流湿地后，沟渠中种植的水生植物拦截农田径流污染物，达到控制污染物向水体迁移的目的，通过阀门进行水位调节，使经过净化的农田低污染水排入河道。沟渠型潜流人工湿地工程处理规模共计9 000 m3/d。

3 典型年水质目标可达性分析

3.1 水环境模型模拟分析

3.1.1 代表年选择

本次规划采用设计平水年（50%）和干旱年（90%）的代表年和降雨量情况，见表2。

3.1.2 设计水文条件

胥河仅有2016年至今的实测水位，桠溪河朱家桥处枯水年最枯月平均水位取年最低水位平均值2.93 m。平水年年降雨量与2018年年降雨量1 158 m较接近，故平水年平均水位和最枯月平均水位可按2018年取值。桠溪河五塭坝以上水位设置活水闸坝后的常水位。桠溪河设计水文条件见表3。

3.2 水环境模型模拟分析

桠溪河水面宽8～20 m，水深3～4 m，可以认为污染物在横断面上均匀混合，采用河流一维水质模型计算。鉴于丹麦水力研究所（简称“DHI”，下同）开发的MIKE11模型在对流扩散数值模拟方面的强大功能，本研究采用MIKE11来建立桠溪河一维水动力水质数学模型。

3.2.1 分析目的

在桠溪河水环境综合治理研究中，水动力水质数学模型的建立和应用作为研究的关键技术之一，利用所建立的河流数学模型模拟河流水动力水质输送变化规律。

对生态补水工程、胥湖桠水系连通工程、污水处理厂尾水提标改造工程改善水环境效果进行计算与分析。通过建立河流一维水动力水质模型，开展桠溪河水质改善数值模拟与分析，确定不同方案实施效果。

3.2.2 河流一维水动力模型

MIKE11 HD模型用于河网调蓄计算的理论基础是圣维南方程，通过6点中心隐式格式进行差分，利用“追赶法”求解，其计算网格由水位点和流量点交叉组成，汇流计算时河网被概化为节点、河段、断面3类要素。

3.2.2.1 河道一维水动力基本方程

MIKE11作为一款一维水动力模型，其控制方程为圣维南方程：

[∂Q∂x+BT∂Z∂t=ql∂Q∂t+2u∂Q∂x+（gA-Bu2）∂Z∂x-u2∂A∂x+gn2|u|QR3/4=0]

（1）

式中：Q为流量，m3/s;Z为水位，m;R为水力半径，m;u为流速，m/s;ql为旁侧入流;n为糙率系数，可用谢才公式计算;BT为包括主河道泄流宽度和仅起调蓄作用的附加宽度，m;B为过流河宽，m;A为过水断面面积，m2;g为重力加速度，m/s2;x为空间坐标，m;t为时间坐标，s。

3.2.2.2 模型建立

MIKE 11 AD水动力部分输入数据可以分成以下几个部分：① 断面数据;② 初始条件，如水面高程;③ 边界条件，包括水位边界和流量边界。

3.2.2.3 水质模型

根据桠溪河水环境现状分析，桠溪河镇区段水质较差，大部分时间处于Ⅴ类水标准，五塭坝上水质为Ⅲ～Ⅳ类水，下圩桥长时间也处于Ⅲ～Ⅳ类水，主要超标因子为COD。因此，对桠溪河水环境改善分析应主要对COD的分布变化进行模拟分析。

（1） 基本原理。利用对流扩散方程，模拟水体中溶解或悬浮物质的输运。可用于模拟河道盐水入侵、水温变化、污染物传输，并可考虑一级衰减。

[∂C∂t+ux∂C∂t=∂∂tEx∂C∂x-KC] （2）

式中：C为污染物浓度，mg/L;x为沿河段的纵向距离，m;ux为水流的纵向流速，m/s;Ex为纵向离散系数，m2/s;K为污染物综合衰减系数，1/s。

（2） 模型建立。MIKE11 AD水质模型基于水动力模型计算成果进行水质模拟计算，输入数据可以分成以下几个部分：① 校准要素，包括污染物扩散和衰减系数，一般基于经验值进行校准;② 初始条件，一般为模型计算一个周期末最后一个计算步长的成果;③ 外源边界条件，包括开边界的水质浓度。

桠溪河COD主要来源是生活污水入河带来的污染。近年来高淳区为加强水资源质量监控，对桠溪河进行了水质监测，但监测点位于桠溪河下游，且位于五塭坝下，受胥河水质影响较大，不能作为水质模型的边界。

对拟定方案在平水年和枯水年进行水质目标可达性分析。桠溪河水动力模型及水质输出断面位置见图3。

（3） 模型率定。水质模型率定目的是为了调整模型，使模型对指定计算期内进行计算模拟的结果与实际测量的结果尽量吻合。调整后的模型可通过运行一个或多个指定时间段（在此时间段内必须具有实测值）的模拟来进行检验。

基于一维桠溪河水动力模型、一维水质模型对COD进行模拟，并根据监测数据进行校准参数率定。不同位置水质模型模拟值与实测值的比较结果见图4。结果表明，所建水质模型可以较好地反映桠溪河的水质变化情况。

（4） 模型驗证。同样基于一维桠溪河水动力模型、一维水质模型对2019年4月16～18日桠溪河的COD进行模拟，并以实测数据进行验证。不同位置水质模型模拟值与实测值的比较结果见图5。结果表明，桠溪河水质模型模拟值与水质监测值基本一致。

考虑到水质监测的频次较低及水质浓度分布在时间上的不确定性，本文所建立的一维水质模型基本上可以较好地反桠溪河水质变化情况，可以用于“生态补水塘坝工程+污水处理厂尾水提标改造工程”方案对水环境改善效果的研究工作。

3.3 水质目标可达性分析

以验证计算的2019年4月18日COD水质浓度分布场为初始条件，以不同代表年降雨和2018年胥河实测水位条件为输入条件，入河污染物浓度采用2019年4月18日监测数据，并对来水较大月份的入河污染浓度进行适当调整，模型计算步长取0.5 d，针对不同工况进行水环境改善模拟分析。

通过计算分析，现状情况下，枯水年桠溪河五塭坝上断面水质达标天数为194 d，达标率53%;下圩桥断面水质达标天数为228 d，达标率62.4%;胥河口断面水质达标天数为235 d，达标率为64.4%。平水年桠溪河五塭坝上断面水质达标天数为191 d，达标率52.3%;下圩桥断面水质达标天数为237 d，达标率64.9%;胥河口断面水质达标天数为252 d，达标率为69%。

规划工程实施后，枯水年桠溪河五塭坝断面水质达标天数290 d、下圩桥断面水质达标天数299 d、胥河口断面水质达标天数303 d，枯水年桠溪河不同位置浓度历时曲线见图6。平水年桠溪河五塭坝断面水质达标天数281 d、下圩桥断面水质达标天数290 d、胥河口断面水质达标天数292 d，平水年桠溪河不同位置浓度历时曲线见图7。枯水年水质达标天数高于平水年水质达标天数的主要原因是生态补水塘坝的调蓄作用，枯水年桂圆坝支流大部分水量都可以通过生态补水塘坝调蓄流经由人工湿地处理后达标排放至桠溪河，而平水年需大量弃水不经人工湿地处理直接排至桠溪河。

4 结 语

（1） 规划工程实施后，枯水年桠溪河五塭坝断面水质达标天数290 d，达标率79.4%、下圩桥断面水质达标天数299 d，达标率81.9%、胥河口断面水质达标天数303 d，达标率提高至83%;平水年桠溪河五塭坝断面水质达标天数281 d，达标率77%、下圩桥断面水质达标天数290 d，达标率79.4%、胥河口断面水质达标天数292 d，达标率提高至80%。

（2） 规划工程实施后，枯水年下圩桥考核断面水质达标率由62.4%提高81.9%，平水年下圩桥考核断面水质达标率由52.3%提高至79.4%，大幅提高了考核断面的水质达标率。

（3） 本文通过对桠溪河流域的污染物来源分析，拟定相应的工程措施，并建立一维水动力水质模型计算枯水年、平水年逐日水质变化，进而评估考核断面水质目标可达性，可为其他同类工程提供参考。

（4） 生态补水工程对水质改善尤为关键，建议根据水文预报科学合理的做好塘坝工程的调度运行管理。此外，还应提高污水处理厂和农村生活污水设施的收集率。

参考文献：

[1] 中华人民共和国生态环境部.国务院关于印发水污染防治行动计划的通知[R]. 北京：中华人民共和国生态环境部，2015：4.

[2] 逄勇，王瑶瑶，胡绮玉，等.浙江温黄平原典型河流水质改善方案研究[J]. 水资源保护，2016，32（2）：100-105.

[3] 花月，王金龙，刘洋，等. 阳澄湖人湖河流张家港河控制断面水质达标分析[J]. 污染防治技术，2016（1）：30-34.

[4] 刘媛，逄勇，王子轩，等.  基于污染溯源分析的汤水河考核断面水质达标方案研究[J].  四川环境，2019，38（5）：83-88.

[5] 胡开明，董锦云，冯彬，等.  基于污染溯源分析的通榆河考核断面水质达标方案研究[J].  环境与发展，2020，32（11）：50-53.

[6] 展永兴，吴心艺.  基于水环境容量分析的断面达标控制研究——以常熟市东环河虞东路桥断面为例[J].  江苏水利，2019（1）：1-6，11.

[7] 毕良芹，逄勇，罗缙.  落蓬湾断面水质达标及胥河水环境容量研究[J].  水资源与水工程学报，2017，28（5）：124-128.

[8] 宋为威，逄勇.  基于国考七桥瓮断面水质达标秦淮河流域水环境容量计算[J].  中国农村水利水电，2017（10）：80-84.

（编辑：李 晗）

Accessibility analysis on water quality objectives at assessment section of Yaxi River Basin in Nanjing

NIU Xianxuan

（Shanghai Branch of Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Shanghai 200439， China）

Abstract：Luopengwan cross-section of the Xuhe river is a national water quality assessment cross-section，which is at 300 m downstream from the branch river of the Yaxi river. In order to further improve the water quality of the Yaxi River and ensure the water quality of national assessment cross-section up to the standard， according to the cause analysis and treatment conditions of pollution sources in the Yaxi River Basin， the comprehensive treatment scheme of water environment in the basin was formulated. Based on MIKE11 HD and AD model， the annual average water quality was simulated under different level years with the over standard factor COD as the characteristic index. The days meeting the water quality standard was analyzed. According to the calculation and analysis results， the annual water quality compliance rate of the assessment section can be increased to 81.9% in dry year and 79.4% in normal year， which can provide basis and reference for the project constrction in the Yaxi River Basin and other similar projects.

Key words： water quality analysis; water quality compliance rate; MIKE 11; Yaxi River Basin; Jiangsu Province