不同行政区入秦淮河污染物通量分担率研究

宋为威，逄 勇

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098； 2. 河海大学环境学院，江苏 南京 210098；3. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

秦淮河是贯穿南京城区的骨干河流，由于区域人口迅速增加、基础设施建设相对滞后，造成秦淮河七桥瓮和秦淮新河节制闸两个《水污染防治行动计划》考核断面水质波动较大，秦淮河水污染问题较为严重。随着河长制的实施，各级党政主要负责人担任“河长”，负责组织领导相应河湖的管理和保护工作。为确保秦淮河水质达标，除进行污染治理之外，减少污染物排放也十分重要，保证各行政区入河水质达标。

1 研究区概况

秦淮河水系有南北两源，北源句容河发源于句容市宝华山南麓，南源溧水河发源于南京市溧水区东庐山，两河在南京市江宁区方山埭西北村汇合成秦淮河干流，绕过方山向西北至外城城门上坊门从东水关流入南京城，由东向西横贯市区，从西水关流出，注入长江。流域总面积2 659 km2，1 708 km2位于南京境内，约占64%，951 km2位于镇江、句容境内，约占36%。

基于秦淮河下游国考七桥瓮断面达标标准，计算各行政区入秦淮河污染物的通量及其分担率。对七桥瓮断面产业直接影响的行政区有江宁区、秦淮区、雨花台区、建邺区，河道有外秦淮河、秦淮新河、秦淮河；对其产生间接影响的行政区有句容市、溧水区，河道有句容河、溧水河。

2 模型建立

2.1 基本方程

水动力计算的控制方程是描述明渠一维非恒定流的圣维南方程组，包括连续性方程和动量方程，并补充考虑了漫滩和旁侧入流：

(1)

式中：Q为流量；x为沿水流方向空间坐标；b为调蓄宽度，指包括滩地在内的全部河宽；h为水位；t为时间坐标；q为旁侧入流流量，入流为正，出流为负；α为动量校正系数；A为主槽过水断面面积；g为重力加速度；C为谢才系数；R为水力半径。方程组利用Abboptt-lonescu六点隐式有限差分格式求解，该方法具有稳定性好、计算精度高的特点，离散后的线性方程组用追赶法求解。

秦淮河流域流量边界水文条件通过降雨资料、蒸发资料采用产汇流模型计算得到，洋桥断面流量为37 m3/s。水位边界为秦淮河入江口处的水位，其中节制闸水位为5.4 m，三岔河口水位为5.2 m。根据实测流速设置初始条件，初始水位为5 m，初始水平流速-0.06 m/s，初始竖直流速-0.08 m/s。

污染物在水中的分布与浓度主要取决于污染物的降解、随水流的运动以及污染物的扩散。对流扩散模块的控制方程为一维对流扩散方程：

(2)

式中：ρ为物质浓度；D为纵向扩散系数；K为线性衰减系数；ρ2为源汇浓度。对流扩散方程的数值解法与水动力方程组类似，采用六点隐式差分格式求解，最后求解采用Thomas追赶法。

水质边界条件根据2016年秦淮河流域的水文水质同步监测结果确定，洋桥断面COD、NH3-N、TP的质量浓度分别为13.0 mg/L、1.39 mg/L、0.12 mg/L；节制闸断面COD、NH3-N、TP的质量浓度分别为14.0 mg/L、3.39 mg/L、0.23 mg/L；七桥瓮断面COD、NH3-N、TP的质量浓度分别为17.3 mg/L、2.85 mg/L、0.26 mg/L。设置COD、NH3-N、TP的初始质量浓度分别为10 mg/L、1.2 mg/L、0.1 mg/L。

2.2 模型率定

利用2016年的水文水质同步监测资料采用试错法进行水动力模型参数率定[8-9]，即根据各水文站、水位站实测的流量、水位资料，调试模型中各河道的糙率，使模型计算值与实测值相吻合。率定得到的河道糙率值为0.025～0.032，率定结果见图1。从图1可见，计算值与实测值吻合较好，故建立的水动力模型能够模拟秦淮河流域水文变化过程。

(a) 汤铜桥

(b) 洋桥

(c) 天元桥

秦淮河流域为平原河网区，主要污染物来源为生活及三产污染，主要的水质超标因子为NH3-N和TP。因此，选择NH3-N和TP两个污染因子作为水质模拟对象，采用2016年的水文水质同步监测资料进行模型参数率定，计算铁心桥、七桥瓮断面NH3-N和TP的质量浓度，率定得到的NH3-N降解系数为0.05～0.07 d-1，TP降解系数为0.05～0.08 d-1。率定结果见图2。

(a) 铁心桥NH3-N

(b) 铁心桥TP

(f) 七桥瓮NH3-N

(g) 七桥瓮TP

由图2可知，模型计算值与实测值误差在30%以内，吻合结果较好，故该模型可用于描述秦淮河流域河网区水质变化过程。

3 分担率计算方法

大多数水文站长期的连续流量资料相对容易获得，而水质监测周期短则一周、长则两月，因此计算通量时运用时段通量计算方法。因为在实际的监测中，无法获取每个瞬间的流量值和浓度值，只能获取时间跨度较大的离散分布监测值，因而将通量计算方法简化为

图3 控制单元及流域内行政区分布

(3)

根据调查发现，秦淮河流域非点源污染和径流总量对控制单元的污染物排放和达标起着重要作用，基于七桥瓮断面水质达标，划分秦淮河流域控制单元，图3为控制单元及流域内行政区分布。本研究中分担率以各行政区的入河支流通量之和占总通量比例的形式表达，计算公式为

(4)

式中：I为某行政区的分担率；Wj为某行政区支流j对秦淮河的污染物通量；m为某行政区入秦淮河支流数量。

4 结果与分析

2016年有32条支流直接流入秦淮河，分布在不同的行政区，其污染物通量及分担率计算结果见表1。由表1可知，对七桥瓮断面直接影响的江宁区分担率最高，两种污染物的分担率均为75%左右；其次为雨花台区，两种污染物的分担率均为20%左右；由于秦淮区和建邺区计算范围是在七桥瓮断面上游，所以这两个区对污染物排放的分担率最小。

表1 2016年各行政区直接流入秦淮河污染物模型计算通量及分担率

考虑到对秦淮河产生间接影响的行政区还有句容市和溧水区，河道有句容河、溧水河。综合考虑秦淮河全流域水系的污染物通量对七桥瓮断面的影响，从而计算出全流域内各行政区通过直接或间接的方式排入秦淮河污染物通量和分担率(表2)。由表2可见，七桥瓮断面水质受到江宁区的影响最大，分担率超过全流域的50%；句容市的贡献率为17%，江宁区与句容市对全流域的总贡献率为70%，与控制单元的江宁区贡献率75%近似相等，原因是控制单元的江宁区贡献率已经将句容市概化在内。上游溧水区贡献率为2%，说明秦淮河上游对全流域基本无影响，而真正的水质污染是从江宁区和句容市开始的，这两个市区的污染物贡献率占据全流域的约75%。秦淮区的贡献率变大，由于前面计算的直接流入秦淮河支流中考虑的是七桥瓮断面上游，而未考虑秦淮区下游的污染物入河。通过控制单元与全流域污染物通量可以看出，控制单元内的通量约占全流域通量的50%。

表2 2016年全流域行政区入秦淮河污染物通量及分担率

5 结 论

基于七桥瓮断面水质达标，划分秦淮河流域控制单元，2016年对秦淮河流域直接影响的主要污染物通中， NH3-N入河总量为3 045.16 t，TP入河总量为248.13 t。秦淮河流域内各行政区对七桥瓮断面主要超标因子的分担率为：秦淮区的NH3-N平均分担率为12%、TP平均分担率为13%；雨花台区的NH3-N平均分担率为20%、TP平均分担率为15%；建邺区的NH3-N平均分担率为2%；江宁区的NH3-N 平均分担率为55%、TP平均分担率为53%，溧水区的NH3-N平均分担率为1%、TP平均分担率为2%；句容市的NH3-N平均分担率为10%、TP平均分担率为17%。在秦淮河全流域内，水环境整治需要从江宁区着手，这样可以大大提高整治效率。

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