摘要
我国是一个水资源匮乏的国家，城市的飞快发展使水资源与水环境问题愈发突出，近年来全国各地正在开展水环境治理。常规设计往往集中在河道外围，对污染物特征、水质变化规律、水环境容量等河道本体的研究甚少。本文以南京市南十里长沟水系为例，基于传统设计与工程措施，运用MIKE11模型模拟污染物迁移演变规律，计算水环境容量，提出污染物削减量，指导后续设计与水质管理。
关键词：水环境治理；MIKE11模型；水环境容量
水是生命之源，是人类生活与生产最重要的自然资源，是经济和社会可持续发展的基础条件。水资源的匮乏将制约国民经济的发展，而水污染问题无疑是雪上加霜。
笔者从事市政工程设计工作多年，参与设计了很多水环境或黑臭河道治理项目。总结设计过程发现如下问题：
（1）传统河道水环境治理的设计与工程措施大多聚焦在岸上，如控源截污、初雨调蓄等措施，试图从河道外围，从污染源头解决污染问题，杜绝污水下河。但河道的污染与治理是一个长期并且动态的过程，常规工程措施无法精确预测并应对。
（2）传统设计的理论及计算过于简单、理想化，难以应对复杂或突发的环境问题。
（3）传统设计缺少水环境理论指导，对河道本体的研究，如河道污染物特征、水质变化规律、水环境容量等研究甚少。
水质模型是一种基于物质守恒原理的数学模型，用于研究水体中各种组分循环过程中的物理、化学、生物方面的变化规律。水质模型是污染防治、环境规划与管理以及决策分析的重要工具，目前已广泛应用于水环境保护研究，但在市政工程实例中的应用尚不多。在城市河道的水环境治理中可以尝试引入水质模型，通过模型模拟并定量分析污染物在水体中的迁移演变规律，指导工程设计和后期的运行管理。
1 研究区域概况
1.1 水系概况
南京市境内河网发达，河流繁多，水域面积约750km2，水面率11.4%，规划城区形成了“一江两河多湖、岗区与圩区并存”的水系特点，“一江”即为长江南京段，“两河”即为秦淮河、滁河。
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图1-1 南京市主城区水系及研究水系
南十里长沟属长江水系，是入江支流河道金川河的上游水系，分为主流及一支、二支、三支3条支流河道，总长约10.8km，流域总面积12.74km2，流经玄武、栖霞、鼓楼地界，是南京主城北部的重要水系。
1.2 水环境概况
根据市环保局2017年~2018年的水质监测数据，南十里长沟水系整体水质为劣V类，主要污染物为NH3-N与TP。根据《2018年南京市环境状况公报》，金川河整体水质为劣V类，金川河宝塔桥为省考的入江支流断面，未达到2020年水质目标。
1.3 水功能区划
根据《江苏省地表水（环境）功能区划》和《南京市城市总体规划（2011-2020）》，长江南京段执行Ⅱ类水，金川河执行IV类水。南十里长沟作为金川河的上游河道，其水质状况直接影响整个金川河流域的水环境，因此水质目标近期为V类，远期为IV类。
1.4 总体评价
南十里长沟河道沿线存在生活污水入河的情况；部分河段淤积严重，存在内源污染；河道上游没有任何雨水调蓄设施，面临初期雨水的面源污染。点源、内源、面源的联合污染让河道的自净能力遭到严重破坏。
2 水环境治理
2.1 控源截污工程
水体被污染，根源在岸上，治水先治污，治污先治岸，河道是城市排水系统的最终受体，水环境问题的根源的是河道上游小区及工企的排污行为，控源截污是改善水环境的关键。控源截污工程由片区雨污分流及河道排口整治两部分组成。
1）片区雨污分流
2010年~2013年，南十里长沟流域已实施片区雨污分流工程，各区对管辖范围内河道流域的片区 “回头看”，梳理排水管网，查找问题，并提出改造方案。
2）河道排口整治
根据现场排查，南十里长沟水系共有7处排污口，其中主流6处，一支1处，排口上游为住宅小区，总排污量为10914 m3/d
工程设计：1）片区内部整改。对规模小，上游片区明确的排口，优先考虑片区雨污分流整改，杜绝污水下河；2）末端污水截流。对服范围广，甚至跨行政区，涉及片区较多，混接现象比较严重，上游片区短时间内整改到位难度大的排口，采取临时截流方案。同步对上游排水管网进行排查，在后续的雨污分流工程中进行完善整改，待片区雨污分流整改到位后截流设施予以拆除。
2.2 初雨收集工程
为减少初期雨水对河道产生的面源污染，对沿河汇水范围大且径流污染严重的区域设置雨水调蓄池。结合河道周边地形地势及用地性质，在南十里长沟一支沿岸新建2座雨水调蓄池，总容积为2395m3。
2.3 引水补水工程
引水补水可以让河水保持流动，提高水动力，增加水体溶氧，可以增加或恢复水体的自净能力。南十里长沟水系引水水源为南京化纤厂水厂（II类水），引水点设置在各河道起点，现状引水规模为3万吨/天，远期为8万吨/天。
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2.4 水质监测
南十里长沟水系综合整治于2014年开始实施，直至2018年底完工。目前，河道本体工程已完成，流域范围内片区雨污分流“回头看”的工作正在陆续开展。通过工程实施期间及实施后的水质数据对工程效益进行评估。
1）工程实施期间（2017.05~2018.01）
监测环境因子为DO与NH3-N，对主流进行分段监测，设置4个监测断面，共28组水质数据。结论：NH3-N严重超标，水系整体水质为劣V类。
2）工程完成后（2020.01~2020.03）
监测环境因子为DO、NH3-N与TP，根据各支流与支流的交汇关系，设置5个监测断面，共3组水质数据。结论：一支总磷部分超标，为劣V类水，其余河道已达到V类水。
2.5 工程效益评估
工程完成后，二支、三支及主流上游段水质已经达到IV类，主流下游段已经达到V类，一支总磷部分超标，为劣V类，基本实现2020年水质达标V类水的水质目标。
3 MIKE 11模型建立
3.1 基本原理
本研究主要运用MIKE11模型的水动力（HD）及水质（AD）模块。MIKE11 HD模拟过程包括模型控制方程的简化、数值离散和求解、模型初始条件和边界条件的确定、模型参数的标定和验证以及水动力水质参数的敏感性分析；MIKE11 AD模拟污染物在水体中的对流扩散过程，并进行分析计算。
3.2基本原则
根据水系资料，确定河道的水量模型和水质降解参数，根据过水能力相同的原理，将主次要输水河道和水体归并为单一河道和节点。
3.3河网概化
根据水系图、平面图等资料绘制河网模型，概化后河网的输水和调蓄能力相同，可以正确反映实际河网的特性。
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图3-1 南十里长沟水系河网概化图
3.4 河道断面设定
根据河道横断面图，将河道断面数据录入并生成断面数据文件。
3.5 边界条件设定
边界文件主要有水位边界、流量边界以及水质边界文件，边界条件符合水流的物理特性和控制方程组的定解特性等要求。
3.6 水质参数及本底值设置
（1）水质参数设置
在已建立水动力模型的基础上，导入水质数据并设定参数，构建水动力—水质耦合模型，并为水环境容量计算提供数据支撑。通过参考文献及相关资料，确定研究区域各污染物综合衰减系数：COD：0.08-0.12/d，NH3-N：0.06-0.10/d，TN：0.06-0.10/d，TP：0.06-0.10/d。
（2）河流本底值设定
模型在建立的过程中，选择枯水期2018年12月的监测数据，根据实际情况进行调整，确定本底值COD：60mg/L，NH3-N：80mg/L，TN：10mg/L，TP：0.6mg/L。
（3）污染源设定
南十里长沟水系共有四个点源污染，排放量分别为197m3/d、4305m3/d、1790m3/d、253m3/d。各污染物排放浓度：COD：300mg/L，NH3-N：40mg/L，TN：50mg/L，TP：8mg/L。
4 水环境容量计算
以COD、NH3-N、TN和TP作为水环境容量计算的控制因子。现状引水及远期引水两种工况引水量分别为3万m3/d和8万m3/d，引水水源水质为II类水，水质目标为IV类水。采用NIKE 11模型，以水质目标为控制，反推计算水环境容量。
4.1水质变化趋势分析
根据模型模拟可知，河道从上游到下游，随着时间变化水质有所改善。近期引水工况下，下游部分断面水质低于Ⅴ类水；远期引水工况下，水质改善明显，但仍少部分断面水质低于IⅤ类水。
4.2 水环境容量计算
（1）现状引水工况（3万吨/天）
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结论：南十里长沟各河道各项指标剩余水环境容量全部为负值，水质较差，无法达到目标水质。
（2）远期引水工况（8万吨/天）
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结论：1）主流、一支各项指标均剩余水环境容量均为负值，水质较差；2）二支TP剩余水环境容量分别为3.58 t/a，剩余水环境容量偏低；3）三支各项指标剩余水环境容量较大，水质较好。
4.3 污染物削减量
现状引水工况下，各河道剩余环境容量为负值，需削减COD 5972.29 t/a，氨氮403.98 t/a，总氮534.22 t/a，总磷29.33 t/a；远期引水工况下，二支、三支可达到IV类水，主流、一支剩余水环境容量为负值，仍需削减COD 1146.05t/a，氨氮716.74t/a，总氮1010.56 t/a，总磷125.84 t/a。
5 结语
本文详述了南十里长沟水系治理的工程设计，根据水质监测数据评估工程效益。在传统工程设计的基础上，建立MIKE 11模型，研究污染物在水体中随时空的迁移变化规律，并运用模型计算水环境容量，提出污染物削减量，为后续水质进一步提升及水质管理提供科学、理论的支撑。
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