基于重污染區入湖斷面水質(總氮)達標的污染控制方案

付 浩,孫 瀚,逄 勇

(1.江蘇省住房和城鄉建設廳城市規劃技術咨詢中心,江蘇南京 210013;

2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司,江蘇揚州 225009;3.河海大學環境學院,江蘇南京 210098; 4.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇南京 210098)

基于重污染區入湖斷面水質(總氮)達標的污染控制方案

付 浩1,孫 瀚2,逄 勇3,4

(1.江蘇省住房和城鄉建設廳城市規劃技術咨詢中心,江蘇南京 210013;

2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司,江蘇揚州 225009;3.河海大學環境學院,江蘇南京 210098; 4.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇南京 210098)

基于2009年10月26—28日太湖重污染區野外水文、水質同步監測數據,分析水量水質現狀,建立一維水環境數學模型,并計算不同污染控制方案下水質(總氮)的改善效果。計算結果表明：現狀污染物排放方案及污染物總量達標控制方案不能完全控制入湖斷面總氮,鑒于河流水質總氮因子沒有明確的地表水環境質量標準,必須在污染物總量達標控制方案基礎上制定更嚴格的入湖控制斷面水質功能區達標方案。水質功能區達標方案的實施可以有效地改善入太湖控制斷面總氮狀況,基本實現河網水質達到功能區水質目標。

總氮；水環境；數學模型；污染控制方案；太湖流域

太湖流域重污染區[1]位于太湖西北部地區,主要包括常州市區、武進區、無錫惠山區、濱湖區西部和宜興北部,總面積5 272 km2,占太湖流域面積的14%,基本涵蓋了太湖流域上游主要入湖河流,重污染區污染物入湖通量占入太湖污染物總通量的80%左右,水質達標率僅為17%[2]。

20世紀60年代,日本和美國在水污染控制方案制定時執行污染物濃度控制方案,但隨著排入水體污染物的增多,濃度控制已很難控制水環境污染,于是人們提出了總量控制的方法來達到改善水質、滿足水環境質量標準的目的[3],如今總量控制方法也更加完善和靈活,如美國環保局提出TMDL(total maximum daily loads)、TMYL(total maximum year loads)技術等[4]。近年來我國在總量控制方面展開研究,逐步形成了以污染物目標總量控制技術為主,容量總量控制和行業總量控制為輔的水質管理技術體系[5],但仍沒有達到控制污染源、改善水質的效果,尤其是太湖入湖污染負荷居高不下,總量控制與水質改善脫節,難以滿足太湖流域水環境管理的迫切需求[6-7]。2011年邊博等[1]在太湖流域重污染區總量控制研究中,計算了重污染區的環境容量,提出具體至97個鎮的污染物削減方案,確定重污染區以鎮(街道)級為基本單位的分階段總量控制目標,得出區域河網水質改善的平均達標率。但由于河流水質總氮因子沒有明確的水質功能區標準,重污染區總量控制的指標僅為COD、NH3-N、TP,隨著太湖富營養化日益嚴重,如何控制重污染區主要入湖斷面TN濃度,成為降低太湖湖體TN濃度的主要問題[8]。中太湖湖體TN指標(近期ρ(TN)=2.0 mg/L,遠期ρ(TN)=1.2 mg/L)要求,在重污染區染控物總量達標方案的基礎上,制定更嚴格的污染控制方案——河流水質功能區達標方案,此方案基本實現了控制斷面TN可以達到太湖湖體TN指標,對實現太湖流域污染源控制與污染物減排、水質改善起著極其重要的作用。

1 研究區域水文水質同步監測

本文通過建立重污染區水環境數學模型,分析重污染區在不同水污染控制方案下入湖斷面水質TN的改善效果,為保證入湖斷面TN能夠滿足《江蘇省太湖流域水環境綜合治理實施方案的通知》[9]

1.1 監測方案

2009年10月26—10月28日對重污染區進行3 d的水量水質同步監測,監測區域位于太湖西岸,北至京杭大運河常州段,南至宜興市紅塍河,西至滆湖,東到太湖的平原河網區。這次水量水質同步監測掌握重污染區河網各河道水量分流比及主要河流重點河段的水質現狀,以此為目標進行點位布置,監測斷面位置見圖1。

監測期間,水文監測斷面每天監測1次,水質監測斷面及水文水質同步監測斷面每天上午和下午各監測1次。每天8：00開始監測,13：00開始監測。水文監測因子為：流量、流速、水深;水質監測因子為：pH、水溫、COD、CODMn、NH3-N、TN、TP,部分斷面加測BOD5。

1.2 監測數據分析

圖1 重污染區水量水質同步監測點位示意圖

圖2 重污染區河流流向及水量監測示意圖

a.水量監測數據分析。重污染區主要監測斷面3天水量監測結果示意圖見圖2。由圖2可見：①重污染區內水系總體流向為由北向南,由西向東。武宜運河、武進港和直湖港流向由北向南,而錫溧漕河流向為由東向西,貫通前3條南北方向主要河流。北部來水主要為京杭大運河,西部來水主要為滆湖;②重污染區內主要河流通道為武宜運河、武進港、直湖港和錫溧漕河4條,武宜運河為重污染區內水系水量最大的河流,武進港、錫溧漕河次之。京杭運河在與武宜運河的交匯處,大部分流入武宜運河,武宜運河的分流比在45%～55%之間,太滆運河在武宜運河與太滆運河交匯處的分流比在15%～20%之間。③重污染區內主要入太湖河流為太滆運河、漕橋河、殷村港、橫塘河、雅浦港、武進港和直湖港,其中武進港和直湖港進入梅梁湖,其余河流進入竺山湖。

b.水質監測數據分析。重污染區主要監測斷面3天水質監測結果平均值及主要區域點源分布見圖3。由圖3可見：①區內污染物遷移速度緩慢,河網水體自凈能力不足,水體主要超標因子為NH3-N及TP。CODMn、NH3-N、TP的超標斷面分別占總監測斷面的10%、54%、34%。②河流污染物質量濃度范圍較大：ρ(CODMn)為1.77～12.9 mg/L, ρ(NH3-N)為0.272～4.95 mg/L,ρ(TP)為0.099～1.81 mg/L,ρ(TN)為6.7～35.3 mg/L。③重污染區內工業點源和污水處理廠位置相對集中,主要集中在京杭大運河沿線,采菱港至武進港沿線,直湖港沿線,太滆運河和漕橋河沿線。污染源下游水體中的污染物受河流水量影響,豐水期水質擴散速度較快,水質情況較好,平、枯水期情況較差,污染嚴重,水質指標嚴重超標。④北部京杭大運河和西部滆湖各來水河流水質情況較好,各項污染物指標濃度較低,而入太湖河流斷面水質較差,各項污染物指標濃度較大,說明重污染區內部入河污染負荷對區內水質影響較大[10],直接影響入湖河流水質情況。

2 研究方法

2.1 一維河網水環境數學模型構建

2.1.1 模型建立

河道控制方程：描述明渠一維非恒定流的基本方程為一維Saint-Venant方程組[11],見式(1)：

式中：Q為流量,m3/s;x為沿水流方向空間坐標,m; BW為調蓄寬度,指包括灘地在內的全部河寬,m; Z為水位,m;t為時間坐標,s;q為旁側入流流量,入流為正,出流為負,m3/s;u為斷面平均流速,m/s;A為主槽過水斷面面積,m2;B為主流斷面寬度,m;n為河床糙率;R為水力半徑,m;g為重力加速度,m/s2。

圖3 重污染區河流水質監測示意圖

上述微分方程組采用四點隱式差分格式數值求解,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、汊點三級聯解的方法[12]求解,另外采用Muler法[13]給出的嵌套迭代法提高計算精度。

將平原河網區的河道概化為一維模型要素,一維河流水質模型[14]控制微分方程是建立在質量守恒基礎上的對流擴散方程(式(2))：

式中：ρ為水流輸送物質的斷面平均質量濃度, mg/L;Ex為縱向擴散系數;Sρ為與輸送物質有關的衰減項,其中,Sρ=KdAρ,Kd為衰減因子;S為外部的源或匯項。

方程求解空間采用隱式迎風格式,時間項采用前差分對每一單一河道進行離散[15],將整個河網水質濃度離散成節點和斷面水質濃度進行數值求解。

2.1.2 模型率定及驗證

利用野外水文水質同步監測成果,在模型計算穩定后采用試錯法對水動力模型進行率定,即根據部分斷面實測的水位或流量,調試各河道的糙率,使得計算水位或流量過程與實測水位或流量過程相吻合。率定得出河道糙率值為0.018～0.025,水動力驗證點位計算平均值和實測值的相對誤差在20%左右,部分驗證點位流量計算值與實測值的對比見圖4。

圖4 姚巷斷面和武宜運河大橋斷面水量模型計算值和實測值對比

選擇COD、NH3-N和TP作為水質模擬的對象,對水質模型進行率定。調整各參數,使各監測點的水量水質模型計算值與實測值達到基本吻合。率定得出KCOD=0.08～0.12 d-1;KNH3-N=0.07～0.1 d-1, KTP=0.07～0.1 d-1,水質驗證點位COD、NH3-N和TP質量濃度的計算值和實測值的相對誤差均在20%以內,部分驗證點位水質計算值與實測值的對比見圖5。

圖5 禮嘉大橋河西斷面

模型水動力及水質因子的計算值和實測值的相對誤差都在20%之內,說明建立的一維河網水環境數學模型可應用于實際數據計算。

2.2 水環境容量計算方法

利用一維河網水環境數學模型,計算出研究區域最小空間單元和最小時間單元的水環境容量值[16],再根據公式匯總出研究區域的水環境容量值：

式中：W為水環境容量,t/a;i為最小空間計算單元,為計算節點之間的河道;j為最小時間計算單元,d; ρs為功能區目標水質值,mg/L;ρ0為初始水質值, mg/L;K為降解系數,1/d;V為水體容積,m3;αij為不均勻系數,0＜αij≤1,河道越寬、水面越大,則αij越小。

設計水文條件：根據長序列降雨量資料推求不同水文保證率的典型年,考慮太湖流域丹陽、茅東、趙村、溧陽、宜興、常州、陳墅等40多個雨量站近50多年的長序列降水量資料進行頻率分析,90%保證率的典型年為1971年。

2.3 入湖控制斷面總氮功能區達標方法

對重污染區一維河網水環境數學模型范圍內主要入湖河流進行控制單元劃分[6],以2007年污染源普查資料中排放量為基礎,計算工業、城鎮生活、農村生活、農業面源的污染物入河量,利用河流一維穩態模型建立控制單元內總氮因子與污染源的響應關系,計算控制單元內控制斷面TN達標情況下入河污染源條件,確定TN達標時污染物削減量,KTN參考太湖流域水量水質大網模型率定后的參數為(KTN=0.05～0.1d-1)[17],入湖河流的設計水文條件由構建的一維河網水環境數學模型提供。

由于控制斷面TN達標情況下污染物入河量是基于河道控制單元下一維穩態數學模型計算的,為保證河網區入湖斷面TN達標,必須通過已建立的重污染區河網水環境數學模型在此污染物入河量條件下進行重新模擬計算,進行入湖控制斷面TN達標的不確定性分析。

3 結果與討論

3.1 入湖控制斷面總氮計算結果

3.1.1 現狀污染物排放量情況下

控制斷面TN水質指標值采用《江蘇省人民政府關于印發江蘇省太湖流域水環境綜合治理實施方案的通知》[9]中太湖湖體TN指標,即近期ρ(TN)= 2.0 mg/L,遠期ρ(TN)=1.2mg/L。在不考慮重污染區外污染源情況下,當邊界水質取太湖湖體近期目標水質(ρ(TN)=2.0 mg/L)及湖體TN為III類水質時(ρ(TN)=1.0 mg/L),利用一維穩態模型計算現狀污染物排放下13個入湖控制斷面水質達標情況。

表1表明：當邊界水質均取ρ(TN)=2.0 mg/L時,近期13個入湖控制斷面水質均不能達標;當邊界水質取ρ(TN)=1.0 mg/L時,有5個入湖控制斷面仍然無法達標,說明重污染區內大量TN污染物入河是造成入湖控制斷面TN超標的主要原因,要保證入湖斷面TN達標,必須對其進行削減。

表1 入湖控制斷面現狀排污下TN達標情況

3.1.2 總量達標控制方案情況下

統一采用《江蘇省人民政府關于印發江蘇省太湖流域水環境綜合治理實施方案的通知》[9]中太湖水體TN指標(ρs=2mg/L),利用2.2節水環境容量計算方法進行重污染區TN總量計算,計算結果見表2。

表2 總量達標方案下TN削減量

利用一維河網水環境數學模型計算當邊界水質取不同濃度時,TN總量達標控制方案下13個入太湖控制斷面總氮達標情況。表3表明：當邊界水質均取ρ(TN)=2.0 mg/L時,有8個控制斷面TN不能達標;當邊界水質取ρ(TN)=1.0 mg/L時,13個控制斷面均可達到近期TN水質標準,這說明總量達標污染控制方案對入湖控制斷面TN不能起到完全的控制作用,原因為在水環境容量TN計算過程中,ρs采用近期TN目標值而造成水環境容量TN計算值較大,從而造成TN削減量相對偏小。

表3 入湖控制斷面總量達標方案下TN達標情況

要滿足入湖斷面TN達標,必須在總量控制方案基礎上實行更嚴格的TN削減方案。

3.1.3 入湖斷面TN水質達標情況下

污染物總量達標控制方案不能完全保證入湖控制斷面TN達標,需在總量達標污染控制方案的基礎上進行污染源的進一步削減,再將允許排污量分配到影響入湖斷面水質的每個鎮。若上游概化排污口影響到不同的控制斷面水質,則選擇相對更為嚴格的削減量進行污染物削減計算。

表4表明：當邊界水質ρ(TN)均取1.0 mg/L時,遠期TN削減量為10 748.32 t/a,當邊界水質ρ(TN)均取2.0mg/L時,TN削減量為11221.22 t/a,在此污染物削減量方案下,可以保證入湖控制斷面TN達標。

表4 入湖斷面TN達標情況下的TN削減量

3.1.4 入湖斷面TN水質達標不確定性分析

由于水質功能區達標方案TN削減量是基于一維穩態數學模型計算的,必須利用此方案下的污染物削減結果,通過已構建的重污染區一維河網水環境數學模型進行重新模擬計算,至模型穩定后分析入湖控制斷面TN達標的不確定性。

本次計算主要選取了4條入太湖典型河流直湖港、武進港、漕橋河、太滆南運河的入湖控制斷面,分別計算得出湖山橋斷面,姚巷斷面,百瀆港斷面,殷村港斷面的相關水質的日變化趨勢,見圖6。計算結果表明：13個主要入湖控制斷面TN質量濃度計算值在變化趨勢中平均值均低于2 mg/L的近期TN水質要求,水質計算值的超標率在20%以內,說明此入湖控制斷面水質功能區達標方案的制定合理且成效顯著,水質功能區達標方案的削減計算結果合理,能對重污染區中的主要入湖斷面的水質起到控制作用。

3.2 討 論

圖6 入湖控制斷面水質計算模擬變化趨勢

根據現狀制定重污染區兩個污染控制實施方案的目標,一個側重于總量控制,一個側重于入湖河流控制斷面水質達標,其中總量達標控制方案的污染物削減可以滿足重污染區內部河網的環境容量的控制要求,但不能完全控制入太湖斷面水質,該方案可以作為近期實施方案制定;在遠期可進一步實施入湖控制斷面水質功能區達標方案,在總量控制基礎上,實現河網水質達到功能區水質目標。但由于重污染區內河流絕大部分屬非恒定流,其水動力條件相對較為復雜,且太湖流域閘壩較多,水文條件會隨著這些閘壩的開啟和關閉而改變,還需進一步研究出適合重污染區的污染物總量分配機制,從根本上來解決重污染區乃至整個太湖流域的水環境問題。

4 結 論

a.監測數據表明,太湖重污染區內河流總氮濃度較高,入太湖監測斷面總氮監測值位于15.6～23.93mg/L之間,如此高濃度的總氮進入太湖,勢必造成太湖水體總氮因子超標,需盡早制定入湖河流總氮污染控制方案。

b.總量達標控制方案計算表明,總量達標污染控制方案對入湖控制斷面總氮不能起到完全的控制作用,部分斷面總氮仍不達標,此方案可作為近期實施方案制定,在短時間內通過相應措施達到入湖控制斷面的近期水質達標要求。

c.在總量控制的基礎上,入湖控制斷面水質功能區達標方案能較好的對13個主要入太湖斷面的水質進行嚴格控制,基本實現河網水質達到功能區水質目標,本方案可作為遠期實施方案。

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A pollution control scheme based on discharge of sections with standard-reaching water quality(TN)into Taihu Lake in heavily polluted lake area

FU Hao1,SUN Han2,PANG Yong3,4
(1.Urban Planning Technology Consulting Center of Jiangsu Provincial Department of Housing and Urban-Rural Development,Nanjing 210013,China; 2.Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Co.,Ltd.,Yangzhou 225009,China; 3.College of Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China; 4.Key Laboratory of Integrated Regulation and Resources Development of Shallow Lakes,Ministry of Education, Hohai University,Nanjing 210098,China)

Based on hydrological and water quality monitoring data of a heavily polluted area in Taihu Lake from October 26 to 28,2009,the water quantity and water quality in the heavily polluted area were analyzed,and a onedimensional water environmental mathematical model was established to simulate total nitrogen(TN)with different pollution control schemes.The results show that the current pollutant discharge scheme cannot meet the standard for TN discharge into the lake.In view of the lack of surface water quality standards for TN in rivers,we must work out a standard-reaching scheme that is stricter for water quality in water function zones based on the total pollutant standard-reaching scheme.This scheme can effectively improve the water quality(TN)of water discharged into Tiahu Lake and enable the water quality of the river network to reach the standards of water function zones.

water environmental mathematical model;heavily polluted area;total nitrogen;pollution control scheme;Taihu Basin

X26

A

10046933(2014)04003607

20131016 編輯：高渭文)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.008

國家自然科學基金(51179053);國家重大科技專項(2012ZX07506-002)

付浩(1987—),男,碩士研究生,研究方向為環境系統規劃與綜合評價。E-mail：yyhyyc@163.com