蘇南運河對太湖主要入湖河流污染物通量的貢獻率

蘇南運河對太湖主要入湖河流污染物通量的貢獻率

韋雨婷1,逄勇2,羅縉2,王雪1

(1.河海大學環境學院,江蘇 南京210098;

2.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)

摘要：為了解蘇南運河對太湖主要入湖河流污染物通量的貢獻,基于一維平原河網水量、水質數學模型,模擬計算了2011年受蘇南運河影響的主要入湖河流的入湖污染物通量(COD、氨氮、TN、TP),量化分析了蘇南運河對主要入湖河流入湖污染物通量的貢獻率。研究結果表明:蘇南運河主要影響湖西區的太湖主要入湖河流,對湖西區主要入湖河流入湖通量的總體貢獻率約為23%,其中對太滆運河的貢獻率最大,約42%,漕橋河次之,約23%,對太滆南運河、社瀆港、陳東港污染物通量的貢獻率由北向南依次減小。

關鍵詞：入湖河流;污染物通量;貢獻率;蘇南運河;太湖

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.008

作者簡介:韋雨婷(1991—),女,碩士研究生,主要研究方向為水資源規劃與保護。E-mail:wyt005250@sina.com

中圖分類號：X824

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2015)05-0042-05

收稿日期：(2014-09-09編輯：熊水斌)

Study on pollutant flux contribution rate of Sunan Canal to

main inflow rivers of Taihu Lake

WEI Yuting1,PANG Yong2,LUO Jin2,WANG Xue1

(1.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

2.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourceDevelopmentonShallowLakes,

MinistryofEducation,Nanjing210098,China)

Key words： main inflow river; pollutant flux; contribution rate; Sunan Canal; Taihu Lake

隨著太湖流域經濟的迅猛發展,各類廢污水排放量劇增,太湖水質污染已成為當地社會經濟可持續發展面臨的突出問題,水污染防治是太湖流域面臨的一項重要任務[1]。為確保太湖水質達標,除了對現狀污染進行治理外,從源頭減少向太湖排污也十分關鍵,必須保證各主要入湖河流水質達標。

在污染物總量控制研究中,污染物通量的研究比污染物濃度更有價值[2]。目前,太湖流域污染物通量的研究已取得了一定的成果,羅縉等[3]利用全太湖流域平原河網水量水質模型及污染負荷模型,對太湖流域豐、平、枯不同典型年不同季節主要入湖河道污染物入湖量進行了全面系統的計算分析;陳亞男等[1,4]以主要入湖河流之一——望虞河為研究對象,利用水量、水質計算模型,分析了望虞河各支流的污染物通量,確定了主要污染支流。然而,現有的太湖流域入湖河流污染物通量研究中未考慮上游輸入河網對入湖河流污染物通量的影響。本文基于一維河網水量水質數學模型,模擬2011年蘇南運河與太湖主要入湖河流構成的平原河網區污染物輸送及其轉化過程,計算分析受蘇南運河影響的各主要入湖河流2011年的入湖污染物通量,在此基礎上,量化分析蘇南運河對各主要入湖河流污染物通量的貢獻關系,以期為太湖流域污染治理提供參考依據。

1研究區概況

蘇南運河及太湖主要入湖河流研究區地處江蘇省南部、中國經濟發達的長江三角洲中部,北靠長江,南至太湖邊界。蘇南運河北起鎮江諫壁,南至蘇州平望,全長210km。蘇南運河直接影響的太湖主要入湖河流有梁溪河、小溪港、直湖港、武進港,通過其支流武宜運河間接影響的太湖主要入湖河流有太滆運河、漕橋河、太滆南運河、社瀆港、陳東港。

根據研究區域內水利工程實地調研結果,由于武進港、直湖港入湖閘門目前已被封堵,武進港、直湖港的污染物由原先經雅浦港匯入太湖變為目前經錫溧運河流入太滆運河,最終匯入太湖,故認為武進港、直湖港的入湖污染物通量均為零;梁溪河流向常年向東流入京杭運河,全年入湖污染物通量為零;小溪港閘門長期封閉,開閘時從太湖往外抽水,全年入湖污染物通量為零。本文在分析蘇南運河對太湖主要入湖河流污染物通量的貢獻時不再考慮運河對武進港、直湖港、梁溪河、小溪港這4條入湖河流的影響,著重分析運河對湖西區太滆運河、漕橋河、太滆南運河、社瀆港、陳東港5條入湖河流污染物通量的貢獻情況。

2模型建立

2.1模型基本方程

2.1.1水量模型

采用一維模型模擬蘇南運河及太湖主要入湖河流構成的平原河網區水流流態,一維模型描述河流水流運動的方程組是建立在質量及動量守恒定律基礎上的Saint-Venant方程組[5-8],其完全形式為

(1)

式中:q為單位河流旁側入流;Q為河道斷面流量;A為過水斷面面積;B為河寬;Z為水位;vx為旁側入流流速在水流方向上的分量,一般近似為零;K為流量模數,反映河道的實際過流能力;α為動量校正系數,反映河道斷面流速分布均勻性;x為空間坐標;t為時間坐標。

采用Preissman四點線性隱式格式對上述方程組進行離散。離散后,經過處理形成河網區統一的節點水位、流速線性方程組,其求解采用矩陣標識法,最終可求得河流各斷面的水位及流量。

2.1.2水質模型

水質模型采用一維河流水質模型,其基本方程為

(2)

式中:C為模擬物質的濃度;u為河流平均流速;Ex為對流擴散系數;K為模擬物質的一級衰減系數。

對流擴散系數是一個綜合參數,包含了分子擴散、湍流擴散以及剪切擴散效應。而在水質數值模型中,對流擴散系數除了和物理背景相關之外,還和計算空間大小、時間步長等相關。水質模型通過以下經驗公式來估算對流擴散系數:

(3)

式中:v是流速,來自水動力計算結果;a和b是設定的參數。

水質模型的邊界條件可以由2011年太湖流域控制斷面水質監測資料分析得到。

2.2模型率定

2.2.1水量模型參數率定

根據《長江流域水文年鑒(太湖區)》2011年逐日流量及水位監測資料,選取蘇南運河及主要入湖河流平原河網區典型的水文站、水位站,采用試錯法進行水動力模型參數率定,即根據各水文站、水位站實測的流量、水位資料,調試模型中各河道的糙率,使模型計算值與實測值相吻合。經過率定,蘇南運河及主要入湖河流平原河網區的河道糙率為0.018～0.025。從圖1和圖2可知,模型計算值與實測值吻合較好,水位絕對誤差平均約為0.02m,流量相對誤差平均約為10.4%,故建立的水量模型能較為準確地模擬該河網區河流水流流態。

圖1　太滆運河黃埝橋斷面2011年水位、流量率定結果

圖2　蘇南運河楓橋斷面2011年水位、流量率定結果

2.2.2水質模型參數率定

根據蘇南運河及主要入湖河流平原河網區污染源及水質污染的特點,即區域內主要污染源為生活污染,且主要超標因子氨氮、TN、TP的排放強度大,選擇污染因子COD、氨氮、TN、TP作為水質模擬對象,采用2011年1—12月太湖流域控制斷面水質監測資料進行率定,率定得到的COD降解系數為0.09～0.11d-1,氨氮降解系數為0.05～0.07d-1,TN降解系數為0.08～0.10d-1,TP降解系數為0.04d-1。水質模型的計算值與實測值對比如圖3和圖4所示,模型率定相對誤差見表1。由表1可知,率定的水質計算結果與大部分實測值吻合較好,故該模型可用于描述蘇南運河及主要入湖河流平原河網區水質變化過程。

圖3　太滆運河分水斷面2011年水質率定結果

%

注:E<20%、E<30%分別表示模型率定誤差小于20%、30%所占的百分比[1,3]。

3計算方法

根據經率定的河網水量、水質模型計算出各主要入湖河流逐日平均流量、逐日平均水質質量濃度,利用下式計算各主要入湖河流入湖污染物通量值[9]:

圖4　蘇南運河五牧斷面2011年水質率定結果

t

(4)

式中:Wi為入湖河流i入湖污染物通量,t/a;ρi,j為入湖河流i第j日平均水質質量濃度,mg/L;Qi,j為入湖河流i第j日的流量,m3/s。

本文著重關注蘇南運河對各主要入湖河流污染物通量的貢獻量,貢獻量的計算基于模型計算結果,計算出蘇南運河通過其支流影響入湖河流的初始污染物通量W0,考慮污染物輸移過程中降解、分流等影響,利用下式計算蘇南運河對某入湖河流污染物通量的貢獻量:

(5)

式中:Wi為蘇南運河對入湖河流i污染物通量的貢獻量,t/a;n為分流次數;α為分流比(圖5),由模型計算結果得出;xj為第j次分流處距蘇南運河與武宜運河交界點的距離(x0=0m),m;k為水質降解系數,d-1;u為水流流速,m/s。

圖5　蘇南運河污染物通量貢獻量計算示意圖

4計算結果及分析

2011年湖西區太滆運河、漕橋河、太滆南運河、社瀆港、陳東港5條太湖主要入湖河流入湖污染物通量計算結果以及蘇南運河對湖西區各主要入湖河流污染物通量的貢獻情況見表2。由表2可知:太滆運河的入湖污染物通量相對于湖西區其他入湖河流較大,主要輸送來自常州武進區、無錫地區的大量污染物;其次為陳東港、社瀆港、太滆南運河,主要輸送來自溧陽和宜興的污染物;漕橋河相對于湖西區其他幾條入湖河流入湖通量較小。

由于武進港、直湖港閘門關閉后,污染物去向由原先的經武進港、直湖港流入太湖轉變為現在經錫溧運河流進太滆運河,故蘇南運河對太滆運河COD、氨氮、TN、TP污染物通量的貢獻率較大,年均污染物通量的貢獻率約42%;蘇南運河對漕橋河污染物通量的影響位居湖西區主要入湖河流第二,貢獻率約23%;由于地理位置因素,蘇南運河對太滆南運河、社瀆港、陳東港污染物通量的年均貢獻率由北向南依次減小,分別為15%、12%、7%。

蘇南運河雖然作為上游來水,與太湖水量交換頻繁,但其對湖西區主要入湖河流入湖通量的整體貢獻率約為23%,除對太滆運河影響較大外,對其他湖西區入湖河流污染物通量的影響不明顯。

5結論

a. 受蘇南運河影響的湖西區5條主要入湖河流(太滆運河、漕橋河、太滆南運河、社瀆港、陳東港)2011年污染物入湖總量COD為87910t、氨氮為8983t、TN為30306t、TP為1153 t,其中,太滆運河的入湖污染物通量值最大。

b. 作為上游來水,蘇南運河對湖西區主要入湖河流污染物通量的整體貢獻率約23%,其中,對太滆運河污染物通量的貢獻率最大,約42%,漕橋河次之,約23%,對太滆南運河、社瀆港、陳東港污染物通量的貢獻率由北向南依次減小。

參考文獻：

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創刊30周年特刊緊急征稿進展

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