浙江溫黃平原典型河流水質改善方案研究

逄　勇,王瑤瑤,胡綺玉

(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)

浙江溫黃平原典型河流水質改善方案研究

逄勇1,2,王瑤瑤1,胡綺玉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：選取臺州市東官河作為浙江溫黃平原典型河流的代表,構建MIKE11河網水環境數學模型,基于水量、水質同步實測數據對模型進行率定驗證。為保證東官河控制斷面水質達標,綜合考慮水文條件、污染物削減和引水3個方面因素,提出了9套研究區域模型計算方案。結果表明,近期區域內污染物削減60%,控制長潭水庫調水量為2 000萬m3時,東官河水質可達Ⅳ類;遠期區域內污染物削減90%時,東官河水質基本可達Ⅲ類即功能區水質目標。本研究旨在為東官河水環境綜合整治提供技術支撐。

關鍵詞：水質;水量;水環境數學模型;模型率定;污染物削減;東官河;溫黃平原;浙江省

東官河位于浙江省臺州市,主要流經臺州市黃巖區以及椒江區城區,是臺州市金清水系中的主要河流。東官河不僅擔負行洪排澇的重任,也是下游市區以及平原河網區優質水源的輸送通道。近年來,東官河由于管理不善,開始出現河道底泥淤積、斷面縮窄的現象。再加上河流沿岸居民生活污水和企業廢水未接入污水處理廠,垃圾亂堆亂放,致使河道防洪排澇功能下降,水體發黑發臭,生態環境急劇惡化,一度被當地人稱為“黃巖黑河”。為有效改善東官河水質,提升人民生活質量和城市形象,開展東官河水環境綜合整治任務十分迫切。

1925年, Streefer等[1-2]提出了BOD/DO水質模型及其衍生定常模型后,一維非穩態水質模型得到迅速發展。近幾十年來,QUASAR[3-4]、MIKE系列[5]、QUAL系列[6]等商業模型不斷應用在實際的水環境模擬與預測過程中，其中,MIKE模型由于其操作簡便、功能完善,被國內外學者廣泛應用于眾多科研項目和實際工程中,展現了該模型數值模擬方面的強大功能[7-8]。朱茂森等[9]采用MIKE11軟件建立遼河流域水環境數學模型,計算出遼河流域污染物排放限值;付浩等[10]建立太湖重污染區水環境數學模型,分析不同水污染控制方案下TN改善效果。

平原河網地區城市內河河流水環境質量主要受不同水文條件、污染物排放和境外來水3個因素影響。目前,國內外學者對水環境整治研究多采用某一水文條件,單一考慮總量控制和引水方案對水環境的改善效果。孫衛紅等[11]對不同污染物削減情況下通呂運河控制斷面水質達標情況進行分析;盧士強等[12]針對上海平原河網感潮河網的特點,對不同調水方案下主要河流水質情況進行分析;王雪等[13]建立禿尾河流域水環境數學模型,對最枯月90%、97%水文保證率條件下的重要控制斷面進行水質達標分析。大多學者研究多只針對單一或兩個影響因素進行分析,將三者之間有機結合起來協同考慮的研究相對較少。

筆者基于研究區域水量、水質同步監測,建立東官河一維非穩態水環境數學模型,考慮在90%、75%的水文保證率條件下,從污染物削減和引水兩個方面設計了9套水質改善計算方案,并進一步提出改善東官河水質的方案。

1研究區概況

東官河橫跨浙江省臺州市黃巖區(江口街道、東城街道、南城街道、西城街道)和椒江區(葭芷街道),全長17.425 km,其中11.02 km位于黃巖區,從黃巖的西江匯起,經黃巖城區直至椒江的永寧河,現狀河寬6.5～25 m,現狀底高程-0.9～3.3 m,河道總長17.425 km。河流沿線分布有南官河、海門河、雙龍河等23條支流。平原河網地區修建有大量閘控水利工程,其中研究范圍內主要涉及的閘壩有壩頭閘、山頭徑閘、柵浦閘、葭沚閘和江城排污閘,具體水系分布情況和閘壩位置分布見圖1(粗線河網表示本次野外調水的主干河網)。

2水量水質同步監測及水環境數學模型建立

2.1水量水質同步監測

為確定水體的流動情況以及水文水質的各項參數,在2012年1月8—13日開展了一次大規模的水量水質同步監測試驗,本次在研究區域內共布設18個監測斷面,監測點位見圖1。水文監測因子主要為流速、流量、水深和斷面寬度等,水質監測因子為COD和NH3-N,實測數據時間尺度主要與閘壩開啟情況和監測頻率有關。采樣和分析方法是按照HJ/T 91—2002《地表水和污水監測技術規范》和《水和廢水監測分析方法》的有關規定和要求進行。

2.2水環境數學模型建立

2.2.1基本方程

a. 水動力模型基本方程。水動力模型基本方程是在質量守恒和動量守恒基礎上,運用描述河流水流運動的圣維南方程組,并在此基礎上增加考慮了漫灘和旁側入流。

(1)

(2)

式中:Q為流量,m3/s;Bw為調蓄寬度,指包括灘地在內的全部河寬,m;z為水位,m;x為沿水流方向的空間坐標,m,;t為時間坐標,s;q為旁側入流單寬流量,入流為正,出流為負,m2/s;α為動力系數，一般取1；A為主槽過水斷面面積,m2;g為重力加速度,m/s2;C為謝才系數;R為水力半徑,m。

方程組求解方法采用Abboptt-lonescu六點隱式有限差法,該方法具有穩定性好、計算精度高的特點,離散后的線性方程組用追趕法求解[14]。

b. 水質模型基本方程。污染物在水中的分布與濃度主要取決于自身的降解、隨水流的運動以及污染物的擴散。水質模型采用一維河流水質對流擴散方程:

(3)

式中:ρ為污染物質量濃度,mg/L;D為縱向擴散系數,m/s;K為線性衰減系數,1/d;ρ2為源匯項質量濃度,mg/L。

2.2.2河網概化及邊界選取

將東官河所在區域內局部河網進行概化,主要河道包括南官河、東官河、永寧河、海門河等,共設置8個邊界條件,其中4、7、10、12、16、18這6個邊界為開邊界,模型計算時采用水文同步監測數據作為邊界條件;0、1號邊界由于閘門是封閉的,故將其設為閉邊界。水質條件則采用調水期間鄰近的例行監測斷面監測數據。具體概化情況見圖2。河道的斷面形狀采用同步監測時測量的大斷面數據。

圖2　研究區域河網概化及邊界信息

2.2.3參數率定

利用2012年1月8—13日水量水質同步監測數據對河道糙率和各項水質降解參數進行率定,確定所構建的模型對研究區域內水環境數學模擬的適宜性。

a. 水動力參數率定[15]。利用研究區域內2、3、6、9號斷面流量計算值與實測值進行對比,率定得到河道糙率為0.03。計算結果顯示2、3、6、9號斷面流量計算值與實測值相對誤差依次為0.7%、1.57%、9.83%、3.28%,說明模型適宜于該地區水動力模擬。

b. 水質參數率定。利用研究區域內1、2、3、5、6、8號斷面水質計算值與實測值進行對比,率定得到研究區域內COD的降解系數為0.1～0.12d-1,NH3-N的降解系數為0.08～0.1d-1。計算結果顯示COD的相對誤差均小于11.36%,平均誤差為9.43%;NH3-N的相對誤差均小于12.13%,平均誤差為8.62%,計算結果與實測結果吻合較好,說明模型參數適用于該地區水質模擬。部分斷面計算值與實測值對比結果見圖3和圖4。

圖3　不同日期零點時1、3、5號斷面ρ(COD)計算值與實測值對比

圖4　不同日期零點時1、3、5號斷面ρ(NH3-N)計算值與實測值對比

3基于控制斷面水質改善的總量控制方案

3.1方案制定

針對東官河所處的地理位置以及其水質特性,并結合《臺州市水環境專項治理規劃》和《東官河綜合整治方案》等提出的治理措施,考慮東官河污染削減情況與區域外引調水,并同時結合75%和90%水文保證率條件下的設計水量和近遠期治理目標,本文設計了9種計算方案,采用已建立的水環境數學模型對東官河各控制斷面水質進行預測。具體計算方案詳見表1。

表1　東官河水環境控制計算方案

表1中長潭水庫補水量的確定是根據長潭水庫補給溫黃平原的生態環境水量足以將河網正常蓄水位與最低控制水位間的水體置換約1～2次來計算,約需要2 000萬～3 000萬m3/a的水量,本文計算時取較不利情況補水量2 000萬m3/a。

3.2計算結果

利用已建立的東官河水環境數學模型,模擬9種計算方案對東官河沿線各斷面各項水質的改善情況。選取處于椒江區和黃巖區交界的1號斷面、處于椒江區中心的3號斷面和處于椒江區下游入椒江口的4號斷面作為控制斷面,這3個斷面在9個方案條件下的ρ(COD)和ρ(NH3-N)預測結果見圖5和圖6。

圖5　9種計算方案下COD質量濃度預測結果對比

圖6　9種計算方案下NH3-N質量濃度預測結果對比

3.2.1近期方案計算結果及分析

方案1～3是在枯水年(90%水文保證率年份)條件下進行計算分析。方案1維持現狀污染物排放情況下,3個斷面COD的質量濃度基本在30 mg/L以內,但是NH3-N質量濃度較高,各斷面水質在V類及劣V類水平,沿程水質不斷惡化;方案2對區域污染物削減率達到60%,模擬結果表明各項指標質量濃度值均有一定程度的下降,各斷面水質基本可達V類,且沿程水質惡化程度有所緩解;方案3在污染物削減60%的基礎上,控制長潭水庫枯水期生態補水量2 000萬m3清水,計算結果表明,東官河水質進一步好轉,各斷面水質基本可達Ⅳ類。

方案4～6是在正常年份(75%水文保證率年份)條件下進行計算分析。在方案4正常年份且維持現狀污染物排放情況下,各斷面水質在V類及劣V類水平,且沿程水質不斷惡化;方案5對區域污染物削減率為60%的情況下,各項指標質量濃度值均有一定程度的下降,東官河至市區的交接斷面水質可達Ⅳ類,但是部分沿程斷面水質仍為V類;方案6在污染物削減60%的基礎上,控制長潭水庫枯水期生態補水量2 000萬m3清水,計算結果表明東官河水體污染物質量濃度持續下降,各斷面水質均可達Ⅳ類水平。

3.2.2中遠期方案計算結果及分析

考慮近期方案兩種水文保證率下的計算結果,各斷面的平均水質差別不大,只是隨降雨和流量的變化,質量濃度曲線的變化情況有較大的出入,且75%水文保證率更符合實際情況,中遠期污染控制措施制定時只考慮了75%水文保證率的計算工況。

方案7考慮區域污染物削減75%的情況下,東官河上各斷面水質在Ⅳ類水平左右,但距離達到水功能區的要求還有一定的差距,主要污染指標為NH3-N;方案8對區域污染物進一步進行削減,削減率達到90%時,模擬結果表明東官河沿線斷面水質進一步提升,水質接近Ⅲ類水平;方案9在污染物削減75%的基礎上,控制長潭水庫枯水期生態補水量2 000萬m3清水,計算結果表明東官河水體污染物質量濃度進一步下降,進入市區斷面(1號)時水質基本可達Ⅲ類水平,市區沿線斷面(3號、4號)水質接近Ⅲ類水平。

3.2.3推薦方案的水質可達性分析

滿足近期區域水環境質量改善要求,不論在枯水年份還是正常降水年份,現狀區域內污染物削減率達60%,東官河與市區的交界斷面水質可達Ⅳ類水平,控制長潭水庫生態引水量為2 000萬m3,東官河整條河的水質均可達Ⅳ類要求。綜合考慮技術經濟的可實現性,推薦近期可先采用方案6來實現東官河水質的改善。

滿足中遠期區域水環境質量改善要求,可通過進一步加快污染處理設施的建設速度，提高實施效率,在區域內污染物削減率達90%時,東官河水質可穩定達到Ⅳ類水接近Ⅲ類水的要求;在區域污染物削減率達75%并配合長潭水庫引調水,東官河各斷面水質平均值均優于方案8的計算結果,水質更加接近Ⅲ類目標,但是，由于調水期和非調水期水質的跳躍較大,因而綜合考慮之后推薦方案8作為遠期的控制方案。

4結論

a. 利用MIKE11構建東官河河網水環境數學模型,基于水量、水質同步實測數據對模型進行率定驗證,得到研究區域內河道糙率為0.03,COD降解系數為0.1～0.12d-1,NH3-N的降解系數為0.08～0.1d-1,率定結果表明模型計算值與實測值能較好吻合,可用于模擬東官河河網水量水質變化過程。

b. 利用構建的東官河水環境數學模型,考慮水文條件、污染物削減和引水3個方面因素,提出了9套計算方案對東官河控制斷面水質進行預測。結果表明,枯水年份和正常年份2種水文保證率下各斷面平均水質差別不大,只是受降雨和流量的變化,水質濃度曲線變化趨勢不同;近期區域內僅單純依靠污染物削減率不能完全解決東官河水質改善要求,需同時配合長潭水庫調水,當區域內污染物削減60%且長潭水庫調水量為2 000萬m3時,東官河控制斷面水質可達Ⅳ類;遠期區域內污染物削減率達90%時,東官河水質基本可達Ⅲ類即功能區水質目標。

c. 平原河網地區城市內河河流污染物排放量較大,當污染物削減情況不能滿足水體凈化能力時,通過合理控制河網內的閘壩,調取優質水源進入河網中,可以在短時間內增強水體的流動性,有效對河水進行稀釋,降低河道內各類污染物的濃度,具有立竿見影的效果。當污染物削減量進一步增加時,單純通過污染物削減措施即可滿足水環境的改善目標,因此開展東官河水環境整治,主要是對東官河周邊各項污染物開展截污工程和削減措施,減少污染物入河量,使東官河水質得到根本治理。

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Research on water quality improvement scheme for a typical river in Wenhuang Plain in Zhejiang Province

PANG Yong1,2, WANG Yaoyao1, HU Qiyu1

(1.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourcesDevelopmentonShallowLakesofMinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：In this study, the Dongguan River in Taizhou City was selected as a typical river of the Wenhuang Plain, in Zhejiang Province. The MIKE11 water environment mathematical model was established, and then calibrated and validated based on simultaneously monitored data of water quality and quantity. In order to ensure that the water quality in the control section of the Dongguan River would reach the standards, nine schemes for model calculation in the research area were used with comprehensive consideration of hydrologic factors, pollutant reduction, and water transfer. According to the results, in the recent period, as the proportion of pollutant reduction reached 60%, and the amount of water transferred from the Changtan Reservoir reached 20 million cubic meters, the water quality of the Dongguan River reached the grade Ⅳ level. For a long period, as the proportion of pollutant reduction reached 90%, the water quality of the Dongguan River almost reached the grade Ⅲ level, meeting the functional area requirement. This study aims to provide technical support for comprehensive environmental improvement of the Dongguan River.

Key words：water quality; water quantity; water environment mathematical model; model calibration; pollutant reduction; Dongguan River; Wenhuang Plain; Zhejiang Province

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.021

基金項目:國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07506-002)

作者簡介:逄勇(1957—),男,教授,主要從事環境規劃與綜合評價研究。E-mail:pangyonghhu@163.com

中圖分類號：X506

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0100-06

(收稿日期：2016-01-05編輯：彭桃英)