基于控制斷面水質達標的高郵湖水環境容量研究

孫衛紅,韓龍喜

(1.江蘇省環境工程重點實驗室 江蘇省環境科學研究院, 江蘇 南京 210036;2.河海大學，江蘇 南京 210024)

1 引言

《排放水污染總量控制技術規范》中對水環境容量作如下定義:將給定水域和水文、水力學條件，給定排污口位置，滿足水域某一水質標準的排污口最大排放量，叫做該水域在上述條件下的所能容納的污染物質總量，通稱水域允許納污量或水環境容量[1]。在水環境容量計算方面，面對不同的河流、湖泊，運用不用的計算方法，已有豐富的研究成果[2～8]。高郵湖是江蘇省第三大湖，地跨江蘇、安徽兩省，高郵湖湖體水質狀況一直受到廣泛關注。本文通過高郵湖二維水量水質數學模型，建立基于高郵湖控制斷面水質達標的水環境容量計算方法。通過對高郵湖水環境容量進行計算，可針對性地采取相應措施削減區域內各污染源的排放量，這對改善高郵湖水環境質量有重要意義。

2 研究區域及概況

高郵湖水域總面積為760.67 km2[9]，水位 5.55 m時，水域面積648 km2，葦灘和堤壩面積112.67 km2。本次研究范圍主要為江蘇省部分及主要入湖河道，由京杭運河西岸、金寶航道南岸、入江水道改道段、高郵湖堤岸以及南部高郵的行政邊界線圍成的區域，主要包括高郵市菱塘鄉、送橋鎮、高郵街道、界首鎮；金湖縣的閔橋鎮、塔集鎮、銀涂鎮、寶應湖農場、復興圩農場、金湖縣灘涂開發公司；寶應縣的金寶漁業村。研究范圍及水系見圖1。

3 基于控制斷面水質達標的水環境容量計算模型的構建

3.1 二維水動力模型

3.1.1 控制方程

研究區區域為開闊水域，采用非穩態的深度平均二維水流連續方程及動量方程描述水流流場，二維非恒定淺水運動方程為[10]：

圖1 研究范圍及水系

(1)

式(1)中：t—時間坐標；x、y—縱向、橫向坐標；g—重力加速度；f—柯氏系數；zy—床面高程；h—垂線水深；z—水位；u、v—x、y方向的垂線平均流速；n—河床糙率；ε—紊動粘性系數。

3.1.2 求解方法

由于計算區域邊界彎曲為不規則邊界，故采用邊界擬合坐標技術對模擬區域進行坐標變換。坐標變換后可將X-Y平面上不規則的物理區域變換為坐標系下的矩形區域。變換關系如下：

(2)

式(2)中，P、Q—調節函數。ξ—η坐標系下的水動力方程為:

(3)

式(3)中，J=xξyη-xηyξ用有限體積法對變換后的方程(3)進行離散，采用交錯網格技術，用ADI法對方程組進行數值求解，計算得到各個控制節點的水位、垂線平均流速。

3.2 二維水質模型

3.2.1 控制方程

水質數學模型模擬評價區域水質濃度的時空變化。控制方程為垂線平均的二維對流分散方程[11,12]：

(4)

式(4)中：C—污染物濃度；t—時間坐標；u、v—縱向、橫向流速；EX—縱向分散系數；EY—橫向分散系數；K—自凈系數；S—污染物源強。

3.2.2 求解方法

將上述方程變換為ξ—η正交曲線坐標系下的對流分散方程。采用有限體積法離散控制方程，并進行數值求解，得到各個控制節點的濃度數值。

3.3 水環境容量計算模型

依據水功能區水質邊界條件，在設計水文條件下，滿足高郵湖控制斷面水質達標要求的污染物總量即為高郵湖水環境容量。其計算公式如下：

(5)

式(5)中：W為湖泊水環境容量；Cs為控制斷面水質目標標準限值；Cg為各入湖河道及污染源對控制斷面水質貢獻值；P為污染物入湖通量。

4 高郵湖水環境容量計算

4.1 高郵湖水質保護目標

根據《江蘇省水污染防治工作方案》(蘇政發[2015]175號)和《市政府關于印發高郵市水污染防治工作實施方案的通知》(郵政發〔2016〕186號)，高郵湖內控制斷面近大汕退水閘按Ⅲ類標準控制，主要控制超標因子為TN、TP，濃度值為1.0 mg/L、0.05 mg/L。

4.2 高郵湖河網概化

本次以研究區域內高郵湖及其周邊入、出湖河道為研究對象。高郵湖二維模型計算網格采用不規則三角形網格，湖體網格邊長500 m，湖心與入湖出湖附近局部加密，加密網格邊長300 m，二維模型共5417個計算節點，9938個計算網格，計算區域網格劃分見圖2。

圖2 高郵湖二維模型計算網格示意

5 模擬結果及分析

5.1 控制斷面TN 、TP污染源解析

基于已構建的水量水質模型，模擬計算時長為1年，期間各污染源對控制斷面水質的濃度貢獻是逐日變化的，取90%保證率時的污染源對斷面的濃度貢獻值計算貢獻率，模擬結果見表1。

表1 近大汕退水閘斷面TN、TP濃度的污染源解析

根據數據分析，高郵湖近大汕退水閘斷面TN主要貢獻源除入湖河道占比52.51%外依次為銀涂鎮等農業面源占比40.63%、銀涂鎮等散排生活污水面源占比4.49%;高郵湖近大汕退水閘斷面TP主要貢獻源除入湖河道占比77.46%外依次為銀涂鎮等農業面源占比18.37%、塔集鎮等農業面源占比2.89%。

5.2 水環境容量計算結果及分析

污染物理論削減率計算公式如下：

理論削減量=

(6)

利用水環境容量計算公式，得到高郵湖TN、TP水環境容量，見表2。

表2 高郵湖水環境容量及污染物理論削減率

5.3 控制斷面水質達標分析

研究區域內采取各項綜合整治工程可削減TN為872t/a，TP為101t/a。通過二維水量水質模型模擬，高郵湖近大汕退水閘控制斷面TN和TP濃度值全年90%情況下均可以實現Ⅲ類標準的水質目標，結果見圖3。

圖3 工程措施實施后控制斷面濃度

6 結語

本文通過高郵湖二維水量水質數學模型，建立基于高郵湖控制斷面水質達標的水環境容量計算方法。根據研究區域內各污染源對控制斷面水質的濃度貢獻率，計算高郵湖水環境容量TN、TP分別為2125.64 t/a、138.39 t/a，并得出高郵湖近大汕退水閘斷面水質超標因子TN、TP污染源削減率分別為29.48%、41.82%,通過采取有效措施削減區域內污染源TN、TP分為872 t/a、101 t/a，運用二維水量水質模型模擬控制斷面水質濃度TN、TP分別可達到1.0 mg/L、0.05 mg/L。此方法具有很高的實用性與可操作性，可為基于污染物總量控制的環境規劃或區域環境綜合整治規劃提供科學依據。