平原感潮河網地區水環境容量研究
——以張家港市為例

徐 飛， 周 飛， 沈 樂

(江蘇省水文水資源勘測局南京分局，江蘇 南京 210008)

平原感潮河網地區因其特殊的地理位置,經濟發達,污染物排放量較大;但與山丘河道相較,又存在水動力條件不足,河道自凈能力較弱,水流往復,污染物易于擴散等特點。因此,針對其水動力和水環境特征,進行合理的水環境容量計算,進而為污染物總量控制提供科學的依據,對緩解當地經濟發展與水環境保護之間的矛盾意義重大。張家港市是典型的平原感潮河網地區,經濟發達、人口密集、河道密布,高頻的人類生產生活也帶來了較為嚴重的水環境污染問題。且由于河網縱橫、河床比降小、水流往復,水體往往自凈能力較差。因此,對張家港市進行水環境容量計算研究十分必要,可為污染物總量控制提供科學依據。

1 研究方法

1.1 構建水環境數學模型

基于當地河道斷面、水位、流量等水文資料及污染物調查情況,概化河網,建立研究區域水量水質模型。本次水動力模型采用圣維南方程組(式1)進行計算,水質模型采用污染物對流擴散方程(式2、式3)進行計算。

(1)

其中,Q為河流流量,m3/s;x為沿水流方向的空間坐標,m;BW為調蓄寬度,m;Z為河道水位,m;t為時間坐標,s;q為支流入流流量(流入為正,流出為負),m3/s;u為斷面平均流速,m/s;g為重力加速度,m/s2;A為主槽過水斷面面積,m2;B為主流斷面寬度,m;n為河道糙率;R為水力半徑,m。

(2)

(3)

其中,Q為河道流量,m3/s;Z為河道水位,m;A為河道面積,m2;Ex為縱向分散系數;C為水流輸送的物質濃度,mg/L;Ω為河道叉點節點的水面面積,m2;j為節點編號;I為與節點j相關聯的河道編號;Sc為與輸送物質濃度相關的衰減項;Kd為衰減因子;S為外部的源匯項。

1.2 參數率定與驗證

通過野外調水試驗,利用先進的在線監測設備進行水量水質同步監測,從而獲得一系列的水文、水質實測數據,在此基礎上對張家港市河道的糙率、水質綜合降解系數等參數進行率定和驗證。

1.3 水環境容量計算

本文采用總體達標法[12]對張家港市水環境容量進行計算。選取90%保證率枯水年最枯月平均流量作為設計水文條件,根據研究區水環境功能區劃水質達標要求,計算概化主干河網的水環境容量,水環境容量計算公式如式4、式5所示:

(4)

Wij環境容量=Q0ij(Csij-Coij)+KVijCsij

(5)

其中,αij為不均勻系數;Q為進口斷面入流流量,m3/s;Csij為該水體的目標水質,mg/L;Coij為進口斷面水質濃度,mg/L;K為水質降解系數,d-1;V為水體體積,m3。

由于研究區河網受潮汐影響,水流往復方向不固定,故取設計水文條件下的最枯月正向流、逆向流和流量為0時候的平均值作為水環境容量,詳細計算如公式6所示:

W=(W1×d1+W2×d2+W3×d3)/d

(6)

其中,W為往復流河道環境容量,t/d;d為最枯月天數,d;W1、W2、W3為分別為正向流、逆向流和流量為0時候的水環境容量,t/d;d1、d2、d3為分別為正向流、逆向流和流量為0時候的天數,d。

2 水環境容量計算

2.1 模型構建

本文采用節點、河網、斷面三種參數來進行河網概化,為提高河網計算的精度,本文在確保河道長度、坡降、流量、水位、水利工程基本與實際相符的前提下,將張家港復雜水系概化成367條河道。

2.2 模型率定和驗證

本文設定模型外部邊界為朝東圩港、一干河等,采用野外同步水量水質監測值進行計算,長江邊界來水按Ⅲ類水標準值輸入模型。通過模型率定,部分代表監測點位水量、水位實測值和模擬值結果對比詳見圖1、圖2。

圖1 水動力模型水量實測值與模擬值對比圖

圖2 水動力模型水位實測值與模擬值對比圖

由圖1、圖2可知，代表監測點位流量和水位模型計算值與實測值均較為吻合，由圖1、圖2可知,各監測點位流量和水位模型計算值與實測值均較為吻合,其中流量的相對誤差在30%以內,故本文判定該水動力模型可基本模擬研究區的水動力過程,且根據率定結果得出現狀河道糙率取值范圍為0.01～0.04。

本文采用原型引調水實驗的同步監測值對水質模型進行率定。為調高計算的精確性和穩定度,時間步長t設置為15s。根據實地污染源調查,將全市范圍內共計127家企業、22家生活及工業污水處理廠排污口概化成102個集中排污口,將約514家畜禽養殖場排污口概化成173個排污口,加入水質模型中,調整各參數,使代表監測點的模擬值與實測值趨于吻合。最終通過水質模型率定,COD、氨氮的模擬值和實測值對比詳見圖3、圖4。

圖3 COD濃度實測值與模擬值對比圖

圖4 COD濃度實測值與模擬值對比圖

根據圖3、圖4可知，率定后的水質模型COD、氨氮模擬值與野外實測結果吻合度良好,相對誤差均小于40%,結果表明該水質模型基本可模擬研究區污染物遷移過程。根據水質模型率定結果得出COD和氨氮降解系數取值范圍分別為0.04～0.08/d和0.03～0.08/d,縱向擴散系數為2.5m2/s。

3.3 水環境容量計算

張家港市共有37個水環境功能區,其中長江張家港飲用、工業用水區和一干河張家港飲用水源區水質要求為Ⅱ類,不參與本次水環境容量計算,故本文只有35個功能區的水環境容量計入最終測算結果,水質目標詳見表1。根據張家港市水污染調查結果和水環境管理目標,本文選取COD和氨氮作為特征污染物計算水環境容量。

表1 張家港市各水環境功能區環境容量

本文采用P-III型曲線對獲取的張家港市1967-2013年的多年月平均降水量長序列資料進行水文頻率分析,計算得到90%枯水年典型年為1971年,再依據太湖流域相關測站水位資料選取1971年最枯月2月的平均水位作為計算水位。由于一些河道受到潮汐影響易于形成往復流,故對于流向不定的河道采用流量為0時的設計水位對應的水量作為設計流量。

最終,利用總體達標法計算得出張家港市各主干河道的水環境容量,進而得出各水環境功能區環境容量,詳細結果見表1。此外功能區外主要河道COD和氨氮的環境容量分別為9132.5t/a和564.3t/a,故張家港全市COD和氨氮水環境容量為分別為43742.9t/a和3527.6t/a。

4 結 論

平原河網地區由于污染物排放量較大且水體自凈能力不足,往往水污染嚴重,對其進行污染物總量控制十分必要。本文通過建立張家港市水量水質模型,并利用野外高頻在線監測數據對水環境數學模型進行了率定驗證,結果顯示模型擬合度較高,基本可用于描述研究區水量水質過程,從而確定了現狀河道糙率和水質綜合降解系數,其中COD和氨氮降解系數取值范圍分別為0.04～0.08/d和0.03-0.08/d。在此基礎上,通過對長序列資料的水文頻率分析得出90%保證率典型年最枯月為1971年2月,并選取其作為計算水文條件,根據境容量,最終得出張家港市現狀水環境容量COD為43742.9t/a,氨氮為3527.6t/a。建議以此為約束條件,通過加快城鎮污水處理配套設施建設、促進工業企業優化工藝達標排放、加強農業面源污染整治力度等有效手段,一方面從源頭減少污染物排放,另一方面提高污水處理率,從而有效削減污染物排放總量,切實改善張家港市水環境質量。