張舒羽，程杭平

（浙江省水利河口研究院，杭州 310020）

杭州市新取水口水質(zhì)論證

張舒羽，程杭平

（浙江省水利河口研究院，杭州 310020）

杭州市為抵御咸潮，滿足日益增長的用水需求，計(jì)劃將自來水取水口由珊瑚沙上移至里山位置。在規(guī)劃期里山取水口的水質(zhì)能否達(dá)到飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是公眾關(guān)心的問題。在分析里山河段現(xiàn)狀水質(zhì)的基礎(chǔ)上，借助Mike21軟件，進(jìn)行了錢塘江多站位水文及水質(zhì)的驗(yàn)證，計(jì)算了規(guī)劃期里山取水口附近的水質(zhì)情況，并通過改變上游徑流量、上游來水水質(zhì)、下游潮汐條件、污染負(fù)荷控制情況對(duì)里山取水口的水質(zhì)影響作敏感性分析，從而論證在里山位置設(shè)置取水口的合理性。通過計(jì)算分析表明，在規(guī)劃期的排污條件下，上游枯水流量遭遇下游小潮時(shí)，里山河段的水質(zhì)指標(biāo)CODMn接近二類水體臨界值，為確保飲用水的質(zhì)量，需削減城鎮(zhèn)污染負(fù)荷的排放。上游徑流量、上游來水水質(zhì)、下游潮汐條件、污染負(fù)荷的改變對(duì)里山取水口水質(zhì)的影響敏感。

水質(zhì)預(yù)測；數(shù)學(xué)模型；取水口

杭州市自來水供水水源85%取自錢塘江，而每年7－11月錢塘江都要受到大潮的影響，當(dāng)江水含氯度超過250×10－6時(shí)，將不能再作為飲用供水水源［1］。隨著城市的發(fā)展，用水量日益增加。目前，作為主要水源的珊瑚沙水庫及其取水口的含氯度指標(biāo)只有80%的保證率，將不能滿足日益增長的用水需求。為提高供水保證率，計(jì)劃將取水口再移至上游12 km處的里山（圖1）。

據(jù)調(diào)查，錢塘江兩岸均設(shè)有排污口，在規(guī)劃年（2010年）里山位置的水質(zhì)能否達(dá)到飲用水水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)是公眾關(guān)心的問題。本文通過收集水文水質(zhì)資料，借助Mike21水質(zhì)模型，預(yù)測規(guī)劃期里山位置的水質(zhì)情況，并對(duì)上游徑流量、上游來水水質(zhì)、下游潮汐條件、污染負(fù)荷的改變等情況作敏感性分析［2］。

圖1 里山取水口平面位置圖Fig.1 The sketch of Lishan W ater Intake

1 里山河段現(xiàn)狀水質(zhì)

水質(zhì)監(jiān)測資料包括為取水工程專門所測的資料和常規(guī)測驗(yàn)站的資料。

從收集的資料來看，里山河段枯水期NH3-N為II－III類，劣于平水期（總體II類）；枯水期總磷總體為II類，優(yōu)于平水期（II－III類）；CODMn和CODCr在2個(gè)水期總體基本相當(dāng)，為I－II類；平水期總氮指標(biāo)較高，為V－劣V類。分析原因可能是平水期下泄流量大，水環(huán)境稀釋擴(kuò)散作用優(yōu)于枯水期，因此平水期NH3-N水質(zhì)優(yōu)于枯水期，而平水期總氮和總磷指標(biāo)較高，可能是徑流量增大，帶入農(nóng)業(yè)面源增加所造成。

2 水質(zhì)模型介紹

采用丹麥水力學(xué)研究所研制的平面二維數(shù)值模型Mike21研究工程區(qū)域的潮流和污染物對(duì)流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。該模型計(jì)算軟件具有算法可靠、計(jì)算穩(wěn)定、界面友好、前后處理方便等突出優(yōu)點(diǎn)，并在70多個(gè)國家得到應(yīng)用。

潮流模型包括1個(gè)連續(xù)性方程和2個(gè)動(dòng)量方程?；痉匠虨椋?/p>

式中：ζ為潮位，即水面到某一基準(zhǔn)面的距離；p，q分別為x，y方向上的垂線平均流量分量；u，v分別為x，y方向上的垂線平均流速分量；h為水深；g為重力加速度；Ω為柯氏力參數(shù)；C′為謝才系數(shù)；E為渦動(dòng)粘性系數(shù)；t為時(shí)間；C為沿程平均污染物濃度；Dx，Dy分別為x，y方向上的擴(kuò)散系數(shù)；Qs為污水排放流量；Cs為污水排放濃度；As為排放口位置的流體微團(tuán)面積，在數(shù)值計(jì)算中取x，y向網(wǎng)格寬度的乘積。

上述方程組的初始條件：

根據(jù)上述定解條件，Mike21軟件采用交替方向隱格式（ADI）求解二維淺水潮波方程，方程矩陣采用雙向消除（Double Sweep）算法求解。

3 模型驗(yàn)證

二維上邊界取在上游窄溪，下邊界選在錢塘江閘口站。模型采用矩形網(wǎng)格，空間步長為50m×100m，時(shí)間步長5 s，江道地形采用2004年實(shí)測地形。

枯水期驗(yàn)證采用2004年1月的資料，平水期驗(yàn)證采用2004年9月的資料?，F(xiàn)狀條件下，模型范圍內(nèi)污水總量為95萬t／d，CODCr排放量為95 t／d，富陽漁山江段NH3-N排放量為1.73 t／d。計(jì)算中，CODCr與CODMn的換算值取2.5。各監(jiān)測斷面的水質(zhì)驗(yàn)證結(jié)果見表1。

通過水流、水質(zhì)的數(shù)值模擬和驗(yàn)證表明，本文所建立的數(shù)學(xué)模型基本能反映錢塘江河道的實(shí)際情況，驗(yàn)證結(jié)果合理可靠，率定的參數(shù)可用于設(shè)計(jì)潮型下的水質(zhì)預(yù)測。

表1 水質(zhì)驗(yàn)證結(jié)果Table 1 Verification result of water quality

4 規(guī)劃期水質(zhì)計(jì)算及敏感性分析

4.1 規(guī)劃期水質(zhì)計(jì)算

按照國家規(guī)范，水環(huán)境評(píng)價(jià)必須要在上游流量85%～90%設(shè)計(jì)保證率的水文條件下，其水質(zhì)仍能滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)計(jì)上游富春江電站多年徑流量，保證率在90%的徑流流量為300 m3／s，但近兩年，水資源日趨緊張，小于200 m3／s的流量頻頻出現(xiàn)，針對(duì)具體情況，本著慎重的態(tài)度，認(rèn)為對(duì)于杭州市的重要水源保護(hù)區(qū)宜采用保證率95%的流量為妥，其值為200 m3／s。

小潮稀釋水體較少，污染物排放口形成的混合區(qū)濃度高，影響較大。因此，取小潮汛作為下邊界是最不利的工況條件。

規(guī)劃期，富陽至小沙江段南北岸的負(fù)荷之比約為8∶1。江北片污水總量為15.7萬t／d，CODCr排放量為9.5 t／d，較現(xiàn)狀污染負(fù)荷增幅為25%；江南片污水總量為76萬t／d，CODCr排放量為75.2 t／d，較現(xiàn)狀污染負(fù)荷增幅22%。江北片NH3-N排放量為2.35 t／d，江南片NH3-N排放量為4 t／d。

對(duì)于污染物CODMn，模型范圍內(nèi)所有污染源都有其對(duì)應(yīng)的規(guī)劃期負(fù)荷，因此可以計(jì)算絕對(duì)值。對(duì)于污染物NH3-N，僅收集到富陽漁山江段的規(guī)劃期負(fù)荷，缺乏其他眾多污染源的NH3-N負(fù)荷，因此NH3-N的計(jì)算采用“增量法”，集中反映富陽城鎮(zhèn)污水排放對(duì)于杭州市飲用水源保護(hù)區(qū)的“貢獻(xiàn)值”。

表2為上游枯水流量遭遇下游小潮時(shí)在里山取水口水源保護(hù)區(qū)的CODMn和NH3-N增量全潮平均值?？梢?，規(guī)劃期保護(hù)區(qū)上游斷面（取水口上游4 km）的污染物CODMn值為4.00 mg／L，保護(hù)區(qū)下游斷面（取水口下游3 km）的CODMn值為3.98 mg／L，總體接近Ⅱ類水體的臨界值；NH3-N全潮濃度增量為0.12 mg／L。

表2 規(guī)劃期排污量下里山取水口水源保護(hù)區(qū)的水質(zhì)情況Table 2 Water quality of Lishan Water Intake at Water Source Protection Area in programm ing pollution load mg／L

4.2 敏感性分析

里山取水口的水質(zhì)與上游徑流量、上游來水水質(zhì)、下游潮汐條件、污染負(fù)荷控制情況有一定的關(guān)系，但具體的敏感性如何，需要方案計(jì)算進(jìn)行確定。本文擬定了7種工況，以CODMn指標(biāo)為例，分析不同條件下的水質(zhì)敏感性，具體的工況設(shè)置和計(jì)算的成果見表3。

4.2.1 富陽南片污染負(fù)荷削減對(duì)保護(hù)區(qū)水質(zhì)的影響

通過方案1，2，3的比較，分析污染負(fù)荷削減對(duì)取水口水質(zhì)的影響。方案1為規(guī)劃期負(fù)荷的工況，和現(xiàn)狀相比，江北片CODcr負(fù)荷增幅25%；江南片CODcr負(fù)荷增幅22%，在這種工況下，保護(hù)區(qū)CODMn指標(biāo)已經(jīng)接近Ⅱ類水體臨界值。方案2將富陽南片的負(fù)荷維持在現(xiàn)狀水平，北片為規(guī)劃排污量，在這種工況下，保護(hù)區(qū)的CODMn平均值有所下降，基本保持在Ⅱ類水體的標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)。如果進(jìn)一步削減南片的污染物，即方案3削減江南片污染負(fù)荷為現(xiàn)狀的75%，江北片為規(guī)劃排污量，則保護(hù)區(qū)的CODMn平均值將對(duì)應(yīng)下降，但幅度不是很大。

表3 里山取水口不同位置、不同工況下的水質(zhì)敏感性分析Table 3 Sensitivity analysis on water quality at Lishan W ater Intake under different conditions and locations mg／L

4.2.2 上游來水水質(zhì)對(duì)保護(hù)區(qū)水質(zhì)的影響

通過方案3，4的比較，分析上游來水水質(zhì)對(duì)保護(hù)區(qū)的影響。隨著上游城鎮(zhèn)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，污染物排放量增加，使上游來水的水質(zhì)變差，其濃度的改變將對(duì)取水口水質(zhì)產(chǎn)生影響。在富陽南片污染負(fù)荷為現(xiàn)狀的75%，北片為規(guī)劃排污量的負(fù)荷下，方案4上游邊界濃度在方案3的基礎(chǔ)上，增加15%?？芍?，盡管富陽南片的污染負(fù)荷在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上削減了25%，但只要其上游的污染物沒有加以控制，保護(hù)區(qū)的CODMn平均值仍滿足不了Ⅱ類水體的水質(zhì)要求。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制上游的污染物排放，其總量應(yīng)保持現(xiàn)狀的水平。

4.2.3 上游徑流量改變對(duì)保護(hù)區(qū)水質(zhì)的影響

通過方案1，5，6的比較，分析徑流量改變對(duì)保護(hù)區(qū)水質(zhì)的影響。在方案1富陽城鎮(zhèn)污染負(fù)荷規(guī)劃工況的基礎(chǔ)上，考慮將上游徑流量進(jìn)一步削減為150 m3／s（方案5）和抬升為300 m3／s（方案6）2種工況。通過比較發(fā)現(xiàn)，徑流量的改變直接影響保護(hù)區(qū)的CODMn平均值，在徑流量削減為150 m3／s時(shí)，保護(hù)區(qū)CODMn平均值超過Ⅱ類水體的水質(zhì)要求；而將上游徑流量提高到300 m3／s，則保護(hù)區(qū)CODMn平均值有較大幅度的下降，可滿足Ⅱ類水體的水質(zhì)要求。

4.2.4 下游潮汐條件改變對(duì)保護(hù)區(qū)水質(zhì)的影響

通過方案1，7的比較，分析下游潮汐條件改變對(duì)保護(hù)區(qū)水質(zhì)的影響。一般情況下，小潮期污染物稀釋擴(kuò)散條件差，而大潮期流速大，污染物遷移、擴(kuò)散作用強(qiáng)于小潮，污染物推移上溯的距離會(huì)長一些。因此，在規(guī)劃工況的基礎(chǔ)上，考慮大潮的邊界條件（方案7）。通過比較發(fā)現(xiàn)，大潮工況對(duì)于保護(hù)區(qū)CODMn平均值的改變量是明顯的，它并沒有將下游排放的污染物推移至影響保護(hù)區(qū)，而是有效地稀釋了保護(hù)區(qū)的污染物濃度。

5 結(jié) 論

（1）為了確保杭州市取水口的安全，必須設(shè)置一級(jí)保護(hù)區(qū)來加以保護(hù)，并嚴(yán)格遵守國家“飲用水水源保護(hù)區(qū)污染防治管理規(guī)定”中一級(jí)保護(hù)區(qū)有關(guān)禁止事項(xiàng)，嚴(yán)格加以保護(hù)。根據(jù)具體情況在里山取水口的上游4 km、下游3 km設(shè)定為一級(jí)保護(hù)區(qū)是必須而妥當(dāng)?shù)摹?/p>

（2）為了確保杭州市飲用水源保護(hù)區(qū)受到嚴(yán)格保護(hù)，必須限制富陽城鎮(zhèn)污染負(fù)荷總量的排放，富陽北片可控制在規(guī)劃水平；富陽南片必須控制在現(xiàn)狀水平；條件許可的話，應(yīng)調(diào)整富陽城鎮(zhèn)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步削減污染負(fù)荷排入量，提高杭州飲用水源保護(hù)區(qū)的水質(zhì)。

（3）上游來水的水質(zhì)、上游的徑流量和下游的潮汐條件對(duì)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的水質(zhì)影響敏感。對(duì)于富陽上游的污染物排放，應(yīng)嚴(yán)格控制其總量的排放，要求污染負(fù)荷總量排放必須維持在現(xiàn)狀水平。

［1］ 韓曾萃，戴澤衡，李光炳，等.錢塘江河口治理開發(fā)［M］.北京：水利電力出版社，2003：61－62.（HAN Zeng-cui，DAI Ze-heng，LIGuang-bing，et al.Regulation and Exploitation of Qiantang Estuary［M］，Beijing：hydraulic and electric publisher，2003：61－62.（in Chinese））

［2］ 黃少燕.重要水源地水質(zhì)問題及保護(hù)對(duì)策研究［J］.亞熱帶水土保持，2006，（12）：65－67.（HUANG Shaoyan.Water quality problem and research on protection measures of main water resources［J］.Soil and Water Conservation of Subtropical Region，2006，（12）：

65－67.

（編輯：周曉雁）

Argumentation on W ater Quality of New W ater Intake in Hangzhou City

ZHANG Shu-yu，CHENG Hang-ping

（Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary，Hangzhou 310020，China）

In order to resist saltwater intrusion and meet the demand of increasing water consumption，Hangzhou City government plans tomove thewater intake from Shanhusha to upstream a site called Lishan.Whether thewater quality of new water intake can reach quality standard has become the focus of public concerns.Firstly，this paper analyzed presentwater quality；secondly，field data of hydrology and water quality of several stations in Qiantang River were validated with the 2-D mathematicalmodel Mike21.Then concentration in programming pollution load was calculated.Furthermore，on the basis of analyzing the influence factors on water quality such as upstream runoff amountand upstream water quality，and downstream tide range and pollution load，the rationality ofwater intake at Lishan sitewas evaluated.From these studies，when upstream low flow meets downstream neap tide，the concentration of water quality index CODMnis close to national second-class seawater standard（GB 3097－1997）.In order to insure water quality，pollution load should be reduced.The factors influencing water quality，such as upstream runoff amount and upstream water quality，and downstream tide range and pollution load，significantly effectwater quality.

water quality prediction；mathematicalmodel；water intake

X522

A

1001－5485（2010）06－0014－04

2009-06-12；

2009-12-07

張舒羽（1976-），女，浙江寧波人，工程師，碩士，主要從事河口海岸工程研究，（電話）0571-86437021（電子信箱）zsyjhy2000＠sina.com。