莊　巍,王　曉,逄　勇,李維新

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京　210042; 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京　210098;

3.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京　210098)

?

太湖流域跨界區(qū)域水污染物通量數(shù)值模型構(gòu)建與應(yīng)用

莊巍1,王曉2,3,逄勇2,3,李維新1

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京210042; 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京210098;

3.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210098)

摘要：以太湖全流域河網(wǎng)模型為基礎(chǔ),構(gòu)建跨界區(qū)域套網(wǎng)格水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,并利用31個(gè)蘇浙滬跨界斷面實(shí)測(cè)資料進(jìn)行率定。提出跨界區(qū)域水污染物通量值、通量閾值以及超標(biāo)通量值的計(jì)算方法,采用實(shí)時(shí)校核及區(qū)域疊加技術(shù),形成蘇浙滬跨界區(qū)域水污染物通量數(shù)值計(jì)算體系。在集成開(kāi)發(fā)的跨界區(qū)域污染物通量監(jiān)控系統(tǒng)中,初步開(kāi)展了跨界通量計(jì)算的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：太湖流域;污染物通量;水環(huán)境數(shù)學(xué)模型;河網(wǎng);系統(tǒng)集成

太湖流域蘇浙滬跨界區(qū)域是典型的平原感潮河網(wǎng)地區(qū),河網(wǎng)湖蕩密布,水流往復(fù)不定,水文水質(zhì)形勢(shì)復(fù)雜多變,跨省各行政區(qū)污染責(zé)任界定不清,污染事故和水質(zhì)考核矛盾突出,單一的水質(zhì)濃度指標(biāo)難以完全反映區(qū)域水質(zhì)問(wèn)題、界定上下游的相互影響。因此,有必要開(kāi)展跨界區(qū)域水污染通量方面的研究[1-2]。

近年來(lái),太湖流域有關(guān)水污染物通量的報(bào)道多集中于通過(guò)水文基站觀測(cè)或水文巡測(cè)獲取流量,并結(jié)合同期水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行整編測(cè)算分析[3-7]。這極大地依賴于同步監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)情況,且多以入湖河流與湖體間的污染物通量為討論主體。由于感潮河網(wǎng)區(qū)流向順逆不定,如果直接利用已有常規(guī)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行通量測(cè)算,則監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布、監(jiān)測(cè)頻次方面難以滿足要求;而開(kāi)展河網(wǎng)區(qū)野外同期水量水質(zhì)實(shí)測(cè),則需要消耗大量的人力物力,難以長(zhǎng)期持續(xù)開(kāi)展。以上限制因素導(dǎo)致目前對(duì)于感潮河網(wǎng)污染物通量方面的研究較少。通過(guò)構(gòu)建水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,開(kāi)展復(fù)雜水系河湖之間、河道之間的水污染物通量研究[2,8]。通過(guò)模型運(yùn)算獲得跨界區(qū)域污染物過(guò)境通量數(shù)據(jù),有利于整合優(yōu)化有限的監(jiān)測(cè)站位,對(duì)于河網(wǎng)區(qū)域具有應(yīng)用價(jià)值。

表1　太湖流域蘇浙滬跨界區(qū)域累計(jì)流向統(tǒng)計(jì)結(jié)果

此外,GIS技術(shù)近年來(lái)在水環(huán)境管理領(lǐng)域獲得長(zhǎng)足發(fā)展,結(jié)合水環(huán)境數(shù)值模型,通過(guò)GIS手段進(jìn)行直觀可視化表達(dá),提供友好的用戶交互環(huán)境,有助于提高工作效率,在環(huán)境管理工作中具有現(xiàn)實(shí)意義[9-10]。建立流域?qū)用娴目缧姓^(qū)的水環(huán)境監(jiān)控及通量測(cè)算系統(tǒng),為跨界矛盾提供協(xié)商交流平臺(tái),是各級(jí)環(huán)保管理部門的迫切需求。

筆者針對(duì)太湖跨界河網(wǎng)區(qū)的環(huán)境特征,構(gòu)建跨界區(qū)域套網(wǎng)格水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,提出跨界區(qū)域通量計(jì)算、閾值確定和超標(biāo)通量計(jì)算方法,建立實(shí)時(shí)校核及區(qū)域疊加的太湖流域跨界區(qū)域主要水污染物通量計(jì)算模式,并利用集成開(kāi)發(fā)的水污染物通量監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)初步業(yè)務(wù)化應(yīng)用。

1研究區(qū)域概況

太湖流域跨界區(qū)域?yàn)樘K浙滬兩省一市交界,包括位于蘇滬長(zhǎng)江交界點(diǎn)至汾湖大橋的蘇滬線,長(zhǎng)約114 km;汾湖大橋至金山區(qū)的滬浙線,長(zhǎng)約82 km;汾湖大橋至吳溇太湖點(diǎn)的蘇浙線,長(zhǎng)約109km。研究區(qū)域內(nèi)地勢(shì)低平,屬于典型的平原河網(wǎng)區(qū)。

在蘇浙滬邊界上共設(shè)置了31個(gè)河流國(guó)控省級(jí)跨界斷面,位置分布見(jiàn)圖1。受潮汐作用影響,太湖流域跨界區(qū)域內(nèi)水流方向復(fù)雜多變,水質(zhì)變化規(guī)律復(fù)雜。根據(jù)水利部太湖流域管理局發(fā)布的2009年3月—2012年12月的《太湖流域及東南諸河省界水體水資源狀況通報(bào)》,按照跨界斷面所處省界區(qū)域進(jìn)行流向的累計(jì)統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)表明該區(qū)域內(nèi)水流具有明顯的往復(fù)流特征。

圖1　太湖流域蘇浙滬跨界交界線及跨界斷面位置分布

2跨界區(qū)域套網(wǎng)格水環(huán)境數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及通量計(jì)算方法

2.1　跨界區(qū)域水環(huán)境數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

為提高跨界控制區(qū)域通量計(jì)算精度,以文獻(xiàn)[10-11]構(gòu)建的太湖全流域河網(wǎng)模型為基礎(chǔ),對(duì)跨界區(qū)域范圍進(jìn)行局部加密,構(gòu)建跨界區(qū)域套網(wǎng)格水環(huán)境數(shù)學(xué)模型。根據(jù)跨界水環(huán)境控制區(qū)劃分成果[12],確定了包含太倉(cāng)市、昆山市、吳江區(qū)、嘉定區(qū)、青浦區(qū)、金山區(qū)、松江區(qū)、湖州市南潯區(qū)、桐鄉(xiāng)市、嘉善縣、嘉興市區(qū)、平湖市等區(qū)域的套網(wǎng)格水環(huán)境模型模擬范圍。跨界水環(huán)境套網(wǎng)格數(shù)學(xué)域模型共設(shè)置河道190條,河道斷面間距(計(jì)算水位點(diǎn))300～1 000 m,模型計(jì)算網(wǎng)格(計(jì)算水位點(diǎn)、流量點(diǎn))總數(shù)約為639個(gè)。太湖流域跨界區(qū)域套網(wǎng)格河網(wǎng)概化情況見(jiàn)圖2。

圖2　套網(wǎng)格水環(huán)境模型河網(wǎng)示意圖

2.2　跨界區(qū)域水環(huán)境數(shù)學(xué)模型率定

跨界套網(wǎng)格水環(huán)境數(shù)學(xué)模型設(shè)置46個(gè)開(kāi)邊界,按照上游流量、下游水位的原則分別設(shè)置8個(gè)流量邊界,38個(gè)水位邊界。模型邊界采用跨界控制區(qū)內(nèi)56水文水位站點(diǎn)逐日監(jiān)測(cè)及48個(gè)水質(zhì)站點(diǎn)逐月監(jiān)測(cè)資料;部分沒(méi)有實(shí)測(cè)資料的,由太湖水環(huán)境數(shù)學(xué)模型計(jì)算值提供。

2.2.1水動(dòng)力參數(shù)率定

利用太湖跨界控制區(qū)內(nèi)水文水位站的2011年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行率定?？紤]跨界控制區(qū)各個(gè)水環(huán)境管理區(qū)內(nèi)水系河道的水文水系特征不同,故以各控制區(qū)為單位分區(qū)進(jìn)行模型水動(dòng)力參數(shù)率定,率定結(jié)果見(jiàn)表2。

圖3　2011年主要跨界斷面水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

區(qū)域名稱水環(huán)境控制區(qū)蘇滬蘇浙滬浙蘇浙蘇滬滬浙滬蘇浙糙率0.020~0.0260.020~0.0280.020~0.0270.020~0.0260.022~0.0270.022~0.028

利用2011年跨界斷面實(shí)測(cè)資料與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明,水文水動(dòng)力模型水位模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好,2011年最高及最低日均水位、水位過(guò)程線趨勢(shì)與實(shí)測(cè)資料擬合情況較好,全年期水位模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的平均誤差小于15 cm。部分跨界斷面水位率定對(duì)比見(jiàn)圖3。

2.2.2水質(zhì)參數(shù)率定

利用跨界區(qū)域2011年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行率定。由于不同的區(qū)域水系河道具有不同的水動(dòng)力特征,而水動(dòng)力條件對(duì)污染物的遷移和轉(zhuǎn)化會(huì)產(chǎn)生一定的影響,因此結(jié)合跨界控制區(qū)各個(gè)子控制區(qū)的水文水系及污染分布特征,以各子控制區(qū)為單位分區(qū)率定得到模型水質(zhì)參數(shù),參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　跨界套網(wǎng)格水環(huán)境數(shù)學(xué)模型水質(zhì)參數(shù)率定結(jié)果

本次河網(wǎng)水質(zhì)模型率定參數(shù)選取CODMn、NH3-N、TP 3種污染物指標(biāo),利用2011年跨界控制區(qū)內(nèi)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得到31個(gè)跨界斷面水質(zhì)計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差。結(jié)果表明，2011年跨界區(qū)域內(nèi)斷面水質(zhì)模擬吻合度較好,平均相對(duì)誤差在25%以內(nèi)。部分跨界斷面水質(zhì)率定對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4　2011年部分跨界斷面污染物質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

2.3　跨界區(qū)域水污染物通量計(jì)算模型

2.3.1跨界區(qū)域通量計(jì)算方法

跨界區(qū)域污染通量計(jì)算公式為

(1)

式中:W為跨界區(qū)域出入境污染物通量;i為計(jì)算天數(shù)；j為計(jì)算區(qū)域內(nèi)河道數(shù)量;ρij為跨界區(qū)域內(nèi)各河道跨界斷面水質(zhì)質(zhì)量濃度;Qij為跨界區(qū)域內(nèi)各河道跨界斷面流量;αi為該區(qū)域通量校核系數(shù)。

基于區(qū)域污染物通量計(jì)算公式(1),利用太湖流域水環(huán)境數(shù)學(xué)模型及已建立的31個(gè)蘇浙滬跨界污染物通量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)資料,建立蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間的污染物通量計(jì)算體系。該體系采用實(shí)時(shí)校核及區(qū)域疊加技術(shù),即用區(qū)域內(nèi)部分?jǐn)嗝鎸?shí)測(cè)通量指標(biāo)與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)訂正,所得訂正系數(shù)用以校核區(qū)域內(nèi)其他河道通量計(jì)算結(jié)果，并將區(qū)域內(nèi)所有河道實(shí)時(shí)計(jì)算通量值疊加,以期計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)區(qū)域內(nèi)污染物通量值。

2.3.2跨界區(qū)域通量閾值計(jì)算方法

在區(qū)域通量計(jì)算公式的基礎(chǔ)上,根據(jù)太湖流域90%設(shè)計(jì)水文年的年均流量值與水功能區(qū)劃的水質(zhì)目標(biāo)值,計(jì)算得到各個(gè)河段的通量閾值?？缃鐓^(qū)域污染通量閾值計(jì)算公式為

(2)

式中:WS為跨界區(qū)域出入境污染物通量閾值;j為區(qū)域內(nèi)河道數(shù)量,ρS為計(jì)算區(qū)域內(nèi)各個(gè)河段的水功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)值;Qj為跨界區(qū)域各河道90%設(shè)計(jì)水文年平均流量。

a. 確定設(shè)計(jì)水文年。主要依據(jù)太湖流域的降水量資料選取典型年?？紤]太湖流域各水文分區(qū)的雨量站的分布,采用丹陽(yáng)、茅東、趙村、溧陽(yáng)、宜興、常州、陳墅等80多個(gè)雨量站1954—2012年共58年的年降水量資料進(jìn)行頻率分析,最終確定1971年的枯水保證率為90%。

b. 確定水質(zhì)目標(biāo)。根據(jù)國(guó)務(wù)院2010年批復(fù)的《太湖流域水功能區(qū)劃》,跨界控制區(qū)內(nèi)水功能區(qū)劃共151處,其中江蘇省水功能區(qū)劃25處,浙江省55處,上海市28處,省界水功能區(qū)劃43處。根據(jù)各水功能區(qū)對(duì)應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)目標(biāo)確定。

2.3.3跨界區(qū)域超標(biāo)通量計(jì)算方法

跨界區(qū)域污染超標(biāo)通量計(jì)算公式為

(3)

式中:W為跨界區(qū)域出入境污染物通量;WC為跨界區(qū)域出入境污染物超標(biāo)通量。

3跨界區(qū)域水污染物通量監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

3.1　跨界區(qū)域通量監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

通過(guò)Web-GIS等開(kāi)發(fā)手段進(jìn)行系統(tǒng)集成耦合,將跨界通量測(cè)算體系中的相關(guān)水環(huán)境信息及數(shù)值模型等嵌入GIS管理平臺(tái),研發(fā)具備水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析、水環(huán)境數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及計(jì)算分析、水污染物通量動(dòng)態(tài)測(cè)算等功能的跨界區(qū)域水污染物通量監(jiān)控系統(tǒng),其系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)集成總體結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)將水環(huán)境信息與空間信息緊密結(jié)合,可直觀形象地展示模型河道及關(guān)鍵斷面水質(zhì)計(jì)算結(jié)果信息;基于前述通量核算體系,可實(shí)現(xiàn)蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間水污染物通量的動(dòng)態(tài)計(jì)算,以及跨界區(qū)域通量超標(biāo)預(yù)警(圖6)。

圖6　跨界區(qū)域水污染物通量監(jiān)控系統(tǒng)部分功能截屏

3.2　跨界區(qū)域通量計(jì)算及分析

3.2.1跨界區(qū)域水污染物通量計(jì)算

對(duì)跨界控制區(qū)涉及的江蘇省蘇州市、浙江省湖州市、浙江省嘉興市及上海市內(nèi)14個(gè)縣區(qū)進(jìn)行分析,確定了10個(gè)水污染物出(入)省界交換縣區(qū),基于蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間的水污染物通量計(jì)算體系,利用通量計(jì)算公式(1),采用2009—2012年跨界區(qū)域水文、水質(zhì)實(shí)測(cè)資料,計(jì)算得到了蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間的逐月水污染物通量值。其中2011年跨界區(qū)域水污染物通量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　2011年各縣區(qū)跨界水污染物通量計(jì)算結(jié)果 　t/a

3.2.2跨界區(qū)域通量閾值計(jì)算

根據(jù)90%枯水保證率水文條件及水功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo),利用跨界區(qū)域水污染通量閾值計(jì)算公式(2),計(jì)算得到了蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間跨界污染物通量閾值,見(jiàn)表5。

3.2.3跨界區(qū)域超標(biāo)通量計(jì)算

基于蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間的水污染物通量計(jì)算結(jié)果與通量閾值,利用跨界區(qū)域水污染超標(biāo)通量計(jì)算公式(3),計(jì)算得到了蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間2009—2012年的逐月水污染物超標(biāo)通量值,其中2011年超標(biāo)通量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知,2011年內(nèi),跨界區(qū)交界行政區(qū)間,江蘇—上海交界處的COD超標(biāo)通量最高,而浙江—上海交界處NH3-N及TP的超標(biāo)通量最高。

表5　各縣區(qū)主要河道跨界水污染物通量閾值計(jì)算結(jié)果　t/a

表6　2011年各縣區(qū)跨界水污染物超標(biāo)通量計(jì)算結(jié)果　t/a

4結(jié)語(yǔ)

在太湖流域大網(wǎng)模型基礎(chǔ)上,構(gòu)建了蘇浙滬跨界區(qū)域河網(wǎng)加密的套網(wǎng)格水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,利用水文、水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)率定得到各項(xiàng)模型參數(shù)。利用污染物通量計(jì)算原理,建立了跨界區(qū)域污染物通量計(jì)算模型,并結(jié)合太湖流域已建立的31個(gè)蘇浙滬跨界污染物監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),采用實(shí)時(shí)校核及區(qū)域疊加技術(shù),構(gòu)建了蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間的污染物通量計(jì)算體系。

利用2009—2012年跨界區(qū)域水文、水質(zhì)實(shí)測(cè)資料,計(jì)算得到了蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間的污染物通量。其中,2011年的跨界區(qū)水污染物超標(biāo)通量計(jì)算值表明,跨界區(qū)域交界行政區(qū)間,江蘇—上海交界處COD超標(biāo)通量最高,浙江—上海交界處NH3-N及TP的超標(biāo)通量最高。計(jì)算結(jié)果可為跨界矛盾調(diào)處、責(zé)任認(rèn)定、生態(tài)補(bǔ)償?shù)拳h(huán)境管理提供科學(xué)量化依據(jù)。

采用二次開(kāi)發(fā)系統(tǒng)耦合技術(shù),研發(fā)了跨界區(qū)域水污染物通量監(jiān)控系統(tǒng),并開(kāi)展了初步業(yè)務(wù)運(yùn)行。該系統(tǒng)可在太湖跨界區(qū)域污染責(zé)任認(rèn)定、跨省界矛盾協(xié)調(diào)等環(huán)境管理工作中發(fā)揮重要作用,具有一定的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益,具有良好的應(yīng)用及發(fā)展前景。

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Establishment and application of numerical model of water pollutants flux for trans-boundary regions of Taihu Lake Basin

ZHUANG Wei1, WANG Xiao2,3, PANG Yong2,3, LI Weixin1

(1.NanjingInstituteofEnvironmentalSciences,MinistryofEnvironmentalProtection,Nanjing210042,China;

2.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

3.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourcesDevelopmentonShallowLakes,Ministryof

Education,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Based on a whole river network model of Taihu Lake Basin, a nested local mathematical model of water environment was established, calibrated by data from the 31 existed monitoring sites in trans-boundary regions of Jiangsu, Zhejiang and Shanghai. Flux of pollutants, flux threshold and excessive flux value methods for calculating water pollutants in trans-boundary regions were proposed, combined with real-time verification and the domain superposition technique. Subsequently, a water pollutants flux monitoring system for trans-boundary regions of Jiangsu, Zhejiang and Shanghai was developed, in which the primarily operational application was carried out.

Key words：Taihu Lake Basin; flux of pollutants; mathematical model of water environment; river network; system integration

(收稿日期：2015-10-08編輯：彭桃英)

中圖分類號(hào)：X830.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)01-0036-06

作者簡(jiǎn)介:莊巍(1981—),男,助理研究員,博士,主要從事水環(huán)境資源保護(hù)方面研究。E-mail:zhuangwei@nies.org通信作者:李維新,研究員。E-mail:lwx@nies.org

基金項(xiàng)目:水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07506-007,2014ZX07101-011);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2015-33);浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LQ14G030020)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.005