王　曉,逄　勇,韓梓流,周柯錦

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京　210098; 2.浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,浙江 杭州　310012)

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基于跨界斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的嘉善污染總量控制

王曉1,逄勇1,韓梓流1,周柯錦2

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京210098; 2.浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,浙江 杭州310012)

摘要：為保證地處蘇浙滬交界中心的嘉善縣水環(huán)境質(zhì)量健康,在考慮嘉善縣地理位置特殊性的基礎(chǔ)上,提出了以重要跨界斷面作為水質(zhì)達(dá)標(biāo)控制因子的總量控制方法?；诩紊茢嗝婵睖y(cè)與水質(zhì)、水文同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)資料構(gòu)建了嘉善小流域一維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,確定了嘉善區(qū)域的水動(dòng)力和水質(zhì)模型參數(shù),并選取嘉善地區(qū)4個(gè)重要跨界斷面作為控制斷面,利用已率定驗(yàn)證合理的一維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型分別對(duì)不同削減方案下的水環(huán)境進(jìn)行了水質(zhì)模擬。模擬結(jié)果表明,為滿足以跨界斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)為控制因子的總量控制要求,嘉善區(qū)域CODMn需削減14.2%,NH3-N需削減37.7%。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境數(shù)學(xué)模型;污染總量控制;跨界斷面水質(zhì);嘉善縣

浙江嘉善縣位于浙江省東南部,地處全國經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心的長(zhǎng)三角腹地,具有“三沿”——沿蘇州、沿上海、沿嘉興的地理特殊性。嘉善縣水環(huán)境狀況復(fù)雜,其境內(nèi)河道水系眾多,屬于典型的太湖平原河網(wǎng)小流域。近年來嘉善工業(yè)發(fā)展迅速,城市化程度加劇,使得嘉善小流域內(nèi)水系污染負(fù)荷加重,水環(huán)境功能、水生態(tài)功能及水景觀功能發(fā)生退化,水質(zhì)狀況不容樂觀;同時(shí)其位置緊鄰上海,境內(nèi)河流大多匯入黃浦江,其區(qū)域內(nèi)水體水質(zhì)將直接影響上海區(qū)域飲用水的安全保障[1-4]。故維持嘉善小流域水環(huán)境健康對(duì)保證周邊縣區(qū)經(jīng)濟(jì)及生活水平穩(wěn)定發(fā)展具有重要作用,實(shí)施嘉善小流域污染總量控制相關(guān)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前我國對(duì)區(qū)域污染物總量控制研究方面已有較豐富的研究成果[5-8],如李紅亮等[9]以功能區(qū)達(dá)標(biāo)作為控制條件,計(jì)算了河北省納污能力,并對(duì)此進(jìn)行了污染控制分析;紀(jì)嵐等[10]對(duì)COD、TP和NH3-N以功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)作為控制因子進(jìn)行了南淝河環(huán)境容量的計(jì)算;田旭東等[11]基于功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)對(duì)錢塘江流域水環(huán)境功能區(qū)進(jìn)行了水環(huán)境容量計(jì)算分析;鮑琨等[12]以入太湖斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)為主要控制因子,進(jìn)行了殷村港入湖污染物總量控制研究;朱銘銘等[13]以嘉善水廠作為主要控制斷面進(jìn)行達(dá)標(biāo)分析,確定了杭嘉湖平原地區(qū)的污染控制總量;但總體來說大多數(shù)學(xué)者都考慮以主要功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)作為控制因子確定污染物控制總量,而考慮區(qū)域跨界斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)作為控制因子的污染物總量控制研究則相對(duì)較少。本研究在水文、水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上建立嘉善小流域一維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,同時(shí)選取嘉善地區(qū)4個(gè)重要跨界斷面作為控制因子,并利用率定合理的嘉善小流域一維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行區(qū)域污染總量控制研究,通過模擬不同總量控制方案,對(duì)環(huán)境敏感目標(biāo)水質(zhì)進(jìn)行達(dá)標(biāo)分析,從而確定以水環(huán)境敏感區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)為控制因子的嘉善小流域污染總量控制方案。

1研究區(qū)域概況及同步監(jiān)測(cè)

1.1　區(qū)域概況

嘉善縣氣候適宜,四季分明,屬北亞熱帶季風(fēng)區(qū),雨水豐沛,日照時(shí)間較長(zhǎng)。其多年平均降水量為1131.5 mm,年平均氣溫15.7℃。春夏兩季盛行東南風(fēng),秋冬季節(jié)多偏北風(fēng),7—9月常受臺(tái)風(fēng)影響，冬季出現(xiàn)寒潮天氣。

嘉善縣地勢(shì)低平,全縣走向西高東低,河道稠密,湖蕩星羅棋布,是太湖水網(wǎng)平原的重要組成部分。全縣總面積507.68 km2,其中水域面積占14.29%,屬于太湖流域杭嘉湖典型河網(wǎng)區(qū),是西水東瀉的主要通道?？h境內(nèi)的主要河道有東西流向的紅旗塘、嘉善塘、白水塘等,南北向的蘆墟塘、伍子塘等。區(qū)域內(nèi)主要污染源為畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田面源及直排點(diǎn)源污染。研究區(qū)域水系概況及主要污水直排口分布見圖1。

圖1　嘉善縣水系概況及主要污水直排口分布

圖2　嘉善小流域監(jiān)測(cè)斷面及重要跨界斷面分布

1.2　同步監(jiān)測(cè)

為進(jìn)一步了解嘉善區(qū)域主要河道水文水質(zhì)概況,于2013年8月22—24日及2014年1月12—14日分別開展了研究區(qū)域洪季、枯季水文、水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)(圖2),水文監(jiān)測(cè)因子包括流量、水深及流速等,水質(zhì)監(jiān)測(cè)因子包括CODMn和NH3-N。采樣和分析方法按照HJ/T91—2002《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[14]的有關(guān)規(guī)定和要求執(zhí)行。

2研究方法

自1925年Streeter等[15-16]提出了水質(zhì)模型-氧平衡模型及其衍生定常模型以來,數(shù)學(xué)模型在水環(huán)境領(lǐng)域中逐步得到推廣應(yīng)用;近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,水環(huán)境數(shù)學(xué)模型也在不斷進(jìn)化完善中,目前研究領(lǐng)域中運(yùn)用較為廣泛的有丹麥DHI公司研發(fā)的MIKE模型[17]、美國國家環(huán)境保護(hù)局(USEPA)研發(fā)的WASP模型[18]、美國得克薩斯州水利發(fā)展部(Texas Water Development Board)與 USEPA 等機(jī)構(gòu)開發(fā)并完善的QUAL系列模型[19],以及威廉瑪麗大學(xué)維吉尼亞海洋學(xué)研究所研發(fā)的EFDC[20]軟件,其中,MIKE模型由于使用方便、功能板塊成熟及應(yīng)用廣泛性強(qiáng)等特點(diǎn),在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用[21-23]。曾劍等[24]采用MIKE11模型對(duì)溫瑞塘河河網(wǎng)進(jìn)行了水動(dòng)力及水質(zhì)模擬,并以此為基礎(chǔ)分析了河網(wǎng)水質(zhì)變化趨勢(shì);姜欣等[25]利用MIKE 11模型模擬了哈爾濱阿什河西泉眼水庫以下河段的水文水質(zhì)情勢(shì),并計(jì)算了該段功能區(qū)水環(huán)境容量。

本研究區(qū)域?yàn)樘皆泳W(wǎng)區(qū),區(qū)域河道縱橫交錯(cuò),水系水情復(fù)雜,為進(jìn)行總量控制分析,需對(duì)嘉善縣河網(wǎng)區(qū)域水文情勢(shì)及水質(zhì)狀況進(jìn)行模擬研究,故選擇MIKE11模型對(duì)嘉善小流域水動(dòng)力情勢(shì)及污染物遷移狀況進(jìn)行模擬,通過選擇不同總量控制方案,利用模型計(jì)算不同削減率下跨界斷面的水質(zhì)達(dá)標(biāo)狀況,從而確定合理的嘉善污染控制削減率。

表1　部分監(jiān)測(cè)斷面水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型流量率定結(jié)果

表2　部分監(jiān)測(cè)斷面河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型CODMn質(zhì)量濃度率定結(jié)果

2.1　模型構(gòu)建

2.1.1水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型

在MIKE11模型中,描述河道水流運(yùn)動(dòng)的Saint-Venant方程組為

(1)

式中:q為旁側(cè)入流;Q、A、B、Z分別為河道斷面流量、過水面積、河寬和水位;vx為旁側(cè)入流流速在水流方向上的分量;K為流量模數(shù),反映河道的實(shí)際過流能力;α為動(dòng)量校正系數(shù),是反映河道斷面流速分布均勻性的系數(shù)。

對(duì)上述方程組采用四點(diǎn)線性隱式格式進(jìn)行離散,形成流域統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)水位、流速線性方程組,求解則采用矩陣標(biāo)識(shí)法。

2.1.2河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型

河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型采用一維河流水質(zhì)模型,基本方程為

(2)

式中:C為模擬物質(zhì)的濃度;u為河流平均流速;Ex為對(duì)流擴(kuò)散系數(shù);K為模擬物質(zhì)的一級(jí)衰減系數(shù);x為空間坐標(biāo);t為時(shí)間坐標(biāo)。

對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)Ex是一個(gè)綜合參數(shù),包含了分子擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散以及剪切擴(kuò)散效應(yīng),除了和物理背景相關(guān)之外,還和計(jì)算空間大小、時(shí)間步長(zhǎng)等相關(guān)。本文通過以下經(jīng)驗(yàn)公式來估算對(duì)流擴(kuò)散系數(shù):

(3)

式中:v為流速,來自水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果;a和b為設(shè)定的參數(shù)。

2.2　模型參數(shù)率定

2.2.1水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型參數(shù)率定

根據(jù)嘉善區(qū)域2013年8月22—24日同步監(jiān)測(cè)水文資料,采用試錯(cuò)法(即根據(jù)模型內(nèi)部水文監(jiān)測(cè)斷面資料,調(diào)試各河道的糙率,使得計(jì)算流量過程與實(shí)測(cè)流量過程相吻合)率定得到的研究區(qū)域內(nèi)河道糙率處于0.018～0.027之間。流量率定結(jié)果如表1所示,誤差均小于13.3 %,平均誤差約為6.86%,流量模擬結(jié)果符合性較好。

2.2.2河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型參數(shù)率定

根據(jù)2013年8月22—24日同步監(jiān)測(cè)水質(zhì)資料對(duì)水質(zhì)降解系數(shù)進(jìn)行率定,得到CODMn的降解系數(shù)為0.09～0.14 d-1,NH3-N降解系數(shù)為0.07～0.12 d-1。表2與表3分別給出了模擬時(shí)段內(nèi)部分?jǐn)嗝婧泳W(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型參數(shù)率定的結(jié)果,可見CODMn質(zhì)量濃度最大相對(duì)誤差為13.2 %,平均誤差為6.49%;NH3-N質(zhì)量濃度的相對(duì)誤差小于15.7 %,平均誤差小于8.88 %。CODMn和NH3-N水質(zhì)指標(biāo)模擬誤差較小,說明河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型擬合度較好。

表3　部分監(jiān)測(cè)斷面河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型NH3-N質(zhì)量濃度率定結(jié)果

表4　部分監(jiān)測(cè)斷面水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型流量驗(yàn)證結(jié)果

表5　部分監(jiān)測(cè)斷面河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型CODMn質(zhì)量濃度驗(yàn)證結(jié)果

表6　部分監(jiān)測(cè)斷面河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型NH3-N質(zhì)量濃度驗(yàn)證結(jié)果

2.3　模型參數(shù)驗(yàn)證

2.3.1水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型參數(shù)驗(yàn)證

利用2014年1月12—14日同步監(jiān)測(cè)水文資料,對(duì)模型率定得到的河道糙率進(jìn)行驗(yàn)證,以確定構(gòu)建模型在本研究區(qū)的適用性。由部分監(jiān)測(cè)斷面水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型流量驗(yàn)證結(jié)果(表4)可知,水文條件吻合較好,統(tǒng)計(jì)得到驗(yàn)證計(jì)算的流量相對(duì)誤差小于18.37 %,平均誤差為9.15 %，說明率定得到的河道糙率適用于研究區(qū)域。因此,建立的一維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型合理,能較準(zhǔn)確地模擬嘉善縣水文情勢(shì)。

2.3.2河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型參數(shù)驗(yàn)證

利用2014年1月12—14日同步監(jiān)測(cè)水質(zhì)資料,對(duì)模型率定得到的水質(zhì)降解系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,以確定水質(zhì)參數(shù)的適用性。由部分監(jiān)測(cè)斷面河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型參數(shù)驗(yàn)證結(jié)果(表5、表6)可知,水質(zhì)條件吻合較好,統(tǒng)計(jì)得到驗(yàn)證計(jì)算的CODMn質(zhì)量濃度平均誤差為8.16%;NH3-N質(zhì)量濃度平均誤差為13.54 %，說明率定得到的水質(zhì)降解系數(shù)適用于研究區(qū)域。因此,建立的一維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型合理,能較準(zhǔn)確地模擬嘉善縣水質(zhì)情況。

3區(qū)域污染物總量控制方案確定

3.1　跨界斷面確定

本文根據(jù)太湖流域管理局發(fā)布的《太湖流域省界水體水資源質(zhì)量狀況通報(bào)》中確定的蘇浙滬跨界斷面,兼顧考慮嘉善水系水文特征及對(duì)上海水環(huán)境的影響,選取嘉善縣境內(nèi)4個(gè)重要跨浙滬省界斷面作為研究斷面,分別為俞匯北大橋、橫港大橋、清涼大橋及楓南大橋,其相對(duì)位置見圖2,各重要跨界斷面信息見表7。

表7　重要跨界斷面信息

3.2　削減方案確定

根據(jù)《太湖流域水環(huán)境功能區(qū)劃》(國函[2010]39號(hào)文)的要求,各個(gè)重要跨界斷面水質(zhì)需達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。本文在模型邊界取功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)的前提下,分別模擬研究區(qū)域污染源(包括工業(yè)點(diǎn)源、污水處理廠和農(nóng)村面源)在不同削減率下嘉善水系的水質(zhì)改善情況,以期得到重要跨界斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)的污染總量削減率,從而對(duì)嘉善小流域區(qū)域內(nèi)排污總量進(jìn)行有效控制。

根據(jù)GB 3839—83《制定地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則與方法》相關(guān)規(guī)定要求,采用預(yù)測(cè)年最枯月90%水文保證率作為水環(huán)境模擬的水量邊界條件;同時(shí)基于2011年嘉興市污染源普查資料、嘉興市水環(huán)境治理綜合規(guī)劃及浙江省水功能區(qū)納污能力核定成果,分別確定本次區(qū)域污染物總量控制方案(表8),并分別進(jìn)行模擬。

表8　區(qū)域污染物總量控制方案

3.3　模擬結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的4種區(qū)域污染物總量控制方案進(jìn)行污染削減效果模擬,不同方案的模擬結(jié)果見圖3。由模擬結(jié)果分析得到:

圖3　各方案下重要跨界斷面水質(zhì)模擬結(jié)果

a. 方案1維持現(xiàn)狀排污工況不進(jìn)行任何削減,4個(gè)重要跨界斷面水質(zhì)均超出相應(yīng)環(huán)境敏感區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求,尤其是NH3-N超標(biāo)嚴(yán)重,因此需對(duì)現(xiàn)狀排污進(jìn)行總量削減。

b. 方案2根據(jù)浙江省水功能區(qū)納污能力核定成果,在區(qū)域CODMn污染負(fù)荷削減5.4%及NH3-N污染負(fù)荷削減37.7%的排污工況下,重要跨界斷面水質(zhì)均有改善;尤其是NH3-N改善幅度較大,除清涼大橋略有超標(biāo)外(超標(biāo)幅度8.7%),其他斷面NH3-N指標(biāo)均已降至符合Ⅲ類水要求,但清涼大橋及楓南大橋CODMn因子仍然超過水質(zhì)目標(biāo)要求近20%,因此在方案2提出的削減率上CODMn應(yīng)進(jìn)一步削減。

c. 方案3為基于嘉興市水環(huán)境治理綜合規(guī)劃的削減方案,嘉善區(qū)域CODMn、NH3-N的排污總量分別削減14.2%及22.1%;計(jì)算得出清涼大橋與楓南大橋NH3-N指標(biāo)仍然超標(biāo)近40%,故需要針對(duì)NH3-N進(jìn)行進(jìn)一步削減。

d. 方案4為綜合削減方案,嘉善區(qū)域在CODMn、NH3-N的排污總量分別削減14.2%及37.7%的情況下,除清涼大橋NH3-N指標(biāo)略有超標(biāo)外,其余斷面水質(zhì)均達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)要求;且清涼大橋水質(zhì)CODMn因子僅超標(biāo)4.6%,NH3-N僅超標(biāo)8.7%,均處于可接受范圍內(nèi),可基本達(dá)到區(qū)域總量控制要求。

4結(jié)論

a. 構(gòu)建了嘉善小流域一維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,以水文、水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了率定,其中糙率處于為0.018～0.027之間;CODMn的降解系數(shù)為0.09～0.14 d-1,NH3-N降解系數(shù)為0.07～0.12 d-1。由率定結(jié)果可知模型參數(shù)選取合理,計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合良好,可用于嘉善河網(wǎng)水環(huán)境的模擬。

b. 提出了以重要跨界斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)作為控制因子來進(jìn)行總量控制,并利用已率定合理的嘉善一維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型對(duì)嘉善小流域水環(huán)境進(jìn)行模擬,4種不同方案預(yù)測(cè)結(jié)果表明,NH3-N的區(qū)域總量削減率為37.7%、CODMn的區(qū)域總量削減率為14.2%時(shí),可基本滿足以重要跨界斷面水質(zhì)要求為控制因子的嘉善跨界區(qū)域總量控制要求。

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Total amount control of pollutants in Jiashan region based on water quality standard at border-crossing section

WANG Xiao1, PANG Yong1, HAN Ziliu1, ZHOU Kejin2

(1.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

2.ZhejiangProvinceEnvironmentalMonitoringCenter,Hangzhou310012,China)

Abstract：In order to ensure the water environment quality to be healthy in Jiashan, the center of border-crossing section of Jiangsu, Zhejiang and Shanghai, the total amount control method using important border-crossing sections as the water quality control factors is promoted, considering the particularity of the location of Jiashan. A one-dimensional mathematical model of water environment in Jiashan region was established based on the data including survey in Jiashan section and hydrology and water quality monitoring data. Hydrodynamic and water quality model parameters in Jiashan region are determined. 4 border-crossing sections in Jiashan region are selected as the control sections. Water quality simulations are conducted under different cutting schemes for the water environment, using one-dimensional mathematical model of water environment, which is calibrated and proved to be reasonable. The results of the simulation indicate that: the total amount of ammonia nitrogen needs to be reduced by 14.2% and the total amount of COD needs to be reduced by 37.7% in Jiashan region, to guarantee the water quality in the important border-crossing sections reaching the standard.

Key words：water environment model; total amount control of pollutants; water quality at border-crossing section; Jiashan region

(收稿日期：2015-01-24編輯：熊水斌)

中圖分類號(hào)：X522

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)01-0079-07

作者簡(jiǎn)介:王曉(1990—),女,博士研究生,研究方向?yàn)樗Y源規(guī)劃與保護(hù)。E-mail:791288193@qq.com

基金項(xiàng)目:國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07506-007-01)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.014