戴 君,劉 碩,2*,韓金鳳,萬魯河,2 (.哈爾濱師范大學(xué),黑龍江 哈爾濱 50025；2.黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 50025)

松花江屬于我國(guó)七大江河水系之一,近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,使得流域內(nèi)污染物排放量不斷增加,水污染問題日益嚴(yán)重[1].《2011～2015重點(diǎn)流域水污染防治規(guī)劃》將松花江流域作為重點(diǎn)流域之一[2],同時(shí)將松花江哈爾濱市轄區(qū)控制單元,規(guī)劃為流域總量減排、水質(zhì)改善的優(yōu)先控制單元.根據(jù)黑龍江省2015年環(huán)境狀況公報(bào)顯示,松花江主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量、氨氮和高錳酸鹽指數(shù).全市化學(xué)需氧量排放量為28.04萬t,全市氨氮排放量為1.77萬t.

我國(guó)流域水環(huán)境管理起步較晚,目前已成為環(huán)境管理的難題之一,制約著我國(guó)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展.支流的水質(zhì)惡化不僅會(huì)使主河道的水環(huán)境質(zhì)量下降,也會(huì)給下游出口斷面造成水環(huán)境壓力,不利于下游水環(huán)境控制單元的建設(shè)[3].水質(zhì)模型的引入,有利于更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)與監(jiān)控預(yù)警,從而提高了流域水環(huán)境管理水平[4-5].目前,應(yīng)用較為廣泛的水質(zhì)模型有WASP[6]、EFDC[7-8]、MIKE等.其中,EFDC模型是由美國(guó)Virginia海洋研究所的Hamrick等根據(jù)多個(gè)數(shù)學(xué)模型集成開發(fā)研制的綜合模型[9-12],采用Fortran77編制,通用性較好,在流域水環(huán)境管理中的應(yīng)用日益廣泛[13-14].EFDC模型能夠模擬河道、海灣、水庫(kù)、湖泊、濕地和河口等多種地表水的水動(dòng)力、水質(zhì)和泥沙等變化,主要包括水動(dòng)力、水質(zhì)等6個(gè)模塊[15].國(guó)內(nèi)方面,在滇池、長(zhǎng)江武漢段[16]等水體都有成功案例,楊澄宇等[17]以滇池流域?yàn)槔?使用EFDC模型對(duì)湖泊流域總量控制進(jìn)行研究.國(guó)外方面,在Okeechobee湖、St.Lucie 河口[18]等地也得到應(yīng)用.但通過EFDC模型來模擬支流河口與干流水質(zhì)響應(yīng)的研究較少.

本研究以松花江哈爾濱市段為模擬河段,利用EFDC模型,選取化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)兩個(gè)水質(zhì)指標(biāo),在支流河口污染負(fù)荷多情景變化下,對(duì)整個(gè)干流以及出口斷面水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系開展研究.以期為松花江哈爾濱段單元內(nèi)流域水質(zhì)管理及優(yōu)化決策提供依據(jù)和參考[19-21].

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)河段概況

松花江哈爾濱段全長(zhǎng)約66km,其干流流域地處我國(guó)44°N以北,黑龍江省南部,屬于松花江流域的中段,位于朱順屯斷面及大頂子山斷面兩個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)斷面之間,入流河段包括阿什河、呼蘭河、蜚克圖河,何家溝以及馬家溝,如圖1所示.河流分為枯水期、平水期、桃花汛期、豐水期4個(gè)時(shí)期,具有冰封期長(zhǎng)及春夏雙汛期的特點(diǎn),豐枯交替現(xiàn)象明顯.枯水期為每年冬天11月～次年2月,水位最低;桃花汛期集中在每年的3月末～4月末,上游及流域范圍內(nèi)冰雪消融產(chǎn)生融雪徑流;豐水期為6月～8月,洪峰大、徑流量較大;平水期為9～10月.在全年降水量中,降雨占70%～85%,是松花江哈爾濱段徑流量的重要補(bǔ)給源.目前,對(duì)控制單元內(nèi)松花江干流大頂子山出口斷面以下的水體功能區(qū)劃目標(biāo)為III類;一級(jí)支流河阿什河和呼蘭河的水質(zhì)目標(biāo)為IV類.

圖1 研究區(qū)域及主要水系及河流斷面Fig.1 Study area and main water system and river section

1.2 水動(dòng)力-水質(zhì)模型的構(gòu)建

1.2.1 模型網(wǎng)格構(gòu)建 根據(jù)研究區(qū)域水體范圍及其地形條件,使用Delft3D軟件對(duì)哈爾濱市段河流干流進(jìn)行劃分,研究范圍河道水深較淺,垂向不設(shè)置分層,概化后得到1220個(gè)正交網(wǎng)格.沿江有何家溝、馬家溝、阿什河、呼蘭河、蜚克圖河等匯入,市區(qū)內(nèi)的徑流、污水處理廠處理后的出水等沿以上支流分別匯入松花江,入流口A為朱順屯入流口,是研究區(qū)最主要的水源,為上游的來水量.匯水口B為何家溝匯水口,C和D分別為馬家溝和阿什河匯水口,E和F分別為呼蘭河和蜚克圖河匯水口,G為老頭灣水文監(jiān)測(cè)站.A為模型上邊界、B、C、D、E、F為模型的旁側(cè)邊界.概化后的網(wǎng)格及邊界條件的設(shè)定如圖2所示.

1.2.2 模型數(shù)據(jù)來源 建模過程中主要包括氣象、流量、水位以及水質(zhì)數(shù)據(jù)等.其中氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),提取2014年1月～10月研究區(qū)氣象站的降水量、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、相對(duì)濕度和水汽壓等數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行輸入.流量邊界及水位數(shù)據(jù)采用朱順屯斷面、大頂子山斷面及各支流斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).模型選取COD、NH3-N兩水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行模擬,數(shù)據(jù)來源于朱順屯斷面、何家溝口內(nèi)斷面、馬家溝口內(nèi)斷面、阿什河口內(nèi)斷面、呼蘭河口內(nèi)斷面以及蜚克圖河口內(nèi)斷面的月平均實(shí)測(cè)值.

圖2 網(wǎng)格及邊界條件的設(shè)定Fig.2 Boundary condition setting

圖3 老頭灣水文站水位驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Water level verification result

1.2.3 參數(shù)率定及模型驗(yàn)證 模型的時(shí)間步長(zhǎng)為10s,采取上游設(shè)置流量下游設(shè)置水位的方式,初始的水位場(chǎng)為116.43m.初始溫度場(chǎng)設(shè)置為18℃,模擬時(shí)間為2014年1月～10月,水動(dòng)力與水質(zhì)模塊按天輸入0～303d的流量、水質(zhì)等數(shù)據(jù).根據(jù)2013年7、8月老頭灣監(jiān)測(cè)站的實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù),對(duì)水動(dòng)力模型進(jìn)行率定.模型底部糙率為0.02,采用2014年1月～10月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,水位驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示,模擬和實(shí)測(cè)水位最大水位差是0.33m,相對(duì)誤差較小.水質(zhì)模塊采用2014年1月水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定,主要參數(shù)取值見表1.圖4所示為大頂子山斷面水質(zhì)實(shí)測(cè)值的驗(yàn)證結(jié)果,COD的相對(duì)誤差和相對(duì)均方根誤差分別為2.19%和12.06%,NH3-N的相對(duì)誤差和相對(duì)均方根誤差分別為11.63%和10.42%.

圖4 大頂子山斷面COD與NH3-N濃度驗(yàn)證Fig.4 Result of COD and NH3-N concentration calibration of Dadingzi Hill section estuary

表1 水質(zhì)主要參數(shù)率定取值Table 1 Main parameter of water quality model calibration

2 結(jié)果與討論

2.1 情景設(shè)置

大頂子山斷面為國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)中松花江哈爾濱段控制單元的出口斷面,對(duì)其污染負(fù)荷的研究有利于優(yōu)化控制單元出口斷面的水質(zhì),提高區(qū)域內(nèi)及下游單元的水環(huán)境質(zhì)量.自2012年起,哈爾濱市取消了所有點(diǎn)源的松花江趕排口,因此阿什河、何家溝、呼蘭河、馬家溝和蜚克圖河等入流河段成為松花江哈爾濱段干流的點(diǎn)源污染負(fù)荷的輸入口,以上5個(gè)入流河段的入流濃度變化成為情景設(shè)置的基礎(chǔ).阿什河為松花江一級(jí)支流,附近有哈爾濱市文昌污水處理廠、信義溝以及周邊村屯排放的生活生產(chǎn)污水流入,新增工業(yè)園區(qū)及生活污水形成的復(fù)合污染,導(dǎo)致阿什河水體污染較為嚴(yán)重,甚至達(dá)到劣V類,對(duì)松花江干流水質(zhì)有著較大影響.同時(shí)位于上游的何家溝,其污染負(fù)荷會(huì)受其附近群力污水處理廠的影響,從而影響中下游水質(zhì),通過對(duì)其模擬,可以得出污水處理廠擴(kuò)建或處理技術(shù)提高時(shí)污染負(fù)荷改變對(duì)干流水質(zhì)造成的影響.呼蘭河是整個(gè)呼蘭區(qū)的受納水體,其污染也很大程度上影響著中下游水質(zhì),其污染負(fù)荷增減的模擬也具有重要參考價(jià)值.馬家溝水量較小,蜚克圖河污染負(fù)荷較低,改變污染負(fù)荷后的模擬結(jié)果變化較小.因此,本研究主要針對(duì)阿什河、呼蘭河、何家溝3個(gè)流量較大并且污染負(fù)荷較高的支流河口進(jìn)行模擬,從而得出支流河污染負(fù)荷改變的情境下,干流河及出口斷面水質(zhì)的變化情況,進(jìn)而得出在保證大頂子山斷面COD、NH3-N的水質(zhì)穩(wěn)定在III類時(shí),對(duì)中上游支流河的水質(zhì)要求.為此,設(shè)置9個(gè)模擬情景,保持水動(dòng)力模型設(shè)置不變,水質(zhì)模塊的上邊界按天輸入的污染負(fù)荷不變,分別模擬3個(gè)支流河口及其組合時(shí),污染物濃度在原始污染負(fù)荷的基礎(chǔ)上進(jìn)行增加和削減時(shí),下游大頂子山出口斷面COD、NH3-N濃度在枯水期、桃花汛期、豐水期和平水期四個(gè)水期的變化規(guī)律.具體見表2.

表2 干支流污染負(fù)荷輸入情景設(shè)置Table 2 Input load scenarios for pollutant loads in tributaries

2.2 COD水質(zhì)模擬

2.2.1 不同水期出口斷面水質(zhì)的響應(yīng) 根據(jù)上述模擬情景,模擬單獨(dú)改變一個(gè)支流河口和同時(shí)改變幾個(gè)支流河口污染負(fù)荷時(shí),大頂子山出口斷面在不同水期的水質(zhì)變化.由圖5可以看出,在不改變污染負(fù)荷時(shí),枯水期污染負(fù)荷最為嚴(yán)重.阿什河污染負(fù)荷的變化對(duì)大頂子山斷面的影響最大,在單獨(dú)改變阿什河與其他河流組合時(shí),其模擬結(jié)果均成上升趨勢(shì);當(dāng)阿什河削減負(fù)荷,呼蘭河增加負(fù)荷時(shí),整體水質(zhì)有上升趨勢(shì).根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[22]中COD標(biāo)準(zhǔn)限值要求,情景①中,當(dāng)阿什河污染負(fù)荷不斷降低,枯水期水體達(dá)到23.52mg/L,屬IV類水體時(shí),大頂山斷面的污染負(fù)荷濃度也隨之降低為19.81mg/L,成為III類水體;平水期阿什河COD濃度降到30.16mg/L,屬V類水體時(shí),大頂子山斷面水體降低為14.65mg/L,成為II類.當(dāng)阿什河污染負(fù)荷升高時(shí),桃花汛期和平水期水體達(dá)到劣V類時(shí),大頂子山斷面水體分別為20.12和20.4mg/L,達(dá)到了IV類.情景④阿什河和呼蘭河同時(shí)改變的情景下,枯水期二者都為IV類水體時(shí),出口斷面為19.49mg/L,屬于III類水體,二者都為I類時(shí),出口斷面為II類;豐水期時(shí),二者都降為II類水體,大頂子山斷面為14.86mg/L屬于II類水體.平水期,當(dāng)大頂子山斷面的水體達(dá)到20.64mg/L為IV類水體時(shí),阿什河與呼蘭河水體已經(jīng)是劣V類水.情景⑦三條河負(fù)荷同增同減時(shí),在降低污染負(fù)荷的情況下,平水期阿什河降為II類、呼蘭河為II類、何家溝為III類時(shí),大頂子山斷面COD濃度符合II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);桃花汛期,阿什河和何家溝水質(zhì)降為II類,同時(shí)呼蘭河為I類時(shí),出口斷面水質(zhì)為II類.

圖5 COD模擬結(jié)果Fig.5 COD simulation results

2.2.2 不同水期干流水質(zhì)的響應(yīng) 在枯水期、桃花汛期、平水期和豐水期,大頂子山斷面處于III類水體時(shí),不同水期COD在整個(gè)江面的分布狀態(tài)如圖6所示.阿什河口內(nèi)與呼蘭河口內(nèi)斷面污染負(fù)荷同時(shí)改變的條件下,若大頂子山斷面水質(zhì)保持在III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),要求枯水期(a)阿什河口內(nèi)斷面COD濃度不能超過29.3mg/L,呼蘭河口內(nèi)斷面不能超過22.3mg/L;桃花汛期(b)則不能超過41.82和32.13mg/L;平水期(c),阿什河口內(nèi)斷面COD濃度不超過47.75mg/L,呼蘭河口內(nèi)斷面不超過36.27mg/L時(shí),大頂子山斷面保持在III類;豐水期(d),當(dāng)阿什河口內(nèi)與呼蘭河口內(nèi)斷面COD濃度同時(shí)分別超過65.4和41.47mg/L時(shí),大頂子山斷面超出III類水體.

圖6 不同水期COD在整個(gè)江面的分布情況Fig.6 The COD distribution of different water periods on the entire river

2.3 NH3-N水質(zhì)模擬

2.3.1 不同水期出口斷面的水質(zhì)響應(yīng) 針對(duì)NH3-N的模擬情景如圖7,原始狀態(tài)下大頂子山斷面在枯水期水質(zhì)為1.24mg/L,屬于IV類水體;桃花汛期和平水期水質(zhì)分別為0.8和0.62mg/L,為III類;豐水期0.36mg/L,為II類.阿什河的濃度較高,模擬后對(duì)出口斷面的影響較大,情景①中,枯水期大頂子山斷面由IV類變?yōu)镮I類時(shí),此時(shí)阿什河的水質(zhì)是由劣V類降到了III類;在阿什河NH3-N濃度降到0.48mg/L成為II類時(shí),桃花汛期大頂子山斷面達(dá)到0.47mg/L,是II類水體;平水時(shí)期阿什河水質(zhì)降為III類時(shí),出口斷面水質(zhì)則由III類降為II類.阿什河污染負(fù)荷增長(zhǎng)時(shí),出口斷面的水質(zhì)也逐漸惡化,當(dāng)污染負(fù)荷在其原始濃度上增加80%時(shí),出口斷面水質(zhì)在枯水期由IV類變成V類,桃花汛期由III類變成IV類.與阿什河相比,呼蘭河和何家溝的改變對(duì)出口斷面的影響相對(duì)較弱,情景②中,大頂子山斷面NH3-N濃度均有所波動(dòng),但仍處于原始水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi).由情景⑦可知,3條河流同時(shí)改變,對(duì)大頂子山斷面的影響最大,阿什河與何家溝匯水口的污染負(fù)荷較高,在二者NH3-N濃度同時(shí)降低50%,并且呼蘭河由III類降低為II類時(shí),出口斷面水質(zhì)在枯水期由III類降為II類.桃花汛期,出口斷面由III類變?yōu)镮I類時(shí),此時(shí)阿什河處于III類,呼蘭河處于I類,何家溝則降低到接近V類.平水時(shí)期,阿什河為IV類,呼蘭河降為II類,何家溝減少60%負(fù)荷時(shí),大頂子山出口斷面水質(zhì)由III類變?yōu)镮I類.

2.3.2 不同水期干流水質(zhì)的響應(yīng) 在模擬情景中,大頂子山斷面NH3-N濃度分別在不同水期達(dá)到了不同的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),此時(shí)整個(gè)江面的分布狀況如圖8所示.(a)為枯水期處于IV類時(shí),整個(gè)江面的狀況;(b)為桃花汛期處于III類江面的分布狀況;(c)是平水時(shí)期,此時(shí)出口斷面水質(zhì)為II類;(d)所示為豐水期大頂子山斷面NH3-N處于I類標(biāo)準(zhǔn),濃度整體比較低.阿什河口內(nèi)與呼蘭河口內(nèi)斷面污染負(fù)荷同時(shí)改變的條件下,枯水期若大頂子山斷面水質(zhì)保持在III類,則要求阿什河口內(nèi)斷面和呼蘭河口內(nèi)斷面水質(zhì)不能超過8.73和2.92mg/L;桃花汛期若大頂子山保持在II類,則二者最高分別為6.3和2.23mg/L;大頂子山斷面在豐水期保持在I類水體時(shí),阿什河口內(nèi)斷面和呼蘭河口內(nèi)斷面NH3-N濃度則不能超過7.57和1.79mg/L.

圖7 NH3-N模擬結(jié)果Fig.7 NH3-N simulation results

圖8 不同水期NH3-N在整個(gè)江面的分布情況Fig.8 The NH3-N distribution of different water periods on the entire river

3 結(jié)論

3.1 研究表明,水動(dòng)力模塊模擬水位和實(shí)測(cè)水位最大水位差為0.33m,水質(zhì)指標(biāo)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差和相對(duì)均方根誤差均在15%以內(nèi),顯示了模型的可靠性.

3.2 選取COD、NH3-N兩項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo),設(shè)置9個(gè)情景,研究分為4個(gè)水期,考慮到不同季節(jié)污染負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化,模擬中上游支流河口污染負(fù)荷輸入與出口斷面污染負(fù)荷輸出水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系,結(jié)論表明,嚴(yán)格控制每個(gè)支流匯水口的污染負(fù)荷排放有利于干流及下游的水污染防治和管理,可以減輕其水質(zhì)壓力.阿什河口下斷面的改變對(duì)出口斷面影響最大,為此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)一級(jí)支流阿什河的治理力度.

3.3 模擬給出了大頂子山COD保持在III類水質(zhì)時(shí)、NH3-N保持在I、II、III類時(shí),各個(gè)水期對(duì)阿什河及呼蘭河的水質(zhì)要求.模型結(jié)果可為松花江哈爾濱市段流域總量減排和水質(zhì)改善提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)也為流域大尺度水質(zhì)評(píng)估及預(yù)警提供定量化的參考.

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