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(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

1 研究背景

新溝河延伸拓浚工程是《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》規(guī)劃實施的提高太湖水環(huán)境容量(納污能力)6項引排工程之一。工程的主要任務是配合望虞河引水、新孟河引水，優(yōu)化太湖引排格局，控制直武地區(qū)入太湖河道5 a一遇以下入太湖水改為北排長江，減少太湖特別是梅梁湖的污染負荷，改善太湖及梅梁湖水質，同時提高流域、區(qū)域的防洪排澇能力[1-3]。

新溝河在正常工況下的排江水流對長江水環(huán)境的影響并不大[3]，但考慮到長江以及下游鄰近水廠取水口水質的重要性，為防范水質污染風險，控制污染范圍，保證水廠取水安全，有必要進一步研究在特殊水文、水質的不利條件下，新溝河排江水流對長江以及取水區(qū)域水質的影響。同時，長江水質不同月份的NH3-N本底濃度差別較大，為保證水廠供水安全，確定不同本底濃度下最大允許排江負荷具有極大的應用價值。本文采用國內外常用的由DHI開發(fā)的MIKE 21數(shù)值模擬軟件[4]，通過建立長江二維水動力水質數(shù)學模型，研究新溝河排江對長江水質的影響。

2 二維水動力水質數(shù)學模型

2.1 基本方程

考慮Bousinesque近似和淺水假定，以及風應力的影響，垂向積分的二維水動力學方程組如下。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中：h為水深(m)；ζ為水位(m)；p，q分別為x，y向的單寬流量(m3/(s·m-1))；g為重力加速度(m/s2)；C為謝才系數(shù)；n為曼寧系數(shù)；f為風阻力系數(shù)；V，Vx，Vy分別為風速及其在x，y向的分量(m/s)；Ω為科氏參數(shù)；Pa為大氣壓(Pa)；ρw為水的密度(kg/m3)；τxx，τxy，τyy為剪切應力分量。

污染物對流擴散方程為

(4)

式中：c為污染物濃度；u，v分別為x，y向的流速；Dx，Dy分別為x，y向的擴散系數(shù)；k為綜合降解系數(shù)；S為源匯項[5]。

2.2 模型計算范圍及局部網格

綜合考慮工程區(qū)域、模型資料獲取以及研究目的等因素確定模型范圍。模型上起鎮(zhèn)江，下至天生港，全長約164 km，采用非結構三角形網格劃分，對工程區(qū)域進行網格加密，網格尺寸為100～400 m，共有28 489個網格。模型范圍及新溝河入江口門處的網格見圖1。

圖1 模型范圍及局部網格劃分Fig.1 Domain of model and mesh division of local area

圖2 潮位驗證Fig.2 Verification of tidal level

2.3 模型驗證

模型計算按照枯季保證率不低于90%，選取2003年11月—2004年4月長江枯季流量保證率為91.23%下的鎮(zhèn)江、天生港實測潮位作為開邊界條件。驗證資料采用2009年2月26日—3月5日實測潮位、流速、流量資料。部分站點驗證結果見圖2和圖3。

圖3 流速及流向驗證Fig.3 Verification of velocity and direction of flow

潮位、流速、流向的計算值與實測值大小相近，相位基本一致，過程相似性較好，表明建立的長江二維水動力模型能反映長江實際水流的運動過程，能為水質模擬提供水動力基礎。

3 排江風險分析

3.1 可能的排江負荷

新溝河最大排江流量為河道設計最大過流能力310 m3/s，是按100 a一遇標準確定的。根據現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據及模型預測結果，平水年新溝河連續(xù)排江時，NH3-N排江濃度一般不會超3.0 mg/L；遇流域5 a一遇降水時，NH3-N排江濃度為1.1～1.4 mg/L；遇流域100 a一遇降水時，NH3-N排江濃度應不會超過1.0 mg/L。

3.2 長江水質本底濃度

新溝河入江口上游約30 km處魏村水廠取水口長江NH3-N濃度多年監(jiān)測數(shù)據見圖4。該江段NH3-N濃度年際變化相對穩(wěn)定，季節(jié)性差異較為明顯。1-3月份NH3-N濃度明顯較高，在0.4～1.0 mg/L之間，基本為Ⅱ—Ⅲ類水質；4—12月份NH3-N濃度較低，全部可達Ⅱ類水質標準，基本在0.3 mg/L以下。

3.3 敏感目標

根據正常水文年影響預測計算結果，新溝河排江對上、下游4個水源保護區(qū)影響最大的是位于工程入江口下游最近的小灣水源地保護區(qū)，因此，風險影響分析中，以小灣水源保護區(qū)作為敏感目標。江陰小灣水廠取水口位于新溝河入江口下游11.6 km，一級保護區(qū)水域范圍為取水口上游1 000 m至下游600 m向對岸500 m至本岸背水坡范圍，二級保護區(qū)水域為一級保護區(qū)以外上溯1 500 m、下延900 m，準保護區(qū)為二級保護區(qū)以外上溯2 000 m、下延1 000 m，見圖5。

圖5 新溝河入江口與上、下游各水廠及保護區(qū)位置關系Fig.5 Location of Xingou river mouth, upstream and downstream water plants and protection zones

表2 不同NH3-N排江濃度時下游不同距離處NH3-N濃度最大和平均增量Table 2 Maximum and average increments of downstream NH3-N concentration at different distances after discharge with varying NH3-N concentration

3.4 最不利影響計算

為了解工程在極端條件下對長江可能造成的最不利影響，對工程排江最不利組合進行設計計算。選取長江最不利的枯季水文條件作為計算年型(2003年11月—2004年4月)，流量保證率為91.23%，以其中的最枯時期2004年1—2月流量計算。為保守考慮，假定長江NH3-N本底濃度為0，計算最大排江流量下長江水體污染物濃度(NH3-N)的增量，計算方案見表1。

表1 新溝河排江風險分析計算方案Table 1 Calculation plans of risk analysis on Xingou river discharge

3.4.1 計算結果

各方案下，NH3-N排江擴散的計算結果見表2和圖6。

當新溝河以最大設計流量310 m3/s排江時，NH3-N濃度越高對排江口區(qū)域長江水質影響越大。在長江枯水年型計算條件下，隨著NH3-N排江濃度從0.5 mg/L升高至3.0 mg/L，下游長江水質NH3-N濃度最大增量達0.2 mg/L的距離從2.2 km逐漸增大到12.2 km。當NH3-N排江濃度達到2.0 mg/L時，對入江口下游10.5 km以內的長江沿岸區(qū)域水質均會帶來較大影響，入江口下游沿岸10.5 km處濃度最大增量約0.2 mg/L，濃度平均增量約為0.06 mg/L，下游小灣水廠取水口的最大增量約0.18 mg/L，平均增量約0.05 mg/L。

圖6 不同NH3-N排江濃度下落憩時刻水域NH3-N濃度增量Fig.6 NH3-N concentration increment at ebb time after discharge with different concentrations

進一步統(tǒng)計在不同排江濃度下入江口區(qū)域各類水質超標情況，同時考慮到長江實際存在NH3-N本底濃度，且不同季節(jié)濃度差異較明顯，選取長江4—10月份氨氮高值0.3 mg/L和1—3月份可能濃度0.7 mg/L為本底，分別統(tǒng)計在不同本底、不同排江濃度下各類水質超標情況，見表3。(說明：根據圖4 2004—2009年長江氨氮濃度逐月監(jiān)測值，4—10月份的氨氮濃度基本<0.3 mg/L，1—3月份氨氮濃度各年的數(shù)據變化較大，大致在0.4～1.0 mg/L之間，取中間值0.7 mg/L作為可能出現(xiàn)的本底值。當本底為0.7 mg/L，本底水質已是超Ⅱ類。)

表3 不同排江濃度引起的超Ⅲ類及超Ⅱ類水質標準范圍Table 3 Ranges of water quality standard exceeding level Ⅲ and level Ⅱ caused by discharge with different concentrations

注：地表水Ⅲ類水質NH3-N濃度限值為1.0 mg/L，Ⅱ類水質NH3-N濃度限值為0.5 mg/L

由表3可知，同一NH3-N本底濃度下，NH3-N排江濃度越大，各類水質超標范圍越大。NH3-N本底濃度為0.3 mg/L時，NH3-N排江濃度從1.0 mg/L增大到3.0 mg/L，上游超Ⅲ類水質范圍從0.9 km增加到2.8 km，下游超Ⅲ類水質范圍從1.2 km增加到4.3 km，橫向超Ⅲ類水質范圍從1.4 km增加到1.9 km。同一NH3-N排江濃度下，NH3-N本底濃度越大，水質超標范圍越大。NH3-N排江濃度為1.0 mg/L時，NH3-N本底濃度從0.3 mg/L增大到0.7 mg/L，上游超Ⅲ類水質范圍從0.9 km增加到2.7 km，下游超Ⅲ類水質范圍從1.2 km增加到3.8 km，橫向超Ⅲ類水質范圍從1.4 km增加到1.7 km。

3.4.2 對小灣水廠水源地水質的風險分析

當新溝河以最大設計流量310 m3/s排江，NH3-N排江濃度達到3 mg/L時，小灣水廠取水口處的NH3-N濃度最大增量達到0.265 mg/L，平均增量為0.077 mg/L，見表4。從濃度最大增量來看，當長江NH3-N本底濃度超過0.235 mg/L時，新溝河排江會導致小灣水廠取水口水質類別在某些時段由Ⅱ類降為Ⅲ類。但從NH3-N濃度平均增量僅為0.077 mg/L來看，新溝河排江導致小灣水廠取水口處水質類別下降的可能性不大。小灣水廠準保護區(qū)、二級保護區(qū)和一級保護區(qū)邊界處NH3-N濃度最大增量分別為0.426，0.368，0.320 mg/L，當長江NH3-N本底濃度分別超過0.074，0.132，0.180 mg/L時，小灣水廠準保護區(qū)、二級保護區(qū)和一級保護區(qū)邊界的水質類別在某些時段會由Ⅱ類降為Ⅲ類。小灣水廠準保護區(qū)、二級保護區(qū)和一級保護區(qū)邊界處NH3-N濃度平均增量分別為0.132，0.111，0.096 mg/L，長江NH3-N本底濃度超過0.368，0.389，0.404 mg/L時，小灣水廠準保護區(qū)、二級保護區(qū)和一級保護區(qū)邊界處的水質類別在某些時段會由Ⅱ類降為Ⅲ類?？梢?，新溝河以最大設計流量310 m3/s、NH3-N濃度3 mg/L的負荷風險排江時，會對下游小灣水廠取水水質產生較大影響，需采取措施進行水質影響風險防范。

表4 新溝河310 m3/s流量排江時小灣水廠取水口及其上游保護區(qū)NH3-N濃度增量Table 4 Increments of NH3-N concentration at Xiaowan water intake and upstream protection zone in the presence of 310 m3/s discharge rate of Xingou river

根據區(qū)域實際污染源狀況預測，當排江流量達到310 m3/s，即流域100 a一遇降水造峰期時段，排江洪水中NH3-N濃度應不會超過1 mg/L。如表4所示，由模型預測計算結果可知，在新溝河以流量310 m3/s、NH3-N濃度1 mg/L排江時，小灣水廠準保護區(qū)、二級保護區(qū)、一級保護區(qū)邊界和取水口處NH3-N濃度最大增量分別為0.142，0.123，0.107，0.088 mg/L，當長江NH3-N本底濃度超過0.358，0.377，0.393，0.412 mg/L時，小灣水廠準保護區(qū)、二級保護區(qū)、一級保護區(qū)和取水口的水質類別在某些時段會由Ⅱ類改變?yōu)棰箢悺Ｐ乘畯S準保護區(qū)、二級保護區(qū)、一級保護區(qū)和取水口處NH3-N濃度平均增量分別為0.044，0.037，0.032，0.026 mg/L，當長江NH3-N本底濃度超過0.456，0.463，0.468，0.474mg/L時，小灣水廠準保護區(qū)、二級保護區(qū)、一級保護區(qū)和取水口區(qū)域內的水質類別會由Ⅱ類降為Ⅲ類。可見新溝河以最大設計流量310 m3/s、NH3-N濃度1.0 mg/L的負荷排江時，仍然會對下游小灣水廠取水水質產生一定程度的影響。

4 結論與預防措施

盡管上述計算是以最不利條件為前提，但研究發(fā)現(xiàn)，新溝河排江對長江水質及水廠取水安全確實造成一定風險，且NH3-N排江濃度越大，對長江水質影響越大；長江NH3-N本底濃度越高，排江水流對長江水質的影響越大，甚至會引起取水廠取水水質類別降低。一旦此類情況發(fā)生，不僅會影響長江生態(tài)環(huán)境，也會危及民眾用水安全?？紤]到長江水質及水廠水源地的重要性，新溝河排江應當引起注意，采取必要的預防措施。

為控制新溝河排江風險，以NH3-N為控制指標，以保證小灣水廠二級保護區(qū)邊界水質不超過Ⅱ類水質濃度為限制條件，提出不同長江本底濃度下新溝河最大允許排江負荷(見表5)，供相關部門參考。表5中對長江NH3-N本底濃度在0.45～0.90 mg/L時，要求盡可能控制不排江，但在區(qū)域防洪壓力較大的情況下，以小灣水廠二級保護區(qū)邊界NH3-N濃度最大增量不超過0.01 mg/L為條件，給予了一定的允許排江流量，從數(shù)值看為10 m3/s左右的小流量。對應長江本底情況，NH3-N出現(xiàn)0.45～0.90 mg/L范圍的時間基本全在1—3月份，因此，本調控原則上要求新溝河在1—3月份不排江，在區(qū)域防洪壓力較大時，宜按表5提出的負荷要求控制小流量排江。

注：如按負荷計算的允許排江流量超過工程河道設計最大過流能力即列為“無限制”