平原感潮河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境容量研究
——以張家港市為例

徐 飛， 周 飛， 沈 樂

(江蘇省水文水資源勘測局南京分局，江蘇 南京 210008)

平原感潮河網(wǎng)地區(qū)因其特殊的地理位置,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),污染物排放量較大;但與山丘河道相較,又存在水動(dòng)力條件不足,河道自凈能力較弱,水流往復(fù),污染物易于擴(kuò)散等特點(diǎn)。因此,針對(duì)其水動(dòng)力和水環(huán)境特征,進(jìn)行合理的水環(huán)境容量計(jì)算,進(jìn)而為污染物總量控制提供科學(xué)的依據(jù),對(duì)緩解當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境保護(hù)之間的矛盾意義重大。張家港市是典型的平原感潮河網(wǎng)地區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集、河道密布,高頻的人類生產(chǎn)生活也帶來了較為嚴(yán)重的水環(huán)境污染問題。且由于河網(wǎng)縱橫、河床比降小、水流往復(fù),水體往往自凈能力較差。因此,對(duì)張家港市進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算研究十分必要,可為污染物總量控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 構(gòu)建水環(huán)境數(shù)學(xué)模型

基于當(dāng)?shù)睾拥罃嗝?、水位、流量等水文資料及污染物調(diào)查情況,概化河網(wǎng),建立研究區(qū)域水量水質(zhì)模型。本次水動(dòng)力模型采用圣維南方程組(式1)進(jìn)行計(jì)算,水質(zhì)模型采用污染物對(duì)流擴(kuò)散方程(式2、式3)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

其中,Q為河流流量,m3/s;x為沿水流方向的空間坐標(biāo),m;BW為調(diào)蓄寬度,m;Z為河道水位,m;t為時(shí)間坐標(biāo),s;q為支流入流流量(流入為正,流出為負(fù)),m3/s;u為斷面平均流速,m/s;g為重力加速度,m/s2;A為主槽過水?dāng)嗝婷娣e,m2;B為主流斷面寬度,m;n為河道糙率;R為水力半徑,m。

(2)

(3)

其中,Q為河道流量,m3/s;Z為河道水位,m;A為河道面積,m2;Ex為縱向分散系數(shù);C為水流輸送的物質(zhì)濃度,mg/L;Ω為河道叉點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的水面面積,m2;j為節(jié)點(diǎn)編號(hào);I為與節(jié)點(diǎn)j相關(guān)聯(lián)的河道編號(hào);Sc為與輸送物質(zhì)濃度相關(guān)的衰減項(xiàng);Kd為衰減因子;S為外部的源匯項(xiàng)。

1.2 參數(shù)率定與驗(yàn)證

通過野外調(diào)水試驗(yàn),利用先進(jìn)的在線監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行水量水質(zhì)同步監(jiān)測,從而獲得一系列的水文、水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上對(duì)張家港市河道的糙率、水質(zhì)綜合降解系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證。

1.3 水環(huán)境容量計(jì)算

本文采用總體達(dá)標(biāo)法[12]對(duì)張家港市水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算。選取90%保證率枯水年最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)水文條件,根據(jù)研究區(qū)水環(huán)境功能區(qū)劃水質(zhì)達(dá)標(biāo)要求,計(jì)算概化主干河網(wǎng)的水環(huán)境容量,水環(huán)境容量計(jì)算公式如式4、式5所示:

(4)

Wij環(huán)境容量=Q0ij(Csij-Coij)+KVijCsij

(5)

其中,αij為不均勻系數(shù);Q為進(jìn)口斷面入流流量,m3/s;Csij為該水體的目標(biāo)水質(zhì),mg/L;Coij為進(jìn)口斷面水質(zhì)濃度,mg/L;K為水質(zhì)降解系數(shù),d-1;V為水體體積,m3。

由于研究區(qū)河網(wǎng)受潮汐影響,水流往復(fù)方向不固定,故取設(shè)計(jì)水文條件下的最枯月正向流、逆向流和流量為0時(shí)候的平均值作為水環(huán)境容量,詳細(xì)計(jì)算如公式6所示:

W=(W1×d1+W2×d2+W3×d3)/d

(6)

其中,W為往復(fù)流河道環(huán)境容量,t/d;d為最枯月天數(shù),d;W1、W2、W3為分別為正向流、逆向流和流量為0時(shí)候的水環(huán)境容量,t/d;d1、d2、d3為分別為正向流、逆向流和流量為0時(shí)候的天數(shù),d。

2 水環(huán)境容量計(jì)算

2.1 模型構(gòu)建

本文采用節(jié)點(diǎn)、河網(wǎng)、斷面三種參數(shù)來進(jìn)行河網(wǎng)概化,為提高河網(wǎng)計(jì)算的精度,本文在確保河道長度、坡降、流量、水位、水利工程基本與實(shí)際相符的前提下,將張家港復(fù)雜水系概化成367條河道。

2.2 模型率定和驗(yàn)證

本文設(shè)定模型外部邊界為朝東圩港、一干河等,采用野外同步水量水質(zhì)監(jiān)測值進(jìn)行計(jì)算,長江邊界來水按Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)值輸入模型。通過模型率定,部分代表監(jiān)測點(diǎn)位水量、水位實(shí)測值和模擬值結(jié)果對(duì)比詳見圖1、圖2。

圖1 水動(dòng)力模型水量實(shí)測值與模擬值對(duì)比圖

圖2 水動(dòng)力模型水位實(shí)測值與模擬值對(duì)比圖

由圖1、圖2可知，代表監(jiān)測點(diǎn)位流量和水位模型計(jì)算值與實(shí)測值均較為吻合，由圖1、圖2可知,各監(jiān)測點(diǎn)位流量和水位模型計(jì)算值與實(shí)測值均較為吻合,其中流量的相對(duì)誤差在30%以內(nèi),故本文判定該水動(dòng)力模型可基本模擬研究區(qū)的水動(dòng)力過程,且根據(jù)率定結(jié)果得出現(xiàn)狀河道糙率取值范圍為0.01～0.04。

本文采用原型引調(diào)水實(shí)驗(yàn)的同步監(jiān)測值對(duì)水質(zhì)模型進(jìn)行率定。為調(diào)高計(jì)算的精確性和穩(wěn)定度,時(shí)間步長t設(shè)置為15s。根據(jù)實(shí)地污染源調(diào)查,將全市范圍內(nèi)共計(jì)127家企業(yè)、22家生活及工業(yè)污水處理廠排污口概化成102個(gè)集中排污口,將約514家畜禽養(yǎng)殖場排污口概化成173個(gè)排污口,加入水質(zhì)模型中,調(diào)整各參數(shù),使代表監(jiān)測點(diǎn)的模擬值與實(shí)測值趨于吻合。最終通過水質(zhì)模型率定,COD、氨氮的模擬值和實(shí)測值對(duì)比詳見圖3、圖4。

圖3 COD濃度實(shí)測值與模擬值對(duì)比圖

圖4 COD濃度實(shí)測值與模擬值對(duì)比圖

根據(jù)圖3、圖4可知，率定后的水質(zhì)模型COD、氨氮模擬值與野外實(shí)測結(jié)果吻合度良好,相對(duì)誤差均小于40%,結(jié)果表明該水質(zhì)模型基本可模擬研究區(qū)污染物遷移過程。根據(jù)水質(zhì)模型率定結(jié)果得出COD和氨氮降解系數(shù)取值范圍分別為0.04～0.08/d和0.03～0.08/d,縱向擴(kuò)散系數(shù)為2.5m2/s。

3.3 水環(huán)境容量計(jì)算

張家港市共有37個(gè)水環(huán)境功能區(qū),其中長江張家港飲用、工業(yè)用水區(qū)和一干河張家港飲用水源區(qū)水質(zhì)要求為Ⅱ類,不參與本次水環(huán)境容量計(jì)算,故本文只有35個(gè)功能區(qū)的水環(huán)境容量計(jì)入最終測算結(jié)果,水質(zhì)目標(biāo)詳見表1。根據(jù)張家港市水污染調(diào)查結(jié)果和水環(huán)境管理目標(biāo),本文選取COD和氨氮作為特征污染物計(jì)算水環(huán)境容量。

表1 張家港市各水環(huán)境功能區(qū)環(huán)境容量

本文采用P-III型曲線對(duì)獲取的張家港市1967-2013年的多年月平均降水量長序列資料進(jìn)行水文頻率分析,計(jì)算得到90%枯水年典型年為1971年,再依據(jù)太湖流域相關(guān)測站水位資料選取1971年最枯月2月的平均水位作為計(jì)算水位。由于一些河道受到潮汐影響易于形成往復(fù)流,故對(duì)于流向不定的河道采用流量為0時(shí)的設(shè)計(jì)水位對(duì)應(yīng)的水量作為設(shè)計(jì)流量。

最終,利用總體達(dá)標(biāo)法計(jì)算得出張家港市各主干河道的水環(huán)境容量,進(jìn)而得出各水環(huán)境功能區(qū)環(huán)境容量,詳細(xì)結(jié)果見表1。此外功能區(qū)外主要河道COD和氨氮的環(huán)境容量分別為9132.5t/a和564.3t/a,故張家港全市COD和氨氮水環(huán)境容量為分別為43742.9t/a和3527.6t/a。

4 結(jié) 論

平原河網(wǎng)地區(qū)由于污染物排放量較大且水體自凈能力不足,往往水污染嚴(yán)重,對(duì)其進(jìn)行污染物總量控制十分必要。本文通過建立張家港市水量水質(zhì)模型,并利用野外高頻在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了率定驗(yàn)證,結(jié)果顯示模型擬合度較高,基本可用于描述研究區(qū)水量水質(zhì)過程,從而確定了現(xiàn)狀河道糙率和水質(zhì)綜合降解系數(shù),其中COD和氨氮降解系數(shù)取值范圍分別為0.04～0.08/d和0.03-0.08/d。在此基礎(chǔ)上,通過對(duì)長序列資料的水文頻率分析得出90%保證率典型年最枯月為1971年2月,并選取其作為計(jì)算水文條件,根據(jù)境容量,最終得出張家港市現(xiàn)狀水環(huán)境容量COD為43742.9t/a,氨氮為3527.6t/a。建議以此為約束條件,通過加快城鎮(zhèn)污水處理配套設(shè)施建設(shè)、促進(jìn)工業(yè)企業(yè)優(yōu)化工藝達(dá)標(biāo)排放、加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染整治力度等有效手段,一方面從源頭減少污染物排放,另一方面提高污水處理率,從而有效削減污染物排放總量,切實(shí)改善張家港市水環(huán)境質(zhì)量。