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1、 J. Lake Sci.(湖泊科学), 2009, 21(4): 502-508 http:/www.jlakes.org. E-mail: 2009 by Journal of Lake Sciences 太湖流域漕桥河小流域水环境容量估算及污染物削减分配* 张利民1, 刘 洋, 孙卫红, 边 博 (江苏省环境科学研究院, 南京 210036) 摘 要: 太湖流域漕桥河区域水环境质量日益恶化, 成为影响该区域可持续发展的主要问题之一, 为此基于漕桥河小流域和水质污染分段的特征, 计算了研究区域的水环境容量和污染物削减量, 提出河流污染分段控制和流域管理的水环境容量控制模式, 建立河流氮磷
2、污染控制的可操作性措施, 从而确定重点工程和措施实施的年度计划, 形成污染源年度削减方案, 可为小流域污染控制管理提供科学依据. 关键词: 漕桥河; 小流域; 水质污染分段; 水环境容量; 削减方案; 太湖流域 Estimation of water environmental capacity and allocation of pollutants reduction in a small watershed of Caoqiao River in Taihu Basin ZHANG Limin, LIU Yang, SUN Weihong small watershed; water p
3、ollution segmentation; water environmental capacity; reduction plans; Taihu Basin 太湖流域主要入湖河流处于平原河网地区, 地势较低、工业密集、污染物入河量大、河流水环境质量日益恶化, 成为影响该流域环境和经济可持续发展的一个主要问题. 根据河道的水文特征、入河排污口分布、设定目标水质和一定保证率下的设计流量, 确定水环境容量模型1-2, 计算河流的水环境容量, 确定污染物削减量, 是实现水环境功能区水质目标的主要手段, 也是水污染总量控制的基础和核心3-5. 目前, 关于河道水环境容量的研究较多6-8, 河网动态
4、水质模型的研究已有较大进展, 在上海等河网水系中得到了广泛的应用9. 漕桥河是太湖流域 15 条主要入湖河流之一, 周边河流密布, 水流缓慢, 水体交换速率低, 河道污染物集聚量大, 为典型小流域河网地区; 污染源以氮、磷污染为主, 工业和居民沿河分布, 河段水质变化波动大, 呈明显分段特征, 研究起来比较复杂10, 在此条件下, 根据漕桥河水系情况和不同河段的水质特征, 将漕桥河小流域分段进行水环境容量的测算, 分段控制污染物允许排放量, 以保证漕桥河小流域的全线水质达标. 因此本文以漕桥河为例, 基于实测数据进行水文模型的参数率定和验证, 提出小流域河网地区河流分段水环境容量计算方法, 确
5、定污染物的削减量, 从而制定削减污染物的重点工程措施, 为太湖流域水环境管理提供科学依据. * 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07101-002)和江苏省科技厅太湖专项基金(基础研究计划)(BK2007744)联合资助. 2008-10-27 收稿; 2008-12-23 收修改稿. 张利民, 男, 1966 年生, 博士, 研究员; E-mail: . 张利民等: 太湖流域漕桥河小流域水环境容量估算及污染物削减分配 5031 研究区域及计算方法 1.1 研究区域 漕桥河位于江苏省宜兴市北部, 是太湖主要入湖河流之一, 属于洮、滆、太水系, 起源于滆湖, 两岸有37条主要河浜
6、. 漕桥河与武宜运河交汇于上游的楝聚村, 与太滆运河交汇于下游的分水村. 根据 江苏省地表水(环境)功能区划, 漕桥河起始-终止位置, 武宜运河-太滆运河和滆湖口-武宜运河(闸口), 2010和2020年水质目标均为和类水. 全线从上游至下游依次设有徐家大塘、 闸口(黄土桥)、 漕桥、 新塘桥、分水桥和百渎港6个例行监测断面, 不同水期各断面水质类别统计分析结果表明, 漕桥河水质总氮、氨氮为劣类, 总磷为类-劣类, 高锰酸盐指数满足类水质要求, 监测点位布置见图1. 图1 漕桥河及主要水系水质常规监测点 Fig.1 Water quality monitoring point of Caoqi
7、ao River system 1.2 河网(河道)区环境容量计算方法 1.2.1 河网(河道)区环境容量计算 污染物进入河流水体后, 在污染物完全均匀混合的断面上, 污染物无论是溶解态的、颗粒态的还是总浓度, 其值均可按节点平衡原理来推求. 断面完全混合的水环境容量计算为零维问题视水体水质为完全均匀混合类型, 即不考虑空间方向上的浓度梯度, 应用公式1-5进行河网环境容量的计算. 11nmijij jiWW=纳污能力纳污能力(1) 式中, ij为不均匀系数; ij(0,1, ij取值参考相关研究结果11, Wij为计算中的最小空间计算单元和最小时间计算单元. 计算中最小空间计算单元为河段(河
8、段为两节点之间的河道); 最小时间计算单元为天. sijijijsijijCKVCCQW+=)(00纳污能力(2) 式中, Csij为不同功能区相应水质标准下的浓度; K 为水质降解系数; Vij为不同功能区的水体体积; Q0ij, C0ij分别为不同功能区进口断面的入流流量和水质浓度. 对于往复流地区, 采用双向流计算公式, 具体如下11: =+ABWWWABAB正反(3) 式中, W为环境容量; A为正向流计算时间段天数; B为反向流计算时间段天数; W正为正向河流的环境容量J. Lake Sci.(湖泊科学), 2009, 21(4) 504 值; W反为反向河流的环境容量值. W正为正
9、向河流的环境容量值, 具体计算公式为: 01011 1()=+正SSWQCCKVC (4) W反为反向河流的环境容量值, 具体计算公式为: SSCVKCCQW110202)(+=反(5) 1.2.2 河道控制方程 描述明渠一维非恒定流的基本方程为一维Saint-Venant方程组: +=WQZBqxt(6) ()2 22 4/320 +=n u QQQZAugABuugtxxxR(7) 式中: t为时间坐标; x为空间坐标; Q为流量; Z为水位; U为断面平均流速; n为糙率; A为过流断面面积; B为主流断面宽度; BW为水面宽度(包括主流宽度B及仅起调蓄作用的附加宽度); R为水力半径;
10、 q为旁侧入流流量. 方程的求解: 三级联合解法求解平原河网水力特性的基本思路可概括为: “单一河道连接节点单一河道”. 即先将各单一河道划分为若干计算断面, 在计算断面上对Saint-Venant 方程组进行有限差分运算, 得单一河道方程即以各断面水位及流量为自变量的差分方程组; 然后根据节点连接条件辅以边界条件形成封闭的各节点水位方程, 求解此方程组得各节点水位, 再将各节点水位回代至单一河道方程, 最终求得各单一河道各断面水位及流量. 1.2.3 削减量计算: X=P-W (8) 式中: X 为污染物削减量(t/a); P 为污染物入河量(t/a); W 为环境容量(t/a). 污染物入
11、河量可由不同污染源排放量和入河系数计算获得. 污染源排放量根据污染源调查确定, 入河系数的取值根据已有研究成果确定. 2 结果和讨论 2.1 计算条件的确定 2.1.1 水环境功能目标确定 在水资源开发利用区域内, 按给定的水质目标和设计水量、水质条件, 水域能纳污染物的最大量, 按照水环境功能区上下边界、 监测断面设置, 选取最有代表性的监测断面, 将一个功能区内可设多个监测断面来控制功能区的水质, 作为水环境容量计算的约束条件. 以水环境功能区不同断面内相应环境质量标准类别的上限值为水质目标值. 水环境功能区相应环境质量标准具体落实于相应的监控断面, 断面达标即意味着水环境功能区水质达标.
12、 根据近期、远期规划目标, 确定漕桥河、武宜运河 2012 年和 2020 年水环境功能目标分别为和类水质标准. 2.1.2 典型年选取 选用太湖流域丹阳、茅东、赵村、溧阳、宜兴、常州、陈墅等 40 个雨量站 1954-2005年共 52年的年降水量资料, 进行频率分析, 得90%保证率的典型年为 1971年. 太湖模型计算的边界条件分为长江沿线、宜溧山区、太湖边界等, 由于区域计算边界水文边界条件的缺失, 通过概化太湖流域河网模型. 2.1.3 设计水文条件的确定 典型年中设计月份具体的选取方法是: 在每个水利分区中找出具有一定空间代表性的流量站或水位站作为各水利分区的代表站, 根据代表站实
13、测资料统计得出最枯月均流量或最低月均水位所在的月份, 并以此水位来作为太湖流域低方案的水量(水深描述). 若该水利分区中有代表性较好的流量站时, 则选择该流量站在 1971 年的最枯流量出现的月份作为设计月份; 若该水利分区中没有代表性较好的流量站时, 则选择该水利分区中代表性较好的水位站在 1971 年中最低水位出现的月份作为设计月份. 无锡选取 1971 年 2 月作为设计月份. 采用太湖流域河网水量模型进行太湖流域河道设计水文条件的计算. 水量模型中采用两类边界条件, 第一类是沿长江、杭州湾的潮位, 选取 1971 年(90%保证率的水情)长江至杭州湾的镇江、江阴、天生港、徐六泾、吴淞口
14、、芦潮港、金山咀、乍浦、澉浦及盐官等国家潮位站的潮位. 第二类是全流域降雨和蒸发资料. 计算工情指 1997 年已完成的水利工程及疏浚的河道状况. 此时, 望虞河已全线贯通, 太浦河泵站工张利民等: 太湖流域漕桥河小流域水环境容量估算及污染物削减分配 505程已竣工, 长江及杭州湾的其它各闸主要作用是为当地的防洪排涝及供水服务. 闸门的启闭根据当地水位决定, 尽量维持当地水位在适宜水位范围内. 当地水位超过适宜水位, 开闸向长江或杭州湾排水. 低于适宜水位时, 开闸从长江引水. 根据建立的太湖流域大型河网模型确定研究区域水文设计条件. 根据不同水利分区在典型年中选取设计月份, 以月均最枯流量或
15、月均最低水位作为典型年中设计月份选取的依据. 太湖流域江苏区域划分为 4 个水利分区, 分别为: 湖西区、阳澄区、澄锡虞区和淀泖区. 2.1.4 降解参数的确定 污染物的生物降解、沉降和其他物化过程, 可概括为污染物综合降解系数, 用实测资料反推法计算污染物降解系数, 首先要选择河段, 分析上、 下断面水质监测资料, 其次分析确定河段平均流速, 用水质模型计算污染物降解系数, 第三采用临近时段水质监测资料验证计算结果, 确定污染物降解系数. 河段选择时, 为减少随机因素对计算结果的影响, 应尽量选择没有排污口、 支流口的河段作为计算河段, 这样可以排除对水质监测结果的影响. 12(lnln) /KCC u L=(9) 式中: K 为降解参数; C1、C2分别为河段上、下断面污染物浓度; L 为上下断面距离; u 为流速. 2.1.5 模型参数的率定 水量计算的目的是为水质计算提供水量数据, 率定的目标主要考虑过程线的趋势, 没有对最高水位、流量或最低水位、流量刻意追求. 水位率定: 选取江苏太湖流域 4 个代表水位站1995 年和 1996 年的实测资料用于率定, 1995 年资料计算水位与实测值相当吻合, 1996 资料年流域内大部分地区计算与实测水位吻合. 计算与实测最高水位误差小于20cm的比例超过70%(图2a). 流量率定: 选取江苏太湖流域 7 个代表性断面 1
