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1、1 9 8 第一篇基础理论城市河涌面源污染的预测及其治理初探+罗强邱元锋雷声隆( 武汉大学水利水电学院武汉4 3 0 0 7 2 )摘要水环境整治在城市河涌整治中有着非常重要的意义。奉文在综合考虑水环境、水景观、河酒上游的木库调度等固素的基础上提出了以面舞污染控制为目标的河涌木环境模拟计算的思路和方法。利用广州市开发区南岗涌的水环境整治工程进行了实例计算。关t 词城市河涌面j 擘污染水库调度1 引言城市河涌主要指流经城市的河涌，其在城市的环境、景观中起到非常重要的作用。目前。在各城市的总体规划中，侧重于点源污染的治理，一般均通过污水管网截污后引至污水处理厂经达标处理后排放，而面源污染的治理则相
2、对滞后。然而，即使点源污染治理达标率达9 8 的云南滇池，水质仍没有明显好转；据监测，滇池水质每逢大雨过后要出现恶化，这是由于大量面源污染物被雨水冲刷流人湖内所致。据各地初步研究表明”一J ，太湖流域、淮河的主要污染源，都属于面源污染。国外的历史经验也表明即使点源污染达到“零排放”水平，仍然不能保证水环境质量的满意”- 。面源污染比点源污染更难处置，其具有不均匀、不确定、阃歇性和成分复杂等特点。因此，城市河涌面源污染的治理，对于河涌水环境的保护具有重要的作用。本文针对城市河涌的面源问题，结合城市景观的需求，研究了河涌水环境模拟计算的方法，并结合广州市开发区内的南岗涌进行了实例研究计算。2 河涌
3、水环境的水利计算2 1 基本思路根据城市河涌的功能，一般应满足水环境、水景观等要求，并且在有农业需水的情况下，作为输水渠道使用。因此，在河涌水环境的模拟计算中，必须充分考虑这些相互联系、影响的因素。假定在河涌的上游修建有水库，河涌水环境模拟计算可采用动态的、综合评价分析的方法。在计箅过程中，主要考虑以下因素：1 ) 主要参数：采用一定频率的降雨标准，雨后2 4 h 河道出口断面达到和保持预定水质标准；最低景观水位要求；用活动坝闸调整水位。2 ) 生态、景观用水中包括污染冲泄、淡化用水和河涌蒸发渗漏的水量损失。3 ) 上游水库、河涌景观、生态用水统一调度演算。4 ) 水库词蓄能力、河道景观、生态
4、水位维持的建筑物统一规捌。5 ) 河涌一般采用恒定非均匀流计算，水质模拟模型可根据实际的需要选择，一般可采用一维动力学模型。2 2 计算方法 河涌水环境的模拟计算需要同时解决：河涌污染物的增、减、自净的平衡；河涌坡度调整和景观水位；上游水库的调度。采用如图1 所示的计算简图。( 1 ) 河涌水质的模拟计算。可采用一维水质模型，如下： J r y 詈= 仉- c I - 一Q 。仁一k V C( 1 )基金项目：武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室资助项目( 项目编号：2 0 0 3 C 0 0 1 ) 。第一作者简介：罗强( 1 9 7 1 一) 男，湖北丹江口人，副教授，博士。E m
5、a i l ：q l u o w h u e d u c n第五章水环境学与水质运耪理论1 9 9 图1 水环境计算简图式中：V 为河槽槽蓄或由橡胶坝等活动坝滞留的水体积，m | ；口j 为进人河涌的流量和下泄流量，m 3 s ，i =0 ，“；Q 、C 为相应水流所带污染物浓度，m L ；t 为考虑基质泛起在内的水流降解系数，L d ；d t 为计算时间步长，h ，一般步长越小，计算越准确。( 2 ) 河涌的水力学计算。采用河涌水力学计算的恒定非均匀流公式：。邑一五= 垒 笋芷( 者一3 - ) + 学( 击+ 面1 )( ：)式中：五，乏为上、下游断面的水位，h i ；A 。，A ：为上、
6、下游断面过水面积，m 2 ；局，局为上、下游断面流量模数；f 为局部水头损失系数，对渐变流，f ；0 ，q ；1 ；A s 为计算长度步长，m ，取为上、下断面间距；口为断面流量，m 3 s 。上游断面水位互根据涌底高程和景观水深获得。由上述公式得到下游水位后，再根据涌底高程可得到活动坝的高度；由活动坝闸的高度即可计算水体V 的容秘。长度步长取为两活动坝之间的间距，时间步长可取为I h 。通过水质方程和河涌水力学方程的联解和水库调节演算。可以确定不同时段的时段末的河道平均污染浓度、水面线，如果河道水质能达到要求。即可确定活动坝的高度和水庠调度方案。 2 3 河道生态用水河道生态用水一般是指维持
7、河道生物群落良好栖息的环境水量。这个水量不仅是这些生物的消耗水量( 包括蒸腾、渗漏损失) ，更主要是维持生态群落生活、生长，生育的环境水量。一般来说，河流最低环境流鼍不应小于多年年平均流量的1 1 0 。2 4 面源污染负荷拟定在河涌水环境的模拟计算过程中，面源污染的强度是主要的指标。面源污染来源于降雨冲刷地表污染物流入水体。其影响除地形、流域面积、植被、土地利用、社会经济水平等因素外，降雨过程汇集的污染浓度还随时间变化。旱季、降雨初期径流的污染浓度大，雨季、降雨持续时间浓度小，无法以单一水样检验来定量；必须有各种流域面积、整个径流过程的流量、水样分析。所以，面源污染的调查十分困难。需要花费大
8、量的人力物力。目前该指标在上海、北京等城市有一些研究”驯，而太部分地区的面源污染负荷则研究较少。在实际的应用中，可根据研究区的观测资料来确定。通过对降雨期间的不同时间的污水的观测资料来拟定相关的面源污染负荷。对没有资料的地区，可参考类似地区的研究来确定。3 实例研究3 1 实例背景广州市开发区内的南岗涌发源于自云山区，在上游有术强水库及水电站，汇人芳尾涌、水声溪等较大支流，中下游段还汇人宏岗河和笔岗涌；全长2 6 k i n ，河涌宽度约为4 0 6 0 m ，较为顺直年平均流量3 4 2m 3 B ，枯水年流量2 0 5i 1 1 3 s ；在南岗镇的南部汇人东江j E 干流。南岗涌上游的术
9、强水库集雨面积7 6 k 一，水库总库容1 0 0 9 万o ，原规划为以灌溉、发电为主的中型水库。现由于水库下游的土地利用方式发生改变，灌溉功能已减弱，主要是发电和生态、景观用水的要求。南岗涌流经开发区城区，具有防洪、除涝、水环境和景观要求。本文仅考虑水环境和景观的要求。根据开发区的规划，南岗涌的景观水深为08 m 。由于上游水库的来水较少，为满足景观水深，必须兴建一定数量的闸坝建筑物。3 2 计算成果 ( 1 ) 计算方案第一篇基础理论1 ) 不同活动坝、闸的间距、布局。活动坝闸设置的密度不同，为维持一定景观水位的河涌流量不同。水环境计算在防洪除涝所需的河涌断面的基础上增设活动坝闸。活动坝
10、闸在防洪除涝的时候，自动或通过操作打开或降落，不致障流。视河涌纵坡，活动坝闸一般按3 0 0 7 0 0 m 不等间距设置。2 ) 上游水库调蓄库容。按降雨7 5 的典型年。保证河涌景观水深，保证生态用水和河涌的蒸发、渗漏，预测污染物和河道功能水质标准等条件下，同步进行水库调节演算。若水库调蓄容积不足或达不到河道水质要求，则减少活动坝闸间距、调整布局，或增加水库库容。 ( 2 ) 计算成果1 ) 河涌纵坡调整建筑物。根据方案比较，纵坡调整建筑物的多少直接关系到水库供水量大小。考虑到活动闸坝的投资并不大，且是水景观点一部分；开发区有限的水资源的合理调度，对生态环境的发展具有重要的作用，最终选取了
11、活动闸坝较多的方案。韭设置活动闸坝2 9 处。裹1 木强水库引清淡污的调度规则单位：m s3 9 月1 0 2 月雨后1 天日常日常8 90 10 _ l2 ) 河涌环境容量。利用本文所述的方法以B O D C O D 。nN H ，一N 为污染物控制指标，对南岗涌的水环境进行了模拟计算。其中采用了7 5 频率年的降雨计算步长为1 h ，水质标准采用G B3 8 3 8 - - 2 0 0 2 地面水环境质量标准。计算成果见表1 表2 。表2南岗涌环境供水( 雨后l 、实现功能等级表规划污杂环境出口断面环境出口断面 功能用水量目标浓度浓度功能规划污染用水量目标浓度浓度水平年指标( t H r
12、L )等级水平年指标( L )等级 ( m 3 B 】( m L )( 一8 )( m $ L )B O D 56 0 71 086B O D 581 343 ，5 22 0 1 0 芷C O D o6 0 74 03 9 92 0 2 0 正C O D c ,8 1 32 02 0 0 0N H ，一N6 0 “ 721 2N 如一N81 3100 鹋3 ) 河涌生态用水。本次计算的最小流量( 见表3 ) 尚难以达到年均流量的1 0 ，相应的流速也低，不足以维护河道水生生物的良好栖息条件；但水深较深，对于水生植物的生态条件较好。表3南尚涌规划生态流量表单位：m 3 s年平均流量枯水年均流量2
13、 0 年均流量河涌最小流量。最小水深( m )34 220 50 6 80 4 4n8河涌最小流量指预计在给定的标准下可以达到的最小流量。4 结语( 1 ) 本文对城市河涌的水环境模拟计算进行了初步的探讨，提出了一般的计算思路和方法，并以广州市开发区南岗涌为倒进行了实例研究，可为类似河涌的水环境模拟计算提供思路和方法。( 2 ) 水环境的模拟计算是一个非常复杂的过程，因此，实际模拟时，还需要根据研究区的情况，选择合适的水质和河涌水力学模型。参考文献强继红滇池水环境污染的工程治理综述云南地理环境研究，2 0 G 2 年3 月，V o l _ 1 4 ( 1 ) ：6 1 6 6王健华，陆根 击钱
14、瑜等太湖流域面源污染控制对策研究环境科学保护2 0 0 3 年4 月，V o L2 9 ，总第1 1 6 期：1 6 一挖王翰林，王宇农村正在成为新的污染源政策，2 0 0 4 ( 3 ) ：1 9L e eJ H ，B 叩g K 飘C h a r a a t e f i z a t i o n0 fu r b a nm o r m w a t e rr u n o f f ，W a t e rR e a e m e h ，2 0 0 0 ，3 4 ( 6 ) ：1 7 7 3 1 7 8 0张大弟，张晓红，戴育民上海市郊4 种地表径流污染负荷调考与评价上海环境科学1 9 9 7 年，V 0 1 1 6 ( 7 ) ：7 一儿吴慧芳等城市降雨径流水质污染探讨中国给水排水，2 0 0 2 年，V o L1 8 ( 1 2 )
