引配水對(duì)京杭運(yùn)河杭州段水質(zhì)的改善預(yù)測(cè)

張 聃，周 蔚，徐海嵐，何曉洪

(1.杭州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014； 2.杭州市水文水資源監(jiān)測(cè)總站，浙江 杭州 310016)

城市內(nèi)河污染是目前許多城市面臨的問題。近年來，杭州市加大了河道水質(zhì)改善工程的力度，河水黑臭現(xiàn)象已基本消失，但距水質(zhì)達(dá)標(biāo)仍有較大差距。

改善河流水質(zhì)的根本措施是對(duì)污染源進(jìn)行有效治理。但要截除所有排入河流的污染源比較困難。研究表明，在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件下，河道引配水是一條在有限范圍內(nèi)治理時(shí)間最短、投入最少、見效最快的捷徑[1]。如上海市長(zhǎng)期致力于蘇州河水系水質(zhì)改善研究，通過合理的引配水調(diào)度，蘇州河干流水質(zhì)改善效果明顯[2]；福州市通過引調(diào)清水，基本消除了內(nèi)河的黑臭現(xiàn)象[3-4]。為進(jìn)一步改善河道水質(zhì)，杭州市制定了一系列引配水方案，筆者建立了運(yùn)河杭州段河網(wǎng)水質(zhì)模型，預(yù)測(cè)、分析引配水工程運(yùn)行后運(yùn)河干流及主要支流的水質(zhì)變化，為相關(guān)研究提供依據(jù)。

1 引配水方案

1.1 運(yùn)西引水方案

為改善運(yùn)西片河網(wǎng)以及西湖水環(huán)境，新建珊瑚沙引水工程。工程引水口位于珊瑚沙水庫九溪水廠二期南側(cè)，引水系統(tǒng)由南至北從留下鎮(zhèn)小馬山出口，由分流河介入運(yùn)西片河網(wǎng)，全長(zhǎng)12.5 km。珊瑚沙水工程直接受水區(qū)域?yàn)檠厣胶右员?、運(yùn)河以西河網(wǎng)。

1.2 河網(wǎng)內(nèi)部配水方案

1.2.1 拱墅區(qū)內(nèi)河配水方案

為了保護(hù)運(yùn)河義橋段和改善該區(qū)塊河網(wǎng)水質(zhì)，選在勝利河閘、姚家壩河、電廠進(jìn)水河與上塘河交界處興建4個(gè)抽水泵站，流量分別為0.5 m3/s、2 m3/s、2 m3/s、2 m3/s。運(yùn)河水經(jīng)拱墅區(qū)河網(wǎng)抽至上塘河，再經(jīng)和睦港排入錢塘江，形成“錢塘江—運(yùn)河—拱墅區(qū)內(nèi)河—上塘河—和睦港—錢塘江”的水體循環(huán)。

1.2.2 崇賢、康橋鎮(zhèn)配水方案

打通電廠進(jìn)水河和崇賢沿山港，并設(shè)流量為3 m3/s泵站，抽電廠河水入崇賢沿山港，促進(jìn)康橋、崇賢片水體流動(dòng)。

1.2.3 城西配水方案

取消紫金港以東、余杭塘河以南的蓮花港、馮家河小區(qū)域的控制水位2.7 m，開放沿山河、余杭塘河上水閘。通過控制沿余杭塘河水閘的開啟度，使珊瑚沙引水工程入西溪濕地的水量相對(duì)均勻地分配到蔣村港、紫金港、蓮花港、馮家河等，適當(dāng)集中加大五常港、蔣村港的流量，以抬高余杭塘河的水位，使珊瑚沙引水工程經(jīng)西溪濕地的出水比較均勻地分配到余杭塘河以北的河道。

2 河網(wǎng)水環(huán)境模型

運(yùn)河水系上游水源為錢塘江引水，下游受太湖水系水位影響，屬于典型的受人工調(diào)控的平原河網(wǎng)。城市內(nèi)河污染嚴(yán)重，水質(zhì)主要的超標(biāo)因子為NH3-N、COD。針對(duì)運(yùn)河水系的特點(diǎn)，建立運(yùn)河流域一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型，以預(yù)測(cè)引配水工程實(shí)施后河網(wǎng)水質(zhì)變化。

2.1 河網(wǎng)水動(dòng)力模型

河網(wǎng)一維水動(dòng)力模型控制方程為Saint-Venant方程組，其基本形式為：

(1)

(2)

式中：x、t分別為距離和時(shí)間；A為過水?dāng)嗝婷娣e；Q為流量；h為水位；q為旁側(cè)入流流量；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；α為動(dòng)量校正系數(shù)；g為重力加速度。

利用Abbott 6點(diǎn)有限差分格式[5]離散上述控制方程組，離散后的線性方程組用追趕法求解。

2.2 河網(wǎng)水質(zhì)模型

污染物質(zhì)在河道中的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化過程可以用對(duì)流擴(kuò)散方程來描述，對(duì)于一維河網(wǎng)模型可以用下式表達(dá)：

(3)

式中：ρ為污染物質(zhì)量濃度；D為彌散系數(shù)；ρq為源、匯質(zhì)量濃度；K為衰減系數(shù)。

本研究中的水質(zhì)指標(biāo)為NH3-N和COD。

2.3 河網(wǎng)概化及污染源分析

運(yùn)河水系河道縱橫交錯(cuò)，河道斷面復(fù)雜多變，本研究中河道概化以骨干河道(市級(jí)和區(qū)級(jí)河道)為基礎(chǔ)，保留污染較為嚴(yán)重或?qū)^水具有重要作用的鄉(xiāng)鎮(zhèn)河道。概化后的河網(wǎng)、湖泊在輸水能力和調(diào)蓄能力方面與實(shí)際河網(wǎng)相近。概化后的河網(wǎng)如圖1，共有98條河段。

運(yùn)河流域一些廢水直接排入河道的工業(yè)企業(yè)的污染負(fù)荷通過在模型中加入點(diǎn)源來實(shí)現(xiàn)。本研究調(diào)查了全市污水直接排入河道的工業(yè)企業(yè)的排污數(shù)據(jù)，包括排污口的名稱、位置、性質(zhì)、污水排放量和主要污染物(COD和NH3-N)的排放量等信息。

模擬區(qū)域產(chǎn)生的城市徑流、農(nóng)業(yè)污染以及畜禽養(yǎng)殖等面源污染通過降雨徑流均勻進(jìn)入相應(yīng)河道，其污染負(fù)荷排放強(qiáng)度與降雨徑流強(qiáng)度成正比。每個(gè)面源邊界包括排放流量和污染物排放濃度。分散排污口排放的污染物也通過徑流進(jìn)入相應(yīng)河段，并考慮遷移過程中的衰減作用。

2.4 模型驗(yàn)證

在外部邊界條件以及內(nèi)部污染源資料較為準(zhǔn)確的前提下，水環(huán)境模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性主要取決于水動(dòng)力模型中曼寧系數(shù)n以及水質(zhì)模型中衰減系數(shù)K。根據(jù)已有相關(guān)研究成果，研究區(qū)域內(nèi)河道曼寧系數(shù)n取值范圍為0.025～0.037[6]；KCOD約為0.1 d-1[7]，KNH3-N為0.04 d-1[8]。

本研究采用拱宸橋及臨平下2個(gè)水位站2007年全年實(shí)測(cè)水位對(duì)水動(dòng)力模型進(jìn)行驗(yàn)證，采用德勝壩、義橋、大同橋以及大麻等常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面2007年上半年實(shí)測(cè)水質(zhì)對(duì)水質(zhì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。水位驗(yàn)證結(jié)果見圖2，部分?jǐn)嗝嫠|(zhì)驗(yàn)證結(jié)果見圖3、圖4。

3 引配水方案模擬結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

引配水方案中珊瑚沙引水工程設(shè)計(jì)引水量為25 m3/s，已運(yùn)行三堡引水工程設(shè)計(jì)引水量也為25 m3/s。實(shí)際計(jì)算方案根據(jù)枯、豐水期錢塘江水量以及其他一些因素確定各個(gè)季度三堡引水工程以及珊瑚沙引水工程設(shè)計(jì)引水量分別為：18 m3/s、29 m3/s、25 m3/s和21 m3/s。其余引水工程引水量取往年實(shí)際引水量均值。引配水方案計(jì)算的主要邊界條件見表1。

圖1 運(yùn)河水系河網(wǎng)概化及引配水示意圖

圖2 水位驗(yàn)證結(jié)果

圖3 德勝壩斷面水質(zhì)驗(yàn)證結(jié)果

圖4 大麻斷面水質(zhì)驗(yàn)證結(jié)果

表1 引配水方案計(jì)算的主要邊界條件

取2006及2007年河道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均值作為河道水質(zhì)計(jì)算本底值以及邊界條件，綜合考慮引配水調(diào)度以及污染源排污情況下河道水質(zhì)變化情況。

3.1 水動(dòng)力模擬結(jié)果分析

引配水方案實(shí)施后，余杭塘河勤豐橋及運(yùn)河干流主要斷面流量年均值變化情況見圖5。由預(yù)測(cè)結(jié)果可知，設(shè)計(jì)計(jì)算條件下，各斷面流量均有大幅度增加，勤豐橋、五杭大橋及大麻斷面流量增幅均超過了300%。拱宸橋、義橋以及大同橋斷面附近均有較大的分流，故斷面流量增幅相對(duì)較小。

圖5 引水前后流量對(duì)比

3.2 水質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果分析

設(shè)計(jì)水動(dòng)力條件與現(xiàn)狀水動(dòng)力條件下水質(zhì)比較見表2。由表2可知，珊瑚沙引水工程以及其他一些內(nèi)部引配水工程啟用，對(duì)余杭塘河及運(yùn)河干流水質(zhì)改善十分明顯。余杭塘河勤豐橋斷面COD和NH3-N濃度分別降低了36.1%和59.2%，設(shè)計(jì)水動(dòng)力條件下COD質(zhì)量濃度為16.8 mg/L，已滿足Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；NH3-N質(zhì)量濃度為1.42 mg/L，能滿足Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)河干流所有斷面COD基本達(dá)標(biāo)；大同橋斷面NH3-N質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)，其余斷面均不達(dá)標(biāo)。盡管除大同橋斷面外，所有斷面的NH3-N質(zhì)量濃度仍無法滿足水環(huán)境功能目標(biāo)，但拱宸橋和義橋斷面的NH3-N濃度降低了42.5%和46.5%，五杭大橋及大麻斷面NH3-N濃度也降低了22.7%和16.0%。由此可見，引配水對(duì)河網(wǎng)水質(zhì)改善效果是十分明顯的。

表2 設(shè)計(jì)水動(dòng)力條件與現(xiàn)狀水動(dòng)力條件下水質(zhì)比較

4 結(jié) 論

a. 對(duì)研究范圍內(nèi)污染源進(jìn)行調(diào)查以及對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行概化，建立運(yùn)河流域杭州段河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型，并采用2007年實(shí)測(cè)水位及水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，所建模型能較好地反映研究區(qū)域內(nèi)水動(dòng)力、水質(zhì)變化情況，能進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算方案下的水質(zhì)預(yù)測(cè)。

b. 引配水方案實(shí)施后，除大麻斷面外，運(yùn)河干流主要斷面COD質(zhì)量濃度均低于20 mg/L，滿足Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。拱宸橋、義橋、五杭大橋以及大麻斷面的NH3-N質(zhì)量濃度均高于1 mg/L，不滿足Ⅲ類水環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)指標(biāo)。大同橋斷面NH3-N平均質(zhì)量濃度為1.47 mg/L，基本滿足Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

c. 盡管引配水方案實(shí)施后，運(yùn)河干流各主要斷面NH3-N質(zhì)量濃度仍無法滿足要求，但相對(duì)現(xiàn)狀水質(zhì)已有很大改善。因此，河道引配水是一種實(shí)施相對(duì)容易且見效較快的水質(zhì)改善措施。但是，要根本實(shí)現(xiàn)水質(zhì)改善，仍需要對(duì)入河污染負(fù)荷進(jìn)行削減。

[1] 阮仁良.平原河網(wǎng)地區(qū)水資源調(diào)度改善水質(zhì)的理論與實(shí)踐[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[2] 盧時(shí)強(qiáng)，林衛(wèi)青.蘇州河環(huán)境整治二期工程水質(zhì)影響數(shù)值模擬[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2006，15(2)：228-231.

[3] 熊萬永.福州內(nèi)河引水沖污工程的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)[J].中國(guó)給水排水，2000，6(3)：26-28.

[4] 黃永福.福州市內(nèi)河引水規(guī)模及沖污效果分析[J].水利科技，1998，4(3)：5-7.

[5] Danish Hydraulic Institute(DHI).A modeling system for rivers and channels，Reference Manual[R].Copenhagen,Denmark:DHI,2008.

[6] 孫映宏，姬戰(zhàn)生，王玉明.MIKE 11在平原河網(wǎng)地區(qū)防洪分析中的應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展，2008,28(S1):37-40.[7] 羅縉，逄勇，羅清吉，等.太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)往復(fù)流河道水環(huán)境容量研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，32(2)：144-146.

[8] 黃正榮，張振林.京杭運(yùn)河杭州段水質(zhì)模型研究[J].浙江水利科技，2008(2)：9-11.