環(huán)太湖河流入湖水質(zhì)控制濃度分析

張紅舉，甘升偉，袁洪州，徐 彬

(1.湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008;2.太湖流域水資源保護(hù)局，上海 200434;3.太湖流域管理局水文水資源監(jiān)測局，江蘇 無錫 214024;4.上?？睖y設(shè)計(jì)研究院，上海 200434)

2008年，國務(wù)院批復(fù)了《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》(以下簡稱《總體方案》)，明確提出了太湖2012年和2020年水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)[1]。由于太湖污染物主要來源于環(huán)湖河流[2-6]，因此，有必要根據(jù)太湖水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)，研究提出環(huán)太湖河流入湖控制濃度，為落實(shí)太湖水功能區(qū)限制納污紅線、有效開展水環(huán)境綜合治理提供管理依據(jù)。

1 太湖簡介

1.1 自然概況

太湖位于長江三角洲南緣，地跨江蘇、浙江兩省及上海市，水面面積2 338 km2，是我國第3大淡水湖。太湖平均水深1.89 m，最大水深2.6 m，是一個(gè)大型淺水湖泊。湖盆呈淺碟形，南北平均長69 km，東西平均寬34 km，湖岸線總長405 km。

1.2 湖區(qū)及環(huán)湖河流現(xiàn)狀水質(zhì)

按照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，2010年太湖水質(zhì)總體評價(jià)為劣Ⅴ類[7]，其中有0.3%水域水質(zhì)為Ⅳ類，18.8% 為Ⅴ類，80.9% 為劣Ⅴ類，未達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)主要為TN、TP和BOD5。太湖各湖區(qū)中，西北部湖區(qū)水質(zhì)較差，東部湖區(qū)水質(zhì)相對較好，在空間分布上呈現(xiàn)出由北向南、由西向東水質(zhì)逐漸變好的狀態(tài)。其中五里湖、東部沿岸區(qū)、東太湖水質(zhì)最好;竺山湖和西部沿岸區(qū)水質(zhì)最差，總體為劣Ⅴ類。

太湖環(huán)湖地區(qū)主要包括江蘇省的無錫、常州、宜興、蘇州4市及浙江省的湖州、長興2市(縣)。2010年，22條主要入湖河流中劣Ⅴ類河流有7條。其中，江蘇省15條入湖河流中水質(zhì)劣于Ⅴ類的有6條;浙江省7條入湖河流中水質(zhì)劣于Ⅴ類的河流有1條(夾浦港)。2010年入湖河流的主要超標(biāo)指標(biāo)為 NH3-N、BOD5和 COD。

2 環(huán)太湖河道水質(zhì)控制濃度研究

2.1 技術(shù)路線

以《總體方案》中確定的太湖2012年和2020年水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)為基礎(chǔ)，結(jié)合太湖現(xiàn)狀水質(zhì)，確定太湖各湖區(qū)水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)。選擇降雨典型年，采用太湖二維水量水質(zhì)模型調(diào)算，獲得在滿足太湖湖區(qū)水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)條件下，各湖區(qū)對應(yīng)環(huán)湖河道水質(zhì)濃度。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合河道水功能區(qū)劃水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)，綜合確定環(huán)湖河道水質(zhì)控制濃度。環(huán)太湖河道水質(zhì)控制濃度計(jì)算技術(shù)路線見圖1。

圖1 環(huán)太湖河道水質(zhì)控制濃度計(jì)算技術(shù)路線

2.2 水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)

《總體方案》確定了太湖2012年、2020年水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)[1](表1)。由于太湖屬于大型寬淺湖泊，水質(zhì)空間差異較大，西北部湖區(qū)水質(zhì)較差，東部湖區(qū)水質(zhì)相對較好，在空間分布上呈現(xiàn)出由北向南、由西向東水質(zhì)逐漸變好的狀態(tài)。因此，不同沿岸湖區(qū)對入湖河道水質(zhì)要求也不相同，在《總體方案》提出的水質(zhì)目標(biāo)基礎(chǔ)上，有必要根據(jù)現(xiàn)狀水質(zhì)按湖區(qū)面積加權(quán)試算，將總體水質(zhì)目標(biāo)分解至各湖區(qū)(圖2)。

表1 太湖水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)

圖2 太湖水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)湖區(qū)分解

在太湖設(shè)置33個(gè)濃度控制點(diǎn)(圖3)，各分區(qū)濃度由相應(yīng)控制點(diǎn)的濃度算術(shù)平均得到，太湖全湖平均濃度按分區(qū)面積加權(quán)平均得到。

圖3 太湖濃度控制點(diǎn)分布示意圖

2.3 計(jì)算方法

對太湖建立二維水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，基本方程組為

式中:Z為水位，m;t為時(shí)間，s;h為水深，m，h=Z-ZB，其中ZB為湖底高程，m;u為x方向分速度，m/s;v為y方向分速度，m/s;q為湖面降雨、蒸發(fā)及湖底滲漏等水量源匯項(xiàng)，m/s;f為柯氏加速度，f=2ωsinφ，其中，φ 為緯度，太湖可取北緯31°10’;ω 為地球自轉(zhuǎn)速度，rad/s、Sfx、Sfy分別為 x、y 方向的切應(yīng)力，N/m2。

太湖水質(zhì)計(jì)算方程為

式中:ρ為某種水質(zhì)指標(biāo)的質(zhì)量濃度，mg/L;Ex為x方向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;Ey為y方向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;S為某種水質(zhì)指標(biāo)的生化反應(yīng)項(xiàng)，g/(m3·d);Sw為某種水質(zhì)指標(biāo)的外部源匯項(xiàng)，g/s;其他符號說明同前。

用1000 m×1000 m的正方形網(wǎng)格將太湖劃分為2545個(gè)計(jì)算單元，根據(jù)環(huán)湖河道巡測站資料，將環(huán)湖河道概化為22條。

模型采用2002年環(huán)湖河流進(jìn)出太湖湖體水量、湖面蒸發(fā)與降雨等資料率定。率定相對誤差:ρ(CODMn)為 20%、ρ(NH3-N)為 50%、ρ(TP)為58%、ρ(TN)為 40%[8]，基本滿足計(jì)算需要。

2.4 計(jì)算條件

2.4.1 設(shè)計(jì)水文條件

綜合考慮環(huán)湖河流水質(zhì)現(xiàn)狀以及管理可操作性，采用1976年型(P=75%)降雨過程作為設(shè)計(jì)水文條件。1976年太湖流域年降水量為1 031.9 mm，降水頻率為77.6%，屬中等偏枯年份。該設(shè)計(jì)條件下，太湖全年入湖水量為81.5億 m3，出湖水量為67.4億m3。環(huán)太湖河流出入湖水量見圖4。

圖4 環(huán)太湖河流出入湖水量

2.4.2 水質(zhì)參數(shù)

根據(jù)率定成果[8]，污染物 CODMn、NH3-N、TP、TN的綜合降解系數(shù)分別為 0.005 d-1、0.025 d-1、0.04 d-1、0.006 d-1。

2.4.3 初始條件

根據(jù)近年來太湖水質(zhì)狀況，設(shè)定水質(zhì)計(jì)算初始條件，計(jì)算初始水位取2.60m，計(jì)算時(shí)間步長取900s。

2.5 成果分析

2.5.1 計(jì)算結(jié)果

1976年型(P=75%)流域典型年條件下，2012年環(huán)太湖入湖河流CODMn控制質(zhì)量濃度為4.5～6.0mg/L，2020 年為 4.0 ～5.5 mg/L。NH3-N 控制質(zhì)量濃度 2012 年為 1.0 ～2.2 mg/L，2020 年為1.0 mg/L。TP 控制質(zhì)量濃度 2012 年為 0.12 ～0.20 mg/L，2020 年為0.12～0.18 mg/L。TN 控制質(zhì)量濃度2012 年為 2.8 ～4.5 mg/L，2020 年為 2.2 ～3.0 mg/L，詳見表2。

根據(jù)各湖區(qū)對應(yīng)河道現(xiàn)狀水質(zhì)(2000～2010年平均)分析，貢湖除望虞河以外其他河道，梅梁湖、竺山湖以及南太湖北部對應(yīng)河道的入湖水質(zhì)質(zhì)量濃度削減較大(圖5)。

2.5.2 合理性分析

太湖環(huán)湖河道水質(zhì)控制濃度是開展太湖入湖污染總量控制的重要依據(jù)，有必要采用近年來實(shí)況入湖污染負(fù)荷進(jìn)行合理性分析。2005年流域降雨頻率為75%，入湖水量為79.1億m3，與計(jì)算設(shè)計(jì)條件1976年型基本相當(dāng);2009年流域降雨量較大，降雨頻率為19%，入湖水量達(dá)到107.7億m3，屬于入湖水量較大的年份。這兩個(gè)年份在降雨頻率和入湖水量上具有代表性。

表2 環(huán)太湖河道入湖水質(zhì)控制質(zhì)量濃度模型調(diào)算成果 mg/L

圖5 環(huán)太湖河流現(xiàn)狀水質(zhì)質(zhì)量濃度與控制質(zhì)量濃度比較

將2005年、2009年實(shí)況出入湖水量，以及2012年環(huán)湖河道水質(zhì)控制濃度作為邊界輸入太湖水質(zhì)模型，計(jì)算結(jié)果見表3及圖6。由表3及圖6可以看出，2005年CODMn、NH3-N、TP、TN 等水質(zhì)指標(biāo)計(jì)算值均達(dá)到了太湖2012年保護(hù)目標(biāo);2009年除NH3-N指標(biāo)略有超標(biāo)以外，其他水質(zhì)指標(biāo)均滿足太湖2012年保護(hù)目標(biāo)。這說明在設(shè)計(jì)條件下調(diào)算的環(huán)湖河道控制濃度，基本能夠滿足實(shí)際太湖水質(zhì)控制的要求。

表3 環(huán)湖河道控制濃度條件下太湖水質(zhì)計(jì)算成果統(tǒng)計(jì) mg/L

圖6 環(huán)湖河道控制濃度條件下太湖湖區(qū)水質(zhì)計(jì)算成果

3 結(jié)語

大型淺水湖泊的水質(zhì)受匯入河流水質(zhì)影響明顯，控制入湖河流水質(zhì)濃度是保護(hù)湖泊環(huán)境的重要手段。河道帶入的污染物進(jìn)入湖泊之后，由于混合、稀釋、氧化還原以及生物轉(zhuǎn)化等作用，部分污染物質(zhì)將會降解，因此，當(dāng)入湖河道濃度略高于湖泊水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)時(shí)，湖泊水質(zhì)也能達(dá)標(biāo)。在目前河道水質(zhì)超標(biāo)較普遍，遠(yuǎn)未達(dá)到水功能區(qū)保護(hù)目標(biāo)的條件下，合理論證入湖濃度是十分必要的。該研究以太湖二維水質(zhì)模型為工具，通過調(diào)算來獲得滿足湖泊水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)的河道入湖濃度，物理概念清晰，操作性強(qiáng)，可供其他地區(qū)借鑒。

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