基于杭嘉湖平原河網(wǎng)模型的嘉善水廠斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析

朱銘銘,逄 勇, 2,謝蓉蓉,王健健,徐凌云

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098)

杭嘉湖平原位于中國(guó)浙江省北部，是浙江最大的堆積平原，位于太湖以南，錢(qián)塘江和杭州灣以北，天目山以東，包括嘉興市全部，湖州市大部以及杭州市的東北部,面積約7 620 km2。杭嘉湖平原地勢(shì)低平，河網(wǎng)密布，平均海拔3 m左右，河網(wǎng)密度3.8 km/km2，水面率約10%。南部杭州灣沿岸一帶水面率較小，為4%～6%;北部和東北部一帶水面率較大，為12%～17%，有京杭大運(yùn)河穿過(guò)。

近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展,杭嘉湖平原河網(wǎng)水質(zhì)性缺水日益嚴(yán)重,不僅影響市民的日常生活,對(duì)該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也形成了一定制約。

為了研究并解決河流污染問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外先后出現(xiàn)了很多運(yùn)用廣泛的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型運(yùn)算軟件,其中運(yùn)用比較成熟的有DHI公司開(kāi)發(fā)的MIKE系列軟件,美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(USEPA)于1983年開(kāi)發(fā)并逐步修訂完善的WASP模型[1]，最初由美國(guó)得克薩斯州水利發(fā)展部(Texas Water Development Board)開(kāi)發(fā),后來(lái)經(jīng)過(guò)USEPA等機(jī)構(gòu)修改并完善的QUAL系列模型[2],20世紀(jì)90年代美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心(USDA-ARS)開(kāi)發(fā)的SWAT模型[3]等。曾劍等[4]采用由MIKE系列軟件構(gòu)建了溫瑞塘河河網(wǎng)水質(zhì)模型,對(duì)河網(wǎng)水質(zhì)變化趨勢(shì)進(jìn)行了驗(yàn)證和預(yù)測(cè);廖振良等[5]應(yīng)用WASP模型進(jìn)行水質(zhì)模擬預(yù)測(cè),分析了蘇州河水質(zhì)變化的趨勢(shì)和水質(zhì)達(dá)標(biāo)需要削減的污染物量;方曉波等[6]聯(lián)合QUAL2K模型及一維水質(zhì)模型,對(duì)錢(qián)塘江水體納污能力進(jìn)行了計(jì)算分析;唐莉華等[7]應(yīng)用模型對(duì)溫榆河流域不同水平年的徑流、泥沙和非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行了模擬計(jì)算,對(duì)流域內(nèi)點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染的貢獻(xiàn)率進(jìn)行了分析。

筆者在水文、水質(zhì)例行監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上,利用丹麥水力學(xué)所的MIKE11軟件建立了杭嘉湖平原河網(wǎng)水動(dòng)力-水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,模擬杭嘉湖地區(qū)水環(huán)境,選取1個(gè)重點(diǎn)控制斷面(嘉善水廠)進(jìn)行內(nèi)外源水質(zhì)影響的權(quán)重分析,提出該斷面的水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案。

1 基本方程

1.1 水動(dòng)力模型

在MIKE11模型中,描述一維河網(wǎng)非恒定流的水動(dòng)力模型控制方程為Saint-Venant微分方程組:

(1)

式中:A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;Q為流量;x為距離坐標(biāo);t為時(shí)間坐標(biāo);g為重力加速度;h為水位;q為單位河段長(zhǎng)度的旁側(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)。

利用Abbott六點(diǎn)隱式格式[8]離散控制方程組,離散格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)按順序交替計(jì)算水位或流量。

1.2 水質(zhì)模型

本文采用MIKE11模型系統(tǒng)中的對(duì)流擴(kuò)散模塊(AD)和水質(zhì)反應(yīng)模塊(ECOlab),對(duì)CODMn、NH3-N這兩個(gè)有較大影響的污染因子進(jìn)行模擬。

對(duì)流擴(kuò)散模塊的控制方程是建立在質(zhì)量守恒基礎(chǔ)上的對(duì)流擴(kuò)散方程,該方程假設(shè)物質(zhì)在斷面上完全混合:

(2)

式中:ρ為水流輸送物質(zhì)的濃度;Ex為縱向擴(kuò)散系數(shù);ρ2為源/匯項(xiàng)的濃度；K為污染物降解系數(shù)。

MIKE11對(duì)流擴(kuò)散模塊利用時(shí)間和空間中心隱式差分格式[9]求解上述方程。

在水質(zhì)反應(yīng)模塊中,考慮DO、BOD、NH3-N、NO3-N、TN、有機(jī)磷、TP和CODMn這幾種物質(zhì)之間的交互作用,利用ECOlab模塊模擬這幾種物質(zhì)的物理、化學(xué)及生物反應(yīng)過(guò)程。

對(duì)流擴(kuò)散模塊與水質(zhì)反應(yīng)模塊耦合運(yùn)行,采用龍格庫(kù)塔法[10]進(jìn)行積分求解,得到污染物質(zhì)的濃度。

2 模型建立及率定驗(yàn)證

2.1 模型的建立

2.1.1 河網(wǎng)概化

本文建立模型區(qū)域?yàn)楹技魏皆泳W(wǎng),杭嘉湖地區(qū)河流縱橫交錯(cuò)、成網(wǎng)狀分布，水系十分復(fù)雜,因此需對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行合理的概化。本文在充分掌握杭嘉湖平原河網(wǎng)水動(dòng)力、水文資料的基礎(chǔ)上,以主干河道為基礎(chǔ),按照河網(wǎng)概化的基本原則,對(duì)杭嘉湖流域河網(wǎng)進(jìn)行了合理的概化。概化后河網(wǎng)如圖1所示。

圖1 杭嘉湖河網(wǎng)概化圖

2.1.2 邊界條件

模型計(jì)算范圍涵蓋整個(gè)杭嘉湖流域,共設(shè)置31個(gè)計(jì)算邊界,所有邊界水動(dòng)力條件均采用2009年全年水位過(guò)程。

2.1.3 污染源概化

本次計(jì)算依據(jù)浙江省2009年污染源普查資料[11]得到杭嘉湖平原河網(wǎng)地區(qū)2009年CODMn入河量為34.68萬(wàn)t/a,NH3-N入河量為3.76萬(wàn)t/a。

在統(tǒng)計(jì)杭嘉湖流域污染源的基礎(chǔ)上,點(diǎn)源按其排污口所在河道輸入模型,面源則平均分配到各相應(yīng)河段上。

2.2 模型率定驗(yàn)證

模型對(duì)杭嘉湖河網(wǎng)的14個(gè)水文站點(diǎn)及15個(gè)水質(zhì)站點(diǎn)進(jìn)行了全面驗(yàn)證。站點(diǎn)位置見(jiàn)圖2。

圖2 水文及水質(zhì)站點(diǎn)位置

2.2.1 水動(dòng)力模型率定

根據(jù)2009年全年的野外水文水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)成果,對(duì)水動(dòng)力模型進(jìn)行率定。邊界條件采用實(shí)測(cè)水位過(guò)程。采用試錯(cuò)法進(jìn)行率定,即根據(jù)部分?jǐn)嗝鎸?shí)測(cè)的水位資料,調(diào)試各河道的糙率,使得計(jì)算水位過(guò)程與實(shí)測(cè)水位相吻合,率定得出河道糙率在0.025～0.050之間。部分驗(yàn)證點(diǎn)位水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖3所示。

圖3 2009年部分驗(yàn)證點(diǎn)位水位實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

2.2.2 水質(zhì)模型率定

杭嘉湖河網(wǎng)水質(zhì)模型參數(shù)主要選取CODMn和NH3-N的降解系數(shù)進(jìn)行取值,結(jié)合流域水動(dòng)力特征,率定得到的CODMn降解系數(shù)為0.08～0.12/d,NH3-N降解系數(shù)為0.07～0.10/d。部分驗(yàn)證點(diǎn)位CODMn和NH3-N質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖4～5所示。

圖4 2009年部分驗(yàn)證點(diǎn)位實(shí)測(cè)CODMn與計(jì)算值比較

圖5 2009年部分驗(yàn)證點(diǎn)位NH3-N質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

通過(guò)部分率定結(jié)果圖對(duì)比可知,水位與水質(zhì)兩者均吻合較好。對(duì)14個(gè)水文監(jiān)測(cè)斷面水位率定以及對(duì)15個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)率定統(tǒng)計(jì)得到,水位相對(duì)誤差小于10%,CODMn和NH3-N的質(zhì)量濃度計(jì)算值平均誤差分別為11%及20%,在建模誤差允許范圍內(nèi)。因此所建立的流域河網(wǎng)水動(dòng)力、水質(zhì)模型合理可信,能較準(zhǔn)確地模擬該流域水質(zhì)狀況。

3 水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案分析

3.1 內(nèi)外源權(quán)重分析

根據(jù)2009年污染源普查資料及嘉善水廠斷面實(shí)測(cè)資料,確定研究區(qū)域主要污染物質(zhì)為CODMn和NH3-N。

內(nèi)源外影響權(quán)重計(jì)算公式為

(3)

式中:αi為研究區(qū)域內(nèi)部污染源所占的權(quán)重;α0為研究區(qū)域外部污染源所占的權(quán)重;ρi為邊界取功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)時(shí),考慮內(nèi)部污染源排放情況下按水質(zhì)模型計(jì)算得出的控制斷面水質(zhì)濃度;ρ0為邊界取實(shí)測(cè)水質(zhì)時(shí),不考慮內(nèi)部污染源排放情況下按水質(zhì)模型計(jì)算得出的控制斷面的水質(zhì)濃度。

利用本文所建立的杭嘉湖平原河網(wǎng)模型,在水文、水質(zhì)例行監(jiān)測(cè)資料的基礎(chǔ)上:邊界水質(zhì)取功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì),模型考慮研究區(qū)域內(nèi)部污染源排放,根據(jù)內(nèi)源權(quán)重計(jì)算公式,得出CODMn內(nèi)源權(quán)重為55.4%,NH3-N內(nèi)源權(quán)重為67.2%;邊界取實(shí)測(cè)水質(zhì),模型不考慮研究區(qū)域內(nèi)部污染源排放,根據(jù)外源權(quán)重計(jì)算公式,得出CODMn外源權(quán)重為44.6%,NH3-N外源權(quán)重為32.8%。由此可見(jiàn)研究區(qū)域內(nèi)源對(duì)嘉善水廠斷面的影響較大。

3.2 水質(zhì)達(dá)標(biāo)削減方案

根據(jù)《浙江省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃》的要求,嘉善水廠斷面應(yīng)達(dá)到Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。由于研究區(qū)域內(nèi)源對(duì)嘉善水廠斷面的影響較大,故本文重點(diǎn)研究?jī)?nèi)部污染源在不同削減率下對(duì)嘉善水廠斷面水質(zhì)的改善情況。

在模型邊界取功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)的前提下,分別模擬研究區(qū)域污染源(包括工業(yè)點(diǎn)源、污水處理廠和農(nóng)村面源)削減10%、30%、50%和80%下嘉善水廠斷面的水質(zhì)改善情況,并計(jì)算嘉善水廠斷面水質(zhì)達(dá)到功能區(qū)值時(shí),研究區(qū)域污染源的削減率。經(jīng)計(jì)算,在邊界水質(zhì)達(dá)標(biāo)的情況下,要使嘉善水廠斷面水質(zhì)達(dá)到功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì),研究區(qū)域內(nèi)CODMn質(zhì)量濃度需削減68%,NH3-N質(zhì)量濃度需削減75%。

研究區(qū)域污染源負(fù)荷在不同削減率下的嘉善水廠斷面水質(zhì)改善狀況如圖6所示。

圖6 2009年污染源在不同削減率下的CODMn、NH3-N質(zhì)量濃度對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者從重點(diǎn)斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)出發(fā),利用MIKE11 軟件包建立了杭嘉湖平原河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,并對(duì)水文和水質(zhì)進(jìn)行了率定驗(yàn)證。由率定驗(yàn)證結(jié)果得知模型參數(shù)選取合理,計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合良好。

為確保嘉善水廠斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo),研究區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)源污染負(fù)荷可以通過(guò)提高城鎮(zhèn)污水處理廠的接管率、調(diào)整工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局和對(duì)部分工業(yè)企業(yè)進(jìn)行提標(biāo)改造等措施進(jìn)行削減;面源污染負(fù)荷可以通過(guò)畜禽與水產(chǎn)養(yǎng)殖污染控制、種植田地結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)村環(huán)境連片整治等措施進(jìn)行削減。

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