蘇南運(yùn)河對(duì)太湖主要入湖河流污染物通量的貢獻(xiàn)率

蘇南運(yùn)河對(duì)太湖主要入湖河流污染物通量的貢獻(xiàn)率

韋雨婷1,逄勇2,羅縉2,王雪1

(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)

摘要：為了解蘇南運(yùn)河對(duì)太湖主要入湖河流污染物通量的貢獻(xiàn),基于一維平原河網(wǎng)水量、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,模擬計(jì)算了2011年受蘇南運(yùn)河影響的主要入湖河流的入湖污染物通量(COD、氨氮、TN、TP),量化分析了蘇南運(yùn)河對(duì)主要入湖河流入湖污染物通量的貢獻(xiàn)率。研究結(jié)果表明:蘇南運(yùn)河主要影響湖西區(qū)的太湖主要入湖河流,對(duì)湖西區(qū)主要入湖河流入湖通量的總體貢獻(xiàn)率約為23%,其中對(duì)太滆運(yùn)河的貢獻(xiàn)率最大,約42%,漕橋河次之,約23%,對(duì)太滆南運(yùn)河、社瀆港、陳東港污染物通量的貢獻(xiàn)率由北向南依次減小。

關(guān)鍵詞：入湖河流;污染物通量;貢獻(xiàn)率;蘇南運(yùn)河;太湖

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.008

作者簡(jiǎn)介:韋雨婷(1991—),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樗Y源規(guī)劃與保護(hù)。E-mail:wyt005250@sina.com

中圖分類(lèi)號(hào)：X824

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2015)05-0042-05

收稿日期：(2014-09-09編輯：熊水斌)

Study on pollutant flux contribution rate of Sunan Canal to

main inflow rivers of Taihu Lake

WEI Yuting1,PANG Yong2,LUO Jin2,WANG Xue1

(1.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

2.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourceDevelopmentonShallowLakes,

MinistryofEducation,Nanjing210098,China)

Key words： main inflow river; pollutant flux; contribution rate; Sunan Canal; Taihu Lake

隨著太湖流域經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,各類(lèi)廢污水排放量劇增,太湖水質(zhì)污染已成為當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展面臨的突出問(wèn)題,水污染防治是太湖流域面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)[1]。為確保太湖水質(zhì)達(dá)標(biāo),除了對(duì)現(xiàn)狀污染進(jìn)行治理外,從源頭減少向太湖排污也十分關(guān)鍵,必須保證各主要入湖河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

在污染物總量控制研究中,污染物通量的研究比污染物濃度更有價(jià)值[2]。目前,太湖流域污染物通量的研究已取得了一定的成果,羅縉等[3]利用全太湖流域平原河網(wǎng)水量水質(zhì)模型及污染負(fù)荷模型,對(duì)太湖流域豐、平、枯不同典型年不同季節(jié)主要入湖河道污染物入湖量進(jìn)行了全面系統(tǒng)的計(jì)算分析;陳亞男等[1,4]以主要入湖河流之一——望虞河為研究對(duì)象,利用水量、水質(zhì)計(jì)算模型,分析了望虞河各支流的污染物通量,確定了主要污染支流。然而,現(xiàn)有的太湖流域入湖河流污染物通量研究中未考慮上游輸入河網(wǎng)對(duì)入湖河流污染物通量的影響。本文基于一維河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,模擬2011年蘇南運(yùn)河與太湖主要入湖河流構(gòu)成的平原河網(wǎng)區(qū)污染物輸送及其轉(zhuǎn)化過(guò)程,計(jì)算分析受蘇南運(yùn)河影響的各主要入湖河流2011年的入湖污染物通量,在此基礎(chǔ)上,量化分析蘇南運(yùn)河對(duì)各主要入湖河流污染物通量的貢獻(xiàn)關(guān)系,以期為太湖流域污染治理提供參考依據(jù)。

1研究區(qū)概況

蘇南運(yùn)河及太湖主要入湖河流研究區(qū)地處江蘇省南部、中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長(zhǎng)江三角洲中部,北靠長(zhǎng)江,南至太湖邊界。蘇南運(yùn)河北起鎮(zhèn)江諫壁,南至蘇州平望,全長(zhǎng)210km。蘇南運(yùn)河直接影響的太湖主要入湖河流有梁溪河、小溪港、直湖港、武進(jìn)港,通過(guò)其支流武宜運(yùn)河間接影響的太湖主要入湖河流有太滆運(yùn)河、漕橋河、太滆南運(yùn)河、社瀆港、陳東港。

根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)水利工程實(shí)地調(diào)研結(jié)果,由于武進(jìn)港、直湖港入湖閘門(mén)目前已被封堵,武進(jìn)港、直湖港的污染物由原先經(jīng)雅浦港匯入太湖變?yōu)槟壳敖?jīng)錫溧運(yùn)河流入太滆運(yùn)河,最終匯入太湖,故認(rèn)為武進(jìn)港、直湖港的入湖污染物通量均為零;梁溪河流向常年向東流入京杭運(yùn)河,全年入湖污染物通量為零;小溪港閘門(mén)長(zhǎng)期封閉,開(kāi)閘時(shí)從太湖往外抽水,全年入湖污染物通量為零。本文在分析蘇南運(yùn)河對(duì)太湖主要入湖河流污染物通量的貢獻(xiàn)時(shí)不再考慮運(yùn)河對(duì)武進(jìn)港、直湖港、梁溪河、小溪港這4條入湖河流的影響,著重分析運(yùn)河對(duì)湖西區(qū)太滆運(yùn)河、漕橋河、太滆南運(yùn)河、社瀆港、陳東港5條入湖河流污染物通量的貢獻(xiàn)情況。

2模型建立

2.1模型基本方程

2.1.1水量模型

采用一維模型模擬蘇南運(yùn)河及太湖主要入湖河流構(gòu)成的平原河網(wǎng)區(qū)水流流態(tài),一維模型描述河流水流運(yùn)動(dòng)的方程組是建立在質(zhì)量及動(dòng)量守恒定律基礎(chǔ)上的Saint-Venant方程組[5-8],其完全形式為

(1)

式中:q為單位河流旁側(cè)入流;Q為河道斷面流量;A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;B為河寬;Z為水位;vx為旁側(cè)入流流速在水流方向上的分量,一般近似為零;K為流量模數(shù),反映河道的實(shí)際過(guò)流能力;α為動(dòng)量校正系數(shù),反映河道斷面流速分布均勻性;x為空間坐標(biāo);t為時(shí)間坐標(biāo)。

采用Preissman四點(diǎn)線性隱式格式對(duì)上述方程組進(jìn)行離散。離散后,經(jīng)過(guò)處理形成河網(wǎng)區(qū)統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)水位、流速線性方程組,其求解采用矩陣標(biāo)識(shí)法,最終可求得河流各斷面的水位及流量。

2.1.2水質(zhì)模型

水質(zhì)模型采用一維河流水質(zhì)模型,其基本方程為

(2)

式中:C為模擬物質(zhì)的濃度;u為河流平均流速;Ex為對(duì)流擴(kuò)散系數(shù);K為模擬物質(zhì)的一級(jí)衰減系數(shù)。

對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)是一個(gè)綜合參數(shù),包含了分子擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散以及剪切擴(kuò)散效應(yīng)。而在水質(zhì)數(shù)值模型中,對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)除了和物理背景相關(guān)之外,還和計(jì)算空間大小、時(shí)間步長(zhǎng)等相關(guān)。水質(zhì)模型通過(guò)以下經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算對(duì)流擴(kuò)散系數(shù):

(3)

式中:v是流速,來(lái)自水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果;a和b是設(shè)定的參數(shù)。

水質(zhì)模型的邊界條件可以由2011年太湖流域控制斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料分析得到。

2.2模型率定

2.2.1水量模型參數(shù)率定

根據(jù)《長(zhǎng)江流域水文年鑒(太湖區(qū))》2011年逐日流量及水位監(jiān)測(cè)資料,選取蘇南運(yùn)河及主要入湖河流平原河網(wǎng)區(qū)典型的水文站、水位站,采用試錯(cuò)法進(jìn)行水動(dòng)力模型參數(shù)率定,即根據(jù)各水文站、水位站實(shí)測(cè)的流量、水位資料,調(diào)試模型中各河道的糙率,使模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相吻合。經(jīng)過(guò)率定,蘇南運(yùn)河及主要入湖河流平原河網(wǎng)區(qū)的河道糙率為0.018～0.025。從圖1和圖2可知,模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好,水位絕對(duì)誤差平均約為0.02m,流量相對(duì)誤差平均約為10.4%,故建立的水量模型能較為準(zhǔn)確地模擬該河網(wǎng)區(qū)河流水流流態(tài)。

圖1　太滆運(yùn)河黃埝橋斷面2011年水位、流量率定結(jié)果

圖2　蘇南運(yùn)河楓橋斷面2011年水位、流量率定結(jié)果

2.2.2水質(zhì)模型參數(shù)率定

根據(jù)蘇南運(yùn)河及主要入湖河流平原河網(wǎng)區(qū)污染源及水質(zhì)污染的特點(diǎn),即區(qū)域內(nèi)主要污染源為生活污染,且主要超標(biāo)因子氨氮、TN、TP的排放強(qiáng)度大,選擇污染因子COD、氨氮、TN、TP作為水質(zhì)模擬對(duì)象,采用2011年1—12月太湖流域控制斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行率定,率定得到的COD降解系數(shù)為0.09～0.11d-1,氨氮降解系數(shù)為0.05～0.07d-1,TN降解系數(shù)為0.08～0.10d-1,TP降解系數(shù)為0.04d-1。水質(zhì)模型的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖3和圖4所示,模型率定相對(duì)誤差見(jiàn)表1。由表1可知,率定的水質(zhì)計(jì)算結(jié)果與大部分實(shí)測(cè)值吻合較好,故該模型可用于描述蘇南運(yùn)河及主要入湖河流平原河網(wǎng)區(qū)水質(zhì)變化過(guò)程。

圖3　太滆運(yùn)河分水?dāng)嗝?011年水質(zhì)率定結(jié)果

%

注:E<20%、E<30%分別表示模型率定誤差小于20%、30%所占的百分比[1,3]。

3計(jì)算方法

根據(jù)經(jīng)率定的河網(wǎng)水量、水質(zhì)模型計(jì)算出各主要入湖河流逐日平均流量、逐日平均水質(zhì)質(zhì)量濃度,利用下式計(jì)算各主要入湖河流入湖污染物通量值[9]:

圖4　蘇南運(yùn)河五牧斷面2011年水質(zhì)率定結(jié)果

t

(4)

式中:Wi為入湖河流i入湖污染物通量,t/a;ρi,j為入湖河流i第j日平均水質(zhì)質(zhì)量濃度,mg/L;Qi,j為入湖河流i第j日的流量,m3/s。

本文著重關(guān)注蘇南運(yùn)河對(duì)各主要入湖河流污染物通量的貢獻(xiàn)量,貢獻(xiàn)量的計(jì)算基于模型計(jì)算結(jié)果,計(jì)算出蘇南運(yùn)河通過(guò)其支流影響入湖河流的初始污染物通量W0,考慮污染物輸移過(guò)程中降解、分流等影響,利用下式計(jì)算蘇南運(yùn)河對(duì)某入湖河流污染物通量的貢獻(xiàn)量:

(5)

式中:Wi為蘇南運(yùn)河對(duì)入湖河流i污染物通量的貢獻(xiàn)量,t/a;n為分流次數(shù);α為分流比(圖5),由模型計(jì)算結(jié)果得出;xj為第j次分流處距蘇南運(yùn)河與武宜運(yùn)河交界點(diǎn)的距離(x0=0m),m;k為水質(zhì)降解系數(shù),d-1;u為水流流速,m/s。

圖5　蘇南運(yùn)河污染物通量貢獻(xiàn)量計(jì)算示意圖

4計(jì)算結(jié)果及分析

2011年湖西區(qū)太滆運(yùn)河、漕橋河、太滆南運(yùn)河、社瀆港、陳東港5條太湖主要入湖河流入湖污染物通量計(jì)算結(jié)果以及蘇南運(yùn)河對(duì)湖西區(qū)各主要入湖河流污染物通量的貢獻(xiàn)情況見(jiàn)表2。由表2可知:太滆運(yùn)河的入湖污染物通量相對(duì)于湖西區(qū)其他入湖河流較大,主要輸送來(lái)自常州武進(jìn)區(qū)、無(wú)錫地區(qū)的大量污染物;其次為陳東港、社瀆港、太滆南運(yùn)河,主要輸送來(lái)自溧陽(yáng)和宜興的污染物;漕橋河相對(duì)于湖西區(qū)其他幾條入湖河流入湖通量較小。

由于武進(jìn)港、直湖港閘門(mén)關(guān)閉后,污染物去向由原先的經(jīng)武進(jìn)港、直湖港流入太湖轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在經(jīng)錫溧運(yùn)河流進(jìn)太滆運(yùn)河,故蘇南運(yùn)河對(duì)太滆運(yùn)河COD、氨氮、TN、TP污染物通量的貢獻(xiàn)率較大,年均污染物通量的貢獻(xiàn)率約42%;蘇南運(yùn)河對(duì)漕橋河污染物通量的影響位居湖西區(qū)主要入湖河流第二,貢獻(xiàn)率約23%;由于地理位置因素,蘇南運(yùn)河對(duì)太滆南運(yùn)河、社瀆港、陳東港污染物通量的年均貢獻(xiàn)率由北向南依次減小,分別為15%、12%、7%。

蘇南運(yùn)河雖然作為上游來(lái)水,與太湖水量交換頻繁,但其對(duì)湖西區(qū)主要入湖河流入湖通量的整體貢獻(xiàn)率約為23%,除對(duì)太滆運(yùn)河影響較大外,對(duì)其他湖西區(qū)入湖河流污染物通量的影響不明顯。

5結(jié)論

a. 受蘇南運(yùn)河影響的湖西區(qū)5條主要入湖河流(太滆運(yùn)河、漕橋河、太滆南運(yùn)河、社瀆港、陳東港)2011年污染物入湖總量COD為87910t、氨氮為8983t、TN為30306t、TP為1153 t,其中,太滆運(yùn)河的入湖污染物通量值最大。

b. 作為上游來(lái)水,蘇南運(yùn)河對(duì)湖西區(qū)主要入湖河流污染物通量的整體貢獻(xiàn)率約23%,其中,對(duì)太滆運(yùn)河污染物通量的貢獻(xiàn)率最大,約42%,漕橋河次之,約23%,對(duì)太滆南運(yùn)河、社瀆港、陳東港污染物通量的貢獻(xiàn)率由北向南依次減小。

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·簡(jiǎn)訊·

紀(jì)念河海大學(xué)建校100周年、《水資源保護(hù)》

創(chuàng)刊30周年特刊緊急征稿進(jìn)展

2015年喜逢河海大學(xué)建校100周年和《水資源保護(hù)》創(chuàng)刊30周年。為了紀(jì)念河海大學(xué)建校100周年和《水資源保護(hù)》創(chuàng)刊30周年,《水資源保護(hù)》編輯部于2015年8月初開(kāi)展了面向全國(guó)知名教授、專(zhuān)家,尤其本刊編委緊急征稿的活動(dòng),擬于2015年10月底出版紀(jì)念河海大學(xué)建校100周年、《水資源保護(hù)》創(chuàng)刊30周年特刊(正刊出版)。征稿得到了全國(guó)范圍內(nèi)專(zhuān)家、教授,尤其本刊編委的大力支持,截至2015年9月10日,已經(jīng)收到高質(zhì)量來(lái)稿12篇，已經(jīng)答應(yīng)賜稿,但還沒(méi)有來(lái)稿的有10余人。預(yù)計(jì)到約定的出版時(shí)間——2015年10月下旬,一本高質(zhì)量的紀(jì)念河海大學(xué)建校100周年和《水資源保護(hù)》創(chuàng)刊30周年的特刊將呈現(xiàn)在廣大讀者面前。

(本刊編輯部供稿)