太湖流域跨界區(qū)域水污染物通量數(shù)值模型構(gòu)建與應用

莊　巍,王　曉,逄　勇,李維新

(1.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,江蘇 南京　210042; 2.河海大學環(huán)境學院,江蘇 南京　210098;

3.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇 南京　210098)

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太湖流域跨界區(qū)域水污染物通量數(shù)值模型構(gòu)建與應用

莊巍1,王曉2,3,逄勇2,3,李維新1

(1.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,江蘇 南京210042; 2.河海大學環(huán)境學院,江蘇 南京210098;

3.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇 南京210098)

摘要：以太湖全流域河網(wǎng)模型為基礎,構(gòu)建跨界區(qū)域套網(wǎng)格水環(huán)境數(shù)學模型,并利用31個蘇浙滬跨界斷面實測資料進行率定。提出跨界區(qū)域水污染物通量值、通量閾值以及超標通量值的計算方法,采用實時校核及區(qū)域疊加技術,形成蘇浙滬跨界區(qū)域水污染物通量數(shù)值計算體系。在集成開發(fā)的跨界區(qū)域污染物通量監(jiān)控系統(tǒng)中,初步開展了跨界通量計算的業(yè)務化應用。

關鍵詞：太湖流域;污染物通量;水環(huán)境數(shù)學模型;河網(wǎng);系統(tǒng)集成

太湖流域蘇浙滬跨界區(qū)域是典型的平原感潮河網(wǎng)地區(qū),河網(wǎng)湖蕩密布,水流往復不定,水文水質(zhì)形勢復雜多變,跨省各行政區(qū)污染責任界定不清,污染事故和水質(zhì)考核矛盾突出,單一的水質(zhì)濃度指標難以完全反映區(qū)域水質(zhì)問題、界定上下游的相互影響。因此,有必要開展跨界區(qū)域水污染通量方面的研究[1-2]。

近年來,太湖流域有關水污染物通量的報道多集中于通過水文基站觀測或水文巡測獲取流量,并結(jié)合同期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來進行整編測算分析[3-7]。這極大地依賴于同步監(jiān)測點位布設情況,且多以入湖河流與湖體間的污染物通量為討論主體。由于感潮河網(wǎng)區(qū)流向順逆不定,如果直接利用已有常規(guī)監(jiān)測站點數(shù)據(jù)進行通量測算,則監(jiān)測點位分布、監(jiān)測頻次方面難以滿足要求;而開展河網(wǎng)區(qū)野外同期水量水質(zhì)實測,則需要消耗大量的人力物力,難以長期持續(xù)開展。以上限制因素導致目前對于感潮河網(wǎng)污染物通量方面的研究較少。通過構(gòu)建水環(huán)境數(shù)學模型,開展復雜水系河湖之間、河道之間的水污染物通量研究[2,8]。通過模型運算獲得跨界區(qū)域污染物過境通量數(shù)據(jù),有利于整合優(yōu)化有限的監(jiān)測站位,對于河網(wǎng)區(qū)域具有應用價值。

表1　太湖流域蘇浙滬跨界區(qū)域累計流向統(tǒng)計結(jié)果

此外,GIS技術近年來在水環(huán)境管理領域獲得長足發(fā)展,結(jié)合水環(huán)境數(shù)值模型,通過GIS手段進行直觀可視化表達,提供友好的用戶交互環(huán)境,有助于提高工作效率,在環(huán)境管理工作中具有現(xiàn)實意義[9-10]。建立流域?qū)用娴目缧姓^(qū)的水環(huán)境監(jiān)控及通量測算系統(tǒng),為跨界矛盾提供協(xié)商交流平臺,是各級環(huán)保管理部門的迫切需求。

筆者針對太湖跨界河網(wǎng)區(qū)的環(huán)境特征,構(gòu)建跨界區(qū)域套網(wǎng)格水環(huán)境數(shù)學模型,提出跨界區(qū)域通量計算、閾值確定和超標通量計算方法,建立實時校核及區(qū)域疊加的太湖流域跨界區(qū)域主要水污染物通量計算模式,并利用集成開發(fā)的水污染物通量監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)初步業(yè)務化應用。

1研究區(qū)域概況

太湖流域跨界區(qū)域為蘇浙滬兩省一市交界,包括位于蘇滬長江交界點至汾湖大橋的蘇滬線,長約114 km;汾湖大橋至金山區(qū)的滬浙線,長約82 km;汾湖大橋至吳溇太湖點的蘇浙線,長約109km。研究區(qū)域內(nèi)地勢低平,屬于典型的平原河網(wǎng)區(qū)。

在蘇浙滬邊界上共設置了31個河流國控省級跨界斷面,位置分布見圖1。受潮汐作用影響,太湖流域跨界區(qū)域內(nèi)水流方向復雜多變,水質(zhì)變化規(guī)律復雜。根據(jù)水利部太湖流域管理局發(fā)布的2009年3月—2012年12月的《太湖流域及東南諸河省界水體水資源狀況通報》,按照跨界斷面所處省界區(qū)域進行流向的累計統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果(表1)表明該區(qū)域內(nèi)水流具有明顯的往復流特征。

圖1　太湖流域蘇浙滬跨界交界線及跨界斷面位置分布

2跨界區(qū)域套網(wǎng)格水環(huán)境數(shù)學模型構(gòu)建及通量計算方法

2.1　跨界區(qū)域水環(huán)境數(shù)學模型構(gòu)建

為提高跨界控制區(qū)域通量計算精度,以文獻[10-11]構(gòu)建的太湖全流域河網(wǎng)模型為基礎,對跨界區(qū)域范圍進行局部加密,構(gòu)建跨界區(qū)域套網(wǎng)格水環(huán)境數(shù)學模型。根據(jù)跨界水環(huán)境控制區(qū)劃分成果[12],確定了包含太倉市、昆山市、吳江區(qū)、嘉定區(qū)、青浦區(qū)、金山區(qū)、松江區(qū)、湖州市南潯區(qū)、桐鄉(xiāng)市、嘉善縣、嘉興市區(qū)、平湖市等區(qū)域的套網(wǎng)格水環(huán)境模型模擬范圍?？缃缢h(huán)境套網(wǎng)格數(shù)學域模型共設置河道190條,河道斷面間距(計算水位點)300～1 000 m,模型計算網(wǎng)格(計算水位點、流量點)總數(shù)約為639個。太湖流域跨界區(qū)域套網(wǎng)格河網(wǎng)概化情況見圖2。

圖2　套網(wǎng)格水環(huán)境模型河網(wǎng)示意圖

2.2　跨界區(qū)域水環(huán)境數(shù)學模型率定

跨界套網(wǎng)格水環(huán)境數(shù)學模型設置46個開邊界,按照上游流量、下游水位的原則分別設置8個流量邊界,38個水位邊界。模型邊界采用跨界控制區(qū)內(nèi)56水文水位站點逐日監(jiān)測及48個水質(zhì)站點逐月監(jiān)測資料;部分沒有實測資料的,由太湖水環(huán)境數(shù)學模型計算值提供。

2.2.1水動力參數(shù)率定

利用太湖跨界控制區(qū)內(nèi)水文水位站的2011年實測數(shù)據(jù)對模型動力參數(shù)進行率定。考慮跨界控制區(qū)各個水環(huán)境管理區(qū)內(nèi)水系河道的水文水系特征不同,故以各控制區(qū)為單位分區(qū)進行模型水動力參數(shù)率定,率定結(jié)果見表2。

圖3　2011年主要跨界斷面水位計算值與實測值對比

區(qū)域名稱水環(huán)境控制區(qū)蘇滬蘇浙滬浙蘇浙蘇滬滬浙滬蘇浙糙率0.020~0.0260.020~0.0280.020~0.0270.020~0.0260.022~0.0270.022~0.028

利用2011年跨界斷面實測資料與模型計算結(jié)果進行對比分析,結(jié)果表明,水文水動力模型水位模擬結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好,2011年最高及最低日均水位、水位過程線趨勢與實測資料擬合情況較好,全年期水位模擬結(jié)果與實測結(jié)果的平均誤差小于15 cm。部分跨界斷面水位率定對比見圖3。

2.2.2水質(zhì)參數(shù)率定

利用跨界區(qū)域2011年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型水質(zhì)參數(shù)進行率定。由于不同的區(qū)域水系河道具有不同的水動力特征,而水動力條件對污染物的遷移和轉(zhuǎn)化會產(chǎn)生一定的影響,因此結(jié)合跨界控制區(qū)各個子控制區(qū)的水文水系及污染分布特征,以各子控制區(qū)為單位分區(qū)率定得到模型水質(zhì)參數(shù),參數(shù)結(jié)果見表3。

表3　跨界套網(wǎng)格水環(huán)境數(shù)學模型水質(zhì)參數(shù)率定結(jié)果

本次河網(wǎng)水質(zhì)模型率定參數(shù)選取CODMn、NH3-N、TP 3種污染物指標,利用2011年跨界控制區(qū)內(nèi)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果進行對比,得到31個跨界斷面水質(zhì)計算值和實測值的相對誤差。結(jié)果表明，2011年跨界區(qū)域內(nèi)斷面水質(zhì)模擬吻合度較好,平均相對誤差在25%以內(nèi)。部分跨界斷面水質(zhì)率定對比見圖4。

圖4　2011年部分跨界斷面污染物質(zhì)量濃度計算值與實測值對比

2.3　跨界區(qū)域水污染物通量計算模型

2.3.1跨界區(qū)域通量計算方法

跨界區(qū)域污染通量計算公式為

(1)

式中:W為跨界區(qū)域出入境污染物通量;i為計算天數(shù)；j為計算區(qū)域內(nèi)河道數(shù)量;ρij為跨界區(qū)域內(nèi)各河道跨界斷面水質(zhì)質(zhì)量濃度;Qij為跨界區(qū)域內(nèi)各河道跨界斷面流量;αi為該區(qū)域通量校核系數(shù)。

基于區(qū)域污染物通量計算公式(1),利用太湖流域水環(huán)境數(shù)學模型及已建立的31個蘇浙滬跨界污染物通量監(jiān)測站點的實測資料,建立蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間的污染物通量計算體系。該體系采用實時校核及區(qū)域疊加技術,即用區(qū)域內(nèi)部分斷面實測通量指標與模型計算結(jié)果進行實時訂正,所得訂正系數(shù)用以校核區(qū)域內(nèi)其他河道通量計算結(jié)果，并將區(qū)域內(nèi)所有河道實時計算通量值疊加,以期計算一定時間內(nèi)區(qū)域內(nèi)污染物通量值。

2.3.2跨界區(qū)域通量閾值計算方法

在區(qū)域通量計算公式的基礎上,根據(jù)太湖流域90%設計水文年的年均流量值與水功能區(qū)劃的水質(zhì)目標值,計算得到各個河段的通量閾值?？缃鐓^(qū)域污染通量閾值計算公式為

(2)

式中:WS為跨界區(qū)域出入境污染物通量閾值;j為區(qū)域內(nèi)河道數(shù)量,ρS為計算區(qū)域內(nèi)各個河段的水功能區(qū)劃水質(zhì)目標值;Qj為跨界區(qū)域各河道90%設計水文年平均流量。

a. 確定設計水文年。主要依據(jù)太湖流域的降水量資料選取典型年。考慮太湖流域各水文分區(qū)的雨量站的分布,采用丹陽、茅東、趙村、溧陽、宜興、常州、陳墅等80多個雨量站1954—2012年共58年的年降水量資料進行頻率分析,最終確定1971年的枯水保證率為90%。

b. 確定水質(zhì)目標。根據(jù)國務院2010年批復的《太湖流域水功能區(qū)劃》,跨界控制區(qū)內(nèi)水功能區(qū)劃共151處,其中江蘇省水功能區(qū)劃25處,浙江省55處,上海市28處,省界水功能區(qū)劃43處。根據(jù)各水功能區(qū)對應水質(zhì)指標進行水質(zhì)目標確定。

2.3.3跨界區(qū)域超標通量計算方法

跨界區(qū)域污染超標通量計算公式為

(3)

式中:W為跨界區(qū)域出入境污染物通量;WC為跨界區(qū)域出入境污染物超標通量。

3跨界區(qū)域水污染物通量監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建與應用

3.1　跨界區(qū)域通量監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

通過Web-GIS等開發(fā)手段進行系統(tǒng)集成耦合,將跨界通量測算體系中的相關水環(huán)境信息及數(shù)值模型等嵌入GIS管理平臺,研發(fā)具備水質(zhì)在線監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析、水環(huán)境數(shù)學模型構(gòu)建及計算分析、水污染物通量動態(tài)測算等功能的跨界區(qū)域水污染物通量監(jiān)控系統(tǒng),其系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)集成總體結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)將水環(huán)境信息與空間信息緊密結(jié)合,可直觀形象地展示模型河道及關鍵斷面水質(zhì)計算結(jié)果信息;基于前述通量核算體系,可實現(xiàn)蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間水污染物通量的動態(tài)計算,以及跨界區(qū)域通量超標預警(圖6)。

圖6　跨界區(qū)域水污染物通量監(jiān)控系統(tǒng)部分功能截屏

3.2　跨界區(qū)域通量計算及分析

3.2.1跨界區(qū)域水污染物通量計算

對跨界控制區(qū)涉及的江蘇省蘇州市、浙江省湖州市、浙江省嘉興市及上海市內(nèi)14個縣區(qū)進行分析,確定了10個水污染物出(入)省界交換縣區(qū),基于蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間的水污染物通量計算體系,利用通量計算公式(1),采用2009—2012年跨界區(qū)域水文、水質(zhì)實測資料,計算得到了蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間的逐月水污染物通量值。其中2011年跨界區(qū)域水污染物通量計算結(jié)果見表4。

表4　2011年各縣區(qū)跨界水污染物通量計算結(jié)果 　t/a

3.2.2跨界區(qū)域通量閾值計算

根據(jù)90%枯水保證率水文條件及水功能區(qū)劃水質(zhì)目標,利用跨界區(qū)域水污染通量閾值計算公式(2),計算得到了蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間跨界污染物通量閾值,見表5。

3.2.3跨界區(qū)域超標通量計算

基于蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間的水污染物通量計算結(jié)果與通量閾值,利用跨界區(qū)域水污染超標通量計算公式(3),計算得到了蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間2009—2012年的逐月水污染物超標通量值,其中2011年超標通量計算結(jié)果見表6。由表6可知,2011年內(nèi),跨界區(qū)交界行政區(qū)間,江蘇—上海交界處的COD超標通量最高,而浙江—上海交界處NH3-N及TP的超標通量最高。

表5　各縣區(qū)主要河道跨界水污染物通量閾值計算結(jié)果　t/a

表6　2011年各縣區(qū)跨界水污染物超標通量計算結(jié)果　t/a

4結(jié)語

在太湖流域大網(wǎng)模型基礎上,構(gòu)建了蘇浙滬跨界區(qū)域河網(wǎng)加密的套網(wǎng)格水環(huán)境數(shù)學模型,利用水文、水質(zhì)同步監(jiān)測數(shù)據(jù)率定得到各項模型參數(shù)。利用污染物通量計算原理,建立了跨界區(qū)域污染物通量計算模型,并結(jié)合太湖流域已建立的31個蘇浙滬跨界污染物監(jiān)測站點的實測數(shù)據(jù),采用實時校核及區(qū)域疊加技術,構(gòu)建了蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間的污染物通量計算體系。

利用2009—2012年跨界區(qū)域水文、水質(zhì)實測資料,計算得到了蘇浙滬跨界區(qū)域各行政區(qū)間的污染物通量。其中,2011年的跨界區(qū)水污染物超標通量計算值表明,跨界區(qū)域交界行政區(qū)間,江蘇—上海交界處COD超標通量最高,浙江—上海交界處NH3-N及TP的超標通量最高。計算結(jié)果可為跨界矛盾調(diào)處、責任認定、生態(tài)補償?shù)拳h(huán)境管理提供科學量化依據(jù)。

采用二次開發(fā)系統(tǒng)耦合技術,研發(fā)了跨界區(qū)域水污染物通量監(jiān)控系統(tǒng),并開展了初步業(yè)務運行。該系統(tǒng)可在太湖跨界區(qū)域污染責任認定、跨省界矛盾協(xié)調(diào)等環(huán)境管理工作中發(fā)揮重要作用,具有一定的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益,具有良好的應用及發(fā)展前景。

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Establishment and application of numerical model of water pollutants flux for trans-boundary regions of Taihu Lake Basin

ZHUANG Wei1, WANG Xiao2,3, PANG Yong2,3, LI Weixin1

(1.NanjingInstituteofEnvironmentalSciences,MinistryofEnvironmentalProtection,Nanjing210042,China;

2.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

3.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourcesDevelopmentonShallowLakes,Ministryof

Education,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Based on a whole river network model of Taihu Lake Basin, a nested local mathematical model of water environment was established, calibrated by data from the 31 existed monitoring sites in trans-boundary regions of Jiangsu, Zhejiang and Shanghai. Flux of pollutants, flux threshold and excessive flux value methods for calculating water pollutants in trans-boundary regions were proposed, combined with real-time verification and the domain superposition technique. Subsequently, a water pollutants flux monitoring system for trans-boundary regions of Jiangsu, Zhejiang and Shanghai was developed, in which the primarily operational application was carried out.

Key words：Taihu Lake Basin; flux of pollutants; mathematical model of water environment; river network; system integration

(收稿日期：2015-10-08編輯：彭桃英)

中圖分類號：X830.3

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)01-0036-06

作者簡介:莊巍(1981—),男,助理研究員,博士,主要從事水環(huán)境資源保護方面研究。E-mail:zhuangwei@nies.org通信作者:李維新,研究員。E-mail:lwx@nies.org

基金項目:水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07506-007,2014ZX07101-011);中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項(2015-33);浙江省自然科學基金資助項目(LQ14G030020)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.005