基于水動力-水質(zhì)模型的湖庫納污能力量化

張永勇, 花瑞祥,2

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室,北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

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基于水動力-水質(zhì)模型的湖庫納污能力量化

張永勇1, 花瑞祥1,2

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室,北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

“湖庫納污紅線的核定”是我國最嚴(yán)格水資源管理制度中三大核心內(nèi)容之一，也是保障城市供水安全、水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵問題之一。我國現(xiàn)行納污能力的計算往往采用對穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型的解析求解，但無法獲得不同來水、排污和內(nèi)源污染等多種因素影響下水體納污能力的時空動態(tài)變化。水動力-水質(zhì)模型能夠反映湖庫水質(zhì)和外部營養(yǎng)負(fù)荷之間的定量關(guān)系，可精細(xì)模擬水質(zhì)指標(biāo)在庫區(qū)內(nèi)的時空變化過程?；贓FDC模型，以深圳市重要飲用水源地——石巖水庫為例，構(gòu)建了水庫三維水動力-水質(zhì)模型，動態(tài)模擬了水位和水質(zhì)的時空變化；并按照水功能區(qū)目標(biāo)要求，探討了該水庫典型年的納污能力的季節(jié)性變化。結(jié)果表明：EFDC模型能夠準(zhǔn)確模擬石巖水庫水動力和水質(zhì)要素的變化過程，水位、CODMn和NH3-N模擬的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.97、0.60和0.90；基于構(gòu)建的三維水動力-水質(zhì)模型，考慮到排放口位置和條件、水質(zhì)的時空分布特點、底泥釋放等實際因素，計算得到石巖水庫2011年CODMn和NH3-N納污能力分別為2 158、511 t/a；納污能力的季節(jié)性差異很明顯，夏季和秋季較大，春季和冬季較小。研究成果可為我國飲用水源地水質(zhì)管理和污染控制提供科學(xué)依據(jù)，也可為我國最嚴(yán)格水資源管理制度的實施提供一定的參考和借鑒。

納污能力；三維水動力-水質(zhì)模型；模型試錯法；時空變化；石巖水庫

2011年中央一號文件明確提出實行最嚴(yán)格水資源管理制度，確立了水資源開發(fā)利用控制、用水效率控制和水功能區(qū)限制納污“三條紅線”，從制度上推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與水資源、水環(huán)境承載能力相適應(yīng)。湖庫作為我國重要的供水水源[1]，其水質(zhì)狀況關(guān)系到城市的供水安全，影響社會的穩(wěn)定和發(fā)展[2-3]。但近年來，城市的急劇擴(kuò)張和經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展使得城市湖庫的水質(zhì)問題越來越嚴(yán)重，水污染風(fēng)險越來越大[4-7]。合理地確定湖庫的納污能力，制定污染物源頭控制和減排方案是改善城市湖庫水環(huán)境的關(guān)鍵，同時也是考核各級地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的關(guān)鍵指標(biāo)之一[8]。

納污能力是指對于一定的水域，在給定的設(shè)計水文條件、水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)、排污口位置及排放方式條件下，水體所能容納污染物的最大負(fù)荷，其大小與水體特征、水質(zhì)目標(biāo)及污染物特性有關(guān)，通常以單位時間內(nèi)水體所能承受的污染物總量表示[9-11]。公式解析法是目前我國《水域納污能力計算規(guī)程》(GB/T 25173—2010)的主要推薦方法，該方法采用穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型解析解或數(shù)值解建立污染源與水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系，從而獲得水域納污能力。公式法概念清晰、計算簡便,但由于公式法有不同的表達(dá)方式，常常使得納污能力的計算結(jié)果不同，而且無法考慮不同來水、排污、氣象條件以及內(nèi)源污染等多種情況下水體納污能力的時空動態(tài)變化[12-17]。

由于水域的納污能力與水體的動力特性密切相關(guān)，因此，在確定計算方法時，必須充分考慮水體的水動力條件[18]。水動力-水質(zhì)模型能夠更加真實地反映實際水體水質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，具備精確、穩(wěn)定以及空間信息可視化等優(yōu)點[19-20]。曾思育等[21]結(jié)合一維圣維南方程和CSTR 水質(zhì)概念模型，采用試錯法，估算了平原環(huán)狀河網(wǎng)的納污能力。劉曉波等[22]將入湖河流視為撫仙湖的污染源，基于平面二維湖泊水動力-水質(zhì)模型，計算了撫仙湖在規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)下，CODMn、TN 和 TP 的納污能力。

EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)模型是目前應(yīng)用最廣泛的水環(huán)境模型，在三維水動力計算方面具有突出優(yōu)勢，能夠模擬21種水質(zhì)因子的物理化學(xué)生物過程，不僅充分考慮了來水、排污、氣象要素、底泥釋放等條件對水體水質(zhì)的影響，還能刻畫出水質(zhì)的時空分布特征。本文以深圳市石巖水庫為例，將EFDC模型引入納污能力估算中；構(gòu)建了石巖水庫三維水動力-水質(zhì)模型，模擬水質(zhì)指標(biāo)在庫區(qū)內(nèi)的時空變化過程；基于該模型，綜合考慮氣象、底泥釋放、排污口位置和條件等因素，計算石巖水庫CODMn和NH3-N的納污能力；最終探討納污能力的季節(jié)性變化規(guī)律。研究成果可為我國飲用水源地水質(zhì)管理和污染控制提供科學(xué)依據(jù)，也可為我國最嚴(yán)格水資源管理制度的實施提供一定參考和借鑒。

1　數(shù)據(jù)與方法

1.1研究區(qū)概況

石巖水庫是深圳市四大水庫之一，建成于1960年。整個水庫總體呈現(xiàn)南淺北深、東淺西深的趨勢：向水廠供水的西北部最深，而石巖河入庫的東南區(qū)域最淺，如圖1所示。水庫的集水面積為44 km2，總庫容3 200萬 m3，正常蓄水位為36.6 m，是一座以供水為主，兼有防洪等綜合效益的中型水利樞紐工程，擔(dān)負(fù)著寶安區(qū)西部石巖、公明、光明、沙井、福永、松崗等6個地區(qū)的供水重任。據(jù)深圳水務(wù)信息顯示，截至2011年，石巖水庫總供水量占到深圳總供水量的五分之一。石巖河是石巖水庫最大的支流，發(fā)源于石巖街道辦事處東部的石龍仔，自東向西注入石巖水庫，石巖街道是一個經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的工業(yè)區(qū)，也是石巖水庫主要的污染源頭。

圖1　石巖水庫及其網(wǎng)格化示意圖

1.2研究數(shù)據(jù)

構(gòu)建模型所需的氣溫、氣壓、太陽輻射、風(fēng)速、風(fēng)向和云量等氣象數(shù)據(jù)，采用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)上深圳站的實測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間為2011年1月1日—2011年12月31日。蒸發(fā)和降水?dāng)?shù)據(jù)由石巖水庫附近的小型氣象觀測場實測得到，由于2011年全年的蒸發(fā)數(shù)據(jù)缺失一部分，本次研究中采用參照相近年份同一時間的蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插的方法得到完整的蒸發(fā)序列數(shù)據(jù)。石巖水庫進(jìn)出庫徑流的日流量、水位數(shù)據(jù)由深圳水務(wù)提供。深圳市水質(zhì)監(jiān)測中心2011年在庫心監(jiān)測點取水實測獲取了34組CODMn和NH3-N水質(zhì)數(shù)據(jù)，除1、2月外，平均10 d采樣1次。

1.3EFDC模型

EFDC模型是由John Hamrick于1988年在弗吉尼亞海洋科學(xué)研究所(Virginia Institute of Marine Science)開發(fā)的，此后由美國國家環(huán)保署(EPA) 資助開發(fā)并推薦使用。EFDC模型集水動力、水質(zhì)和泥沙-有毒物質(zhì)遷移模塊于一體，可以用于水系統(tǒng)一維、二維和三維數(shù)值模擬，具有計算效率較高、源代碼開源、方便二次開發(fā)等優(yōu)點，是目前國內(nèi)外水環(huán)境模擬和預(yù)測研究中應(yīng)用最廣的模型之一，適用于湖庫、河流和海灣等多種水域[23-24]。

1.3.1水動力模塊

EFDC 水動力學(xué)方程在水平方向上采用曲線正交坐標(biāo)系，垂直方向上采用σ坐標(biāo)變換，采用靜水壓強假定和Boussinesq近似。模型的計算采用交錯網(wǎng)格上的內(nèi)外模式分裂法求解，運用二階精度的有限差分格式，外模采用半隱差分格式，內(nèi)模采用隱式差分格式。EFDC 動量方程為公式(1)—(3)，分別為x、y、H3個方向上的動量方程；連續(xù)方程為(4)—(5)，狀態(tài)方程為(6)。

?t(mHμ)+?x(myHμμ)+?y(mxHνμ)+?z(mωμ)-(mf+ν?xmy-μ?ymx)Hν=-myH?x(gξ+p)-my(?xh-z?xH)?zp+?z(mH-1Av?zμ)+Qμ,

(1)

?t(mHν)+?x(myHμν)+?y(mxHνν)+?z(mων)-(mf+ν?xmy-μ?ymx)Hμ=-myH?y(gξ+p)-mx(?yh-z?yH)?zp+?z(mH-1Av?zν)+Qν,

(2)

?zp=-gH(ρ-ρ0)ρ0-1=-gHb,

(3)

?t(mξ)+?x(myHμ)+?y(mxHν)+?z(mω)=0,

(4)

ρ=ρ(p,S,T)。

(6)

式中：μ為坐標(biāo)x方向上的邊界擬合正交曲線速度分量；ν為坐標(biāo)y方向上邊界擬合正交曲線的速度分量；ω為坐標(biāo)z方向上邊界擬合正交曲線的速度分量；mx和my分別為度量張量對角元素的平方根；m為度量張量行列式的平方根，m=mxmy；Av為垂向紊動黏滯系數(shù)；Ab為垂向紊動擴(kuò)散系數(shù)；f為科里奧利系數(shù)；p為壓力；ρ為混合密度；ρ0為參考密度；S為鹽度；T為溫度。

1.3.2水質(zhì)模塊

水質(zhì)模塊在水動力模塊提供的物理條件并考慮泥水界面行為的基礎(chǔ)上[25]，模擬溶解態(tài)和顆粒態(tài)的碳、氮、磷以及COD、DO等21種水質(zhì)因子的物理化學(xué)生物過程。水質(zhì)變量的質(zhì)量守恒控制方程由物質(zhì)輸移、平流擴(kuò)散和動力學(xué)過程組成：

(7)

式中：Kx、Ky和Kz分別為x、y和z方向的擴(kuò)散系數(shù)；Sc為單位體積源匯項，其他同上。

1.3.3研究區(qū)概化

采用正方形網(wǎng)格，將研究區(qū)劃分為1 096個網(wǎng)格，其大小為50 m×50 m，垂直方向上采用標(biāo)準(zhǔn)σ坐標(biāo)系，劃分為5層，各層所占水深比例均為0.2。

1.3.4邊界條件和初始條件

水庫的動力邊界條件可以概化為石巖河入庫徑流、鐵崗水庫調(diào)水、鵝頸水庫調(diào)水以及向水廠供水、轉(zhuǎn)供水和溢洪道，其中,前3項為入庫徑流，后3項為出庫徑流。

本次研究模擬的時段為2011年1月1日至2011年12月31日，模型的計算時間步長為10 s，輸出時間步長為1 d。初始水位設(shè)定為2011年1月1日的水位，為35.40 m。水流的初始速度分量均設(shè)為0 m/s。初始水質(zhì)參數(shù)CODMn和NH3-N濃度分別為2.80、0.81 mg /L。

1.3.5模型的評估

通過手動調(diào)參的方式對構(gòu)建的石巖水庫三維水動力-水質(zhì)模型進(jìn)行參數(shù)率定。模型模擬的指標(biāo)有水位、CODMn和NH3-N。本文選用相關(guān)系數(shù)(R)、均方根誤差(RMSE)和偏差(BIAS)來衡量模型的模擬效果，計算公式見式(8)—(10)。

(8)

(9)

(10)

1.4納污能力量化方法

1.4.1納污能力量化的前提假設(shè)

鐵崗水庫和鵝頸水庫是深圳市重要的供水水庫，其水質(zhì)狀況優(yōu)良，對石巖水庫的水質(zhì)不構(gòu)成威脅。而石巖河流經(jīng)的石巖街道是一個經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的工業(yè)區(qū)，使得石巖河成為造成石巖水庫水質(zhì)問題的最大潛在因素。因此，本研究在量化石巖水庫納污能力中，不改變從鐵崗水庫和鵝頸水庫調(diào)水入庫的負(fù)荷，而只改變石巖河的入庫負(fù)荷。此外，兼顧水庫水質(zhì)達(dá)標(biāo)和石巖街道經(jīng)濟(jì)發(fā)展的雙重目標(biāo)，本文以庫心水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水作為石巖水庫納污能力量化計算的目標(biāo)。

1.4.2納污能力的計算過程

以構(gòu)建的石巖水庫三維水動力-水質(zhì)模型為基礎(chǔ)，在2011年氣象、水文、邊界、模型參數(shù)等條件不變的前提下，不改變鐵崗水庫和鵝頸水庫的入庫負(fù)荷，通過逐步改變不同時間段石巖河的入庫污染負(fù)荷量，使得石巖水庫在容納最大污染負(fù)荷的同時水質(zhì)也能達(dá)標(biāo)。

2　結(jié)果與討論

2.1水動力-水質(zhì)模擬結(jié)果

圖2和圖3分別為石巖水庫2011年水位、CODMn和NH3-N濃度的模擬結(jié)果。模型主要率定的參數(shù)和最終取值見表1，而模擬最終結(jié)果見表2。

從圖2和表2中可以看出：在水庫的枯水期和豐水期,模型模擬的效果都非常好，只是在最后2個月,模擬值稍微偏低；模擬水位與實測水位的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.97，平均偏差只有0.001 m。因此,EFDC可以很好地模擬出石巖水庫每天的水位變化。

從圖3和表2中可以看出：模型可以較好地模擬石巖水庫CODMn的變化趨勢和變化幅度，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.60，只是在最后3個月的模擬值偏大；對于NH3-N的模擬，模型可以很好地模擬出水庫中NH3-N的變化趨勢，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.90，只是在第50—100天模擬值偏低，這可能和水庫在此期間的水質(zhì)實測值變化幅度很大有關(guān)。總體而言，水質(zhì)模型的模擬結(jié)果合理，與實測的水質(zhì)變化趨勢基本一致，可用于石巖水庫納污能力的量化計算。

圖2　石巖水庫模擬和實測水位

圖3　石巖水庫CODMn和NH3-N濃度模擬結(jié)果

參數(shù)取值備注單位KCD0．1COD降解速率d-1TRCOD20COD降解最適宜溫度℃rNitM0．06最大硝化速率gN/(m3·d-1)FNH40．01底泥釋放氨氮通量g/(m2·d-1)FCOD3底泥釋放COD通量g/(m2·d-1)

表2　模擬誤差結(jié)果

注:水位的RMSE單位是m；其余指標(biāo)的RMSE單位是mg/L。

2.2水庫水質(zhì)的時空分布特點

石巖水庫CODMn和NH3-N的濃度在1 a中均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(圖3)。水庫大部分區(qū)域CODMn的濃度符合Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn),如圖4所示。鐵崗水庫調(diào)水入庫的區(qū)域水質(zhì)最好，為Ⅰ類水，但由于混合作用使得水質(zhì)逐漸與周圍水體一致。而石巖河入庫區(qū)域的水質(zhì)比較差，尤其是春季和秋季，相當(dāng)大的一部分區(qū)域的水質(zhì)在劣Ⅴ類。此外，一些死水區(qū)CODMn濃度過高，主要由于這些區(qū)域水體流動性差且水深較淺，CODMn降解受到限制,容易發(fā)生聚集。

石巖水庫大部分區(qū)域NH3-N的濃度都達(dá)到了Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，如圖5所示。但是，不同季節(jié)相差較大，其中秋季NH3-N的濃度最低，春季的濃度最高。水庫中NH3-N濃度最高的區(qū)域為石巖河入庫區(qū)域，在降解和擴(kuò)散作用下濃度逐漸減小，而從鐵崗水庫調(diào)水入庫的區(qū)域，NH3-N的濃度都不超過0.15 mg/L，為Ⅰ類水。但是，由于混合作用，導(dǎo)致水質(zhì)隨空間距離的增加逐漸變差。此外，由于石巖水庫地處季風(fēng)氣候區(qū)，夏季盛行東南風(fēng)且氣溫較高，有利于水庫東南區(qū)域污染物質(zhì)的降解；而冬季盛行西北風(fēng)且氣溫較低，不利于降解，造成污染物質(zhì)在該區(qū)域冬季時的濃度高于夏季。

從圖4和圖5中也可以看出，水庫庫心位置的水質(zhì)類別與水庫大部分區(qū)域的水質(zhì)類別一致。因此，兼顧水資源的開發(fā)利用和保護(hù)，本文以庫心水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水為目標(biāo)來計算石巖水庫納污能力的做法是合理的。

圖4　石巖水庫CODMn四季空間分布圖

圖5　石巖水庫NH3-N四季空間分布圖

2.3納污能力分析

石巖水庫納污能力的計算結(jié)果見表3。石巖水庫CODMn和NH3-N納污能力計算的結(jié)果分別為2 158、511 t/a。CODMn和NH3-N的納污能力季節(jié)性差異很明顯，夏季和秋季較大，而春季和冬季相對較小，其中，NH3-N在秋季和春季的納污能力相差9倍。一方面與深圳市在夏、秋季氣溫高而且降水量大、受東南季風(fēng)影響有關(guān)，有利于CODMn和NH3-N的降解和稀釋；另一方面由于夏、秋季氣溫較高，有利于藻類的生長，使得水庫中大量的NH3-N被吸收，導(dǎo)致NH3-N在夏、秋季能容納的負(fù)荷量更大。

表3　石巖水庫納污能力量化的計算結(jié)果　t

圖6為石巖水庫庫心的NH3-N和CODMn年均濃度達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)時，水庫水質(zhì)類別的空間示意圖。由圖6可以看出，石巖水庫大部分區(qū)域的NH3-N和CODMn都是Ⅲ類水，在石巖河入庫區(qū)域的水質(zhì)最差，為劣Ⅴ類水，之后由于擴(kuò)散、降解等作用，尤其是鐵崗水庫調(diào)水入庫后的稀釋作用，使得從石巖河入庫的水質(zhì)迅速變好，達(dá)到了Ⅲ類水。整個水庫大部分區(qū)域的水質(zhì)類別為Ⅲ類，均達(dá)到深圳市供水水質(zhì)要求。

圖6　石巖水庫圖NH3-N和CODMn年均水質(zhì)類型示意圖

3　結(jié)語

1)基于EFDC構(gòu)建了石巖水庫三維水動力-水質(zhì)模型，模擬結(jié)果表明模型能夠較好地反映水庫水動力-水質(zhì)變化過程。

2)綜合考慮了氣象、底泥釋放、排污口位置和條件等因素，兼顧水資源的開發(fā)利用和保護(hù)，通過逐步改變不同時間段水庫最大潛在污染威脅的石巖河入庫負(fù)荷，以庫心水質(zhì)達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)Ⅲ類水為目標(biāo)，量化石巖水庫的納污能力。計算結(jié)果顯示,2011年石巖水庫CODMn和NH3-N納污能力分別為2 158、511 t/a。

3)納污能力的計算結(jié)果為石巖河的水質(zhì)控制提供了重要依據(jù)。為降低石巖水庫水環(huán)境惡化的風(fēng)險，可對石巖街道的污水排放采取總量控制的方式，對街道內(nèi)的工業(yè)污水排放實行許可制度。完善河道截污工程和石巖河人工濕地的建設(shè),也能對石巖河的水質(zhì)凈化發(fā)揮非常重要的作用。此外，還應(yīng)考慮到未來及現(xiàn)在的各種不確定和可變的情況，如水庫岸邊的菜地、果園等非點源污染、極端氣候條件等，在利用石巖水庫的納污能力時，應(yīng)考慮保留一定的容量以應(yīng)對突發(fā)事件。

三維水動力-水質(zhì)模型能夠定量反映負(fù)荷的增減與水質(zhì)之間的關(guān)系，并且能考慮底泥釋放和氣象條件等因素對水質(zhì)的影響，這些優(yōu)點都是其他方法所無法比擬的。但利用三維水動力-水質(zhì)模型量化納污能力，需要進(jìn)行大量試算，計算效率較低。因此，減少模型試算次數(shù)，提高計算效率已成為水動力學(xué)模型試錯法應(yīng)用的關(guān)鍵，可采用分時間段進(jìn)行試算。

[1]劉昌明,何希吾.中國21世紀(jì)水問題方略[M].北京:科學(xué)出版社,1998：1-25.

[2]梁濤,王浩,丁士明,等.官廳水庫近三十年的水質(zhì)演變時序特征[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2003,22(1):38-44.

[3]秦伯強,王小冬,湯祥明,等.太湖富營養(yǎng)化與藍(lán)藻水華引起的飲用水危機——原因與對策[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2007,22(9):896-906.

[4]楊桂山,馬榮華,張路,等.中國湖泊現(xiàn)狀及面臨的重大問題與保護(hù)策略[J].湖泊科學(xué),2011,22(6):799-810.

[5]朱廣偉,陳偉民,李恒鵬,等.天目湖沙河水庫水質(zhì)對流域開發(fā)與保護(hù)的響應(yīng)[J].湖泊科學(xué),2013,25(6):809-817.

[6]韓曉霞,朱廣偉,吳志旭,等.新安江水庫(千島湖)水質(zhì)時空變化特征及保護(hù)策略[J].湖泊科學(xué),2013,25(6):836-845.

[7]張永勇,王中根,于靜潔,等.流域COD減排核證研究—以淮河中上游為例[J].自然資源學(xué)報,2014,29(5):819-829.

[8]范麗麗,沙海飛,逄勇.太湖湖體水環(huán)境容量計算[J].湖泊科學(xué),2012,24(5):693-697.

[9]張永良.水環(huán)境容量基本概念的發(fā)展[J].環(huán)境科學(xué)研究,1992,5(3):59-61.

[10]環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院.全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南[R].北京:環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院,2003:46.

[11]鮑琨,逄勇,孫瀚.基于控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水環(huán)境容量計算方法研究[J].資源科學(xué),2011,33(2):249-252.

[12]董飛,劉曉波,彭文啟,等.地表水水環(huán)境容量計算方法回顧與展望[J].水科學(xué)進(jìn)展,2014,25(3):451-463.

[13]趙鑫,黃茁,李青云.我國現(xiàn)行水域納污能力計算方法的思考[J].中國水利,2012(1):29-32.

[14]HAN H Y,LI K Q,WANG X L,et al.Environmental capacity of nitrogen and phosphorus pollutions in Jiaozhou Bay,China:modeling and assessing[J].Marine Pollution Bulletin,2011,63:262-266.

[15]ZHANG R B,QIAN X,YUAN X C,et al.Simulation of water environmental capacity and pollution load reduction using QUAL2K for water environmental management[J].International Journal of Environmental Research and Public Health,2012,9(12):4504-4521.

[16]方曉波,張建英,陳偉,等.基于QUAL2K模型的錢塘江流域安全納污能力研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2007,27(8):1402-1406.

[17]楊喆,程燦,譚雪,等.官廳水庫及其上游流域水環(huán)境容量研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2015,29(1):163-168.

[18]李紅亮,李文體.水域納污能力分析方法研究與應(yīng)用[J].南水北調(diào)與水利科技,2006(增刊1):58-60.

[19]WANG Y H,JIANG Y Z,LIAO W H,et al.3-D hydro-environmental simulation of Miyun reservoir,Beijing [J].Journal of Hydro-environment Research,2014,8(4):383-395.

[20]ZHAO L,LI Y Z,ZOU R,et al.A three-dimensional water quality modeling approach for exploring the eutrophication responses to load reduction scenarios in Lake Yilong (China)[J].Environmental Pollution,2013,117:13-21.

[21]曾思育,徐一劍,張?zhí)熘?環(huán)狀河網(wǎng)水質(zhì)模型在水污染控制規(guī)劃中的應(yīng)用[J].水科學(xué)進(jìn)展,2004,15(2):193-196.

[22]劉曉波,彭文啟,何國建,等.基于水質(zhì)-污染源響應(yīng)關(guān)系的撫仙湖水環(huán)境承載力計算研究[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯,2011,26(6):652-659.

[23]Tetra Tech,Inc..The Environmental Fluid Dynamics Code Theory and Computation Volume 1:Hydrodynamics and Mass Transport[R].Fairfax,VA:Tetra Tech,Inc.,2007：3.

[24]陶亞.基于EFDC模型的深圳灣水環(huán)境模擬與預(yù)測研究[D].北京:中央民族大學(xué),2010：1-100.

[25]唐天均,楊晟,尹魁浩,等.基于EFDC 模型的深圳水庫富營養(yǎng)化模擬[J].湖泊科學(xué),2014,26(3):393-400.

(責(zé)任編輯：喬翠平)

Quantization of Pollutants Bearing Capacity in Lakes or Reservoirs Based on Hydrodynamic-Water Quality Model

ZHANG Yongyong1, HUA Ruixiang1,2

(1.Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China; 2.University of Chinese Academic Science, Beijing 100049, China)

“The approved of the red line of lakes and reservoirs pollutants bearing capacity” is one of the three core elements of the most stringent water management system in China, and also one of the key issues of protecting the security of water supply in cities and the sustainable use of water resources. Hydrodynamic and water quality model can quantitatively reflect the response of water quality to nutrient loads, and simulate temporal and spatial variation of water quality. In this paper, based on EFDC model, taking Shiyan Reservoir, an important source of drinking water in Shenzhen City, for an example, a three-dimensional hydrodynamic and water quality model in the reservoir was built to dynamically simulate the temporal and spatial variation of its water level and water quality. Furthermore, in accordance with the objectives and requirements of water function area, the seasonal variation of pollutants bearing capacity of the reservoir in a typical year is discussed. The results showed: (1) EFDC model could accurately simulate the hydrodynamic and water quality process in Shiyan Reservoir, and the correlation coefficient of the simulated water level, CODMnand NH3-N indexes reached 0.97, 0.60 and 0.90; (2) Based on the three dimensional hydrodynamics and water quality model, considering some practical factors such as the outfall location and conditions, temporal and spatial distribution of water quality, sediment release and so on, the calculated security pollutants bearing capacities of CODMnand NH3-N in the Shiyan Reservoir were 2 158 tons and 511 tons in 2011. And the seasonal variation of pollutants bearing capacity was very obvious; it was large in summer and autumn and small in spring and winter. The research results can provide a scienepsic basis for water quality management of drinking water sources and pollution control, as well as provide a certain reference for the implementation of the most strict water resources management system in China.

pollutants bearing capacity; three-dimensional hydrodynamics and water quality model; trial-and-error method; spatial and temporal distribution; Shiyan Reservoir

2016-07-01

國家自然科學(xué)基金面上項目(41271005)；中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所秉維優(yōu)秀青年人才計劃(2015RC201)；中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(2014041)。

張永勇(1981—)，男，湖北京山人，副研究員，博士，主要從事流域環(huán)境水文學(xué)方面的研究。E-mail:zhangyy003@igsnrr.ac.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.05.006

TV131.2;X524

A

1002-5634(2016)05-0033-07